朱立光 張彩軍 韓毅華 朱新華 王杏娟(河北聯(lián)合大學(xué))

包晶鋼連鑄用保護渣性能優(yōu)化*

朱立光 張彩軍 韓毅華 朱新華 王杏娟(河北聯(lián)合大學(xué))

針對包晶鋼的凝固特點，分析了澆注包晶鋼用保護渣應(yīng)具備的理化性能，并結(jié)合國內(nèi)某廠情況，優(yōu)化了其連鑄用保護渣的理化性能，現(xiàn)場使用效果良好，能夠為澆注包晶鋼合理選擇保護渣提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明，該鋼種保護渣應(yīng)具有合理的粘度、液渣層厚度＞10 mm、較高的結(jié)晶溫度和適宜的熔化溫度及熔速。

包晶鋼 保護渣 理化性能 優(yōu)化

According to the solidified characteristics of peritectic steel，the physical and chemical performance of mold powder for peritectic steel continuous casting were analyzed.Combining with a certain domestic steel plant，the physical and chemical properties of flux have been optimized and got good utility.It has important theoretical guidance to choose mold powder steel.The results showed that the viscosity of flux should be reasonable，the optimum thickness of liquid slag layer should be ＞10 mm with high crystallization temperature，the melting temperature and melting speed should be reasonable.KEY WORDS peritectic steel mold powder physics and chemistry performance optimization

0 引言

在連鑄過程中，適宜的保護渣理化性能是保證連鑄工藝順行和提高鑄坯質(zhì)量的重要條件。尤其對于碳的質(zhì)量分數(shù)在0.09%～0.53% 之間的鋼種，即包晶鋼，由于該鋼種在1495℃時，在凝固過程中會出現(xiàn)包晶反應(yīng):δFe(鐵素體)+L(液體)→γFe(奧氏體)，產(chǎn)生強烈的線收縮和體積收縮，其裂紋敏感性較大［1］。對于此類鋼種的生產(chǎn)，控制結(jié)晶器內(nèi)的熱流能夠有效地降低裂紋的產(chǎn)生，因此，除了改善冷卻水制度、優(yōu)化結(jié)晶器錐度及其振動方式外，控制及減弱結(jié)晶器與鑄坯間的保護渣渣膜的傳熱能力是避免鑄坯出現(xiàn)裂紋的重要手段［2］，所以包晶鋼連鑄用保護渣的性能及成分設(shè)計顯得尤為重要。目前，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)在澆注碳含量處于包晶鋼范圍的鋼種時，該如何選擇適宜理化性能的保護渣還沒有統(tǒng)一的認識。因此，筆者結(jié)合包晶鋼的凝固特點及其對保護渣的要求，對其連鑄用保護渣進行性能優(yōu)化，為企業(yè)生產(chǎn)包晶鋼合理選擇保護渣提供理論指導(dǎo)。

1 包晶鋼凝固特點及其對保護渣的要求

由鋼液的凝固過程相圖可見，包晶鋼的凝固正好處于包晶區(qū)(δ+L→γ)，在固相線溫度以下20℃～50℃鋼的線收縮最大，此時結(jié)晶器彎月面剛凝固的坯殼隨溫度的下降發(fā)生δFe→γFe轉(zhuǎn)變，伴隨著較大的體積收縮(0.38%的體積收縮)，坯殼與銅板脫離形成氣隙，導(dǎo)致熱流最小、坯殼最薄，在表面形成凹陷。凹陷部位冷卻和凝固速度比其它部位慢，組織粗化，對裂紋敏感性強，在熱應(yīng)力和鋼水靜壓力作用下，在凹陷薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，裂紋出現(xiàn)的幾率越大［3］。

可見，為了避免裂紋的產(chǎn)生，生產(chǎn)包晶鋼必須重視連鑄保護渣的開發(fā)。因此，保護渣性能需滿足以下幾點要求［4－5］:

1)提供適宜的渣耗量;

2)維持充分的液渣深度，以抵消液面波動及保證結(jié)晶器上升期邊緣有液渣存在;

3)保持液渣性能的穩(wěn)定性;

4)控制結(jié)晶器的橫向和縱向傳熱?？v向要求保護渣有良好的絕熱特性，橫向根據(jù)鋼種要求控制傳熱均勻適中。

5)適宜的析晶能力。

2 包晶鋼連鑄保護渣性能設(shè)計

包晶鋼連鑄用保護渣應(yīng)合理調(diào)配液渣層、玻璃態(tài)固相渣層和結(jié)晶態(tài)相固渣層的物性，降低液渣層的粘度來滿足潤滑，防止拉漏，同時使保護渣具有適當?shù)哪虦囟群徒Y(jié)晶溫度以增加固相層和結(jié)晶相比例，減緩傳熱，抑制板坯表面裂紋的產(chǎn)生。具體性能設(shè)計如下。

2.1 粘度

粘度是保護渣非常重要的指標，下渣量小有利于凝固坯殼的均勻形成，要求保護渣有稍高的粘度;但當粘度較高時，保護渣消耗量降低，渣膜減薄，厚度不均勻，增大鑄坯殼局部的摩擦應(yīng)力不均，裂紋容易產(chǎn)生。對于包晶鋼，應(yīng)注意粘度控制，切忌粘度偏低，取ηv乘積的上限為宜，即粘度與拉速乘積應(yīng)控制在0.20～0.35。

2.2 熔渣層厚度

對于包晶鋼來說，保護渣的重點應(yīng)放在控制從鑄坯傳往結(jié)晶器的熱流上，限制結(jié)晶器的熱通量，希望保護渣具有較大熱阻。因此，應(yīng)選用凝固溫度高、結(jié)晶溫度高的保護渣，利用結(jié)晶質(zhì)膜中的“氣隙”，使保護渣的傳熱速度減緩，有助于減少鑄坯在冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。相關(guān)研究［6－7］發(fā)現(xiàn)，較厚的熔渣層能夠防止裂紋的產(chǎn)生，一般認為防止裂紋鋼水液面上部的熔渣層厚度應(yīng)大于10 mm，而液渣層厚度小于10 mm時對表面缺陷敏感;某廠在生產(chǎn)包晶鋼時，經(jīng)過多次與保護渣廠家聯(lián)系調(diào)整保護渣成份，最終將液渣層厚度控制在10 mm～15 mm之間，鑄坯的裂紋發(fā)生率明顯減少。

2.3 析晶溫度和析晶率

除了提高保護渣的熔化溫度，還要通過結(jié)晶相的析出來控制結(jié)晶器壁與坯殼間的傳熱。因為隨著結(jié)晶相的析出、長大，使結(jié)晶器與坯殼間的固態(tài)渣膜中產(chǎn)生孔洞，降低了渣膜的傳熱作用，甚至阻礙了橫向溫降，這樣就可減少裂紋的發(fā)生頻率?？刂圃ぶ锌锥吹闹饕蛩厥俏鼍囟?。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［8］，隨著結(jié)晶體的析出長大，固態(tài)渣膜中產(chǎn)生孔洞，降低了傳熱作用，阻礙了橫向熱流，這樣有利于減少縱向裂紋，對于裂紋比較敏感的中碳鋼和包晶鋼來說，應(yīng)采用較高析晶溫度的保護渣。

此外，相關(guān)研究［9］也表明，提高堿度，保護渣的結(jié)晶傾向增大，析晶率提高。因此，綜上可見，對于裂紋敏感性較強的包晶鋼鋼種，應(yīng)選擇低導(dǎo)熱性能、高析晶率的保護渣。通過適當提高保護渣的堿度，提高保護渣的結(jié)晶溫度，降低保護層渣粘度，來提高析晶率，從而得到較大熱阻的保護渣限制結(jié)晶器的熱通量，實現(xiàn)結(jié)晶器的弱式冷卻。

2.4 渣耗

拉速與保護渣的消耗量有直接的關(guān)系，有關(guān)研究［10］表明，隨拉速增加，渣耗量存在下降趨勢，但在同一拉速時，渣耗值波動大，這與保護渣的粘度大有較大關(guān)系。此外，影響渣耗量的因素還有保護渣的熔化速度、粘度和熔化溫度。渣子溶化速度過快或過慢，使液渣層過厚或過薄;渣子粘度太小，流入的熔渣多，形成的渣膜厚，而且由于其過大的流動性，容易造成流入坯殼與銅板之間渣膜不均勻;粘度過高，則影響保護渣的鋪展性和熔化性，致使結(jié)晶器受熱不均勻而導(dǎo)致局部區(qū)域坯殼厚度不均勻，使凹陷和縱裂發(fā)生。對于亞包晶鋼的生產(chǎn)來說，這種影響對鑄坯質(zhì)量的影響尤其較大。

3 包晶鋼連鑄保護渣性能優(yōu)化實例

國內(nèi)某廠在生產(chǎn)Q195鋼時(主要成分見表1)，鑄坯出現(xiàn)凹陷、裂紋等質(zhì)量問題。經(jīng)排除試誤分析，這與其連鑄用保護渣的性能有很大的關(guān)系，為了改善鑄坯質(zhì)量，須對其用保護渣進行性能優(yōu)化。

表1 Q195鋼種成分 w%

圖1 使用現(xiàn)行保護渣的現(xiàn)場鑄坯表面質(zhì)量

由圖1可以看出，現(xiàn)行保護渣理化性能指標并不理想。鑄坯表面出現(xiàn)大量黃色固體和黑色薄片物質(zhì)，說明保護渣熔化性能較差，熔點較高且熔速較慢。此外，鑄坯還出現(xiàn)角部凹陷。

3.1 現(xiàn)行保護渣性能分析

分別采用全自動熔點熔速測定儀、Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計、熱流模擬測試裝置和SHTT－Ⅱ型熔化結(jié)晶溫度測定儀對現(xiàn)行保護渣進行了理化性能檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)行保護渣理化性能

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，該保護渣用于Q195(碳含量在包晶鋼范圍)生產(chǎn)，保護渣的熔化溫度較高，熔化速度略慢，粘度較高，且傳熱能力較差。較高的結(jié)晶溫度會使鑄坯發(fā)生粘結(jié)的幾率增加，應(yīng)結(jié)合結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固傳熱特性，適當降低保護渣的結(jié)晶溫度。此外，還發(fā)現(xiàn)該保護渣的孕育時間較長、臨界冷卻速度較低，說明在該結(jié)晶溫度不易出現(xiàn)晶體。因此，為更好的滿足生產(chǎn)需要，改善鑄坯質(zhì)量，需進行相應(yīng)的性能優(yōu)化。

3.2 保護渣性能優(yōu)化

根據(jù)該廠的現(xiàn)行設(shè)備和工藝條件，基于Q195鋼種的凝固特性，在結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固傳熱的基礎(chǔ)上，對保護渣的性能，包括熔化溫度、熔化速度、粘度和結(jié)晶溫度進行優(yōu)化設(shè)計。

1)熔化溫度。使保護渣熔點稍低于或等于結(jié)晶器下口處坯殼表面溫度，保證在結(jié)晶器長度方向始終存在一定厚度的液渣膜，即實現(xiàn)“全程液態(tài)潤滑”。經(jīng)模擬計算得知，在拉速為1.4 m/min～2.0 m/min下，斷面為150 mm×220 mm(165 mm×220 mm)的結(jié)晶器出口鑄坯中心表面溫度為1184℃～1254℃，因此，該鋼種的連鑄保護渣熔化溫度應(yīng)稍低于或等于上述的最低溫度，即可保證結(jié)晶器內(nèi)的全程液態(tài)潤滑。綜合傳熱和潤滑要求，設(shè)計熔化溫度為1110±20℃。

2)熔化速度。實驗測得現(xiàn)行保護渣1350℃的熔速為105 s，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和相關(guān)研究，該熔速較慢，實際生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器內(nèi)鋼液上方的液渣層較薄，不容易滿足填充結(jié)晶器和鑄坯之間間隙的需要以及防止結(jié)晶器液面擾動卷渣。另外，液渣吸附鋼液中上浮的夾雜物后，如果粉渣不能及時熔化來補充液渣，液渣粘度增大，潤滑能力會大大減弱。為避免這些問題的出現(xiàn)，設(shè)定該鋼種所用保護渣的熔化速度為42 s左右(1350℃)。針對不同拉速不同斷面的條件，保護渣熔速設(shè)計原則為:拉速增大，熔化速度提高;斷面增大，熔化速度降低。

3)粘度。保護渣的粘度是決定保護渣渣膜潤滑性能的最重要因素。研究表明，粘度設(shè)計應(yīng)遵循η1300℃－V匹配原則和穩(wěn)定性原則。不同的拉速對保護渣的潤滑性能有不同要求，因此，應(yīng)根據(jù)拉速范圍確定與之相適應(yīng)的保護渣粘度。對于方坯(矩形坯)，在拉速為 1.0 m/min～2.6 m/min條件下，η1300℃－V 應(yīng)控制在 0.55～0.75，該鋼種連鑄用保護渣設(shè)計粘度應(yīng)該控制在0.25 Pa·s～0.55 Pa·s。

4)結(jié)晶溫度。實驗測得現(xiàn)行保護渣的結(jié)晶溫度為1050℃。由于該鋼種屬于裂紋敏感性鋼種，在設(shè)計保護渣結(jié)晶溫度時選擇較高析晶溫度。因此，確定該鋼種連鑄用保護渣設(shè)計適宜的結(jié)晶溫度應(yīng)為1100℃。

綜上分析，得出該包晶鋼連鑄用保護渣的理化性能推薦值，見表3。

表3 包晶鋼連鑄保護渣理化性能指標推薦值

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

將按照推薦的保護渣理化性能指標生產(chǎn)的保護渣應(yīng)用于包晶鋼范圍的Q195鋼種的生產(chǎn)，結(jié)果較理想，鑄坯沒有出現(xiàn)明顯表面質(zhì)量問題，現(xiàn)場操作較穩(wěn)定，渣條較少。圖2為現(xiàn)場鑄坯照片。

圖2 試用優(yōu)化后保護渣的鑄坯

4 結(jié)論

1)包晶鋼連鑄保護渣應(yīng)具有合適的粘度，該鋼種連鑄用保護渣設(shè)計粘度應(yīng)該控制在0.25 Pa·s～0.55 Pa·s。

2)該鋼種保護渣要求保護渣渣膜要厚，保護渣的析晶率要高，最大限度地減小輻射傳熱和增加界面熱阻。

3)該鋼種保護渣可適當提高保護渣的堿度，提高保護渣的結(jié)晶溫度，降低保護層渣粘度，來提高析晶率，從而得到較大熱阻的保護渣限制結(jié)晶器的熱通量，實現(xiàn)結(jié)晶器的弱式冷卻。

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PERFORMANCE OPTIMIZATION OF MOLD POWDER FOR PERITECTIC STEEL

Zhu Liguang Zhang Caijun Han Yihua Zhu Xinhua Wang Xingjuan
(Hebei United University)

國家自然科學(xué)基金資助課題(No.51074063);河北省杰出青年基金資助課題(No.E2010000930)

*聯(lián)系人:朱立光，博士，教授，博士生導(dǎo)師，副校長，河北.唐山(063009)，河北聯(lián)合大學(xué);

2012—10—8