结晶器保护渣的性能和特性

结晶器保护渣的性能和特性

1.简介

在连铸生产中结晶器保护渣起着主要作用。保护渣从结晶器顶部加入，向下移动逐步形成烧结层，熔融层和液渣层（见图1）。液渣渗入结晶器铜板与坯壳之间，润滑坯壳。但是，大部分的液渣进入铜板与坯壳之间后，遇水冷结晶器铜板凝结并形成玻璃状的固态渣膜（大约2毫米厚）。薄液渣膜（大约0.1毫米厚）与坯壳一起移动并为其提供液态润滑。同时，玻璃渣也可部分结晶。一般认为固渣膜附在结晶器壁上，或者如果移动，一定比坯壳的速度慢得多。结晶器振动防止坯壳粘结在结晶器上。固渣膜的厚度和特性决定水平热传递。总之，液渣膜控制润滑，固渣膜控制水平热传递。

图1：结晶器内形成的各种渣层

一般认为液渣层厚度dpool应超过振幅，才能保证保护渣渗透良好（如坯壳的润滑），一般建议采用厚度>10毫米。液渣层厚度影响渗入结晶器铜板与坯壳之间的液渣量和从钢水进到液渣中的夹杂物数量。

连铸生产中保护渣有下列功能： 1） 2） 3） 4） 5）

防止弯月面钢水被氧化 保温，防止弯月面钢水表面凝结 提供液渣润滑坯壳

对浇铸钢种提供最佳水平热传递 吸附钢水中的夹杂物

所有上述功能都很重要，但在日常生产中最重要的润滑和水平热传递。影响保护渣性能的基本因素如下：

· 浇铸条件（拉速，Vc，振动特性） · 钢种和结晶器尺寸

· 结晶器液位控制（可导致振痕等）

· 钢流，其紊动可导致多种问题，如气泡和夹渣

由此可见，要有效执行上述工作需要优化保护渣的物理性能。 结晶器保护渣的构成如下：70% (CaO+SiO2)， 0-6％MgO，2-6%

Al2O3， 2-10％Na2O(+K2O), 0-10%F带有其他添加物，如 TiO2, ZrO2, B2O3, Li2O和MnO。碱度（％CaO/%SiO2）范围为0.7-1.3。碳以焦碳，碳黑和石墨方式加入（2-20%），1）可控制保护渣的熔化速度，2）可在结晶器上部形成CO（g），防止钢水氧化。碳以固定碳方式存在于保护渣中，因而可防止保护渣结块，直到最后氧化掉。这是控制保护渣熔化速率的机理。 2.结晶器保护渣的性能和功能 润滑和保护渣消耗

液态结晶器保护渣可润滑铸坯。如果保护渣完全在结晶器下部结晶，就失去了液态润滑，就会发生许多问题（如龟裂）。因而铸坯润滑很重要。公式（1）中液体摩擦力为F1，Vm是结晶器速度，A是结晶器的面积。由此可见摩擦力减小，粘度η减小，液渣膜厚度d1增加。

F1=Aη(Vm-Vm)/ d1 (1)

由于到角部的距离增加，摩擦力增加，因而保护渣消耗量Qs 提供一种测量润滑的方法，主要取决于结晶器的大小。板坯中的摩擦力>大方坯摩擦力>方坯摩擦力，并随钢水的粘度增加而增加。保护渣消耗量Qt 一般按公斤/吨钢计算。采用公式（2）将Qt 转化为Qs ，保护渣公斤/m-2(结晶器)。

Qs＝f* Qt 7?6/R= d1ρ (2)

f*表示保护渣产生的液渣的粒度级，ρ是液渣的密度，R是（结晶器表面积），并给2（w+t）/wt, w和t是结晶器的厚度。摩擦力随到角部的距离增加而增加，因此板坯需要的润滑（如较高的Qs ）>大方坯>方坯。

根据报告，保护渣消耗量不适宜，将导致各种铸坯缺陷和问题，如下： 1）纵裂，

2）粘结漏钢（总是与缺乏润滑有关）， 3）深度振痕， 4）横角裂， 5）三角区裂纹 6）形成凹坑。

保护渣的消耗与多种影响因素有关。大多数人认为主要影响有两种：1）用于润滑结晶器，Qlub ，2）填补振痕Qom。采用三种数学模型，计算Qom，但近来显

示，常常过高估计了Qom的数量。伊托亚玛在报告中说，下列因素对Qlub具有影响力：1）结晶器钢液面的液渣厚度， 2）间隙（结晶器铜板和铸坯）间的流入量，3）结晶器振动提高。通过计算各种浇注参数（拉速，保护渣粘度等）得出的Qs，提出经验值。近来，Qs的工厂数据统计分析显示下列参数具有统计价值，如粘度，拉速，振动频率f和振幅以及熔化温度（Tbr，见第5.2章）或凝固温度（Tsol）。

根据结晶器保护渣特点，保护渣消耗量随保护渣粘度和熔化温度降低而增加。

熔化速率（MR）必须满足液渣（如保护渣消耗）的需要。主要由以下因素控制：1）自由碳的数量，2）碳颗粒的大小。可用公式（3）计算熔化速率。

％Cfree= -0.016 MR +15.41 (3) 3.保护渣在水平方向的热传递qhor

水平传热是一个复杂工艺，包含两个原理，如对流传导系数Kc和辐射传导系数KR。辐射传导性包括辐射能的吸收和再散发，并成为高温下透明材料的主要传导机制。采用公式（4）计算辐射传导力，光学厚条件（定义为αd>3），α=吸收系数，d=厚度，σб=斯蒂芬－波尔姿曼常数，n=折射指数（一般大约为1.60）。T是热力学温度（K）。

KR =16бn2T3/3α (4) 但是，在渣层中出现下列物质，KR会大大降低：

·散射放射的细晶体（消光系数，E=α+S, S是驱散系数，E应用于固体） ·吸收放射的过渡钢水氧化物，如FeO

在板坯浇铸过程中，估计热传递穿过渣层形成KR =10-30%Kc21-23，但是在方坯浇铸中采用高粘度保护渣形成玻璃状渣层则更有效。

坯壳和结晶器间的热传递的总阻力R*total 是一系列阻力，如图2和公式（5）所示。

R*total =R*Cu/sl +(d/k)1+(d/k)gl+(d/k)cry (5) 图2：影响水平热传递的热阻力简图

R*Cu/sl 是界面阻力，下标1，gl和cry分别表示液体层，玻璃层和结晶层。可将放射传导力考虑为平行阻力。公式（5）中影响Rtotal的最大因素是1）RCu/sl 和2）固渣膜的厚度，如d固=dgl+dcry

界面阻力RCu/sl 将随1）固态渣层厚度d固 和2）玻璃态（图3）的增大而增加，其大小约为5x10-4m2KW-1。增大的玻璃态对RCu/sl的影响可理解为收缩。当玻璃态粘度增加（ρ

cry

>ρgl）时易形成气隙（或表面粗糙）。

图3：浇铸中碳钢（MC）和低碳钢（LC）时结晶器保护渣和玻璃态对界面阻力的影响

因此，影响保护渣水平传热最重要的参数是固态渣层厚度（d

固

）和渣层

中生成的玻璃态渣膜百分比。其他相关参数如凝固和液相的热传导系数，吸收系数，消光系数和折射系数。 4.绝热保温（垂直方向的传热）

保护渣层必须提供足够的绝热保温效果，防止结晶器表面结冷钢。减少垂直传热系数（q

垂直

），对减少振痕深度和减少铸坯表面针孔气泡都很重要（图4）。

绝热取决于渣层的特性，但是总的来说，在下列情况下，绝热增加：

1) 特殊保护渣>突出的颗粒>球形颗粒 2) 减小颗粒尺寸 3) 增加渣层厚度 4) 添加发热剂,如Ca/Si

图4： 右侧表示被弯月面捕获的一个气泡，左侧表示当弯月面长度缩小后，气泡是如何上升的。 吸附夹杂物

吸附夹杂物非常重要,因为钢水的机械性能取决于钢水中夹杂物的数量和大小。吸附过程包括以下步骤:

1）将夹杂物传递到渣/钢水界面 2）满足所需界面要求进入渣层 3）通过液渣层分离夹杂, 4）从界面分离夹杂物

通过以下措施可提高夹杂物分离:1)夹杂,增大钢水和渣之间的接触角度(报告种提到，对于18/8不锈钢/夹杂/渣系统， Al2O3的接触角为θ=130o, TiN的为160o；2)湿润夹杂物（大多数夹杂物由渣湿润）。

通过（CSat-C）差值提高分离度，如渣中的饱和浓度和实际浓度之差。因此，

如果CSat较高对分离有帮助。（对于Al2O3，CSat的钙值为40%,TiO2为10%,ZrO2为2%，TiN为0.5%。）浇铸不锈钢中的问题与渣芯中有大量的未溶解的固体TiN或CaTiO3有关，同时也大大增加了粘度。

钢水的紊流

结晶器中的钢流对连铸工艺有重要影响。紊动的钢流可形成立波（不流动波）（见图5）。钢水的紊动导致相关的渣层的波动，可能导致下列问题：

·使板材表面产生夹渣和气泡缺陷

·特别在浇铸超低碳钢（ULC）时，使钢水增碳 ·水口侵蚀，特别在钢水/渣界面

·球形颗粒渣沿紊动波移动，降低绝热性能，因而结晶器钢水表面结冷钢 紊流产生的主要原因如下： 1) 浸入式水口（SEN）插入深度 2）SEN孔的设计 3）氩气流量

尽管如此，常常采用结晶器保护渣来补偿紊流产生的影响，一般用高粘度保 护渣。但可能导致保护渣消耗量减少，引起上述的其他问题。

缺陷和工艺问题

纵裂和角部纵裂纹

纵裂是一个严重的问题，特别常见于中碳钢（MC）。当δ-Fe和奥氏体相的热收缩系数相差4%时会产生这个问题。奥氏体相可增大张力，张力通过纵裂缓解。尽量保持坯壳薄且均匀可使张力最小化。通过采用较大晶体结构的厚渣层，减低水平热传递可达到该目标。采用高凝固点或高熔化温度的保护渣可得到厚渣层。 粘结漏钢

产生粘结漏钢的原因有多种，但都与润滑不良有关。高碳钢（>0.4%C）易于产生粘结漏钢。原因是奥氏体颗粒间的铁素体微偏析加强，使靠近弯月面的坯壳抗拉力较小。

收缩形成假弯月面，从而产生粘结漏钢。据报告发生粘结漏钢的原因如下： 1）碳结块被挤到结晶器边缘

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