连铸连轧-结晶器保护渣

2020/1/261第五章结晶器保护渣连铸连轧主讲教师：闵义2008.09~2008.10Tel：[phone]Email：[e-mail]2020/1/2621保护渣在连铸过程中的作用覆盖钢水绝热保温；隔绝空气，防止钢水二次氧化；吸收上浮到钢渣界面上的非金属夹杂物；降低拉坯阻力，润滑铸坯和结晶器作用；流入坯壳和结晶器间隙内的液态渣形成渣膜，以控制铸坯向结晶器传热速度，保持坯壳均匀生长。为了提高连续浇注钢坯的质量，强化保护浇注工艺，使用一种固态粉渣覆盖在结晶器钢液面上形成一层保护渣。结晶器保护渣的作用：2020/1/2632保护渣在结晶器内的行为2020/1/2641）连铸过程中弯月面形成随着结晶器的上下振动，钢液注入结晶器内，且保持一定的液面高度，由于钢液是金属键，强度大，表面张力大，因而在结晶器铜壁处钢液形成了向内壁突出的弯月面。弯月面是凝固坯壳生长的起始点，它的性质在很大程度上决定了铸坯表面质量。连铸结晶器弯月面区域的定义为:从弯月面根部以下45mm到根部以上45mm从结晶器内壁到离壁20mm处的区域。2020/1/2652）钢液弯月面的作用受结晶器的强烈冷却作用。突出的弯月面开始凝固，形成了极薄的坯壳，在向下运动的过程中受钢水静压力的作用变形，形成了铸坯的凝固壳。如果弯月面表面干净，具有较大的曲率半径，变形能力大，就容易恢复变平，则铸坯的某些表面缺陷就难以产生。2020/1/2663）连铸保护渣的熔融结构连铸过程中，由于热量传递、化学反应、机械振动和物质迁移，结晶器内的保护渣构成了一个非稳态体系．因此，凝固过程的影响变得复杂和难于控制。最典型的保护渣熔融结构为三层结构：即由上至下依次为粉渣层、烧结层和熔融层。2020/1/2674）保护渣中碳的分布基料熔化形成熔渣后，配入保护渣种的碳有四个去向，即：1）在浮力作用下浮出熔渣；2）溶解在渣中；3）扩散到钢液中；4）燃烧。文献报道了渣个碳分布的研究结果，认为碳在各渣层中分布严重不均，过渡层碳含量高出平均碳含量6～10倍左右，如左图所示。2020/1/2685）液渣的流入与消耗铸坏润滑一直是连铸技术的重要内容，铸坯振痕深度、表面凹陷、裂纹及漏钢都与铸坯和结晶器的润滑有关。实现结晶器与铸坯之间润滑是保护渣最重要的功能之一；现在普遍支持的观点是：在结晶器负滑脱之外的时间内是保护渣流入的主要时期，通过减少负滑脱时间，可以增加保护渣的消耗量，减少连铸坯－结晶器之间的摩擦力。保护渣消耗量可以采用下列回归方程估算：17.01060174.05.023.0VfAq22.01060140.05.023.0VfAq0.08%C0.16%C0.08%A－振幅，mm；f-振动频率Hz；V－拉坯速度；η－1300℃保护渣粘度。满足中、低碳钢润滑要求的最小渣耗量为0.3kg/m2，中碳钢临界渣耗的试验结果为2.6kg/m2。2020/1/2693连铸保护渣的成分设计成分设计是连铸保护渣研制、应用的基础环节，成分设计的优劣决定着保护渣的性能，并最终影响连铸坯质量。连铸保护渣成分设计原则：①保护渣具有合理的熔化温度、熔化速度和熔融结构；②保护渣具有稳定适宜的粘度；③保护渣具有合理的结晶温度和矿物组成；④保护渣具有足够的吸收夹杂物容量；⑤使保护渣的加工、使用符合环保要求。成分设计及质量控制保护渣的熔化熔渣池的形成熔渣向气隙的流入对坯壳形成的影响铸坯－结晶器传热铸坯－液渣润滑连铸坯表面质量2020/1/26104连铸保护渣成分设计基础基于连铸保护渣在结晶器内的工作条件和设计原则的要求，国内外均采内硅酸盐为基础的玻璃渣体系作为保护渣的基料成分。资料表明，已有的连铸保护渣，按其基料组成可分为三个渣系，即SiO2-Al2O3-CaO系、SiO2-Al2O3-FeO系、SiO2-Al2O3-Na2O系，其中SiO2-Al2O3-CaO系应用最为普遍。在基料基础上辅加少量的添加剂(如碱金属或碱土金属氧化物、氯化物)和控制熔化速度的碳质材料(如碳黑、石墨等)。2020/1/2611结晶器保护渣成分选择依据该三元系有两个低熔化温度区，即A、B两点。对于A点(1170℃)，尽管液相线温度比B点(1265℃)低，但从相图分忻，其实际应用的意义不大．因为在浇注过程中，随Al2O3夹杂的吸收将导致液相线温度激增，同时，A点的SiO2含量高，渣碱度低，粘度大。所以一般用B点作为保护渣基料成分，其范围为：SiO2为28%～38%，CaO为25％~35％，Al2O3＜10％.这是一个以硅灰石(CaO.SiO2)形态存在的低熔化温度区，其CaO/SiO2＝1，恰与保护渣碱度要求相近。同时，该区域的粘度也较低，1400℃时粘度仅为0.6Pa·s。：：AB2020/1/2612保护渣原料选择连铸保护渣化学成分因需要不同而改变。就保护渣原料选择而言，化学成分决定了保护渣使用性能。用于连铸保护渣的原料种类繁多，分为：天然矿物石灰（CaO)、萤石(CaF2)、铝钒土（bauxite）、硅灰石(CaO·SiO2)、石英砂(SiO2)，白云石，长石，珍珠岩，蛭石等；人造矿物工业废渣（高炉渣、转炉渣等）、水泥熟料、玻璃屑、人造硅灰石。2020/1/2613几种保护渣成分范例：2020/1/26145熔渣离子结构熔渣可以导电，并有一定的电阻。电渣重熔及电弧炉炼钢及LF精炼均是通过熔渣导电而获得高温的；熔渣可以电解，当电解熔渣时，在阳极析出金属，在阴极析出氧气，说明熔渣中至少存在金属正离子和氧负离子；熔渣可以作为高温原电池的电解质，说明熔渣是由离子组成；当向金属－熔渣界面通入电荷时，可以改变金属－熔渣的界面张力，称为电毛细现象，说明金属－熔渣间的反应是离子反应，熔渣中存在离子。2020/1/2615熔渣中离子种类及相互作用力根据X射线分析及其他试验证明，熔渣中存在以下离子：（1）正离子均为简单的离子，如Ca2+，Fe2+，Mn2+，Mg2+……。它们都是由金属氧化物离解生成的。（2）负离子简单的负离子有O2-,S2-,F-等。它们是由氧化物、硫化物和氟化物离解生成的。复杂的负离子有：SiO44-,PO43-,Fe2-…..，其中SiO44-还能聚合成更复杂的硅氧复合离子，如:Si2O76-,Si3O96-,Si4O126-,Si6O1812-…。2020/1/2616熔渣中含量最高的酸性氧化物是SiO2，因此复杂的负离子以SiO44-为主。当SiO2含量不断增加时，会造成熔渣中的O2-不足，使SiO2变成SiO44-的反应困难，这时SiO44-会发生聚合反应，释放出O2-以使SiO2变成SiO44-反应得以进行。硅氧复合离子的聚合反应有：SiO44-+SiO44-=Si2O76-+O2-Si2O76-+SiO44-=Si3O96-+2O2-Si3O96-+SiO44-=Si4O128-+O2-………..2020/1/26172020/1/26186结晶器与铸坯间渣膜的状态液渣进入坯壳和结晶器缝隙后，受坯壳和结晶器温度的影响，靠近结晶器一侧受结晶器的强冷作用形成固态渣膜，而靠近铸坯一侧受铸坯的加热作用重熔变成液态，在铸坯向下运动的过程中，起到润滑作用。随着渣膜向下运动，液态渣膜量逐渐减少，固态渣膜量增多，直至完全形成固态，出结晶器后脱落。2020/1/2619凝固后渣膜的矿物组成正硅酸钙（2CaO·SiO2）；硅灰石（CaO·SiO2）；钙铝黄长（2CaO·Al2O3·SiO2）；枪晶石（3CaO·2SiO2·CaF2）；霞石(Na2O·Al2O3·2SiO2)；玻璃相、萤石和氧化硅等。研究指出，各种矿物具有不同的导热系数，从而影响铸坯的凝固。导热系数按顺序排列为：硅灰石(CA)＞钙黄长石(C2AS)＞尖晶石(MA）＞霞石(NAS2)。增大渣的碱度使硅灰石区域缩小，而尖晶石和霞石相区扩大了，因此降低了热传导系数，使结晶器热流减小，从而减少裂纹倾向。2020/1/26207保护渣理化性质7.1保护渣的熔化特征保护渣熔点/熔化温度保护渣是由各种氧化物和氟化物组成，没有固定的熔点，一般用半球点温度定义保护渣的熔化温度。大多数结晶器保护渣的熔化温度在1000～1200℃。为了保证保护渣消耗量和吸收夹杂物，一般情况下熔渣层厚度控制在10mm左右。连铸保护渣熔化温度的高低一般取决于助熔剂加入种类和数量，对保护渣熔化温度起决定作用的熔剂种类：苏打粉（Na2CO3）冰晶石（Na5Al3F14）硼砂（NaB4O7)萤石（CaF2、NaF）常用助熔剂对降低熔化温度的次序为：NaFNa5Al3F14Na2CO3NaClCaF22020/1/2621熔化温度对连铸工艺参数的影响熔化温度越低，熔渣层厚度越大，保护渣消耗量越大；平均渣膜厚度随保护渣熔化温度的降低而增大；保护渣熔化温度越低，铸坯和结晶器之间摩擦力越小，裂纹指数下降；熔化温度低，不利于发挥绝热保温作用，一般情况下，现场不允许出现“红渣”操作。几种主要助熔剂对保护渣熔化温度的影响规律2020/1/2623保护渣熔化速度保护渣熔化速度是表征保护渣熔化快慢的标志，熔化速度的快慢一般是由保护渣中添加的碳质材料或碳酸盐种类和数量来控制的。1300℃，由固态保护渣转变呈液态所需要的时间来定义熔化速度。配入保护渣中的炭质材料种类包括：焦炭、木炭、石墨、碳黑、无定性碳等2020/1/2624对保护渣熔化速度的要求1、必须满足生成液态渣的需要熔化速度C含量C质材料粒度比率熔化温度&粘度矿物材料&C材料粒度f（C质材料种类）灯黑焦炭木炭石墨无定性碳2020/1/26252、必须避免钢液与富含碳质材料的粉渣层接触而导致钢液增碳连铸过程中保护渣各层结构与碳质材料的化学反应示意图2020/1/2626保护渣熔化速度的影响因素分解出的气体搅拌熔融层和粉末层来控制保护渣的熔化。2020/1/2627熔化温度和熔化速度的测定方法将保护渣加工成如左图的锥形或者圆柱形试样，推入高温炉内的恒温区，以10℃/min的升温速度升温，观察渣料的熔化情况，进而定义保护渣的熔化温度。将炉温升至1300℃或1350℃恒温，然后迅速将左图渣料推入恒温区，观察渣料完全熔化后所需时间。2020/1/26287.2保护渣粘度连铸保护渣的粘度，对结晶器内发生的冶金行为包括液渣的流入和消耗、润滑、夹杂物吸收等产生重要影响。所以，为了确保保护渣在浇铸中的良好性能，就必须高度重视保护渣的粘度特性的研究和优化。粘度大小取决于熔渣的化学成分和温度，在一定温度范围内，粘度和温度的关系符合阿累尼乌斯公式：RTEAexpA－常数项E－黏性活化能R－气体常数T－绝对温度2020/1/2629保护渣粘度实际应用中，通常以lnη-1/T曲线描述粘度与温度的关系，如右图所示。曲线包括三部分：高温时以E/R为斜率的线性部分、范围窄的非线性部分、低温时的垂直部分。线性部分与垂直部分的交点被成为拐点．通常拐点处的温度被称为凝固温度或结晶温度。2020/1/2630实际应用时保护渣粘度范围就一般碳素结构钢用保护渣，1300℃时的粘度多在0.1～0.5Pa.s（1Pa.s＝10泊）。国内渣和日本渣一般粘度较低，而德国的保护渣粘度一般设计较高。对保护渣粘度的要求一般是为了实现合理的保护渣消耗量，以实现良好的润滑和传热功能。应根据拉速确定保护渣粘度，参数η1300℃·V是一个简便和有效的指标。一般情况下，η1300℃·V＝0.1～0.35范围之间比较适宜。由于粘度作用的复杂性及各工艺因素的差异，对粘度值的选定各厂存在一定分歧，但都能基本满足要求。2020/1/2631保护渣粘度稳定性保护渣粘度稳定性包括化学稳定性和热稳定性。化学稳定性：允许熔渣化学成分在一定范围内波动，而不应使熔渣粘度发生太大变化。增加粘度化学稳定性的成