第四届发展中国家连铸国际会议(CCC’08)论文投稿420不锈钢小方坯连铸用保护渣的研制*王文学1杨拉道1王雨2杨超武1曾晶1王蓉1周士凯1(1.中国重型机械研究院第二研究室陕西西安710032;2.重庆大学材料科学与工程学院重庆400044)摘要:结合420不锈钢组成、凝固特点以及高温热性能和力学性能等方面特性,分析其在连铸过程产生表面凹陷、微裂纹的机理以及与保护渣性能的关系,确定420不锈钢用保护渣应重点考虑传热性能。在实验室研究的基础上,研制出适合于断面为150×150mm2、拉速为1.0~1.5m/min、420不锈钢小方坯颗粒保护渣。现场试验证明2#保护渣性能良好,420连铸坯因表面凹陷产生的返修率由20%下降到5%。关键词:小方坯;420不锈钢;表面缺陷;结晶器保护渣DevelopmentandApplicationofMoldFluxesfor420BilletWANGWenxue1,YANGLa-dao1,WANG-Yu2,YANGChao-wu1,ZENG-Jing1,WANG-Rong1,ZHOUShi-kai1(1-SecondOfficeofResearch,ChinaNationalHeavyMechineryResearchInstitute,Xi’an710032,Shaanxi,China;2-CollegeofMaterialScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Consideringcomponent,solidificationcharacterandperformanceof420underhightemperature,therelationofmoldfluxesandmechanismofsurfacedepressionandmicro-crackformationonbilletwereanalyzed.Thestudyshowedthatheattransferperformanceofmoldfluxesfor420wasvitallyimportant.TheGrain-moldfluxesusedfor420continuallycasting150×150mm2billetwithadrawingspeedof1.0~1.5m/minhadbeendeveloped.Theresultwasthattheoverhaulingrateowingtosurfacedepressionfellfrom20%to5%byusing2#withgoodperformance.Keywords:billet;420stainlesssteel;surfacedefect;moldfluxes1前言随着连铸工艺技术的进步,其相关技术也得到了进一步的发展。保护渣作为一种浇铸辅助材料在连铸过程中的重要性愈渐明显。这主要是由于结晶器保护渣对连铸工艺的顺行以及连铸坯的表面质量有直接的影响和明显的作用。对于某厂420不锈钢小方坯连铸,如果保护渣选择不当,容易引起结晶器液面波动并在铸坯表面形成多种缺陷。由于420钢种的特殊性,铸坯表面更容易出现凹陷,严重影响铸坯表面质量,通过修磨,降低了材料的收得率。使用物化性能适宜的保护渣可以改善铸坯表面质量,稳定连铸生产操作,提高企业的经济效益。2结晶器保护渣理化性能设计2.1420不锈钢与保护渣性能分析为了解决420铸坯表面凹陷问题,该厂从各个方面开展了工作,除了结晶器冷却水、钢水质量、二冷条件等,还对保护渣性能设计作了大量的工作。较高熔化温度的保护渣,保证钢液面上足够厚度的保护渣以及结晶器与初始坯壳之间渣膜均匀分布;合适的粘度,保证结晶器和铸坯之间流入均匀而且充足的渣量,改善初始坯壳和结图1结晶器中保护渣的分布Fig1.Distributionoffluxesinmold烧结层液渣层钢液结晶器玻璃渣膜液态渣膜固渣层凝固坯壳结晶渣膜渣膜*国家自然科学基金、钢铁联合基金资助项目(50274078)联系人:王文学,男,1981年生,助工,硕士研究生,中国重型机械研究院,710032第四届发展中国家连铸国际会议(CCC’08)论文投稿晶器之间的传热,生成均匀厚度的初始坯壳[1-3]。保护渣在结晶器中的分布如图1所示。(1)420不锈钢之所以出现表面凹陷,钢种成分是主要原因。该钢种既属于铬不锈钢,也属于中碳钢,其主要成分见表1。钢液在结晶器弯月面处的凝固坯壳随温度下降发生包晶反应(L+δ→γ),同时伴有较大的体积收缩,其凝固收缩量是碳素钢的2倍。坯壳与结晶器铜壁之间形成宽度不均匀的气隙,导出的热流变小,该钢种本身的导热系数比碳素钢要小20%,因此凝固过程中易形成不均匀的初始坯壳。改善结晶器内初始坯壳的传热、促进凝固坯壳均匀的生长是防止表面凹陷、得到良好表面质量的关键[2-5]。表1420不锈钢的主要成分范围Table1.Basiccompositionof420stainlesssteel%CSiMnPSCr4200.16-0.25≤1.00≤1.00≤0.035≤0.03012.0-14.0(2)在连铸过程中凝固坯壳厚度不均匀,坯壳强度弱,对承受在拉坯过程出现的摩擦力(例如由于铸机的抖动产生的摩擦力以及由于液面不稳定造成的)有影响。也就是说,适当使用玻璃态保护渣,加强铸坯和结晶器之间的传热和润滑、可以增强坯壳强度,减少表面凹陷。420虽然属于中碳钢但是在小方坯连铸的过程中没有出现表面裂纹缺陷。主要由于小方坯(150×150mm2)连铸结晶器相比板坯传热要均匀。总之该厂420小方坯连铸可以使用玻璃态保护渣,铸坯不会出现裂纹。因此选择玻璃态保护渣是合理的。此外由于420不锈钢钢液中还存在酸性夹杂物,需要通过保护渣来同化和吸收,所以碱度不能太低。2.2保护渣理化性能设计实践证明,小方坯应该采用高粘度和低熔化速度保护渣[2]。因为小方坯散热快,钢液面温度低以及液面不稳定,保护渣应具有保温性能好、消耗量少等特点,其中熔化温度可以控制在1100~1240℃、1300℃时的粘度控制在0.4~0.8Pa·s、消耗量在0.4~0.6kg/t之间[3]。充分考虑现场生产条件(见表5),对于420不锈钢用保护渣,控制熔化温度、粘度、转折温度指标如表2所示。保证铸坯与结晶器之间有充足厚度的液渣膜、玻璃体的固态渣膜以改善初始坯壳与结晶器之间的传热和润滑。根据表2所示,在实验室设计不同的保护渣组成;为避免夹杂物进入保护渣后引起物化性能急剧变化,采用多组分的熔渣组成体系。测定粘度、熔化温度、转折温度等综合指标后,经过实验室筛选先后确定两种420不锈钢用保护渣1#和2#,其化学成分和理化性能如表3、4所示。表2保护渣理化指标控制范围Table2.Rangeofphysical-chemistrypropertiesofmoldfluxesη1300℃,Pa·s熔化温度,℃CaO/SiO2转折温度,℃0.4~0.71120~11700.7~0.91180~1220表3420用保护渣的主要成分范围Table3.Centralcompositionofmoldfluxesfor420%CaOSiO2Al2O3MgOMnOF-Na2OLiO2C1#27.237.11.02.42.61.44.30.810.32#26.537.501.01.62.20.77.6010.3第四届发展中国家连铸国际会议(CCC’08)论文投稿表4420用保护渣物化性能范围Table4.Physical-chemistrypropertiesofmoldfluxesfor420渣号1#2#η1300℃,Pa·s0.43±0.050.57±0.05熔化温度,℃1160±51151±5CaO/SiO20.730.71碱度0.790.73转折温度,℃1215±51205±5容重,g/cm30.630.64铺展角,°31.530粒度分布(空心颗粒)40~80目占78%40~80目占82%注:碱度=(CaO+0.72×CaF2)/SiO23试验结果与分析3.1保护渣试验和结果在整个现场试验过程中,生产条件见表5。与原现场使用保护渣T1在相同条件下进行了对比试验,结果对比见表6。表5保护渣试验设备参数和工艺条件Table5.Experimentalconditionsandequipmentparametersofmoldfluxes项目参数项目参数结晶器长度,mm850结晶器水流量,m3·h-1110~120结晶器断面,mm2150×150进出水温差,℃5.3~6.0结晶器倒锥度,%▪m-10.13振动频率,次数/分钟150~180浇铸温度,℃1535~1550结晶器振幅,±mm3拉速,m·min-11.0~1.5结晶器液面控制自动控制注:该厂小方坯连铸机是三机三流、结晶器全部是管式。表6420保护渣试验结果Table6.Experimentalresultsofmoldfluxesfor420渣号渣耗量,kg·t-1浇铸炉数拉速,m·min-1液渣层厚度,mm返修率T10.3531.07~1.509~1120%1#0.4241.09~1.357~109.8%2#0.4031.03~1.388~105%3.22#保护渣使用性能通过实验看到2#保护渣与T1和1#保护渣相比,大大地降低了连铸坯的返修率,提高了材料的收得率。在整个连铸过程中2#保护渣的作用主要体现如下。(1)熔化性能:2#渣平均耗量在0.40Kg/t。在浇铸过程中其物理性能和使用性能比较稳定,渣条很少。从结晶器和铸坯侧取出的渣膜样均呈现玻璃态;在浇铸每一炉的全过程液渣层厚度比较稳定,一般保持在8~10mm,如图2所示。这说明保护渣在结晶器内熔化状态良好,粘度合适。第四届发展中国家连铸国际会议(CCC’08)论文投稿(2)铺展性能:由于保护渣在结晶器内铺展性能的好坏,直接影响其保温性能和防止钢水二次氧化作用,它与化渣好坏也有很大的关系。2#保护渣采用空心颗粒渣,粒度分布均匀,见表4。铺展性能良好,整个渣层厚度控制在35~40mm,而且在结晶器内分布均匀。(3)保温性能:采用空心颗粒技术,成形模式为大中小级配比方式,显示出了优异的保温特性。正常浇铸时,结晶器液面未发生冷钢现象;液面活跃,火焰均匀,没有烧结现象。(4)润滑性能:铸坯表面振痕均匀,正常浇铸时,表面凹陷明显减少。因凹陷产生的返修率由原来的20%降到5%。说明2#保护渣润滑性能良好,能够满足连铸要求,各种保护渣浇铸出的铸坯见图3~5。(5)导热性能:如果保护渣导热性能不良,会使钢水在结晶器内部生成不均匀的初始坯壳,从而导致表面凹陷的出现,凹陷底部还可能出现夹渣和微裂纹等。保护渣的导热性能与化学成分、粘度等物理性能有很大的关系。试验过程铸坯质量稳定良好,未出现与保护渣相关的事故。结晶器进出水温差保持稳定,说明保护渣导热性能均匀稳定、结晶器内热流稳定。4结论经过试验以及分析得到以下结论:(1)2#保护渣各项指标是合理的,满足420不锈钢小方坯连铸机生产,断面尺寸为150×150mm2、拉速在1.0~1.5m/min;(2)2#保护渣在结晶器中有足够的液渣层,平均渣耗0.40Kg/t,能够满足结晶器润滑和传热所需的液渣量和固渣量;(3)采用2#保护渣浇铸的420不锈钢铸坯表面质量良好,因凹陷产生的返修率从20%降到5%,稳定了连铸生产,大大提高了企业的经济效益。参考文献:[1]PinheiroCA,SamarasekeralIVandBrimacombeJK.MoldFluxesforContinuousCastingofSteel[J].IronandSteelMaker,1995,22(4):45-47.[2]迟景灏,甘永年.连铸保护渣[M].沈阳:东北大学出版社,1992,12:5-6.[3]Hooli,Paavo.MouldFluxFilmbetweenMouldandSteel图42#渣浇