FTSC薄板坯连铸中碳钢保护渣研究及开发

杨杰 么洪勇 朱立光 张彩军 冯慧霄 王红丽

(1.河北理工大学；2.唐山钢铁有限责任公司)

FTSC薄板坯连铸中碳钢保护渣研究及开发

杨杰1，2么洪勇2朱立光1张彩军1冯慧霄2王红丽2

(1.河北理工大学；2.唐山钢铁有限责任公司)

针对唐钢 FTSC薄板坯连铸所产生的板坯裂纹、表面夹渣、卷渣及漏钢现象进行保护渣生产试验研究与理论分析。研究结果表明，组分变化对保护渣熔化温度和粘度等指标有着重要的影响。通过实验室对保护渣组份及其变化对其性能影响的研究，结合唐钢 FTSC薄板坯连铸自身特点，设计出保护渣基本配方，且在不断试验改进中，最终开发出适合唐钢薄板坯连铸用中碳钢保护渣 C2.

薄板坯 中碳钢保护渣 开发

0 引言

随着连铸连轧技术的发展，作为薄板坯连铸的三项关键技术之一的保护渣，其物理性能及化学成分的优化越来越受到重视[1-3]。近几年来冶金工作者在保护渣性能优化方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。提出了适合薄板坯连铸使用的保护渣应具有熔点低、粘度低、流动性强等原则性设计理念，以期能够在结晶器铜板与铸坯之间很快地形成稳定保护渣膜[4-5]，起到润滑和改善传热的作用。唐钢薄板坯连铸机是中国建成的第一台 FTSC薄板坯连铸机，自2002年12月投产以来，中碳钢生产过程中裂纹、表面夹渣、卷渣及漏钢现象时有发生。为了使 FTSC薄板坯连铸尽快达产，能稳定生产高质量、高附加值产品，增加企业效益，增强市场竞争力。因此，结合 FTSC薄板坯连铸工艺参数，开发出适于其特点的中碳钢保护渣势在必行。

1 FTSC薄板坯连铸工艺参数及其保护渣性能研究

FTSC薄板坯连铸机为直弧机型，直线段高度

2.1 m，采用长漏斗型结晶器，并带有漏钢预报和热像图系统，其主要工艺参数见表1。

表1 唐钢 FTSC工艺薄板坯连铸机主要技术参数

2 FTSC薄板坯连铸保护渣性能的实验室研究

2.1 组份对保护渣熔化温度及粘度影响的正交试验

以保护渣理论及生产实践为基础，确定出保护渣的的组份及其变化范围，见表2。

通过正交试验表进行试验方案的设计，并按照相应的技术规范进行试验测试，得出如下结论：在所确定的渣系以及组份变化范围内，组份对于保护渣的熔化温度和粘度影响强度有很大的差异；对保护渣的熔化温度的影响，由大到小排序为：CaO/SiO2、L i2O、Na2O、B2O3、A l2O3、F、BaO、SrO、M gO(按单位变化量的作用强度排序)；对保护渣的粘度的影响，由大到小排序为：CaO/SiO2、L i2O、F、A l2O3、SrO、Na2O、B2O3、M gO、BaO(按单位变化量的作用强度排序)。

表2 正交试验中各组份的变化范围

2.2 组份变化对保护渣熔化温度和粘度影响的试验首先研究的是组份变化对保护渣熔化温度和粘度作用规律。实验方法：确定一定组成的基渣，并在基渣的基础上分别配加不同含量的待研组份，组成新实验渣，得出组份在不同条件下对保护渣半球点温度及粘度的影响。各组份单因素变化对保护渣熔化温度和粘度影响的实验结果如图1、图2、图3、图4所示。

图1 Li2O对保护渣熔化温度和粘度的影响

图2 Na2O对保护渣熔化温度和粘度的影响

图3 F对保护渣熔化温度和粘度的影响

图4 CaO/SiO2对保护渣熔化温度和粘度的影响

2.3 组份对保护渣熔化温度影响的实验结果与分析

从上述实验结果可以看出：Na2O、L i2O作为典型的助熔剂，能显著降低保护渣的熔点，含量越多，降低熔点越明显。但 Na2O含量不能过高，否则有可能析出高熔点物质霞石 (Na2O·A l2O3·S iO2)，反而使保护渣熔点升高。L i2O是一种强助熔剂，即使渣中L i2O含量低时，对保护渣熔化温度也有较大影响，随L i2O含量增加，渣的熔化温度降低，降低熔化温度的作用比 Na2O更强。但值得注意的是，在本实验条件下，当 L i2O含量超过3％时，随其含量的增加，作用不明显甚至使熔渣半球点温度有所升高；CaF2是保护渣中最常见的助熔剂，能降低保护渣熔化温度；而碱度增加使保护渣的熔化温度升高。

2.4 组份对熔融保护渣粘度影响的实验结果与分析

2.4.1 碱度的作用

粘度主要取决于熔渣中复合阴离子团的大小，碱度增加，CaO向熔渣中提供的 O2-离子促使硅 -氧聚合体解体，复合阴离子团变小，粘流活化能降低，因此熔渣粘度下降。一般在低碱度范围内提高碱度时，粘度降低值多，而当碱度在较高范围时，再提高碱度，粘度变化较小。这主要与渣中碱度比值有关，当碱度较高即 R≥4后，熔渣中阴离子团转化为最基本的 (S iO44-)四面体形态，进一步增加 O2-离子，(S iO44-)四面体结构仍然维持不变，因而粘度变化不大。

2.4.2 F-的作用

CaF2是用得最多的降低熔渣粘度的组份，它向渣中提供 F-离子，促使硅氧聚合体解体，熔渣粘度降低，当(O+F)∶(Si+A l)≤2.75及 CaF2＜15％时，降低熔渣粘度效果显著。当(O+F)∶(Si+A l)＞2.75及 CaF2＞15％时，F-降低粘度的作用减弱。2.4.3 Na2O、L i2O的作用

Na2O、L i2O均为碱金属氧化物，属网络外体，由于Na+、L i+的电荷少、半径大 (Na+为0.97Å、L i+为0.68Å)，它们在渣中和 O2-的作用力较小，在熔渣结构中能提供非桥氧原子，使 O/Si增大，对渣的网络结构具有较强的破坏作用，使渣的粘度降低。除了L i2O、Na2O断网作用外，还与L i2O的离子极化作用有关。L i+属非惰性气体型离子，减弱硅氧键的作用大，容易在熔渣网络结构形成缺陷或不对称中心，因而导致粘度下降。在连铸保护渣中，当O/Si比很低时，对粘度起主要作用的是硅氧四面体[SiO4]间的键力，极化力最大的L i+减弱 Si-O-Si键的作用最大，Na+较 L i+小一些，因而加入等质量的 L i2O、Na2O，降低粘度的能力是L i2O＞Na2O。

2.5 组份对保护渣结晶性能和玻璃化特性影响分析

结晶性能和玻璃化特性直接对应的是保护渣控制传热和润滑两大主要作用，而对于连铸顺行和铸坯质量控制，众多厂家也多在致力于协调保护渣结晶性能和玻璃化特性二者矛盾的技术研究，因此研究组份对保护渣结晶性能和玻璃化特性影响就显得尤为重要。碱度变化对保护渣结晶性能和玻璃化特性影响的实验结果如图5、图6、图7所示。

图5 保护渣碱度与最大粘流活化能变化值的关系

图6 保护渣碱度与结晶率 Rp的关系

图7 碱度与保护渣转折温度 Tc和析晶温度 Tp的关系

由图5、图6、图7可看出，随着碱度升高，保护渣冷凝过程中最大粘流活化能变化值不断增大，表明保护渣玻璃化特性减弱。当碱度 R大于1.0，保护渣中开始析出晶体；碱度 R达到1.05～1.10，保护渣结晶率达到30％～60％，最大粘流活化能变化值升高趋势减缓，说明在这种碱度值下保护渣的结晶性能非常强。当保护渣碱度大于1.10，保护渣转折温度超过1200℃，易导致液态渣膜急剧减薄，铸坯得不到充分润滑，并且析晶温度 Tp随碱度升高的幅度加大，粘结漏钢的危险性加大。因此，片面强调提高保护渣碱度以加强结晶能力而控制铸坯凝固传热的方法并不可取。为协调保证铸坯的润滑和控制传热，可将碱度 R控制在0.9～1.05，这种条件下保护渣转折温度约1130℃～1160℃，析晶温度约1000℃～1140℃，结晶体比例约5％～30％。根据该结果，允许保护渣碱度变化范围较窄，这就要求提高保护渣原材料的稳定性和加强生产工艺的可控性。

3 生产试验及结果

通过对保护渣组份与性能之间定量、半定量关系的研究，为 FTSC保护渣的开发奠定了理论基础。通过研究碳质材料对保护渣渣层结构的影响，得出获得合适熔渣层厚度和减少渣条的配碳方向。并且对保护渣渣型和预熔基料生产工艺与保护渣熔化均匀性和稳定性进行研究，发现以硅灰石为基料的混合型保护渣熔化均匀性较差，这种不均性容易引起保护渣在薄板坯连铸过程中热流的不稳定，对薄板坯连铸是致命的危害，因此薄板坯连铸保护渣应采用预熔基料。在组份变化对保护渣性能影响研究的基础上，确定保护渣配方，生产出试验渣进行试验。

生产试验主要考查保护渣在结晶器内的使用状况和铸坯表面质量。保护渣在结晶器内的状况包括：熔化均匀性、渣条、液渣层厚度、渣耗量、结晶器热流密度、结晶器热像图、粘结情况；铸坯表面质量的考查内容则分别观察浇注过程红坯表面和头坯、尾坯冷坯表面，考查纵裂纹、夹渣等缺陷情况。并将这些方面的数据结果与拉坯速度、浇铸时间等工艺参数相联系，考查保护渣的稳定性。每次试验结束后，对试验现象和试验效果进行分析，提出下一次试验用保护渣的改进方案。

3.1 第一次生产试验

通过这一系列实验室对保护渣组成与性能研究，确定了中碳钢 SS400的第一次试验渣组成及性能 (见表3)。

表3 唐钢薄板坯连铸保护渣第一次试验渣组成及性能

生产过程中发现：在3.6 m/m in～4.3 m/m in的工作拉速范围内，四种保护渣在结晶器内熔化均匀、无团块、未出现粘结报警、铸坯尾坯及过程坯未发现纵裂纹等明显表面缺陷。这些现象表明试验渣熔化温度、粘度等基本指标能满足连铸工艺需求。但是，在使用试验渣过程中，其热流密度呈现下降趋势，这种热流变化规律揭示了渣膜在结晶器内结晶性能逐渐增强的现象，证明保护渣的结晶性能过强，需进一步降低其结晶性能。

3.2 第二次生产试验

在第一次试验的基础上，对保护渣配方进行调整，试验用保护渣组成及性能见表4。

表4 唐钢薄板坯连铸保护渣第二次试验渣组成及性能

通过对生产过程的跟踪发现，两种保护渣使用过程中，渣条增多、增厚，且结晶器热相图下部温度较低，表明保护渣结晶性能仍然较强。C1在提高和稳定结晶器热流密度方面较前两次试验有了较大的改进，保护渣消耗量、铸坯表面质量能满足连铸工艺需求，但仍然存在一些缺陷，因此下一步改进以 C1为基础，进一步降低析晶性能，严格控制磨碳等生产工艺，避免渣条带来的危害。

3.3 第三次生产试验

试验渣组成及性能见表5。

表5 唐钢薄板坯连铸保护渣第三次试用渣组成及性能

生产跟踪过程发现，C2型号保护渣使用过程中结晶器热流密度得到有效的提高，并且在整个浇铸过程中与拉速变化匹配，且稳定。结晶器热像图弯月面区域温度升高，而且下部温度也升高，说明保护渣的结晶性能减弱，玻璃化特性增强，铸坯润滑得到改善，且生产过程中无粘结，说明了保护渣的润滑作用较好。观察铸坯表面，未发现裂纹等缺陷。浇钢过程中，结晶器中的渣条不多，液渣层厚度10mm～15mm。总之，本次试验的保护渣性能得到了较大的改进，克服了以前热流密度较低的问题，浇注过程稳定，生产顺行，铸坯质量良好，C2适合唐钢FTSC浇铸中碳钢的工艺需求。批量使用C2型号保护渣，生产跟踪表明粘结大幅度减少，浇注过程稳定，生产顺行，铸坯质量良好。

4 结论

经过大量的实验室研究和

book=16,ebook=97沿轧制方向扩展，所以边缘仍是圆滑的，由此推断原始裂纹有两种可能性，一是铸坯中心分层引起的；二是气泡引起的。从裂纹内部较平滑的表面来看，气泡引起的可能性大，其机理是钢中气泡随轧制一起延伸，边缘扩大，在中板中心形成片状分层，在钢的基体上形成分界面，探伤时造成反射波，成为探伤缺陷之一。中断裂面其它部分，开裂时呈脆性断裂，表面凹凸不平，是基体断裂面。图8(b)为3#试样裂纹内表面放大2000倍的组织形貌，未发现其它异常。

这些问题已可以通过提高审核技术得以解决。但是隐蔽工程的真实性难于核实、设计变更的合理性难于确认、工程建筑质量的界定和材料真实价格难以明确，这些隐性问题的存在使的审核工作难度的加大。因此，在今后的工作中和建设过程中各部门联系与协调必不可少，可以通过建立内部审核机构的跟踪审核，督促建设项目直接参与部门的管理工作，确保审核结论真实可靠。

3.2 建筑安装工程结算审核的方法

由于工程比较复杂，因此审核方法也多钟多样。目前有全面审核法、标准预算审核法、对比审核法、筛选审核法、重点审核法、利用手册审核法等。审核人员要根据工程建设规模、施工方法和施工企业情况、所编制工程结算繁简和质量的不同，选择适当的审查方法进行审查。对于有足够审核人员的单位，全面审核法使造价更趋于真实。

4 结语

建筑安装工程的复杂性决定了审核结算的复杂性，所以要做到真实的反映工程造价的实际费用，审核人员必须具备较高的素质，从而积累经验找到适合自己工作的结算审核方法，客观、公正、科学地做好工程的结算审核。

[1]申金山.工程计价.北京：中国建筑工业出版社，2004：277-279.

[2]龚维丽.工程造价的确定与控制.北京：中国计划出版社，2006：253-254.

图8 3#试样裂纹内部和内表面断口形貌

3 分析与讨论

Q370qE钢的组织正常情况下为铁素体和珠光体。但由于中板中心线附近存在 C和M n的偏析，钢的显微组织发生了变化，有研究提出[1]，压缩比超过50％条件下未进行再结晶的奥氏体区的 A r3温度表达式为：A r3(℃)=910-310C-80M n+0.35 (t-8)，其中 t为钢板厚度(mm)，C和M n分别表示C、M n元素的百分含量。上式说明：钢中C和M n含量的增加降低了奥氏体向铁素体的转变温度(A r3)。扩大了奥氏体区域，其结果是即加速了贝氏体或马氏体的转变，又增加了贝氏体或马氏体的比例。还由于贝氏体、马氏体的强度显著高于铁素体，但塑性降低，容易在变形过程中出现裂纹，在两相交界处铁素体区的变形受阻，更容易产生应力集中并引起裂纹。从本研究的金相组织来看 (如图5 (a))，中心线裂纹处确实存在马氏体，马氏体周围还有少量的贝氏体存在。

钢中存在的M nS等夹杂物，破坏了钢组织的连续性，夹杂物的尖端产生应力集中引起开裂，成为钢中裂纹源，显微裂纹的进一步扩展便形成了影响探伤合格率的缺陷。

4 结论

1)钢中发现弥散点状夹杂物，探针分析结果是M nS，其直径在10μm以下，探伤时单个夹杂不会产生异常波形，但大量的M nS夹杂物叠加存在，会使超声波衰减，探伤时呈现底波降低，由此造成钢板探伤不合格。

2)钢中存在的M nS等夹杂物，破坏了钢组织的连续性，夹杂物的尖端产生应力集中引起开裂，成为钢中裂纹源，显微裂纹的进一步扩展便形成了影响探伤合格率的缺陷。

3)中板中心组织由马氏体 +贝氏体 +珠光体+铁素体组成，由于贝氏体、马氏体的强度显著高于铁素体，但塑性降低，容易在变形过程中出现裂纹，在两相交界处铁素体区的变形受阻，更容易产生应力集中并引起裂纹。中板在轧制时裂纹更容易扩展，最后成为影响探伤合格率的缺陷；

4)沿钢板中心线劈开，发现裂纹内部较平滑，边缘有明显的分界线，并且在轧制时没有向周围基体成脆性开裂，只是自身随基体一起沿轧制方向扩展，由此推断这类裂纹可能是气泡引起的。

5 参考文献

[1]M ajka T F，M.D.K.，Krauss G，Development ofmicrostructural Banding in Low-A lloy Steelw ith Simulatedmn Segregationmetallurgical andmaterials Transactions A，2002，33A(6)：1627-1637.

RESEARC H AND DEVELOPEM NT OFM ID-CARBONM OULD FLUX FOR FTSC TH IN SLAB

YangJie1，2Yao Hongyong2Zhu L iguang1Zhang Caijun1Feng Huixiao2W ang Hongli2(1.Hebei Po lytechnic University；2.Tangshan Tron＆Steel Co.，L td)

Tangshan Iron and Steel Sheet Facto ry FTSC for casting the slab cracks p roduced by the surface slag，w rapped slag，and the phenom enon ofmissing p ilo t p roduction research and theo retical analysis.The resu lts show that：component change on the p rotection of slagmelting temperature and viscosity have a significant function.The chem ical composition ofmo ld fluxwas op tim ized and designed，and its effects on the p roperties of mou ld flux components. It was found that the basic form ula ofmo ld flux has been designed com bined w ith continuous casting p rocess of FTSC thin slab，the suitable mould flux C2 to thin-slab continuous casting in Tangshan Iron and Steelwas developed.

Thin slab carbon mou ld flux developm en t

2010—7—5