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第七章连铸保护渣及覆盖剂§7—1保护渣的冶金功能及理化性能一.保护渣的冶金功能1.绝热保温减少钢液热损失位于结晶器液面最上层的粉状层，结构松散，具有良好的绝热保温作用。可以防止结晶器中钢水表面结壳，避免添加保护渣形成熔渣后又固结成盖，并可防止浸入式水口周围结渣，保护渣的绝热保温作用在于保持保护渣上层粉状层又一定的厚度。2.隔绝空气防止对钢液的二次氧化覆盖于钢液面上的液渣层，隔绝空气与钢液表面的接触，保护钢液表面不受空气的二次氧化。为了更好地起到保护作用，液渣层应均匀覆盖于钢液面上，渣中不应含有使钢氧化的成分，如应限制渣中氧化铁含量，熔渣的透气性要低对钢液的润湿性要好。3．吸收非金属夹杂物净化钢渣界面上浮至结晶器液面上的氧化物，随着注流在结晶器中的对流，有可能在弯月面被卷入凝固壳，造成铸坯的皮下或表面夹杂物等缺陷。因此，保护渣的液渣层应具有良好的吸收和溶解夹杂物的能力。为此保护渣的熔渣应有低的粘度，对氧化物夹杂的润湿性好，吸收夹杂物以后自身性能要稳定。4．润滑坯壳并改善凝固传热填充于气隙中的渣膜对凝固坯壳能起到良好的润滑作用，减少拉坯阻力，从而可防止坯壳与结晶器壁的粘结。此外熔渣进入坯壳与结晶器壁之间，使气隙不在存在，热阻减小，凝固坯壳向结晶器壁的传热得到改善，使坯壳均匀生长，有利于减少铸坯裂纹的形成。二.保护渣的结构要求在钢液面上形成粉渣层—烧结层—液渣层3层结构。1．粉渣层构成粉体特性的因素：粒度大小、粒子间的相互作用力、粒子充填状态、粒子的表面能。要求：粉状渣的粒度一般小于0.147mm。粉渣层应有适当的厚度（如≤25mm）2．烧结层3．液渣层一般为10～15mm。液渣层的厚度由保护渣的熔化速率和消耗速率之间的质量平衡来决定。添加到高温钢液面上低熔点（1050℃～1100℃）的粉渣，靠钢液提供热量，在钢液面上形成一定厚度的液渣覆盖层（10～15mm），减缓了钢水沿保护渣厚度方向的传热；在液渣层上面的保护渣受到钢液传过来的热量，温度可达800～900℃，但已软化烧结在一起，形成一层烧结层；在烧结层上面是固态粉状或粒状的原渣层（也称粉渣层）。粉渣层的温度大约在400～500℃，粒度小于100目（0.147mm），与烧结层共同起到了隔热保温作用。在拉坯过程中，由于结晶器上下振动和凝固坯壳向下运动的作用，钢液面的液渣层不断通过钢水与铜壁的界面而挤入坯壳与铜壁之间，在铜壁表面形成一层固体渣膜，而在凝固壳表面形成一层液体渣膜，这层液体渣膜在结晶器壁与坯壳表面起润滑作用。同时，渣膜充填了坯壳与铜壁之间的气隙，减少了热阻，改善了结晶器的传热。随着拉坯的进行，钢液面上液渣不断消耗掉，而烧结层下降到钢液面熔化成液渣层，粉渣层变成烧结层，再往结晶器添加新的粉渣，使其保持为3层结构，如此循环，保护渣粉不断消耗。保护渣结构示意图：1—粉渣层；2—烧结层；3—液渣层；4—结晶器5—凝固坯壳；6—渣膜；7—渣皮；8—结晶器振动方向；9—钢坯拉出方向要形成3层结构，关键是要控制保护渣的熔化速度，即加入到钢液面的渣粉不要一下子都熔化成液体，而是逐步熔化。为此，一般都是在保护渣中加入碳粒子作为熔化速度的调节剂。炭粒子控制熔速的快慢决定于加入炭粒子的种类和数量。三.保护渣的理化性能1.熔化特性A.熔化温度保护渣是由多组元组成的混合物，没有固定的熔点，熔化过程有一定的温度范围；通常将熔渣具有一定流动性时的温度称为熔点。保护渣的液渣形成渣膜其润滑作用，因此保护渣的熔化温度应低于结晶器出口处的铸坯表面温度，通常在1050～1100℃左右。保护渣的熔化温度主要决定于渣子的化学成分及渣料的粒度。B.熔化速度保护渣的熔化速度决定了钢液面上形成液渣层厚度和渣的消耗量。熔化速度过快，粉渣层不易保持，影响保温，液渣会结壳，很可能造成铸坯夹渣；熔化速度过慢，液渣层过薄。同时过快过慢的熔化速度都容易造成渣膜的厚薄不均。从而使坯壳生长不均匀。常用一定重量的试样在一定温度下完全熔化所需的时间来表示熔化速度。保护渣的熔化速度主要靠配入渣中的碳质材料来调节。碳质材料的碳含量越高，分散度越大、影响熔化速度的作用就越强。a.配加炭黑（﹤1.5%）。b.配加石墨（2～5%）。c.复合配炭C.熔化均匀性要求能均匀熔化，铺展到整个钢液面上，并能沿四周均匀地流入结晶器与坯壳之间。2.粘度粘度是保护渣重要物性之一，它直接影响到铸坯振痕的形成和渣膜的润滑作用，以及渣吸收夹杂物的能力。浇注条件一定时，渣膜的厚度和均匀程度与熔渣的粘度有很大关系。熔渣粘度过大或过小，都会造成铸坯表面渣膜的厚度过薄或过厚，使润滑、传热不良，甚至导致坯壳产生裂纹。保护渣的粘度取决于渣的化学成分。合适的粘度应随钢种、断面、拉速、温度而定。一般在0.1～1Pa·s的范围内变化。为了适应连铸的温度变化，应当选择熔渣粘度随温度变化比较缓和的渣系（长渣）。保护渣中常配加莹石（CaF2）、碱金属氧化物Na2O等，以降低熔渣的熔化温度和粘度。3．界面特性A.表面张力熔渣的表面张力一般是由试验测定的，也可用经验公式估算。表面张力和组成具有加和的线性关系：σS＝∑σiNi式中σS—熔渣的表面张力，N∕m；σi—熔渣I组分的表面张力系数，N∕m∕摩尔分数。Ni—熔渣I组分的摩尔分数。B.钢液面弯月面曲率半径钢水在结晶器内由于表面张力的作用形成弯月面。在敞开浇注时，弯月面曲率半径为：r＝5.43×10－1（σm∕ρm）1∕2在保护渣下浇注时，弯月面曲率半径为：rs＝5.43×10－1[σm－s∕（ρm－ρs）]1∕2σm－s＝σm－σSCOSθ式中r、rs—弯月面曲率半径，m；σm、σS—分别为钢水、熔渣的表面张力，N∕m；σm－s—钢水与熔渣间的界面张力，N∕m；ρm、ρs—钢水、熔渣密度，kg∕m3；θ—保护渣对钢水的润湿角。在液渣下保护浇注时，钢液表面弯月面的曲率半径比在敞开浇注时要大。在钢水静压力作用下，曲率半径大，弯月面坯壳较易向结晶器壁铺展，变形时也不易产生裂纹。降低保护渣的表面张力，可以增加钢渣界面张力，有利于钢渣分离和增大曲率半径。4.吸收溶解夹杂物的能力保护渣应具有良好的吸收夹杂物的能力，特别是在浇注铝镇静钢时，溶解吸收Al2O3的能力。连铸保护渣一般多是硅酸盐系，这类渣系有吸收Al2O3、MgO、MnO、FeO等夹杂物的能力。生产实践表面，随着熔渣的碱度增加，保护渣吸收溶解Al2O3的能力增大不多；当碱度大于1.10时，吸收溶解Al2O3的能力又有所下降；同时当渣中Al2O3富集到一定程度时（大于10％），就有铝方柱石或刚玉析出，使吸收Al2O3能力下降，也易造成夹渣。因此保护渣碱度在0.85～1.1时的Al2O3含量应尽可能低，不能大于10％。§7—2保护渣的配制一.保护渣基础成分广泛采用的是CaO—SiO2——Al2O3三元相图。此区域组成范围较宽，大致是CaO：30％～50％，SiO2：40％～65％、Al2O3≤20％，其熔点大约是1300～1500℃。具体选择在CaO∕SiO2＝0.60～1.10,Al2O3﹤10%，属于酸性渣或中性偏酸性渣。熔化温度在1400℃的范围较为合适。二．原料的选择及组合原则：原料的化学成分应尽可能稳定，尽可能接近选择的保护渣的化学成分；基本原料的种类不宜过多，以配制工序过于复杂，便于调整渣子性能；原料来源广泛且价格便宜。常用的原料有天然矿物（如硅灰石、珍珠岩、石灰石、石英等），工业原料（水泥、水泥熟料等），工业废料（玻璃、烟道灰、高炉渣、电炉白渣、石墨尾矿等）。三．配加调整剂1.熔化速度调节剂：调节保护渣的熔化速度，用石墨和碳黑者居多，也有用焦炭粉的，加入量大致在1.0％～8.0％左右。2.熔点调整剂（助熔剂）：常用苏打、莹石、氟化钠、冰晶石、硼石、固体水玻璃等，用以调节保护渣的熔化温度，使其在1200℃以下。加入量一般不超过10％左右。四．原料加工及成品原料应按工艺要求各自经过研磨加工成细粉状，要求彼此之间粒度应相近。§7—3保护渣的选用对策一．保护渣对铸坯质量的重要性1.粘结性漏钢由于保护渣的熔化温度偏高或熔化速度偏低，致使液渣层过薄或厚薄不均造成的。2.表面纵向热裂纹该缺陷发生在结晶器内，是由于结晶器内生成的坯壳厚度不均匀，张应力集中在某一薄弱部位的情况下发生的。在设备条件和操作因素不变的条件下，保护渣熔化特性选用不当，液渣层厚薄不一，造成渣膜厚度不均，使局部坯壳变薄产生纵裂。纵裂产生与熔渣粘度（η）和拉坯速度（ｖ）有关，对连铸板坯，η·ｖ值应控制在0.25～0.35Pa·s·m∕min，对小方坯连铸应控制在η·ｖ值为0.5Pa·s·m∕min。3.表面横向裂纹横裂纹大多沿着振痕的波谷处发生的。保护渣的物性影响振痕的深浅，浅而圆滑的振痕可获得光滑的铸坯表面，改善渣子的性能可使振痕深度变浅，减轻横裂纹的发生。4.夹渣夹渣分表面夹渣和皮下夹渣两类。渣子卷入是夹渣的重要来源。凡渣子的剥离性不良，会使铸坯表面嵌附成片夹渣，有的夹渣在加热炉内未能剥离，还会残留在成品钢材上形成表面缺陷。5.表面增碳由于浇注过程中，保护渣熔化性能不良，液渣层过薄，造成钢液与含碳保护渣或富碳层相接触而渗碳。增碳对低碳钢和超低碳钢危害更大，对此类还应注意选用低碳或无碳保护渣。二．使用过程对保护渣的评价1.保护渣的消耗量。在不断均衡地向结晶器加入保护渣的情况下，消耗量在0.3～0.5kg∕t钢。2.保护渣液渣层厚度合适的液渣层厚度大致在10～15mm左右。粉渣层厚薄一般不大于25mm。3.渣圈。在结晶器壁四周钢液面上形成渣圈，渣圈发达，说明保护渣的熔化性能不良，烧结层过分发展。4.结晶器的摩擦力在结晶器上安装传感器，监视拉坯过程中摩擦力的变化。如摩擦力突然升高，说明渣膜润滑不良，应适时调整。5.结晶器铜壁温度。在板坯连铸机或大方坯连铸机的结晶器铜壁内，安装若干对热电偶，将热电偶信号引入计算机。若结晶器某部分热电偶所测温度突然明显升高，说明该处铸坯凝固壳断裂，钢水与铜壁接触所致。就保护渣影响而言，是由于液渣层过薄或渣膜厚薄不均所造成。三．选用保护渣的对策选用思路：一般是依据钢种、铸坯断面、浇注温度、拉坯速度及振动频率等工艺参数和连铸设备条件来考虑。当这些条件与某些生产厂条件相当时，可以选用已使用过的保护渣，但使用时还应根据铸坯质量进行适当的调整。这是因为保护渣对操作因素的综合影响是非常敏感的。1.低碳铝镇静钢用保护渣低碳铝镇静钢的特点是Al2O3类夹杂物含量较高，为保证钢板的表面质量和深冲性能，需要把连铸坯中Al2O3Al2O3夹杂物降低到较低水平。就保护渣而言，应选用碱度较高，粘度较低，原始渣中Al2O3较低的保护渣，使熔渣吸收Al2O3夹杂物的速度较快，渣耗较大，液渣层的更新较快。2.超低碳钢用保护渣浇注超低碳钢种（C≤0.03%）时，确有铸坯增碳的问题。首先应选配易氧化的活性碳质材料，并控制其配碳量，使液渣层厚度接近上限，并避免富碳层出现或富碳层含碳量显著降低。其次，可以在保护渣中配入适量的MnO2,用它作氧化剂，可有效地抑制富碳层并降低其中含碳量，还可起助熔剂作用，使熔渣层增厚。再次，也可在保护渣中配入BN粒子，用以取代碳粒子。3.不锈钢用保护渣不锈钢中含有Cr、Ti等元素，因此，保护渣必须具备净化结晶器内钢渣界面上的Cr2O3、TiO2等夹杂物的能力，并且吸收夹杂物后其性能稳定。在保护渣中配入适量的B2O3,可消除Cr2O3的不利影响，使熔渣粘度降低。4.高速连铸用保护渣高速与常速连铸保护渣在化学成分及理化性能上差别很大，高速连铸要求保护渣在高拉速及拉速变化较大的情况下仍能维持足够大的消耗，否则会造成粘结漏钢或引起铸坯纵裂纹等表面缺陷。要求高速连铸保护渣应具有较低的粘度及结晶体析出温度，较低的软化及熔融温度，合适的碱度及较快的熔化速度等理化性能。⑴高速连铸保护渣化学成分的选择高速连铸保护渣具有4层结构，即初始渣层、烧结渣层、半熔渣层和熔渣层。半熔渣层应该具有足够的厚度，这样可以提高保护渣的绝热保温性能，并用以保证向熔渣层不断提