宽板连铸机结晶器保护渣选用分析.doc

宽板连铸机保护渣性能规定及评价措施 曹 磊，王玉民，温维新（济钢宽厚板厂，济南 250101）摘 要：本文从低、中、高碳钢以及包晶钢等钢种自身性能及凝固特性出发研究出了不一样钢种保护渣性能特点。并根据宽板连铸机工艺特点，分析了宽板连铸机对保护渣性能设计上规定。结合生产实践，分析了在连铸生产现场，最敏捷评价保护渣措施是合适铜板温度、结晶器进回水温差与热通量参数，连铸坯表面质量是评价保护渣好坏最终原则。关键词：宽板连铸机；保护渣；表面质量；评价措施 Property Requirements and Evaluation Method of Wide Slab Continuous Casting Mould Power CAO Lei,WANG Yu-min,WEN Wei-xin（Wide Heavy Plate Plant of Jinan Iron and Steel Company，Jinan 250101）Abstract:Properties requirement of mould slag for various steel grades have been studied in light of low,medium,high carbon,peritectic steels and their solidification and shrinkage features.The requirements of properties of wide slab continuous casting mould slag have been analyzed based on the characteristic of wide slab continuous casting process.Combining practice of production,the most significant and clearly evaluation of slag are copper plates temperature,the mould in-return water temperature different,heat flux and slab surface quality is the end standard of slag evaluation.Key words:wide slab;continuous casting;mould power;surface quality;evaluation method 伴随现代社会不停发展进步以及钢铁市场持续低迷，人们对钢铁产品质量提出了更高规定，尤其是对钢板表面质量日益苛刻。连铸结晶器保护渣对于提高连铸坯表面质量，提高产品质量起着至关重要作用，同步连铸保护渣好坏直接影响着连铸生产稳定运行1,2，由于结晶器保护渣通用性很差，虽然相似钢种在不一样连铸机上对保护渣规定也不尽相似。本文将结合济钢宽板连铸机生产实际，对宽板连铸机保护渣选用进行分析探讨。1 保护渣重要功能与作用 保护渣在结晶器内钢水液面上形成粉渣层、烧结层、半熔化层、液渣层四层构造，总厚度约为 4060 mm3。坯壳和结晶器之间渣膜由固渣膜和液态渣膜构成,固态渣膜又分为结晶体与玻璃体。伴随结晶器振动，熔融保护渣流入坯壳和结晶之间缝隙，伴随拉坯不停进行，熔渣不停流入，同步固态渣被不停地加入并熔化，如图 1 示。保护渣重要有如下几方面作用。（1）在坯壳和结晶器间起润滑作用；（2）防止钢水二次氧化,对结晶器内钢水隔热保温作用；（3）控制铸坯向结晶器传热,使坯壳能均匀冷却,改善铸坯表面质量；（4）吸取钢水中上浮非金属夹杂物。水口水口出口出口流股流股氩气泡氩气泡钢液钢液侵入式水口侵入式水口烧结层烧结层烧结层烧结层粉渣层粉渣层半融化层半融化层液渣层液渣层渣圈渣圈弯月面弯月面VcVc二冷水二冷水凝固凝固坯壳坯壳结晶器结晶器玻璃玻璃质膜质膜晶体晶体质膜质膜振痕振痕气隙气隙 图 1 连铸结晶器保护渣浇注示意图 2 保护渣理化性能 黏度：黏度是反应保护渣形成液渣后，流动性能好坏重要参数，其值直接影响保护渣渣膜厚度和均匀性，润滑传热效果。熔化温度：重要取决于保护渣成分，保护渣是多种化合物构成混合物，不也许有一种固定熔点。为保证在整个结晶器长度方向存在一定液渣膜，保护渣熔化温度应低于或等于结晶器下口处坯壳表面温度。熔化均匀性：保护渣加入结晶器后不仅规定易于熔化，并且还规定均匀熔化，铺展到整个钢液面，并且沿结晶器四面均匀流入结晶器和坯壳之间缝隙。熔化速度：熔化速度是衡量保护渣熔化过程快慢，关系到结晶器钢液面上能否形成稳定三层构造和所需要液渣层厚度。析晶温度：保护渣析晶温度指降温时从保护渣中开始析出晶体温度,析晶温度直接影响着保护渣润滑和导热性。3 宽板坯连铸工艺特点及对保护渣选择规定 不一样连铸机型具有不一样工艺特点，尤其是断面不一样直接影响连铸坯比表面积，比表面积大小又决定着保护渣消耗速度，因此选择保护渣首先要根据连铸机机型特点进行选择。宽板坯连铸尤其是宽板坯高速连铸，由于结晶器热流增大，坯壳与结晶器之间摩擦力增大，结晶器钢液面波动加剧，出结晶器凝固坯壳变薄等原因，使结晶器内初生坯壳受到更大收缩应力和弯曲应力，连铸坯更轻易产生表面纵裂、横裂、内部偏析等质量缺陷。基于以上工艺特点，宽板坯对连铸保护渣重要规定是：1）成渣速度快，可以及时补充液渣迅速消耗，在拉速变化较大状况下仍能维持足够保护渣消耗量；2）液渣层厚度要足够，一般规定在 815mm；3）良好吸取钢液上浮夹杂物性能，并且吸取夹杂物后液渣性能稳定；4）结晶器壁与坯壳间渣膜厚度合适且分布均匀，防止坯壳与结晶器壁直接接触，以减少摩擦力，防止初生坯壳与铜板粘结。宽板坯保护渣技术关键是迅速成渣，到达一定渣消耗量，以保证对连铸坯润滑；同步满足不一样钢种对结晶器传热控制规定，在选择保护渣时应注意：1）化学成分均匀，铺展性能好，有完整分层构造和合适液渣层厚度；2）良好绝热保温性能，改善保护渣热量传递；3）有合适粘度，液渣流动性好，融化速度快；4）保护渣理化性能能在较大温度区间内以及吸取一定量夹杂物后保持一定稳定性4。4 钢种对保护渣选择规定 不一样成分钢种，其钢水特性及其凝固特点有别，从而决定了对保护渣性能方面规定。4.1 低碳钢 对于连铸而言，低碳钢指碳当量不不小于 0 08%钢种，低碳钢浇铸特点是凝固生出铁素体坯壳中S、P偏析少，初生坯壳强度高，坯壳生长均匀，高温机械性能好，且凝固过程中不存在相变体积变化，内应力及裂纹敏感性小。在设计保护渣时，重要考虑润滑和增大结晶器热流，加紧钢水凝固，防止粘结漏钢。对于低碳钢保护渣，首先应当选择析晶温度和熔化温度低渣系，减少渣膜中结晶相形成，提高润滑和传热效果；同步,为适应高拉速规定，保证结晶器与坯壳之间有足够液渣流入量，一般粘度选择在较低范围。如济钢宽厚板 250 18202200 mm2连铸坯针对低碳钢选择保护渣粘度在0.1150.125Pa.s(1300)，熔化温度为 10201120之间；低碳钢中 Al2O3夹杂相对较多，这就规定保护渣具有较强吸取夹杂物能力，并且吸取 A2lO3夹杂后保护渣物化性能要稳定，以防止保护渣对连铸工艺适应能力下降，诱发铸坯缺陷及粘结漏钢事故。代表性低碳钢结晶器保护渣理化性能见表 1。表 1 低碳钢结晶器保护渣理化性能 产品名称 P204 P3N2 PKA02 碱度 1.01 0.95 0.96 总碳量/%4.04 3.15 7.68 粘度（1300）/Pa.s 0.12 0.11 0.156 熔点/1040 1008 1143 密度/g.mL-1 0.76 0.91 0.75 拉速/m.min-1 1.2 1.75-2.1 0.8-1.3 4.2 包晶钢 一般认为碳当量在 0.08%0.15%钢为包晶钢，包晶钢在凝固过程中会发生包晶反应，即铁素体 相和液钢反应形成奥氏体 相，此时会伴伴随相变体积收缩，轻易在坯壳表面形成凹陷，而凹陷部位散热受阻，使坯壳受到内部液芯加热，铸态奥氏体晶粒组织粗大、柱状晶粗大5，同步由于热应力和钢水静压力作用，在凹陷微弱处因产生应力集中而出现裂纹。包晶钢保护渣设计时,可通过提高熔化温度，使渣膜中固态渣膜加厚；提高碱度(碱度一般不小于 1.16)，使析晶温度提高，增长结晶率，减少渣膜横向传热，实现弱冷方式来减少铸坯缺陷。同步，为了保证铸坯润滑，增长渣耗，保护渣粘度选择合适低些。如济钢宽厚板 250 18202200mm2连铸机包晶钢保护渣渣粘度在 0.0950.105 Pa.s(1300)，熔化温度为 1160，代表性包晶钢结晶器保护渣理化性能见表 2。表 2 包晶钢结晶器保护渣理化性能 产品名称 P3R05 P3X-1 PKE 碱度 1.29 1.45 1.22 总碳量/%5.06 3.81 8.86 粘度（1300）/Pa.s 0.102 0.043 0.092 熔点/1147 1068 1127 密度/g.mL-1 0.86 0.80 0.75 拉速/m.min-1 1.5 1.35-1.6 1.0-2.2 4.3 中碳钢 中碳钢碳含量一般在 0.16%0.25%，其凝固收缩率不小于低碳钢，但不不小于包晶钢。中碳钢凝固到包晶点如下时，产生奥氏体相和剩余液相，因此同步具有裂纹敏感性和粘结敏感性，其浇铸速度一般比较低。针对中碳钢保护渣碱度要较高些，析晶温度高，防止产生裂纹，粘度应当比包晶钢低，防止发生粘结现象和粘结漏钢。如济钢宽厚板 250 18202200mm2连铸机将中碳钢碱度设计为 1.31.5，粘度 0.0950.105Pa.s,熔化温度 10801180，析晶温度不不小于 1100，得到了很好效果。代表性中碳钢结晶器保护渣理化性能见表 3。表 3 中碳钢结晶器保护渣理化性能 产品名称 PY6 PKB-5 碱度 0.95 1.10 总碳量/%3.48 5.21 粘度（1300）/Pa.s 0.088 0.083 熔点/973 1120 密度/g.mL-1 0.80 0.70 拉速/m.min-1 1.5 1.0-1.4 4.4 高碳钢 对于高碳钢，由于碳含量增长，钢冷却过程中线收缩量减小，以至铸坯在弯月面收缩量减少，结晶器和坯壳之间液态渣流入通道变窄，保护渣流入受限，易产生粘结漏钢。为保证合理保护渣消耗量，有效控制铸坯润滑，在设计和选择该系列保护渣时，应选择低碱度，低粘度保护渣。同步由于高碳钢浇铸温度和浇铸速度相对较低，易导致保护渣熔化不均匀，使坯壳表面出现夹杂等缺陷，为此，高碳钢保护渣要选择熔化温度低、保温性能好、体积堆积密度低和碳含量相对较高保护渣，最高可配加到 20%。对于高碳钢，保护渣熔化温度一般选择在 1 1001130范围，1300时粘度控制在 0.25 Pa.s 左右7，碱度在 1.0 左右。代表性高碳钢结晶器保护渣理化性能见表 4。表 4 高碳钢结晶器保护渣理化性能 产品名称 PM4 PSM85-2 碱度 0.95 1.05 总碳量/%4.16 3.64 粘度（1300）/Pa.s 0.015 0.076 熔点/870 813 密度/g.mL-1 0.72 0.75 拉速/m.min-1 1.5 1.0-1.3 5 怎样选择使用和评价保护渣 5.1 保护渣对连铸生产和铸坯质量影响 保护渣选用合适与否，对连铸生产和铸坯质量都将产生重要影响。保护渣对连铸生产影响重要是由于保护渣不良引起粘结或因粘结发生漏钢，频繁粘结不仅影响连铸坯质量并且严重影响连铸生产稳定性，粘结漏钢事故发生更是连铸稳定生产最大敌人。保护渣对铸坯质量影响重要发生在结晶器内，其中又以表面质量为甚。保护渣选用对铸坯质量影响重要有:(1)表面纵裂纹，在设备条件和操作原因不变条件下，保护渣熔化特性选用不妥，液渣层厚薄不一，导致渣膜厚度不均，使局部坯壳变薄产生纵裂。(2)表面横向裂纹，横裂纹大多沿着振痕波谷处发生。保护渣物性影响振痕深浅，浅而圆滑振痕可获得光滑铸坯表面，改善保护渣性能可使振痕深度变浅，减轻横裂纹发生。(3)夹渣，夹渣分表面夹渣和皮下夹渣。渣子卷入是夹渣重要来源。凡渣子剥离性不良，会使铸坯表面嵌附成片夹渣，有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。(4)表面增碳，由于浇铸过程中，保护渣熔化性能不良，液渣层过薄，导致钢液与含碳保护渣或富碳层相接触而渗碳。生产低碳钢和超低碳钢时，钢坯表面增碳也许性更大，对此类钢应注意选用低碳或无碳保护渣。5.2 使用过程中对保护渣评价 对保护渣性能评价，除进厂时正常理化性能检查外，在生产现场可以如下原则评价。（1）保护渣渣耗量。在不停均衡地向结晶器加入保护渣状况下，消耗量应不小于 0.3kg/t 钢，且稳定在较小范围内，一般为 0.30.5kg/t 钢。（2）保护渣液渣层厚度。合适液渣层厚度大体在 815mm，并且厚度波动范围应较小。液渣层厚度不能太小，否则轻易因液渣流入结晶器与坯壳缝隙过少而发生粘结。如济钢宽厚板连铸机在试验某厂家中碳低合金保护渣时，液渣层厚度仅有 5-7mm 左右，发生结晶器热电偶波动频繁，轻易发生粘结。（3）渣圈。渣圈发达，阐明保护渣熔化性能不良，烧结层过度发展。（4）结晶器铜壁温度。在连铸机结晶器铜壁内，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忽然明显升高，如图 2 所示，阐明该处铸坯凝固壳断裂，这是钢水与铜壁接触粘结所致。就保护渣影响而言，是由于液渣层过薄或渣膜厚度不均所导致。若结晶器上部热电偶所测温度上升，下部热电偶所测温度下降或者相反，如图 3 所示，阐明在结晶器铜板保护渣液渣层分布不均，厚薄不一，有也许发生了断渣。图 2 热电偶温度忽然上升 图 3 上下排热电偶温度变化异常 （5）结晶器进回水温差。在结晶器进水管道以及内外弧、左右窄边回水管道上分别安装温度计，讲温度信号引入计算机并实时监控四个面进回水温差以及内外弧热通量。若内外弧温差差异较大，热通量差异较大，如图 4所示，阐明流入内外弧液态保护渣不均匀，导致内外弧液态渣膜厚薄不一。正常状况下，若保护渣性能良好，内外弧温差以及左右窄边温差差异很小，内外弧热通量以及左右窄边热通量差异都很小，如图 5 所示。图 4 内外弧温差、热通量差异较大 图 5 内外弧、左右窄边温差、热通量几乎相似 综上所述，计算保护渣渣耗以及测量液渣层厚度是生产现场老式评价保护渣与否合适有效措施，但伴随计算机技术不停发展，通过结晶器铜板温度以及对结晶器进回水温差与热通量实时监控来评价保护渣好坏已经成为目前最敏捷最直观评价措施。当然保护渣与否适合某连铸机某钢种，最终还要通过连铸坯质量来判断。由于连铸保护渣通用性很差,又没有一种统一原则，虽然选择浇注钢种和断面相似保护渣，但由于拉速、钢水质量和设备参数不一样，同样不能生产出表面质量良好铸坯。假如保护渣选择不妥，不仅导致铸坯表面缺陷多，并且使连铸工艺难以顺行，因此对连铸保护渣选择应予以充足重视。6 结论 （1）通过度析低、中、高碳钢等钢种自身特点,找出了不一样钢种对保护渣性能设计上规定。（2）通过度析宽板连铸机工艺特点，探讨出了宽板连铸机对保护渣性能设计上规定。（3）在连铸生产现场，最敏捷最直观评价保护渣措施是通过铜板温度变化以及结晶器进回水温差与热通量实时监控，连铸坯表面质量是评价保护渣好坏最终原则。参照文献：1Pinheiro C A,Samarasekera I V and Brimacombe J K.Mold Fluxes for Continuous Casing of Steel.Iron and Steel Maker.1995,22(4):4547.2Kim J W,Choi J,Kwon O D et al.Viscous Characteristics of Synthetic Mold Powder for High Speed Continuous Casting.ISIJ.Forth International Conference on Molten Slags and Fluxes.Sendai:ISIJ,1992:468473.3David T Stone,Brian G Thomas.Measurement and Modeling of Heat Transfer Across Interfacial Mold Flux Layers J.Canadian Metallurgical Quarterly,1999,38(5):363-375.4 李殿明,邵明天,杨宪礼,刁承民.连铸结晶器保护渣应用技术M,冶金工业出版社,78-80.5王南辉,谢兵.裂纹敏感性钢种连铸结晶器保护渣研究现实状况J.连铸,(5):36-39.6佟岗,冯长宝,袁威.宝钢宽厚板连铸保护渣国产化J.上海金属,31(2):36-39.7朱立光,王硕明,唐国章等.连铸系列保护渣研制及应用J.河北理工学院学报,22(2):8-12.