保护渣对结晶器热流分布的影响

吴军

（新疆八一钢铁股份有限公司第二炼钢厂， 新疆　乌鲁木齐　600581）



保护渣对结晶器热流分布的影响

吴军

（新疆八一钢铁股份有限公司第二炼钢厂， 新疆乌鲁木齐600581）

结合生产实践，通过现场试验研究了结晶器保护黏度、碱度与结晶器热流密度的关系。结果表明：对浇铸Q235系列钢种，选用碱度为1.30、黏度为0.132Pa·s的保护渣，可使纵裂率降至0.9%。

保护渣结晶器热流纵裂

结晶器保护渣主要为Al2O3、SiO2、CaO系硅酸盐。根据CaO-SiO2-Al2O3三元系相图，确定保护渣的基料是在硅灰石的组成范围内含有少量的Al2O3的渣系，具有一定的熔点、黏度以及吸附Al2O3夹杂的能力。保护渣在连铸生产中起到隔绝空气保温、防止钢液二次氧化、吸附夹杂及满足坯壳与结晶器铜板间润滑等作用，同时对控制坯壳生长与促进结晶器间传热有一定作用。可见保护渣性能优劣对连铸生产的稳定、铸坯表面质量等有很大影响[1]。保护渣的主要性能指标有黏度、碱度、熔化温度、熔化速度、结晶温度等，这些性能与保护渣的化学成分及所对应的钢种有很大关系。在连铸时，钢从钢液转变为固态，在结晶器中的传热是最重要的控制环节。传热过快或不均匀，将导致铸坯的纵裂；传热不充分导致薄的坯壳易于鼓肚并拉漏。不同钢种对热流大小的要求是不同的。随着拉速的提高，热应力变得更加敏感，而传热将直接影响到连铸的正常生产，故保护渣渣膜对热流的控制极为重要[2]。

八钢第二炼钢厂针对Q235表面纵裂问题，在2012年3—5月间，对使用的国内某厂的板坯保护渣进行了系列试验，通过研究保护渣的碱度、黏度对结晶器热流、铸坯表面裂纹率、结晶器漏钢预报系统频繁报警的影响，确定与现场生产工艺相匹配的保护渣。

1　工艺条件

钢种为Q235，断面为1 510 mm×220 mm，拉速v=1.1～1.5 m/min，铸机半径为9 m，振动方式为液压振动，振动频率f=70+70v，振幅为3.5mm。

2　铸机参数（见表1）

表1　铸机参数

3　影响因素分析

八钢第二炼钢厂在浇铸Q235系列钢种中出现的问题有：保护渣在结晶器内钢液表面上渣条频繁出现，结晶器报警系统易报警，带钢表面出现纵裂。为此，对渣条及保护渣进行检验，发现质保指标中w(Al2O3)为2.65%，而渣条中w(Al2O3)高达12.6%。这说明保护渣在浇注过程中由于大量吸附了钢水中的Al2O3后出现变性。在对保护渣样测定时发现，在升温过程中，部分低熔点的物料先行熔化并流失。所以，一方面应适当控制渣中的Na2O和CaF2等助熔剂来降低渣的黏度和熔点，避免或减少枪晶石等高熔点物质的析出，防止其破坏熔渣的玻璃性；另一方面，加入适量的Li2O、MgO、BaO、B2O3、K2O等助熔剂以抑制由于保护渣吸附了夹杂物后带来的渣膜变性问题，减少渣条的频繁出现，使渣系在使用过程中保持良好的稳定性。本文对此作了相应的研究，如图1、图2所示。

图1　Li2O含量对黏度的影响

图2　BaO含量对熔点的影响

由图1可知：随着Li2O的增加，熔渣黏度大幅度降低，w(Li2O)每增加1%，其黏度降低0.32P。这说明Li2O对渣的软化温度、黏度影响大。随着Li2O的增加，熔渣出现明显的拐点，结晶率增加。因此为获得低熔点、低黏度的具有玻璃润滑性的熔渣须控制Li2O的加入量（质量分数）在4%以内。

由图2可知：适量BaO的加入可降低熔渣的熔化温度，起助熔剂的作用。矿相检验表明：含BaO较高的渣有较多的玻璃质，而且有玻璃光泽，渣的透明度随BaO的增加而增加。说明适量BaO的加入有助于提高渣的玻璃化程度。另外渣中析出的结晶量也随BaO加入量的增加有所减少，因此BaO的加入可保证在相同碱性下获得好的玻璃性，可保证结晶器热流曲线的稳定性，减少漏钢报警频次。BaO合适的加入量（质量分数）为1%～3%。

通过改变NaO、F等熔剂成分来调整渣的熔化性能，并参照保护渣的黏度经验公式[3]lgη=lgA+B/T，对根据理论及经验所得的几种不同的黏度和碱度保护渣作了对比分析试验，实验结果如表2所示。

式中：η为黏度，Pa·s；lgA=-2.307-0.046x(SiO2)-0.07x(CaO)-0.041x(MgO)-0.185x(Al2O3)+0.035x(CaF2)-0.095x(B2O3)；B=6807.2+70.68x(SiO2)+32.58x(CaO)+ 312.65x(Al2O3)-34.77x(Na2O)-176.1x(CaF2)-67.4x(Li2O3)+ 59.7x(B2O3)；T为热力学温度，K。

表2　保护渣对热流密度及裂纹率的影响

4　实验结果及分析

从表2看出：随着保护渣碱度的提高，结晶器热流密度值减小，裂纹率整体呈下降趋势，漏钢报警次数呈上升趋势。碱度从1.25上升到1.32，裂纹率从4.2%下降到最低值0.9%；碱度持续升高后，裂纹微有升高，结晶器漏钢报警次数增多。结晶器热流值的大小由保护渣晶体结构决定，结晶器漏钢预报警频繁则表现为热流曲线不平稳，而热流曲线不平稳主要是由于液渣在结晶器内铺展不均匀或固态渣膜摩擦力大引起的。影响热流值的因素有保护渣碱度、黏度、渣膜的厚度、渣膜的导热系数等，本文主要从保护渣碱度、黏度的匹配对表面裂纹的影响进行讨论。

保护渣碱度是反映熔体结构的指标，对保护渣的结晶特性和保护渣的凝固行为影响很大，直接关系到保护渣的导热性能和润滑性能，是衡量保护渣特性的重要指标。固体渣膜与结晶器间的界面热阻来源于保护渣渣膜的形态，保护渣结晶和凝固产生一定的变形，结晶层厚度增大，界面热阻增大，使结晶器与铸坯之间平均传热速率减小，从而减少纵裂。保护渣碱度直接影响渣膜的结晶率，高碱度渣会形成高结晶率的渣膜，高结晶率的保护渣可以有效降低和控制铸坯经渣膜向结晶器的传热，使铸坯坯壳生长均匀，避免裂纹的产生，特别是包晶钢，裂纹敏感性强，要求保护渣有适当高的碱度。从表2看，碱度从1.25上升到1.30，结晶器热流密度值从1.432 MW/m2减小到1.374MW/m2，裂纹率从4.2%下降到最低值0.9%。这是因为随着保护渣碱度的升高，其析晶率提高，热阻变大，铸坯坯壳缓慢冷却，生长均匀性得到提高，其表面纵向裂纹率也就得到了有效的控制。当碱度继续升高到1.32时，裂纹率有所升高。这是因为碱度提高后其析晶率也提高，固态渣膜的摩擦力增大，结晶器热流密度不均匀，于是就出现了裂纹率从0.9%上升到1.5%，同样从结晶器漏钢报警次数上也可看出因热流曲线不平稳而导致漏钢报警次数明显增多的情况。

保护渣结晶矿相也影响润滑与传热。例如产生大量霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2）时摩擦力急剧增大，黏结漏钢发生几率增大；而产生钙黄长石时黏结漏钢发生几率则下降。各种矿物具有不同的导热系数，其次序为：结晶相>玻璃相；硅灰石（CS）>钙黄长石（C2AS）>尖晶石>霞石（NAS2）。

增大碱度，使CS相区减小，而尖晶石和霞石相区扩大，因此降低热传导系数，使结晶器热流减小，从而减少了纵裂。

在浇铸低合金钢过程中，保护渣液渣吸收钢中Al(S)等氧化物、碳化物或氮化物后，黏度等特性会发生较大变化，改变结晶器角部铜板的热流密度，显著恶化初生坯壳的冷却和润滑条件，导致摩擦力增大和应力集中，二冷扩展而产生角部横向裂纹，在薄弱处产生凹陷甚至表面纵裂纹。因此，为了提高保护渣的吸附夹杂能力，防止其黏度发生较大变化，使液渣导入均匀，无需挑渣条，维持传热均匀和润滑性好，使坯壳均匀缓冷，避免表面缺陷，应选择合适的黏度。

通过研究铸坯表面质量和摩擦力与拉速v关系得出：随着拉速的增加，黏度降低。拉速v和黏度η的乘积v·η影响结晶器导热均匀性即影响初生坯壳厚度均匀性，故而对纵裂有很大影响，并且当v·η=1.5～3.5时，导热不均匀指数ΔT≤10℃（当ΔT=20~30℃时，表明导热不均，容易产生纵裂），可获得好的冶金效果，如图3所示。由此得出保护渣的黏度为1.0～2.0P。

保护渣的传热系数随着保护渣黏度的增加而降低。黏度大的保护渣形成的渣膜中玻璃相占绝大部分，液渣膜很薄；黏度小的保护渣渣膜厚度增加，传热系数也就相应变大；同时，黏度增加，也可使结晶器和保护渣间气隙增大，同样使保护渣传热系数变小[4]。在结晶器热流曲线上表现为：热流曲线不稳定，结晶器热能量值忽高忽低，保护渣的热阻随着黏度的增加而增加。因为保护渣的热阻与它的传热系数成反比。

图3　v·η与导热不均匀性指数的关系

结合表2分析，在较低碱度1.25时，由于热流密度大，铸坯冷却较快，铸坯与结晶器的间隙较大，液渣在结晶器和铸坯间导入均匀，同时碱度低，玻璃相成分较多，铸坯与结晶器间的摩擦力小，固态渣膜不易脱落，故其热流曲线平稳，结晶器漏钢报警系统报警次数几乎为零，但是因为其热流密度大，坯壳冷却强度大，故其裂纹率较高，达到4.6%。

从表2看出：在低碱度条件下，当碱度在不大于1.28时，黏度的大小对热流曲线的平稳度影响较大，对裂纹率影响较小，高黏度时固态渣膜摩擦力小，热流曲线平稳，结晶器漏钢报警系统不会发生报警现象；在碱度高于1.28时，当热流曲线不平稳，热流密度不均匀，会影响到裂纹率的高低。

综合以上因素并结合现场使用效果，选择碱度为1.30、黏度为0.132Pa·s（1300℃时）的保护渣，裂纹率降到0.9%，大幅提高了铸坯成品率。

5　结论

1）从理论上研究保护渣碱度、黏度对结晶器热流分布的影响，并结合生产应用，有效控制板坯的裂纹率，并选择保护渣碱度不小于1.25的保护渣。本文选择最佳碱度为1.30。

2）减少结晶器漏钢报警的发生频次，应控制好保护渣的黏度不发生大的变化，特别是吸附夹杂后液渣不变性，黏度稳定。本文同时选用Li2O、BaO作助熔剂，选择黏度为0.132Pa·s的保护渣。实验结果表明：选用碱度为1.30、黏度为0.132Pa·s的保护渣，纵裂率减小到0.35%，大幅度提高了铸坯的成品率。

[1]迟景浩，甘永年.连铸保护渣[M].沈阳：东北大学出版社，1993.

[2]蔡开科.连铸技术的进展[J].炼钢，2001，17（3）：6-14.

[3]Pinheiro C A，Samarasekera I V，Brimacombe J K.Moldfiux for continuous casting of steel(I)[J].I&SM,1995，22（1）：43.

[4]申俊峰.连铸坯质量与结晶器保护渣[J].冶金译丛，1999（1）：54.

（编辑：胡玉香）

Influence of Physical-chemical Properties of Mold Slag on Heat Flux in the Mold

WU Jun
（Second Steel Mill，Xinjiang Bayi Iron&Steel Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 600581）

The relationship of the viscosity,basicity and the heat flux density of mold is studied through on-site experimental in combination with the production practice.Results show that in casting the Q235 steel,the occurrence rate of the longitudinal cracking can be reached 0.90%if the basicity and viscosity is 1.30 and 1.32 P.

mold powder，heat flux in mold，longitudinal crack

TF703.6

A

1672-1152（2016）02-0022-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.08

2016-03-14

吴军（1975—），男，从事连铸技术工作，工程师。