薄板坯连铸结晶器保护渣应用与发展

LIU1018

薄板坯连铸结晶器保护渣应用与发展

来源：李红霞   文章发表时间：2009-06-30

    1薄板坯连铸对保护渣的要求
    与普通板坯连铸相比，薄板坯连铸拉速高且变化幅度大，铸坯厚度薄，结晶器冷却强度高。不仅给提高铸坯质量和稳定连铸操作带来一系列的困难，同时对保护渣也提出了更高的要求。因此用于薄板坯连铸的保护渣与传统的板坯连铸用保护渣在化学成分及理化指标上差异较大。薄板坯连铸对结晶器保护渣提出了以下要求：
    （1）在高拉速或拉速变化较大的情况下，仍能维持足够的渣耗，较低的渣耗会造成粘接漏钢事故以及引起纵裂等表面缺陷。
    （2）要求结晶器壁与坯壳间的渣膜厚度适宜且分布均匀，防止结晶器与坯壳直接接触，以降低结晶器摩擦阻力并使结晶器散热均匀化。这对防止粘接漏钢，避免铸坯产生表面缺陷至关重要。
    （3）薄板坯连铸要求保护渣具有适宜的熔渣层厚度，防止高拉速时熔渣供应不足以及固态渣粒的流入。同时，具有良好的溶解、吸收夹杂物的能力，并能在吸收夹杂后其物性保持稳定。
    （4）对于易裂钢种控制传热，保护渣需具有一定的析晶能力，增大热阻，防止热流过大造成应力集中。
    （5）良好的绝热保温作用防止钢液结壳，减少弯月面处渣圈的形成。
    2薄板坯连铸用保护渣特性
    和常规连铸相比，薄板坯连铸用保护渣应具有低黏度、低熔点、低凝固温度和较快的熔化速度。薄板坯连铸保护渣除了满足隔热保温、吸附夹杂物、隔绝空气防止二次氧化外，保证润滑和控制传热尤为重要。评价保护渣性能指标有：化学组成、黏度、碱度、结晶温度、保护渣消耗量和熔化温度等。
    （1）连铸保护渣的主要组成物有三种作用：CaO、SiO2、Al2O3为造渣基料； Na2O(或Li2O)、CaF2降低熔化温度和黏度；添加碳粒调节保护渣的熔化速度。为使保护渣性能达到使用要求，应限制CaF2和Na2O等助熔剂的加入量，以减少高熔点物质的析出。保护渣中加入适量BaO、B2O3、Li2O、K2O等助熔剂，有助于降低熔渣黏度、软化温度和抑制结晶化倾向。
    （2）黏度是决定保护渣消耗量和均匀流入的重要性能之一，通常以1300℃时的黏度为基准，它直接影响到熔化的保护渣在弯月面区域的行为。黏度过高，在高拉速的条件下，会增大拉坯阻力，易发生粘结漏钢。从产品质量考虑，黏度过高或过低都会影响结晶器内的传热，使铸坯产生表面纵裂。对于薄板坯来说，为适应高拉速的要求，必须采用黏度较低的保护渣。研究报道，拉速为4～6m/min时黏度的控制范围为0.15±0.02Pa?s为宜。
    （3）保护渣消耗量通常kg/t或kg/m2来表示。由于耗量与铸坯尺寸有关而且与铸坯表面成比例，所以铸坯表面所消耗的保护渣量是评价润滑能力的一个合理指标。不同结晶器尺寸和拉速的保护渣消耗量可以通过相应的公式求出，并通过调整保护渣的组成来满足薄板坯连铸对保护渣消耗量的要求。一般薄板坯连铸的消耗量为0.3～0.7kg/t钢。
    （4）钢液面上的液渣层向结晶器和铸坯间隙连续提供液渣，合适的液渣层厚度可以存储足够熔渣，便于熔渣均匀稳定地流入铸坯与结晶器壁间隙，以保证对铸坯的润滑。将钢液与空气隔开防止氧化，吸收上浮夹杂，减少弯月面处夹杂聚集造成的铸坯表面或皮下夹杂。在薄板坯连铸过程中，液渣的流动性好，实际的熔化速度与消耗速度建立的平衡使薄板坯连铸结晶器保护渣呈现较薄的液渣层，特别是靠近窄边的液面波动产生的波峰处，厚度低于1mm。目前液渣层的厚度测量方法有钢带测量法、三丝测量法、单丝测量法、铁丝-铝丝板测量法。
    （5）结晶温度是控制结晶器和铸坯之间传热与润滑的重要参数。薄板坯保护渣采用降低结晶温度来增加液渣膜的厚度，从而增加保护渣的消耗量，改善润滑性能减少摩擦力。
    （6）碱度是保护渣的一个重要理化指标，也是黏度的一个重要影响因素，它会改变保护渣的黏度和熔化温度。在一定范围内增大碱度，可明显降低保护渣的黏度和熔化温度，从而增大渣耗。而且随着碱度的增加，黏度降低，且熔化温度较高的保护渣比熔化温度较低的保护渣降低的幅度要大些。碱度过高的保护渣在促进析出结晶相、析晶温度增加的同时，使结晶器与坯壳之间的摩擦力增大，易产生粘结漏钢。因此为了保证一定的保护渣消耗量，可通过适当提高碱度，有效控制结晶器内的传热，减少裂纹的产生。由此可见，合适的碱度有利于增大渣耗和结晶器热流密度、减少粘钢。
    （7）熔化温度直接影响结晶器内弯月面上方的渣层传热和熔渣层的产生，与连铸保护渣的绝热保温性能和润滑性能密切相关。它对铸坯在结晶器内的凝固速度也有重要影响。根据不同的钢种，一般薄板坯连铸保护渣的熔化温度目标值在950～1120℃。这样，不仅可以保证保护渣在结晶器内弯月面保持熔融状态，而且使结晶器长度方向上的铸坯凝固坯壳表面的渣膜处于粘滞的流动状态，能够充分润滑。
    3保护渣对铸坯质量和连铸过程的影响
    薄板坯质量除了与连铸生产工艺有关以外，铸坯表面和皮下的各种缺陷几乎都与保护渣密切相关。当铸机设备及工艺操作正常的情况下，若选择性能合适的保护渣，可以获得几乎零缺陷铸坯；若选择不当，则使铸坯表面产生大量缺陷，修整量大，甚至产生次品。对薄板坯连铸时保护渣对低碳钢纵裂的影响进行了研究，发现保护渣行为引起热流不均造成纵裂。保护渣的黏度和液渣层的厚度对薄板坯纵裂的出现也有很大影响。黏度高时，保护渣消耗量降低，渣膜减薄，厚度不均匀，因而容易产生纵裂。若渣膜过薄时，结晶器热流密度增加，还可能引起粘结漏钢。对于裂纹敏感性钢种，热流更不能太高。影响保护渣黏度的成分是氧化铝的含量，当钢水注入结晶器后，钢中氧化铝上浮到结晶器液面上方，被液态保护渣吸收溶解，使保护渣黏度迅速增加。因此，保护渣中氧化铝含量必须严格控制。保护渣液渣层厚度要求控制在10mm左右，如果小于5mm，则容易导致薄板坯出现表面纵向裂纹。
    4 不同钢种选择保护渣的要求
    研究表明，不同钢种对保护渣提出不同的要求：
    1）低碳钢系列的钢种凝固速度快，凝面收缩小，坯壳生成均匀，主要保证润滑功能和高的传热强度，玻璃化性能好，尽量减少结晶体的出现。因此要求保护渣低熔点、低碱度、低结晶温度、适当的黏度和高熔化速度。
    2）包晶钢系列由于凝固慢，凝固时发生包晶反应，体积收缩大，坯壳形成不均匀，铸坯裂纹敏感性强。主要要求保护渣具有缓冷作用，因此需具有高的结晶温度、高碱度和适宜的黏度。
    3）中高碳钢系列的钢种由于凝固速度慢，凝固收缩小，坯壳生成均匀，保护渣主要倾向于保证润滑性能，要求低的凝固温度，低的结晶温度、适当的黏度和高的熔化速度。
    4）中碳低合金钢(如16Mn、16MnR、HP295、20G、X52、X60)保护渣析晶温度较低，一般低于1130℃，析晶体比例小于40％。由此为保证铸坯的润滑，通过提高保护渣熔化温度和黏度，增加渣膜厚度达到减弱传热的功用。
    通用结晶器在浇注不同的钢种时要使用不同的保护渣，而多锥度或弱冷结晶器在浇注不同钢种时所用保护渣性能则接近。这样，可以通过不同的保护渣来适应不同的钢种，也可以通过不同的结晶器来适应不同的钢种。这也反映了在其各自的取值限度内，不同的连铸工艺条件与工艺措施的等效性的问题。
    唐钢FTSC连铸不同钢种粘结恢复的工艺控制时，对于Q345B来说粘结恢复阶段要改用低碱度保护渣，适当增加传热能力。马钢在开发无取向电工钢时，采用超低C钢结晶器保护渣，在薄规格冷轧基料的生产时使用了高碱度保护渣，以便吸收钢水中的夹杂物。
    本钢在生产无取向硅钢时，认为硅钢由于凝固较为特殊，对结晶器保护渣的要求也很严格。合适的保护渣可以得到较好的铸坯表面质量，不易出现纵裂或漏钢。特别是当钢中A12O3夹杂含量较高时，保护渣在吸附一定数量夹杂后，使其黏度和熔点增高，润滑性能下降，故要求保护渣应具有较强的吸附A12O3夹杂的能力或对保护渣的性能不产生影响。
    为此，在设计硅钢保护渣时应重点考虑以下几个方面：（1）选用合适黏度、碱度的保护渣，保证保护渣有较好的吸收的能力。（2）要有合理的熔渣层厚度，由于薄板坯连铸机拉速较高，要求熔渣能及时补充，故其液渣层控制相对较厚。（3）合理控制保护渣耗量，高渣耗有利于对夹杂的吸收和稀释作用，同时高拉速也要求渣耗较高，但渣耗过高易造成熔渣流入不均匀，从而影响结晶器与坯壳传热的均匀性。刘志宏等针对薄板坯连铸无取向电工钢钢种及相应的结晶器保护渣特点，认为通过降低渣中配碳量(w(C)<2%)，并控制液渣层厚度保持在5～10mm等方法，有效防止保护渣引起的增碳。通过调整保护渣理化性能，即降低保护渣的碱度和熔化温度的方法，提高无取向电工钢浇注过程中的结晶器热流，实现浇注过程中热流稳定、不引起增碳、板卷质量良好。
    本钢在在设计SPA-H钢用保护渣时应重点考虑以下几个方面：（1）选用黏度、高碱度的保护渣，但碱度过高保护渣吸收的能力反而下降，因此碱度控制在0.9～1.0较为适合。同时要求该渣在使用过程中具有良好的稳定性，浇注过程中吸附夹杂后保护渣性能变化较小。（2）由于薄板坯连铸机拉速较高，要求熔渣及时补充，故其液渣层控制相对较厚，控制熔渣层厚度为10～15mm。（3）合理控制保护渣耗量，高渣耗有利于对夹杂的吸收和稀释作用，同时高拉速渣耗较高，但渣耗过高易造成熔渣流入不均匀，从而影响结晶器与坯壳间传热的均匀性。
    5保护渣对浸入式水口的侵蚀
    浸入式水口的设计也是薄板坯连铸工艺中的一项关键技术，由于薄板坯连铸用保护渣的特点是黏度低、氟含量高，对耐火材料的侵蚀性强，所以薄板坯连铸中保护渣对浸入式水口渣线材料的侵蚀严重。同时薄板坯连铸结晶器内腔空间狭窄，水口渣线处壁厚仅为传统水口的1/2～1/3。所以经常因为渣线材料的损毁而导致整个浸入式水口的失效，将直接导致浇注作业的中断，降低了连铸生产率，间断作业必然消耗了大量的能源。
    为了提高浸入式水口的使用寿命，耐火材料工作者对渣线材料的抗侵蚀性进行了深入的研究。发现提高渣线材料抗侵蚀性可从两方面入手：减缓石墨的氧化和向钢液中溶解的速度，或提高ZrO2颗粒抗渣渗透的能力。开发出了以锆碳材料为基本架构，并对材料采用防氧化技术，表面改性技术处理得到多层复合功能梯度渣线材料。同时，冶金工作者也通过采用无氟渣或降低渣中F含量以及向渣中加入ZrO2，均能降低保护渣的对水口的侵蚀性，但是这样又很难满足薄板坯连铸对保护渣的性能要求或不可避免地降低了保护渣的使用性能。
    6 薄板坯连铸用保护渣发展动向
    在保护渣技术使用方面，国外公司的产品长期占据国内相当的市场份额。自珠钢薄板坯连铸连轧生产线投产以后，国内一些科研院所如钢铁研究总院、重庆大学、北京科技大学等与保护渣生产企业合作开展了国产保护渣产品的研究工作，形成了国内保护渣主要供应商与国外公司竞争市场的局面。
    目前，国产保护渣已在珠钢、邯钢、唐钢等多个企业的薄板坯连铸连轧生产中占据大部分的市场份额，一些新的市场领域还在不断的开发中。国内一些企业的生产实践表明：在一些品种钢的生产上，使用国产保护渣可以降低渣成本的50%。但是，目前国产保护渣还不能完全取代进口保护渣，其主要原因是国产保护渣的稳定性和使用性与进口产品相比还有差距。
    7结语
    随着薄板坯连铸技术在我国的迅速发展，结晶器保护渣对安全生产、铸坯质量的影响日益突出。通过保护渣的国产化及对保护渣的合理选择，积累了丰富的实践经验，对生产的顺畅进行和产品质量的稳步提高提供了保证。由于产品的稳定性和性能指标与国外产品相比还具有一定的差距，因此结晶器保护渣的国产化还需进一步加强研究和实践。   

jiqi33

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