连铸保护渣技术状况及作用

连铸保护渣技术状况及作用

薛瑞^1,2  张彩军^1,2

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063000；2.河北省高品质钢连铸工程技术研究中心，河北 唐山 063000）

摘  要：保护渣在生产无缺陷铸坯、保证恒拉速的精细化和高效化连铸生产中起到重要的作用。介绍了国内外连铸保护渣研发及应用现状 ,简要阐述了保护渣的主要性能及使用过程中常见的缺陷。在保护渣作用机制、性能控制、促进连铸生产顺行和提高铸坯质量方面的研究不断深化和系统化。

关键词：连铸保护渣；状况；作用

Technology status and development of mold fluxes for continuous casting

Xue Rui1,2，Zhang Caijun1,2

（1.College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology , Hebei 2.Engineering Research Center of High Quality Steel Continuous Casting,Tangshan 063000, Hebei,China）

Abstract: Mold powder plays an important role in the production of defect-free slab, fine casting with constant drawing speed and high efficiency continuous casting. The development and application status of mold fluxes for continuous casting at home and abroad are introduced. The main properties and common defects of mold fluxes are briefly described. Research on the mechanism of mold flux action, performance control, promotion of continuous casting production and improvement of slab quality has been deepened and systematized.

Keywords: mold powder; status quo; effect

连铸技术以其简化生产工序、提高金属收得率、节能降耗、提高铸坯质量和改善劳动条件等优点而得到迅速发展。目前工业发达国家连铸比已达到 90%以上 ,我国连铸比在 85%上 ,连铸坯产量超过2亿t[1]。连铸采用浸入式水口和保护渣浇铸 ,从提出到现在已有 60多年历史 ,它对稳定连铸工艺、扩大连铸品种、提高铸坯质量和产量都是一项极为有效的技术。可以说 ,连铸能达到目前水平是与该项技术密不可分的。因此 ,连铸保护渣技术已成为现代连铸技术的重要组成部分。

1 目前连铸保护渣的状况

1.1 国外状况

鉴于连铸保护渣技术在现代连铸技术中的重要地位 ,工业发达国家将连铸保护渣技术列入高科技范畴 ,各研究所、高等院校和企业都投入大量人力、物力进行开发研究。欧洲煤钢联在 20世纪80年代末、 90年代初投入大量资金对保护渣原材料、基本组成及特性、在连铸过程中的行为作用和连铸保护渣工业化生产等 17个项目进行了系统研究 ,取得了很好的成果 ,促进了连铸技术的发展 ;美国材料协会从 1996年开始研究和建立连铸保护渣生产和使用技术标准 ,大大促进了保护渣技术的发展;日本和韩国除了进行大量保护渣基础理论研究外，还不断开发连铸保护渣生产的在线检测和控制技术。 这些研究和开发一方面形成了连铸保护渣的产业 (如英国 Foseco、德国 Metal-lurgica和 Stollberg、韩国 Stollburg、日本板田和品川等一批生产工艺先进、开发能力较强的连铸保护渣专业化生产厂 ) ,另一方面大大促进了保护渣理论的深化和提高。总之 ,国外主要进行了三方面的工作:

(1)进行保护渣基础理论研究 ,其目的是开发出适合各种连铸品种和工艺要求的保护渣;

(2)采用了计算机模拟技术及专家系统 ,进行结晶器内保护渣熔化特性模拟及保护渣成分设计;

(3) 建造先进的保护渣生产厂 ,生产性能稳定和高质量的保护渣 ,并使之商品化 ,我国各钢厂进口的保护渣多数从这些厂购进。目前工业发达国家已经做到连铸保护渣系列化、商品化。

1.2 国内状况

我国连铸保护渣自 1972年开始研制 ,至今已有 30多年的历史 ,已经具有研究开发保护渣的能力 ,并建成了一批保护渣生产厂。除了个别品种的保护渣需从国外进口外 ,国产保护渣基本上能满足目前国内连铸生产的需要 ,而且在保护渣基础理论研究方面有所创新。如为解决高 铝钢、1Cr18Ni9Ti等高合金钢连铸中出现的保护渣吸收夹杂物和润浸的矛盾 ,提出了高碱性、高玻璃化保护渣的理论,并应用到生产实践中 ,得到良好的效果。

我国现有连铸保护渣生产厂近30家 (初略统计)。国内许多钢厂都有自己的保护渣生产厂 ,如鞍钢、武钢、宝钢、攀钢、本钢、济钢、邯钢等 ,研制及生产连铸保护渣 ,以满足本企业生产的特殊性和灵活性 ,适应钢材市场的多样性要求。连铸保护渣之所以受到如此重视 ,一是因为连铸生产对保护渣的使用性能要求很高 ,不同的钢种、不同的机型要使用不同性能的保护渣;二是因为连铸保护渣对连铸生产顺行和铸坯表面质量的提高起着关键作用。

目前我国应用的保护渣主要是预熔型保护渣 ,外形以雾化空心颗粒为主 ,国内板坯铸机大部分采用这种渣型。还有部分实心颗粒渣和粉状渣在使用 ,但大多用在方坯铸机上。

2 连铸保护渣的作用

连铸生产要实现优质高效，甚至实现无缺陷坯的热送热装，正确选择和使用保护渣是非常必要的。但最基本的问题，还得首先弄明白保护渣的作用，以及在纷繁复杂的品种和连铸工艺条件下，如何来保证保护渣功能的正常发挥。

连铸保护渣浇注技术自20世纪60年代问世以来[2] ，依次经历了60年代的初步探索，70年代的迅速成形，80年代的技术拓展，90年代的理论成熟，逐步进入了21世纪的精准化、系列化时代。连铸保护渣的应用促使连铸钢品种、连铸断面种类、连铸坯质量以及连铸生产率得以大幅度的扩展和提高，因而早已成为不可或缺的冶金辅助材料。

加入结晶器钢液面的保护渣，在钢水释放的热量作用下，逐渐升温并发生烧结、熔化，在结晶器钢液面上形成双层、3层或多层的渣层结构[2] 。由于铸坯以一定的拉坯速度向下运动以及结晶器上下振动，产生负滑脱运动，产生压差将熔渣吸入结晶器和坯壳之间，在结晶器壁的冷却下，靠结晶器壁侧凝固形成玻璃体或结晶体的固态渣膜，靠坯壳一侧维持液渣的状态[3] 。随着结晶器振动和拉坯的进行，液渣和固渣膜被带出结晶器下口，在二冷水冲击作用下与铸坯分离，由此完成保护渣的消耗过程。保护渣从加入到离开结晶器这一过程中所发挥的作用可归结为：

2.1 防止钢液二次氧化。

中间包注流进入结晶器，由于注流的冲击作用，使结晶器内金属表面不断更新。当保护渣加入到结晶器内钢液面时迅速形成液渣层、烧结层和固渣层，并均匀地铺展在钢液面上使之与空气隔绝，从而有效地阻止空气进入到钢液中，防止钢液二次氧化。

2.2 绝热保温减少钢液热损失。

钢液表面的凝固和弯月面初生坯壳的提前凝固对铸坯表面将产生不良的影响[4]。因为钢液中的上浮夹杂物有可能被凝固的铁的结晶体捕集，形成一个有金属和氧化物组成的硬壳结构，它被卷入坯壳后能造成严重的缺陷。渣的保温作用通过覆盖在钢液面上的具有温度低、体积密度小的固渣层来实现。因此适当增加固渣层的厚度，可以提高渣的绝热保温性能，并使液渣层的温度升高。但过厚的固渣层会延长保护渣在高温下的烧结时间，导致结团和渣条严重危害连铸生产的风险。

2.3 吸收和溶解非金属夹杂物。

进入结晶器的钢液不可避免地带入非金属夹杂物，此外结晶器内铸坯液相穴内上浮到钢液弯月面的夹杂物有可能被卷入坯壳形成表面和皮下夹杂缺陷。从热力学的观点来看，硅酸盐渣系能吸收和溶解此类非金属夹杂物，但其溶解速度受到许多因素的影响。在大力实施经济洁净钢生产模式下，钢水中夹杂虽然减少，但进入保护渣后对熔渣性能有影响，希望保护渣的性能变化要控制在连铸工艺许可范围之内。

2.4 在结晶器壁和坯壳之间起润滑作用。

凝固的坯壳与结晶器铜壁之间需要一层性状合适、厚度均匀的液渣来减小固—固摩擦力。钢液面上的液渣层源源不断地为坯壳和结晶器壁间提供润滑剂。为了保证液渣不断供给，弯月面处必须保持通畅，而且为了使润滑作用充分发挥，液渣要具有玻璃态的性能，液渣内不应有高熔点晶体析出。浇铸时铸坯的向下运动和结晶器的振动使液渣在结晶器壁和坯壳之间形成渣膜，为减小摩擦力，必须保持一定的液渣消耗。

2.5 改善和控制铸坯与结晶器之间的传热。

资料表明，空气的导热系数约为0.09 W/(m·K),而渣膜约为1.2W/(m·K)[6]。坯壳在凝固过程中由于体积收缩而使其与结晶器之间产生气隙，从而热阻增加，使得结晶器中下部传热减慢，不利于坯壳厚度的快速增加而提高拉速以提高生产率。但另一方面，在弯月面区域气隙非常小，渣膜传热能力太强，初生坯壳受到的不均匀冷却作用大而厚度变得不均匀，加上因流场和温度场的不均匀导致初生坯壳厚度不均匀性更强，并且因包晶反应等造成的组织应力[7]，可能在铸坯表面和皮下产生裂纹。特别是对于轧制中厚板的铸坯，即使是未暴露的铸坯皮下裂纹，在轧制厚规格钢板时也容易残留在钢板上，导致清理量大甚至报废率高；而厚板坯生产因断面大弯月面容易出现低温区，又容易发生粘结。所以如何有效协调控制弯月面区域的传热和保证对铸坯的润滑是一项非常迫切解决的问题。但国内外在该方面的控制技术此前仍难于满足稳定生产的需要。要保证连铸工艺顺行和生产无缺陷铸坯，除了要协调发挥保护渣自身功能外，控制好连铸工艺条件也同样重要。

3 结语

伴随着中国连铸技术的发展，保护渣技术不断进步，在众多研究单位和保护渣生产企业及连铸生产厂的努力下，保护渣基本理论、生产技术、应用评价和管理方面，基本能满足中国连铸生产需要，从品种、质量、数量方面能实现自给自足。但是，面对钢市场激烈的竞争，钢铁企业高质量新品种将不断增加，特别是对无缺陷铸坯生产需求的加强，对保护渣提出了更加苛刻的要求。保护渣生产中存在的产能严重过剩、生产集中度低、研发意识淡薄和投入低的现象急待解决。建议在行业内应加强联合，建立研发、生产、应用方面的科学模式。

参考文献

[1] 王健. 连铸保护渣技术的发展和应用[J]. 鞍钢技术, 2004(2):4-8

[2] 任虹. 连铸保护渣[J]. 安徽冶金科技职业学院学报, 2001, 11(2):12-15.

[3] 迟景灏, 谢兵, 甘永年. BaO在连铸保护渣中的作用[J]. 重庆大学学报, 1990(2):85-91.

[4] 王谦, 谢兵, 王雨. 合金钢连铸保护渣的基本功能[C]// 中国金属学会连铸专业委员会2000年特钢连铸学术交流会. 2000.[5]