結晶器保護渣的性能和特性匯總

1、結晶器保護渣的性能和特性1簡介在連鑄生產中結晶器保護渣起著主要作用。保護渣從結晶器頂部加入，向下 移 動逐步形成燒結層，熔融層和液渣層（見圖1）0液渣滲入結晶器涮板M止 之間，潤 滑坯殼。但是，大部分的液渣進入銅板與坯殼之間后，遇水冷結晶器銅板凝結并形成 玻璃狀的固態(tài)渣膜（大約2毫米厚）。薄液渣膜（大約0.1毫米厚）與坯殼一起移動 并為其提供液態(tài)潤滑。同時，玻璃渣也可部分結晶。一般認為固渣膜附在結晶器壁上， 或者如果移動，一定比坯殼的速度慢得多。結晶器振動防止坯殼粘結在結晶器上。同 渣膜的厚度和特性決定水平熱傳遞。總之，液渣股控制潤滑，固渣膜控制水平熱傳遞。圖1：結晶器內形成的各種渣層股認為液

2、渣層”度應超過振幅,才能保證保護渣滲透良好（如坯殼的潤滑）， 一般建議采用厚度10毫米。液二弓魚影響滲入結晶器銅板與坯殼之1卞的液渣量 和從鋼水進到液渣中的夾雜物數(shù)量。連鑄生產中保護渣有下列功能：1）防止彎廠面鋼水被氧化2）保溫，防止彎月面鋼水表面凝結3）提供液渣潤滑坯殼4）對澆鑄鋼種提供最佳水平熱傳遞5）吸附鋼水中的夾雜物所有上述功能都很重要，但在日常生產中最重要的潤滑和水平熱傳遞。影響 保 護渣性能的基本因素如下：澆鑄條件（拉速，Vc,振動特性）鋼種和結晶器尺寸結晶器液位控制（可導致 損爪等）鋼流，其紊動可導致多種問題，如氣泡和夾渣山此可見，要有效執(zhí)行上述工作需要優(yōu)化保護渣的物理性能。結晶

3、器保護渣的構成如下：70% （CaO+SiO：） ,0-6%Mg0, 2-6%Al 0s, 2-10%Na： 0 （+K： 0） , 0-10%F 帶有其他添加物，如 Ti0 , ZrO： , B 0 , Li=0 和MnO。堿度（CaO/%SiO2）范圍為0. 7-1. 3。碳以焦碳，碳黑和石墨方式加入 （2-20%） , 1）可控制保護淹的熔化速度,2）可在結晶器上部形成CO （g），防止鋼 水氧化。碳以固定碳方式存在保護渣中，因而可防止保護渣結塊,直到最后氧化 掉。這是控制保護渣熔化速率的機理。結晶器保護渣的性能和功能潤滑和保護渣消耗液態(tài)結晶器保護渣可潤滑鑄坯。如果保護渣完全在結晶器下部

4、結晶，就失去了 液態(tài)潤滑，就會發(fā)生許多問題（如龜裂）。因而鑄坯潤滑很重要。公式（1）中液體 摩擦力為幾，譏是結晶器速度，A是結晶器的面積。由此可見摩擦力減小，粘度n減 小，液渣膜厚度di增加。FFAn （Vs-Vo）/ dx（1）山于到角部的距離增加，摩擦力增加，因而保護渣消耗量Q：提供一種測量潤 滑的方法，主要取決于結晶器的大小。板坯中的摩擦力大方坯摩擦力方坯摩擦力， 并隨鋼水的粘度增加而增加。保護渣消耗量Q一般按公斤/屯鋼計算。采用公式（2） 將Q轉化為Q,保護渣公斤/nf （結晶器）。Q. = f* Qt 76/R= d.P（2）。表示保護渣產生的液渣的粒度級，P是液渣的密度，R是（結晶

5、器表面積），并 給2 （w+t） /wt, w和t是結晶器的厚度。摩擦力隨到角部的距離增加而增加，因此 板坯需要的潤滑（如較高的Q） 大方坯方坯。根據(jù)報告，保護渣消耗量不適宜，將導致各種鑄坯缺陷和問題，如下：1）縱裂，2）粘結漏鋼（總是與缺乏潤滑有關），3）深度振痕，4）橫角裂，5）三角區(qū)裂紋6）形成凹坑。保護渣的消耗與多種影響人I索有關。大多數(shù)人認為主要影響有兩種：1）用于潤滑 結晶器，Q泅，2）境補振痕4。采用三種數(shù)學模型，計算Qs,但近來顯示，常常過 高估II-7 Qon的數(shù)量。伊托亞瑪在報告中說，下列因素對也具有影響力：1）結晶器 鋼液面的液渣厚度,2）間隙（結晶器銅板和鑄坯）間的流入

6、量，3）結晶器振動提 高。通過計算各種澆注參數(shù)（拉速，保護渣粘度等）得出的Q,提出經驗值。近來， Q：的工廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示下列參數(shù)具有統(tǒng)計價值，如粘度，拉速，振動頻率f 和振幅以及熔化溫度（囂，見第5. 2章）或凝固溫度（0）。根據(jù)結晶器保護渣特點，保護渣消耗量隨保護渣粘度和熔化溫度降低而增加。熔化速率（MJ必須滿足液渣頃保護渣消耗）的需要。主要山以下因素控制:1）自曲碳的數(shù)量，2）碳顆粒的大小。可用公式（3）計算熔化速率。%Cf二-0. 016 張 +15. 41（3）保護渣在水平方向的熱傳遞q窗水平傳熱是一個復雜工藝，包含兩個原理，如對流傳導系數(shù)人和幅射傳導系數(shù)也 輻射傳導性包括輻射能的

7、吸收和再散發(fā)，并成為高溫下透明材料的主要傳導機制。采 用公式（4）計算輻射傳導力，光學厚條件（定義為ad3） , ci二吸收 系數(shù)，d二厚 度，。6二斯蒂芬一波爾姿曼常數(shù)，n二折射指數(shù)（一般大約為1.60）。 T是熱力學 溫度（K）。Ka=16 6n2 T3/3a（4）但是，在渣層中出現(xiàn)下列物質，么會大大降低：散射 放射的細晶體（消光系數(shù)，E二a+S, S是驅散系數(shù)，E應用于固體） 吸收放射的過渡鋼水氧化物，如FeO在板坯澆鑄過程中，估計熱傳遞穿過渣層形成Kp=10-30%K?-：3,但是在方坯澆鑄 中采用高粘度保護渣形成玻璃狀渣層則更有效。坯殼和結晶器間的熱傳遞的總阻力肌皿是一系列阻力，如圖

8、2和公式（5）所示。二+ （d/k）嚴（d/k） B1+ （d/k） s（5）圖2：影響水平熱傳遞的熱阻力簡圖日1是界面阻力，下標1, gl和cry分別表示液體層，玻璃層和結晶層?？蓪⒎派鋫鲗Я紤]為平行阻力。公式（5）中影響的最大因素是和2）固渣膜的厚度,如dfdfcU界面阻力Rew將隨1）固態(tài)渣層厚度d同和2）玻璃態(tài)（圖3）的增大而增加, 其大小約為5xl （Tin： KW。增大的玻璃態(tài)對日。心的影響可理解為收縮。、1玻酬 態(tài)粘度增加（PsPj時易形成氣隙（或表面粗糙）。圖3：澆鑄中碳鋼（MC）和低碳鋼（LC）時結晶器保護渣和玻璃態(tài)對界面阻力的 影向因此，影響保護渣水平傳熱最重要的參數(shù)是固

9、態(tài)渣層厚度（dw）和渣層中生 成的玻璃態(tài)渣膜白分比。其他相關參數(shù)如凝固和液相的熱傳導系數(shù)，吸收系數(shù)，消光 系數(shù)和折射系數(shù)。絕熱保溫（垂直方向的傳熱）保護渣層必須提供足夠的絕熱保溫效果，防止結卅忌衣而結冷鋼。減少垂直 （QA），對減少振痕深度和減少鑄坯表面針孔氣泡部很重要（圖4）。絕熱取決于 渣層的特性，但是總的來說，在下列情況下，絕熱增加：1）特殊保護渣突出的顆粒球形顆粒2）減小顆粒尺寸3）增加渣層用度4）添加發(fā)熱劑，如Ca/Si圖4：右側表示被彎月面捕獲的一個氣泡，左側表示當彎月面長度縮小后，氣泡是 如何上升的。吸附夾雜物吸附夾雜物非常重要，因為鋼水的機械性能取決于例水中夾余物的數(shù)量和大小。

10、吸附過程包括以下步驟：1）將夾雜物傳遞到渣/鋼水界面2）滿足所需界面要求進入渣層3）通過液渣層分離夾雜，4）從界面分離夾雜物通過以下措施可提高夾雜物分離：1）夾雜，增大鋼水和渣之間的接觸角度（報 告種提到，對于18/8不銹鋼/夾雜/渣系統(tǒng)，A1Q的接觸角為E30。，TiN的為 160。； 2）濕潤夾雜物（大多數(shù)夾雜物由渣濕潤）。通過（C.-O差值提高分離度，如渣中的飽和濃度和實際濃度之差。因此 如果Cm 較高對分離有幫助。（對于A1O, Cw的鈣值為40%，Ti0 10%, ZrO：為2%, TiN為0.5%。）澆鑄不銹鋼中的問題與渣芯中有大量的未溶解的固體TiN或CdTiOs有 關，同時也大

11、大增加了粘度。鋼水的紊流結晶器中的鋼流對連鑄工藝有重要影響。紊動的鋼流可形成立波（不流動 波）（見圖5）。鋼水的紊動導致相關的渣層的波動，可能導致下列問題：使板材衣麗產工夾渣和氣泡城陷特別在澆鑄超低q （ulc）時，使勤水增碳水口侵蝕，特別在鋼水/渣界面球形顆粒渣沿紊動波移動，降低絕熱性能，因而綃訃鋼水表面結）令鋼紊流產生的主要原因如下：1）浸入式水口 （SEN）插入深度2）SEN孔的設計3）氨氣流量盡管如此，常常采用結晶器保護渣來補償紊流產生的影響，一般用高粘度保護 渣。但可能導致保護渣消耗量減少，引起上述的其他問題。缺陷和工藝問題縱裂和角部縱裂紋縱裂是一個嚴重的問題，特別常見于中碳鋼（MC

12、）。當5-Fe和奧氏體相的熱 收縮系數(shù)相差4%時會產生這個問題。奧氏體相可增大張力，張力通過縱裂緩解。 盡量保持坯殼薄且均勻可使張力最小化。通過采用較大晶體結構的厚渣層，減低水 平熱傳遞可達到該目標。采用高凝固點或高熔化k的保護渣了 J得到乎渣層。 粘結漏鋼產生粘結漏鋼的原因有多種，砒I;與潤滑不良仃關。高碳鋼OO. 4%C）易于產 生粘結漏鋼。原因是奧氏體顆粒間的鐵素體微偏析加強，使鼎近彎月面的坯殼抗拉 力較小。收縮形成假彎月面，從而產生粘結漏鋼。據(jù)報告發(fā)生粘結漏鋼的原因如下：1）碳結塊被擠到結晶器邊緣2）碳在結塊中擴散形成富碳、低熔化，坯殼不能凝同3）結塊阻礙渣流進入結晶器/鑄流通路富碳結

13、塊的來源如下：1）未熔解的結晶器保護渣附在渣邊緣2）富碳層浮在渣芯上部3）A1Q結塊上的鐵水靜爪撕開SEN和塞棒部分眾所周知玻璃渣有利于減少粘結漏鋼。盡管粘結漏鋼與缺少潤滑有關，但常采用 的策略是通過增加水平熱保護渣形成較厚和結實的坯殼使漏鋼最小化。采用薄玻璃 狀渣層可達到此。標，例如，反Z川減少縱裂。采用低凝固點或低中斷溫 度的保護 渣可形成薄渣層。振痕和橫向裂紋振痕在鑄坯表面有規(guī)則的分布，它是在結品器鋼液面水平缺口（爪凹痕）產 生，必須經打磨才能除去。振痕（0H）分兩種：鉤形或溢流型正&（7是鋼水溢過新形成的初生坯殼形成的;凝固的坯殼向上、 向內生長（遠離結晶器），鋼水溢進初生坯殼形成振痕

14、。凹坑或折疊型是由坯殼（如鉤狀）彎曲形成的，但沒有溢流，初生坯殼向后彎 曲，向結晶器方向生長，在鈍坯表面形成堤狀。由于微偏析，在堤的凹陷部位？ 以。邊緣有重要作用，可以使小銅板的間隙變窄，從而堆鋼水靜壓力。圖6：振痕形成原理，見左邊鉤的形成和右邊的凹坑橫裂與較深振痕的形成有關。影響振痕深度主要因素是振動特性，但渣層中的 壓力也是一個重要因素，據(jù)報導其再粘度4的關系起著決定性作）II。因此謹慎挑選 粘度可以降低壓力和d0O。減小dflO的兩種方法如下：通過降低垂直傳熱，減小彎月面初生坯殼的大小通過增加水平方向傳熱，增大坯殼厚度，增強坯殼張力氣泡和夾渣氣泡和夾渣主要產生于鋼水紊動。圖7為夾渣形成機

15、理。氣泡的形成機理與其類 同。減少氣泡和夾渣的方法是減少鋼流紊動（如調節(jié)SEN捕入深皮和孔數(shù)設計，減 少氫氣流量或通過電磁制動降低鋼流速度，帶冏形的吐出孔或彎）J）。實際上，常 常采用增加保護渣粘度來處理，但會導致保護渣消耗量降低。應出指出的是更有效地 處理氣泡和夾渣的辦法是增加鋼水和保護渣之間的界面張力。圖7：高拉速下夾渣形 成的機理保護渣特性粘度n保護渣粘度（或流動性二l/n ）是影響保護渣性能的最重要因素，原因如下：決定了保護渣消耗量和坯殼的潤滑情況可通過增大渣粘度處理夾渣SEN的侵蝕率與流動性成比例可能出現(xiàn)下列情況，與振痕深度有關的結晶器/坯殼間隙的任力達到最大 值，通過選擇粘度可使九

16、最小化。一般引用1300*0時的保護渣粘度，因為這代表液渣層的平均溫度。粘度洲吐可 訃度7jca. 10%,但若采用石墨成分（如測錘和W）,粘度計的誤差會高一點。但是，不 精確的另一個主要原因是在注滿堆t屏和測量過程中F兀索會損失，這都取決于所采用 的程序。佼少采川測加化學分析。有些模型可通過化學成分估計粘度。大多數(shù)模型的操作顯示伊達模型在所有進 行結晶器保護渣的測試中性能最好，不精確度為25%。熔化溫度、凝固點溫度和液相線溫度（九,T沁GQ滋狗線溫度是保護渣最終熔化時的溫度，并在加熱周期DTA/DSC運行中或 Leitz顯微鏡測試中測得。Th，的重要性是它決定渣層中液渣層和燒結層之間的界 面

17、。根據(jù)下列公式測估為35C：TiiQ （C ）= 1191+ 11. 4%SiO.-U. 0%Ca0 +4. 2%Al: 03+5. 7%Mg0-10. l%Na: 0-15. 8%K： 0 +1. 9%F + 8. 3%Fe.O3 +11. 6%MnO（6）凝覘皮溫度是液態(tài)保護渣遇冷開始凝固（或結晶）時的溫度；一般通過DTA/DSC 或熱電偶方式測得?？夏吩趫蟾嬷刑岬侥虦囟瓤梢酝ㄟ^下列公式計算 得出：（x二 摩爾分數(shù)）TI01 = 1242C- 1.4x（A1203）- 2. lx（Mg0）-4. 5x （Na.0, K20） -8. 5x （CaF.）-15. 3x（B： 03）（7）熔

18、化溫度如圖8a所示，溫度低于粘度大大增加時的溫度（如液體潤滑開始 中斷 時的溫度）。我們認為液渣在結品器/坯殼間隙與粘度汁中的表現(xiàn)類似，因此選抒T而 不是T浪。在某些情況下測得的心和丁沁十分相近。但在某些情況下相 差70Co熔 化溫度（和可能的凝固）隨冷卻速率增加而降低，一般在T0CmiiT時測量，但也可 認為在結晶器內冷卻速率更低，為ca. 10CCs”。通過下列公式，冷卻速率為loomini 時，計算所得熔化溫度誤差為20C。Tbr-1120 C = -8. 43%A1.O3 一 3. 3%SiO2 + 8. 65%CaO - 13. 86%MgO -18. 4%Fe.O3 -3. 2%M

19、nO -2. 2%K.O-3. 20%Na.0-6. 47%F（8）由于以下原因，熔化溫度很重要：熔化溫度決定粉渣層厚度并影響Qhor熔化溫度決定液體層厚度并影響保護渣消耗量和潤滑拓粘度玻璃狀渣（有時用于方坯連鑄）不能展示熔化溫度，但可逐步從液態(tài) 轉 化為超冷液態(tài)，直到達到玻璃狀傳送溫度&。一般發(fā)生在大約600C （圖8b）。如果 對玻璃狀渣進行熱膨脹測量，可看到III于冷液渣不能承受兩個探測器的汗力，試樣 將在超過h時破裂。因而希望超冷液態(tài)渣能沿坯殼流動，起到一些潤 滑作用。圖8:阿赫紐斯圖表顯示用于方坯連鑄的R傳統(tǒng)保護渣和b）高粘度保護渣的關 系, log10粘度（dPaS）對溫度倒數(shù)（K

20、-1）的關系。應該指出的是，可以根據(jù)粘度和以熔化溫度為基礎的保護渣水平傳熱達到潤滑要 求。圖9顯示大量的板坯，大方坯，方坯的工廠數(shù)據(jù)，可分為下列三種曲線:HC鋼易于產生縱裂HC鋼易于產生粘結漏鋼其他鋼種處于上述兩類曲線之間圖9：粘度、熔化溫度和拉速間的關系渣膜的結晶部分熱阻Rc“隨坯殼片度和渣膜結晶部分（圖2）的增加而增大。原因是、|玻璃態(tài) 轉化為較稠密的結晶相時，在結晶器銅板與坯殼之間的間隙（相*于空氣隙）形成表 面粗糙狀（凹凸面）。渣膜結晶部分對水平熱傳遞的蟲要性促使我們對結晶部分進行進一步的研究。有人采用雙熱電偶和淬火技術對時間-溫度-轉化（T-T-T）曲線進行研究。（T-T-T）曲線決

21、定一定時間和溫度時形成的晶體相的數(shù)量。標準事例見圖10,其事 例顯示在800C時，渣達到50%品片，將需要300秒以上的時間。圖10：與等溫T-T-T曲線相對的連續(xù)冷卻曲線偌卡波依斯研究了結晶的理論背景并在其報告中說，人口二0. 77T“是普遍可以 接受的公式，結晶器保護渣常數(shù)值大約為0. 860. 06o R = T_ _T 11Q/tooieAA臨界淬冷 速率，t二時間。并可得出結論，雖然近似值對區(qū)分相關成分形成結晶相有用，但這 些研究無法進行定量檢測。假設最初形成的渣層是玻璃狀的，在熱區(qū)（坯殼側）馬上結晶。近年有人在報告 中指出結晶相是在較冷的結晶器側形成的。原因如下：渣膜可保存較長時間

22、，即使在相對低溫下也能形成結晶相。（見 T-T-T圖） 槍晶石的 T泗較高，形成第一個相并沉積在結晶器側，晶體生長穿過坯殼側。當結晶器側渣膜溫度 600C時結晶。據(jù)報告，槍品石（3Ca0. 2SiO2. CaF：）在初次結晶時形成，霞石或carnegieite在二 次結晶時形成。采用各種方式，包括光學顯微鏡檢查，X射線DTA和DSC,表面粗糙度的測 量 可決定渣膜結晶相的數(shù)量。設訃各種測試來測定在結晶器保護渣渣膜中形成的 結晶 相的數(shù)量。需要根據(jù)保護渣化學成分決定渣膜中生成的結晶相的數(shù)量。李曾嘗試采用各種 代表鋼水的參數(shù)測量晶片。發(fā)現(xiàn)修改后的NB0/T可提供測量晶片的最佳方法。（圖 11）圖1

23、1：作為修改后NB0/T速率功能的結晶度分比。NB0/T速率代表解聚合。NB0/T 二（9）2人乙0 +心坯,+心一+ 2人）伽0）沁+2心也+沁+2/ + （5。+心伽。）X二結晶器保護渣成分的摩爾系數(shù)。分母/分子中的括號表示如果MgO大于7.0% 或MnO大于4.0%時，應包括在分母中，否則將包括在分子中。界面張力ya界面張力對于連鑄工藝的重要性如下：-raj y BS值有助于使夾渣達到最小山包括W的毛細常數(shù)決定彎月面形狀以及渣膜的厚度一般采用X線靜滴裝置測量界面張力。有人想使用已去除鈉化合物的保護渣使y比最小化，從而減少夾渣?？颂m姆柏 和其合作者在報告中提到，y或隨A1Q增加，隨NAo減小。用下列公式計算界面張力：y/y jy/ 0(2yy J05do)下標m二鋼水，滬氣體,，二渣，0來自自由能量差別AG。但應注意上述公式界 而娠力、鼻，它主要山鋼水中硫含量決定。調節(jié)保護渣成分對的影響不如調節(jié)鋼水中 硫的含量。熱特性渣層的熱特性對坯殼和結晶器間的水平熱傳遞起著十分重要作用。許多人在報 告提到，玻璃狀渣，結晶渣和液渣以及結晶器渣