防卷入连铸保护渣的开发 - 图文

防卷入连铸保护渣的开发

张晨1，蔡得祥1，梅峰2，胡会军2 1 宝钢集团中央研究院；2 宝钢股份炼钢厂

摘要

为了降低高等级冷轧薄板钢的钢质缺陷，从保护渣角度出发提出了两种改进思路。

一是通过添加高熔点物质的方法，既提高熔渣的粘度又不影响其流动性，从而实现抗卷入能力提高又不减少渣耗量的目标，但通过对ZrO2、SiC、TiN三种物质的添加效果来看，ZrO2的作用有限，SiC和TiN均因产生较大的负面效果而不得不放弃这种思路；二是通过优化设计组元提高熔渣的表面张力实现促进渣钢快速分离的目标，经过试验验证，该方案较为可行，且已经取得了明显的效果。 关键词：保护渣，夹杂封锁，汽车板

1、前言

降低夹杂缺陷发生率是生产高等级冷轧薄板钢持续追求的目标，随着下游用户对钢材质量要求的日益苛刻，各冶金企业对自身产品的出厂要求也在不断提高。宝钢作为汽车板的主要生产商之一，对汽车板，尤其是汽车外板的表面质量控制非常严格，图1为严控汽车外板质量一年来因夹杂缺陷造成的封锁情况，主要有两大特点，一是波动大，质量不稳定，二是峰值高，最严重时超过了20%。根据冷轧厂的统计，汽车外板表面缺陷包括炼钢类缺陷、热轧类缺陷、表面附着物类缺陷、冷轧加工变形类缺陷、机械损伤类缺陷、腐蚀类缺陷等等。其中炼钢工序引起的缺陷主要包括保护渣、气泡和Al2O3夹杂缺陷三类，各缺陷统计数据如图2所示，可见炼钢类缺陷占到了86%，其中又以保护渣类缺陷为主，占总缺陷发生率的三分之二。这就说明，汽车板等冷轧薄板钢夹杂封锁的主要来源是保

图1 宝钢汽车外板缺陷封锁率

1

护渣的卷入，减少保护渣在使用过程中的卷入是降低夹杂封锁最有效的措施。本文将从保护渣性能设计的优化角度出发，提出了减少保护渣卷入的技术手段。

图2 不同类夹杂封锁率分布

2、高粘度保护渣的开发

保护渣的卷入主要是钢水在表面相向流动时产生的旋涡引起的，从保护渣性能角度考虑，提高粘度能有效防止液渣被撕裂的几率。但在结晶器振动模式不变的情况下，粘度的持续提高会引起渣耗量的不断降低。在宝钢目前的铸机工况条件下，粘度提高到0.4Pa.s时耗量基本上已经接近允许值的下限。因此，为了寻求更高的粘度设计，必须考虑其它的设计思路。通过添加高熔点物质提高熔渣的表观粘度是我们寻求的目标方案，因为在熔渣中制造弥散分布的固体颗粒可有效提高熔渣的粘度，更重要的是，这种粘度的升高对熔渣流动性基本没有影响，也就是说不会降低熔渣在使用过程中的耗量。 2.1 方案设计

为了寻求最佳的添加剂，选取了ZrO2、SiC、TiN三种不同的物质，粒度均在300目以上，其熔点依次为2715℃、2730℃和2950℃。设计了两种不同碱度的试验渣，主要成分和性能如表1所示。添加剂均是与保护渣原料一起经机械研磨充分混均的，加入量2%。粘度通过吊丝法旋转粘度计测量，流动性通过不锈钢流槽装置进行，流槽倾角为10.3°，熔渣倾倒温度为1300℃，通过测量渣体的流动长度来表征熔渣的流动性。

表1 两种基渣的主要成分和性能

No. 1# 2#

R 1.1 0.7

CaO 34 30.5

SiO2 Al2O3 31 11 43.5 5

F

1 4

Na2O MnO B2O3 熔点 粘度 5 8 / 1120 0.36 7 / 6 1000 0.37

2

2.2 各添加剂对粘度的影响

由图3可见，ZrO2对这两种碱度保护渣粘度的影响均不大，仅仅提高了10%左右，且熔渣形貌也没有明显的变化，说明ZrO2在熔渣中基本已经溶解。相比之下，SiC和TiN对熔渣粘度的影响非常剧烈，在1#渣中的粘度变化如图4所示。在2#渣中添加SiC和TiN时粘度均过大而无法测量。可见这两种添加剂对粘度

图3 ZrO2对粘度的影响

图4 SiC和TiN对1#渣粘度的影响

1#

渣

表2 添加剂对保护渣粘度和流动性的影响 1#加1#加1#加2# 2#加ZrO2 SiC TiN 渣 ZrO2 40 0.41

38 1.4

41 0.85

43 0.37

42 0.42

2#加

SiC 33* >9

2#加TiN 26* >9

流动长

42

度，cm 粘度，

0.36

Pa.s

*熔渣上部结团

3

的影响很大，不但绝对量大大增加，而且稳定性也变差，波动范围较大。三种添加剂对流动性和粘度的影响变化如表2所示。 2.3 各添加剂对熔渣形貌的影响

1#和2#渣在1300℃熔化10min后，快速倒入内径40mm、壁厚10mm的铁坩埚中，空冷后观测其凝固结构，如图5所示。1#渣在渣体上部有一层晶体，晶体与玻璃界面清晰；2#渣为完全玻璃态，呈黄绿色。

(a) 1#渣侧视 (b) 2#渣侧视

图5 1#和2#渣的凝固形貌

添加2%的ZrO2对熔渣的外观形貌没有产生明显的变化，与图5的情况基本

一致。即使1#渣中ZrO2的添加量增加到5%时，析晶率也没有出现文献中所说的ZrO2能作为形核剂提高熔渣析晶率的情况。

SiC对原渣的影响非常显著，如图6所示。对于1#渣，SiC颗粒在熔渣内充当了形核剂的作用，造成析晶量大幅提高，另外，SiC并不象氧化物一样能溶解到液渣中，大多数因上浮而聚集在液渣表面。2#渣作为低碱度渣，虽然没有析晶能力，但SiC的存在造成液渣中产生大量的气泡，乳化的液渣直接导致了测定过程中粘度值的偏高。这说明SiC在低碱度渣中能快速分解并氧化，C的氧化正是气泡的来源。2#渣表面没有出现SiC在1#渣表面出现的聚团现象，这也印证了多数SiC已经分解。

TiN的作用与SiC类似，在1#渣中充当形核剂，促成晶体大量析出，但析晶率比SiC稍低，且晶体比较粗大。另外在熔渣表面也出现了少量TiN聚集的现象。

(a) 1#渣侧视 (b) 2#渣侧视

图6 SiC的加入对1#和2#渣凝固形貌的影响

4

TiN对2#渣的影响比SiC更加严重，这是因为TiN分解为吸热反应，其上浮到熔渣表面并分解，直接导致熔渣表面严重结团，其形貌呈疏松的蜂窝状，如图7所示。

(a) 1#渣侧视 (b) 2#渣侧视

图7 TiN的加入对1#和2#渣凝固形貌的影响

由上述试验结果可知，SiC和TiN在保护渣中很难溶解，且会在液渣中上浮或分解产生气体，形核作用产生的晶体或大量的显微气泡在连铸过程中均会影响保护渣功能的正常发挥。因此，通过添加SiC和TiN虽然能达到提高熔渣粘度的

作用，但同时也带来了一定的负面效果，因此开展生产试验尚不成熟。相比之下，作为氧化物的ZrO2，虽然没有上述负面作用，但其单纯提高熔渣粘度的功能十分有限，靠它做到即大幅提高粘度又不影响流动性的想法是无法实现的。

3、高表面张力保护渣的开发 3.1 理论依据

提高熔渣与钢水的界面张力是促进渣钢分离的有效途径，图8为熔渣与钢水的界面张力示意图。由图可知，渣钢界面张力的计算公式为

22?M-S??M??S?2?M??S?cos? (1)

式中： σ

M-S--渣钢界面张力

σM--钢水表面张力 α --渣钢界面夹角

σS -- 熔渣表面张力

其中，熔渣表面张力的计算公式为

σS=Σxiσi (2)

式中：xi--组元i的摩尔分数 σi--组元i的表面张力因子

由式(1)可知，当钢水的表面张力不变时，渣钢界面张力主要受熔渣表面张力的影响，而熔渣表面张力的大小与渣中各组元的表面张力因子和摩尔分数有关。图9为各种氧(氟、氯)化物的表面张力因子大小分布图。由于氧离子半径比正离子半径大，因此形成熔体时，表面主要被O2-占据，熔体的表面张力就主要

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