高拉速中碳钢连铸保护渣的开发

2008年北京连铸国际会议论文集高拉速中碳钢连铸保护渣的开发陈敏1，李学慧1，2(1.东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004；2.鞍钢实业公司，辽宁鞍山114000)摘要：结晶器保护渣是连铸生产过程中重要的辅助材料，其性能优劣对连铸工艺顺行及铸坯质量产生重要的影响。中碳钢自身的凝固特点使其对连铸保护渣提出了更严格的要求。本研究根据中碳钢连铸的特点，研究了原料组成对保护渣性能的影响规律，并在此基础上开发了中碳钢连铸系列保护渣。研究结果表明，在保护渣中配入B2O3、Li2O、MnO等特殊组分，不仅降低保护渣的析晶温度和转折温度，而且促使固态结晶渣膜晶粒细小，因此可以避免保护渣熔渣在冷凝过程中析出高熔点固相，使结晶器内靠近铸坯表面的渣膜为液态，确保铸坯表面的润滑效果，同时又可使靠近结晶器壁的渣膜形成结晶状态以达到减缓和均匀传热的效果。在实验室研室研究的基础上，本研究开发的系列连铸保护渣在实际生产中获得了良好的使用效果，有效地促进了铸坯质量的提高。关键词：连铸，保护渣；理化性能；结晶行为；中碳钢DevelopmentofMouldPowderforHighSpeedContinuousCastingofMedium-CarbonSteelSlabCHENMin1LiXue-Hui1，2(1.Schoolofmaterialsandmetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning,110004China;2.IndustryCo.Ltd,AnshanIronandSteelGroupCorporation,Anshan,Liaoning,114000China)Abstract:Moldpowderasanimportantsupplementalmaterialsforcontinuouscasting,itspropertiesdeterminestheslabqualitydirectly,andmorestrictrequirementsarenecessaryforthecontinuouscastingofmedium-carbonsteelslabforitssolidificationcharacters.Thepresentworkstudiedtheeffectofcompositiononpropertiesofmouldpowderanddevelopedaseriousproductsforcontinuouscastingofmedium-carbonsteel.Theresultsshowedthatbothcrystallizationandbreakingtemperaturesweredecreased,andthegrainsizeinthesolidifiedfluxfilmwasalsodeceasedbyinducingsomespecialcomponentsuchasB2O3,Li2O,MnO.Consequently,bypreventingprecipitationofhighmeltingphasesduringcoolingprocess,liquidfluxfilmonthesurfaceofsolidifiedshellwasformedtoinsurethegreasingperformance,andatthesametime,thecrystallizedfluxfilmwasformedonthesideofmouldwalltomaintainweakandhomogeneousheattransfer.Basedontheabovestudiesoflaboratorywork,aseriousproductsofmoldpowderwasdeveloped,andthepracticalapplicationoftheseriousproductsshowedgoodperformanceandtheslabqualitywaseffectivelyimprovedforcontinuouscastingofmedium-carbonsteel.Keywords:continuouscasting,mouldpowder;physical-chemicalproperties;crystallizingbehavior;medium-carbon-steelcasting1前言连铸保护渣在连铸结晶器内具有隔热保温、吸收钢液中上浮夹杂、防止钢液二次氧化、控制铸坯向结晶器传热及润滑铸坯等作用，是连铸生产过程中重要的辅助材料，其性能优劣对连铸工艺顺行及铸坯质量产生重要的影响[1,2]。连铸生产中碳钢时，由于凝固坯壳在冷却过程中发生包晶反应时伴随有明显的体积效应，容易在铸坯表面产生纵裂等质量缺陷，影响铸坯的成材率。因此，中碳钢连铸对结晶器保护渣提出了更严格的质量要求。特别在高拉速条件下，通过控制原料条件，调整保护渣的熔化特性并协调玻璃体与结晶体的比例，使保护渣能够均匀地填充进凝固坯壳与结晶器间的空隙，既能保证润滑良好，还能实现均匀传热和缓冷的效果，以促进中碳钢铸坯质量的提高[3,4]。2008年北京连铸国际会议论文集因此，本论文针对包晶钢凝固特点，通过研究保护渣组成对其熔化和结晶特性的影响规律，开发了高拉速中碳钢连铸保护渣，并在实际应用中取得了良好的效果[5,6]。2实验方案实验室研究采用分析纯化学试剂为原料。将原料在500°C烘干去除水分及挥发份后，进行配料，混和，并利用熔点熔速仪测定试样得熔化温度和利用高温粘度计测定试料的粘度，来考察原料组成对保护渣熔化温度和粘度的影响规律。通过测定保护渣黏度-温度(η-T)曲线确定转折温度(Tb)和观测凝固后渣样的端口确定结晶体比例Rp来评价保护渣的结晶性能和玻璃化特性。其中，保护渣η-T曲线的测定方法是取150g保护渣在1300°C熔化并恒温30min，然后以5°C/min的降温速度降温，测试η-T曲线。保护渣产品是以水泥熟料、硅灰石、苏打、玻璃粉、萤石、预熔料及碳质材料等为原料而制成，通过考察结晶器液面状况(包括保护渣的铺展性、熔化均匀性、液面渣圈情况、液渣层厚度、粘结及漏钢等)和铸坯表面质量(包括铸坯表面裂纹、平整性、振痕及凹坑等)，评价开发产品的实际应用效果。3结果与讨论3.1原料组成对保护渣熔化温度和粘度的影响结晶器出口处的铸坯温度一般在1200°C以下，为保证保护渣渣膜在铸坯与结晶器缝隙间均匀分布，并具有一定的液态层，一般要求保护渣的熔化温度小于1200°C。为了同保护渣的熔化速度、铸机拉速、钢水过热度等参数相匹配，不同钢种和铸机对保护渣熔化温度的要求是不一样的。国内外均采用半球点熔点仪检测保护渣的熔化性温度，这种方法检测出的熔化温度称为半球点温度，反映的是保护渣这类硅酸盐物质的熔化性能[7,8]。图1和图2是保护渣成分对其熔化温度和粘度的影响。Na2O、Li2O、B2O3、F-都能显著降低保护渣的熔化温度，含量越多，作用越明显。但Na2O含量不宜过高，否则有可能析出高熔点的霞石(Na2O·Al2O3·SiO2)，使保护渣熔化温度升高。Li2O是一种强助熔剂，对降低保护渣熔化温度的作用比Na2O更强，即使含量很低，对保护渣的熔化温度也有较大影响。F-和B2O3也都能降低保护渣的熔化温度，但这两种成分的含量不能过高，否则将对浸入式水口侵蚀严重，影响连铸生产稳定顺行。MgO本身是高熔点组分，且在渣中能够形成镁橄榄石和镁铝尖晶石等高熔点相，使保护渣的熔点升高。Al2O3在本实验条件下对保护渣熔点的影响不大。含量低时有一定的降低熔化温度的作用，但在含量较高时，由于易生成钙长石，可能使保护渣的熔点升高。由于TiO2与CaO反应生成钙钛矿，使保护渣的熔点明显升高。0246810121410001050110011501200Na2OMgOAl2O3F-TiO2Meltingtemperature/℃Content/%(a)熔化温度024681012141234567Viscosity/poiseContent/%Na2OMgOAl2O3F-TiO2(b)粘度Fig.1组成对保护渣熔化温度和粘度的影响Fig.1Effectofcompositiononmeltingtemperatureandviscosityofmouldpowder.保护渣熔渣粘度作为另一个重要的物性指标，只有与浇铸工艺相匹配，才能使保护渣熔渣顺利填入结晶器与铸坯间空隙，并形成一定的渣膜厚度，保证适宜的传热速度和良好的润滑。结晶器内与钢液和凝固坯壳接触的保护渣处于1550~1100°C的温度区间内，因而通常采用1300°C时的粘度作为衡量保护渣流动性能的一个重要的指标。2008年北京连铸国际会议论文集012310001050110011501200Meltingtemperature/℃Content/%Li2OB2O3(a)熔化温度0123123Viscosity/poiseContent/%Li2OB2O3(b)粘度Fig.2Li2O和B2O3对保护渣熔化温度和粘度的影响Fig.2EffectofLi2OandB2O3onmeltingtemperatureandviscosityofmouldpowder.从图1和图2还可看出，Na2O、Li2O、B2O3、F-都可以降低保护渣的粘度，其中Li2O、F-降低粘度的作用比较显著，而Na2O、B2O3降低保护渣粘度的作用比Li2O、F要弱一些。Al2O3使保护渣粘度升高，当保护渣溶解Al2O3的能力较差时，析出Al2O3高熔点质点，熔渣粘度急剧升高，结晶器内保护渣急剧恶化，影响连铸正常生产。所以在浇铸铝镇静钢、高铝钢时，必须设计合适的基渣成份，使其具有良好的溶解Al2O3的能力，保证保护渣具有相对的热稳定性。此外，少量添加TiO2(2%-4%)能够在一定程度上降低保护渣粘度，当含量较高时，则使粘度略有提高。在本实验条件下，MgO对粘度有轻微的降低作用。图3是碱度(CaO/SiO2)对保护渣熔化温度和粘度的影响。由于渣中CaO容易与其它成份反应，生成高熔点的结晶矿物(如钙钛矿、硅酸二钙、钙长石等)，因此在本研究的实验条件范围内，随着碱度的增加，保护渣的熔化温度升高。此外，随着碱度的升高，保护渣的粘度明显降低。这是因为碱度增加，CaO向熔渣中提供O2-促使硅-氧聚合体解体，复合阴离子团变小，粘流活化能降低，熔渣粘度下降。0.911.11.21.310001020104010601080Temperature/℃CaO/SiO2(a)熔化温度0.911.11.21.301234CaO/SiO2Viscosity/poise(b)碱度Fig.3碱度对熔化温度和粘度的影响Fig.3Effectofbasicityonmeltingtemperatureandviscosityofmouldpowder.3.2原料组成对保护渣玻璃化与结晶性能的影响图4为碱度对保护渣转折温度和析晶率的影响。随碱度升高，保护渣玻璃化特性减弱，结晶率增大。当碱度大于1.11时，保护渣中开始析出晶体；当碱度达到1.15~1.20时，保护渣结晶率达到30~60%；当碱度达到1.30时，保护渣结晶率达到100%。由图还可看出，当保护渣碱度大于1.27时，保护渣η-T曲线的转折温度超过1200°C。当碱度达到1.30时，保护渣η-T曲线的转折温度为1220°C；当保护渣碱度为1.41时，保护渣η-T曲线的转折温度达到1245°C。生产实践证明，转折温度过高会降低保护渣的液体润滑效果，并减少保护渣的流入量，拉漏的可能性增加；转折温度过低，坯壳与结晶器之间液体保护渣发达，传热速率过强。只有使保护渣的转折温度控制在合适的温度范围，才既能够保证2008年北京连铸国际会议论文集良好的润滑效果，又能控制传热速率。因此，为协调并保证铸坯的润滑和控制传热，要针对具体的连铸工艺条件，确定合适的保