板坯连铸保护渣的选择与使用

板坯连铸保护渣的选择与使用汪洪峰简明邹俊苏(梅山炼钢厂)摘要本文对板坯连铸保护渣的成分、性能的确定作了描述；对连铸板坯保护渣的性能与工艺条件、钢种的优化匹配进行了探讨。

1保护渣的熔化过程及作用机理1．1保护渣的熔化过程保护渣的熔化过程见下图1。

从图中可见，保护渣熔化时，在钢液面上由固态渣层(粉渣或颗粒渣)、烧结层、半熔化层和液态渣层组成；结晶器与坯壳之间的渣膜由固态渣膜和液态渣膜组成，固态渣膜又分为玻璃质膜和晶体质膜。

1．2保护渣的作用机理保护渣在熔融过程中形成粉一烧结一液渣的层状结构。

固态渣层将钢液面和液渣层绝热；液渣层可以防止钢液面被空气氧化，吸收从钢液中浮出的夹杂物包含Al2O3夹杂，还能阻止钢液面被富碳层、渣圈和固态渣层增碳；液态渣膜(厚度大约为0．1mm)润滑坯壳，随铸坯向下运行，在正滑动时将液渣吸入结晶器与坯壳间的空隙，防止粘结，有利于防止板坯粘结漏钢；固态渣膜(厚度大约为2mm)，主要是晶体质膜，调节传往结晶器的热流，使传热减少和传热均匀。

固态渣膜在浇注初期时形成，与结晶器一起上下运行，其中的玻璃质膜在多炉连浇时没有变化。

固态渣膜的厚度随粘度的升高而增加。

开浇渣有助于形成厚度适当的固态渣膜。

2保护渣成分的确定1)渣系的确定：由CaO-一SiO2一Al2O3渣系平衡状态图可确定结晶器保护渣的范围，在CaO—SiO2的范围内及含有少量的Al2O3大渣系具有合适的熔点及较强的吸附Al2O3的性能，所以基料的碱度选择在0．7～1．3的范围内。

对于低碳结晶器保护渣来说要选择导热性能好、析晶率低的渣系范围，由CaO／SiO2晶体析出与温度关系图可看出碱度在0．8～0．95的范围内渣系的析晶率为零，说明在该碱度范围内，熔融保护渣可实现较高的玻璃化率，该碱度范围内的熔融保护渣具有优良的导热功能和润滑功能。

对于中碳结晶器保护渣来说要选择低导热性能、析晶率高的渣系范围，由CaO／SiO2晶体析出与温度关系图可看出碱度在1．0以上范围内渣系的析晶率较高，说明在该碱度范围内，熔融保护渣可实现完全的结晶化，该碱度范围内的熔融保护渣具有较低的导热功能。

2) Al2O3含量的确定：由国内外各厂家的研究及经验来看，渣中的Al2O3若大于10％，则该保护渣基本不具备吸收Al2O3等夹杂物的能力。

同时渣中Al2O3对保护渣的黏度和再结晶温度有着很大的影响。

为了保证保护渣具有合适的黏度及熔点，故在选择保护渣时要求渣中的Al2O3含量不大于15％，通常要求小于10％。

3)R2O(Na2O、K2O等简称)含量的确定：渣中的R2O是影响保护渣熔点的主要成分之一，同时也会影响保护渣的黏度和对浸入式水口(铝一碳质)的侵蚀。

R2O的含量每增加1％，保护渣的熔点降低约16℃(经验数据)。

为了与合适的保护渣的熔点相适应，故在选择保护渣时要求渣中的R2O的含量在5％～15％之间。

4)F含量的确定：F在结晶器保护渣中是降低保护渣黏度的关键成分，对保护渣的熔点影响不大，同时F也是侵蚀浸入式水口的主要成分。

由国内外各厂家的研究及经验来看，F 含量控制在15％以下，通常要求小于10％。

5)Fe2O3含量的确定：保护渣中的Fe2O3虽能起到降低熔点和黏度的作用，但是它会增加保护渣的氧化性，所以通常要求控制渣中的Fe2O3含量不大于5％。

6)MgO含量的确定：MgO能替代部分CaO，降低黏度、降低凝固温度、降低熔点和提高熔化速度，还可以提高Al2O3在保护渣中的熔解速度，但MgO的含量通常应不大于5％。

7)保护渣配碳的确定：碳是控制保护渣熔化速度的主要成分，渣中的碳含量和类型不同对保护渣熔化速度的MgO控制作用是不同的。

配碳时不仅要控制碳的加入总量，还要控制碳的不同种类和粗细，通常根据不同工艺的要求复合配碳。

结晶器保护渣的成分范围见表1。

现代保护渣的发展趋势是采用复合配碳、低氟含量和低Al2O3含量。

3保护渣理化性能的确定保护渣最重要的性能是黏度、熔点和熔化速度三者的合理搭配，以保证铸坯的润滑和调节从铸坯传往结晶器的热流。

1)黏度的确定：黏度是保护渣非常重要的指标；黏度与渣膜的厚度和均匀程度有很大的关系。

黏度太大或太小，都会造成渣膜厚度的过薄或过厚，使润滑、传热不良。

根据研究经验，人们把黏度和拉速结合，把驴值作为形成稳定渣膜的判定标志：认为矽值在1～3．5范围内选择时效果较好。

此时液渣膜厚度、结晶器传热、结晶器温度波动最小。

2)熔化温度(即半球点)的确定：保护渣的熔化温度过高不利于渣子的熔化，熔化速度减慢，形成的液渣层减薄，流入结晶器与铸坯之间的液体保护渣减少，保护渣的润滑性能减弱，易导致坯壳与结晶器壁之间的粘结，产生粘结漏钢。

保护渣的熔化温度过低，熔化速度加快，液渣层增加，流入结晶器与铸坯之间的液体保护渣增加，保护渣膜增厚，结晶器内的热传输增大，将导致横向热梯度增加，使初生凝固坯壳传热不均，产生表面纵裂。

此外，熔化温度较低，熔化速度加快，粉渣层很快消失，保护渣的消耗量增加，液渣层也易结壳。

根据经验，保护渣的熔化温度应不高于结晶器出口铸坯的表面温度，还要与钢种的液相线温度相吻合。

3)保护渣的熔化速度：保护渣的熔化速度决定了液渣层厚度和保护渣的消耗量。

如果熔化速度过快，粉渣层不易保持，使热损失增大，液渣面易结壳，可能导致夹渣；熔化速度过慢形成液渣层过薄。

过快过慢地熔化速度都容易造成渣膜的厚薄不均。

保护渣的熔化速度与熔化温度、铸坯断面、拉速等密切相关。

铸坯断面小，拉速高，熔化速度要求快；保护渣熔化温度低，熔化速度快。

4保护渣与连铸工艺及钢种的匹配4．1保护渣与连铸工艺的匹配保护渣选用适当与否，对连铸生产和铸坯质量产生重要的影响，保护渣的选用一定要将保护渣韵性能与具体的连铸工艺条件，包括钢水成分、振动参数、拉坯速度等合理匹配，才能实现高效、高质量连铸。

从连铸保护渣的发展及连铸生产实践来看，单纯改变保护渣性能都不能收到理想的效果。

只有综合考虑各种工艺条件的影响，运用系统工程的思想，把保护渣的性能优化与其他工艺条件有机地结合起来，达到优化配合，才能实现铸坯质量与连铸效率的成功控制。

生产中合适的保护渣的消耗量和液渣层厚度是保护渣性能的最直接反应。

保护渣的消耗量是受保护渣的黏度和熔点直接影响的一个重要指标，保护渣的耗量是衡量润滑能力的重要基准。

合适的消耗量对防止漏钢事故的发生以及提高铸坯表面质量有很大的帮助。

合适的消耗量一般为0．46～0．52kg／m2。

液渣层厚度是受保护渣的含碳量和碳的种类及质量影响的一个重要指标，液渣层太厚，形成的渣圈大；液渣层太薄，液渣太少，不能均匀流入铸坯与结晶器壁之间的空隙，这会引起铸坯表面缺陷如板坯纵裂、偏离角纵裂漏钢和粘结漏钢，合适的液渣层厚度一般是8～15mm。

生产中要特别注意保护渣液渣层厚度虽然合适但消耗量明显减少的情况，这是保护渣吸收了Al2O3后，黏度增大，液渣流入困难所致，此时应及时换入新渣，以防漏钢。

4．2钢种对保护渣性能的要求不同钢种对保护渣性能有不同的要求，下面以梅山炼钢厂常规生产的三类钢种进行分析。

1)低碳铝镇静钢(％C<0．08)：这类钢处于临界包晶成分之外，凝固过程中不存在严重的相变体积变化，纵裂倾向小，其对保护渣性能的要求是尽量增大结晶器热流，加速钢水凝固，防止粘结漏钢。

要选择润滑性、导热性好、低碱度、低析晶温度的保护渣，以保证坯壳强度和润滑。

2)中碳钢(0．08<％C<0．18)：这类钢存在包晶凝固行为，有较严重的纵裂倾向，需要限制结晶器热通量，否则易产生纵向裂纹。

因此要求保护渣具有较大热阻，实现结晶器的“弱式冷却”。

提高保护渣膜凝固时的结晶化率，可实现结晶器的“弱式冷却”。

在提高渣膜结晶化率上面，可以通过调整保护渣性能，如适当提高保护渣碱度，提高保护渣结晶温度，降低保护渣黏度。

也可以在保护渣中添加某些起形核作用的化合物或金属粉末，促进晶粒形成来实现。

注意黏度不宜太低，因为黏度太低会引起渣膜厚度不均，导致传热不均，引起不均匀凝固。

渣子黏度与拉速乘积应控制在0．25～0．35。

3)结晶器喂稀土钢：由于稀土元素熔点、燃点较低，在连铸喂丝过程中极易氧化形成高熔点夹杂物，上浮至液面被保护渣吸收，改变了保护渣的性能，液渣流动性变差，消耗量减少，表层结壳，造成铸坯表面裂纹增多；或夹杂物卷入弯月面初生坯壳，导致铸坯表面和皮下出现夹杂，严重时会引起粘结漏钢。

因此连铸稀土钢保护渣初始碳和碱度不宜太高，此外由于Re x O y在3％一5％时对保护渣有一定的助熔作用，因此保护渣的熔点和黏度不宜太低。

4．3梅山板坯连铸保护渣性能分析由表2可以看出，梅山低碳钢保护渣性能指标基本在优化范围内；稀土钢和中碳钢保护渣性能指标大部分在优化范围内，但稀土钢保护渣的熔点、熔速及黏度偏低，中碳钢保护渣的结晶温度和碱度偏低。

现场的实际生产也证明稀土钢保护渣熔化慢、液渣流入不足，保护渣变性快，操作难度大；中碳钢铸坯表面纵裂多。

因此我们对稀土钢保护渣和中碳钢保护渣的性能进行了优化。

优化后中碳钢保护渣的主要指标为：保护渣熔点1120±40％、熔速30±5(1350℃)、黏度0．17(1300℃)、结晶温度1180±40℃、保护渣碱度1．20±0．05。

稀土钢保护渣的主要指标为：保护渣熔点1100．1150℃、熔速40±5(1350℃)、黏度0．20～0．30(1300℃)、初始碳2％左右、保护渣碱度1．10左右。

5结论板坯连铸保护渣的选用正日益成为板坯连铸工艺的重要组成部分，保护渣选用适当与否，对连铸生产和铸坯质量产生重要的影响。

板坯连铸保护渣选用时要将具体的工艺条件与保护渣性能有机地结合起来，合理匹配。

参考文献1 卢盛意．板坯连铸保护渣的选用．连铸，2002，32 姜学峰，宋满堂．本钢结晶器保护渣国产化研究．本钢技术，2001，9257。