20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣的成分優(yōu)化與性能提升研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域，連鑄技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的地位，已然成為鋼鐵工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。連鑄技術(shù)前接煉鐵-煉鋼工序，后續(xù)緊密連接軋鋼環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)的質(zhì)量與產(chǎn)量狀況，直接關(guān)乎著整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)流程中其他環(huán)節(jié)能否正常、高效地運(yùn)行。相較于傳統(tǒng)的模鑄鑄錠工藝，連鑄技術(shù)具備眾多顯著優(yōu)勢(shì)。在生產(chǎn)效率方面，連鑄技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，大幅減少了生產(chǎn)間歇，極大地提高了生產(chǎn)效率；在鋼水收得率上，連鑄過(guò)程切廢較少，后續(xù)處理工序也相對(duì)簡(jiǎn)化，從而有效提高了鋼水的利用率；在鑄坯質(zhì)量層面，連鑄過(guò)程能夠更精準(zhǔn)地控制凝固過(guò)程，降低缺陷產(chǎn)生的可能性，進(jìn)而提升鑄坯質(zhì)量。此外，連鑄技術(shù)還可與電磁攪拌、機(jī)械軟壓下等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步減少鑄坯中心偏析、疏松、中心縮孔等問(wèn)題，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，連鑄技術(shù)的高效與優(yōu)質(zhì)特性，對(duì)于鋼鐵企業(yè)降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用，是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的核心技術(shù)支撐。在連鑄工藝中，保護(hù)渣是確保鑄坯質(zhì)量和連鑄過(guò)程順利進(jìn)行的關(guān)鍵材料，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。連鑄保護(hù)渣加入結(jié)晶器后，在鋼液面上受熱發(fā)生燒結(jié)和熔化，形成獨(dú)特的三層結(jié)構(gòu)，即液渣層、燒結(jié)層和原（固）渣層。液渣層在最下方，直接與鋼液接觸，在結(jié)晶器振動(dòng)、重力和毛細(xì)吸附力的作用下，液渣通過(guò)彎月面流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙形成渣膜，這一過(guò)程對(duì)于鑄坯的質(zhì)量有著多方面的關(guān)鍵影響。在絕熱保溫方面，良好的絕熱保溫性能能夠抑制連鑄過(guò)程中在結(jié)晶器內(nèi)形成搭橋和結(jié)殼，提高彎月面溫度，使鑄坯彎月面處坯殼生長(zhǎng)平穩(wěn)，同時(shí)增大彎月面曲率半徑，使從結(jié)晶器下部鋼液中上浮的氣泡和氧化物夾雜更易上浮到液渣層中，從而凈化鋼液。在隔絕空氣方面，保護(hù)渣迅速形成的液渣層能夠有效阻礙空氣向鋼液面的擴(kuò)散，利用其三層結(jié)構(gòu)對(duì)氧、氮的隔絕作用，防止鋼液二次氧化以及對(duì)氮的吸收，避免鋼液中合金元素的氧化，提高鋼液潔凈度。在潤(rùn)滑鑄坯方面，液渣形成的渣膜能有效降低結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的摩擦力，減少裂紋和漏鋼事故的發(fā)生，提高結(jié)晶器使用壽命。在改善結(jié)晶器傳熱方面，渣膜填充坯殼與結(jié)晶器壁之間的氣隙，減小氣隙熱阻，使坯殼生長(zhǎng)均勻，據(jù)實(shí)測(cè)，渣膜導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2W/(m2?K)，約為純銅的1/325，但比氣隙大13倍。在吸收非金屬夾雜物方面，通過(guò)在保護(hù)渣中添加離子半徑相對(duì)較大的Na?、K?、Ba2?等堿金屬化合物或與O2?半徑相近的F?，可以破壞和斷裂大型網(wǎng)絡(luò)體的結(jié)構(gòu)，降低保護(hù)渣粘度，提高液渣吸收夾雜物的能力。20#鋼作為一種常用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能，在機(jī)械制造、建筑、汽車(chē)工業(yè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。大方坯連鑄工藝在生產(chǎn)20#鋼時(shí)，由于其斷面尺寸較大，凝固過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)保護(hù)渣的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。若保護(hù)渣性能不佳，在連鑄過(guò)程中，鑄坯表面極易產(chǎn)生縱裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)粘結(jié)漏鋼等惡性事故，這不僅會(huì)大幅降低鑄坯的質(zhì)量，導(dǎo)致大量次品和廢品的產(chǎn)生，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)影響連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)效率。因此，開(kāi)發(fā)適用于20#鋼大方坯連鑄的保護(hù)渣具有極其重要的實(shí)際意義。通過(guò)深入研究和優(yōu)化保護(hù)渣的配方及性能，能夠有效改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，減少缺陷的產(chǎn)生，提高鑄坯的合格率和成材率，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)的保護(hù)渣還有助于保障連鑄生產(chǎn)的順利進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于連鑄保護(hù)渣的研究起步較早，在理論和實(shí)踐方面都取得了豐碩的成果。20世紀(jì)60年代，連鑄保護(hù)渣成功取代菜籽油用于連鑄工藝，此后，相關(guān)研究不斷深入。如江見(jiàn)俊彥等人研究了板坯的縱裂和夾渣與保護(hù)渣物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，提出保護(hù)渣粘度和熔速之間應(yīng)保持一個(gè)適當(dāng)?shù)谋戎?，以減少板坯表面的縱裂和夾渣。P.V.Riboud等人論述了保護(hù)渣對(duì)鋼液彎月面的保護(hù)作用，明確提出高堿度、低粘度及Na?O、CaF?含量高的保護(hù)渣有利于吸收非金屬夾雜，并對(duì)凝固坯殼的形成和彎月面上熔渣的流入行為，保護(hù)渣的化學(xué)成分與其理化性質(zhì)間的關(guān)系進(jìn)行了研究。進(jìn)入80年代，隨著高速連鑄、高溫連鑄鑄坯熱送或連軋以及特殊鋼種連鑄技術(shù)的發(fā)展，對(duì)保護(hù)渣提出了更高要求。T.Sakuraya等人研究了保護(hù)渣的熔融特性，提出控制保護(hù)渣熔化特性的關(guān)鍵在于控制半熔融溫度區(qū)間的寬度，當(dāng)該區(qū)間為120-180℃時(shí)，板坯表面缺陷最低，可通過(guò)調(diào)節(jié)炭質(zhì)材料的含量和種類來(lái)實(shí)現(xiàn)。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣研究方面，國(guó)外也有一定的成果。一些先進(jìn)的鋼鐵企業(yè)通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和研究，開(kāi)發(fā)出了適合自身生產(chǎn)工藝的保護(hù)渣體系，在提高鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面取得了良好的效果。但由于不同企業(yè)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件以及鋼種特性存在差異，其研究成果具有一定的局限性，難以直接應(yīng)用于其他企業(yè)的生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)對(duì)連鑄保護(hù)渣的研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都取得了顯著進(jìn)展。眾多科研機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)針對(duì)不同鋼種和連鑄工藝開(kāi)展了大量研究工作。例如，遼寧科技大學(xué)針對(duì)某廠20鋼大方坯連鑄過(guò)程中鑄坯表面易產(chǎn)生縱裂紋、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致粘結(jié)漏鋼的問(wèn)題，對(duì)原用保護(hù)渣進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定實(shí)驗(yàn)渣樣的熔點(diǎn)、熔速、粘度及結(jié)晶溫度，分析保護(hù)渣性能與成分之間的關(guān)系，重新設(shè)定新的保護(hù)渣配方。工業(yè)試驗(yàn)表明，新配保護(hù)渣明顯改善了鑄坯表面質(zhì)量，鑄坯合格率達(dá)到了100%。攀鋼結(jié)合自身大方坯連鑄工藝條件，對(duì)重軌鋼P(yáng)D3、中低碳鋼代表鋼種30MnV進(jìn)行高溫延塑性能測(cè)試研究，并在實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究了保護(hù)渣析晶與玻璃化特性協(xié)調(diào)、吸收夾雜物能力及配碳技術(shù)，確定了合理的大方坯中低碳鋼用保護(hù)渣渣系及理化指標(biāo)，經(jīng)過(guò)大量工業(yè)試驗(yàn)，最終形成了大斷面方坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣技術(shù)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的復(fù)雜物理化學(xué)行為，如液渣的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及與鑄坯的相互作用等，尚未完全明晰，缺乏系統(tǒng)深入的理論研究，這限制了保護(hù)渣性能的進(jìn)一步優(yōu)化。另一方面，隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了更高要求，現(xiàn)有的保護(hù)渣在適應(yīng)新的連鑄工藝條件和鋼種特性方面還存在一定差距。例如，在高拉速連鑄條件下，如何保證保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能和傳熱性能的穩(wěn)定性，以及如何提高保護(hù)渣對(duì)鋼液中新型夾雜物的吸收能力等，都是亟待解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文主要聚焦于20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣的開(kāi)發(fā)，通過(guò)一系列研究?jī)?nèi)容與方法，致力于優(yōu)化保護(hù)渣性能，提升鑄坯質(zhì)量。研究?jī)?nèi)容保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)：深入剖析20#鋼大方坯連鑄的工藝特性，充分考量鑄坯在凝固進(jìn)程中的熱傳遞、坯殼生長(zhǎng)以及與結(jié)晶器壁之間的相互作用等因素。以基礎(chǔ)渣系為核心，借助對(duì)主要成分（如SiO?、CaO、Al?O?等）的含量調(diào)整，以及助熔劑（如Na?O、Li?O、K?O、F等）和碳質(zhì)材料（炭黑、焦炭、石墨等）的合理選配，構(gòu)建出多種保護(hù)渣配方體系。例如，依據(jù)堿度（R=CaO%/SiO?%）對(duì)保護(hù)渣吸收夾雜物能力、潤(rùn)滑性能和析晶溫度的影響，精準(zhǔn)調(diào)控堿度范圍，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣綜合性能的優(yōu)化。保護(hù)渣性能測(cè)試：針對(duì)設(shè)計(jì)的保護(hù)渣配方，開(kāi)展全面的性能測(cè)試。運(yùn)用旋轉(zhuǎn)法測(cè)定保護(hù)渣在1300℃條件下的粘度，以評(píng)估其潤(rùn)滑性能，確保其在合適的粘度范圍（常用保護(hù)渣的粘度(1300℃)為0.05～0.15Pa?s）內(nèi)，避免因粘度過(guò)低導(dǎo)致液渣大量流入縫隙，造成渣膜不均勻、局部凝固變緩，引發(fā)縱裂和拉漏事故；或因粘度過(guò)大使鑄坯表面粗糙。采用差示掃描量熱法（DSC）等技術(shù)測(cè)定保護(hù)渣的熔化溫度（包括燒結(jié)起始溫度、軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度）和結(jié)晶溫度，確保熔化溫度控制在1200℃以下，防止熔化溫度過(guò)高導(dǎo)致潤(rùn)滑作用差且不均勻。通過(guò)測(cè)定保護(hù)渣的熔速，分析其在鋼液面上的熔化行為，保證熔速與連鑄工藝相匹配，維持鋼液面上液態(tài)渣層的穩(wěn)定厚度（一般保持在5-15mm可顯著減少鑄坯表面縱向裂紋）。利用靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)等方法研究保護(hù)渣對(duì)鋼液中常見(jiàn)非金屬夾雜物（如Al?O?等）的吸收能力，評(píng)估其凈化鋼液的效果。連鑄工藝模擬與分析：借助數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建20#鋼大方坯連鑄過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模擬保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)以及液渣的流動(dòng)行為。分析保護(hù)渣性能參數(shù)（如粘度、熔速、熔化溫度等）對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，預(yù)測(cè)鑄坯表面縱裂紋、內(nèi)部偏析等缺陷的產(chǎn)生傾向。例如，通過(guò)模擬不同保護(hù)渣粘度下結(jié)晶器壁與坯殼間渣膜的厚度分布和傳熱情況，探究粘度對(duì)坯殼生長(zhǎng)均勻性的影響機(jī)制，為優(yōu)化保護(hù)渣性能提供理論依據(jù)。工業(yè)試驗(yàn)與優(yōu)化：將實(shí)驗(yàn)室研制的保護(hù)渣應(yīng)用于實(shí)際20#鋼大方坯連鑄生產(chǎn)中，開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)。在工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，密切監(jiān)測(cè)連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性，包括結(jié)晶器液位波動(dòng)、拉坯阻力變化等參數(shù)，確保連鑄過(guò)程的正常運(yùn)行。對(duì)鑄坯進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)，包括表面質(zhì)量（如縱裂紋、夾渣等缺陷的檢測(cè)）和內(nèi)部質(zhì)量（如中心偏析、疏松等的檢測(cè)），評(píng)估保護(hù)渣的實(shí)際應(yīng)用效果。根據(jù)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，深入分析保護(hù)渣在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，針對(duì)性地對(duì)保護(hù)渣成分和性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足20#鋼大方坯連鑄生產(chǎn)的高質(zhì)量要求。研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法：在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用高溫爐等設(shè)備對(duì)保護(hù)渣進(jìn)行高溫熔化實(shí)驗(yàn)，模擬其在連鑄結(jié)晶器內(nèi)的受熱過(guò)程，獲取保護(hù)渣的熔化特性數(shù)據(jù)。利用X射線熒光光譜儀（XRF）、X射線衍射儀（XRD）等分析儀器，對(duì)保護(hù)渣的化學(xué)成分和物相組成進(jìn)行精確分析，為成分設(shè)計(jì)和性能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)物理性能測(cè)試設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、熱分析儀等，測(cè)定保護(hù)渣的粘度、熔化溫度、結(jié)晶溫度等關(guān)鍵物理性能參數(shù)。理論分析方法：運(yùn)用冶金物理化學(xué)原理，深入分析保護(hù)渣成分與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，建立相關(guān)的理論模型，如粘度模型、熔化模型等，為保護(hù)渣成分優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，對(duì)連鑄過(guò)程中保護(hù)渣的傳熱、傳質(zhì)和流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，揭示其作用機(jī)制，為連鑄工藝模擬提供理論基礎(chǔ)。二、20#鋼大方坯連鑄工藝與保護(hù)渣作用2.120#鋼大方坯連鑄工藝概述20#鋼作為一種優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，含碳量約為0.17-0.24%，屬于低碳鋼范疇。其具有一系列獨(dú)特的特性，在力學(xué)性能方面，屈服強(qiáng)度約為240MPa，抗拉強(qiáng)度約為400MPa，伸長(zhǎng)率約為25%，這使得它具備一定的強(qiáng)度和良好的塑性，能夠在承受一定載荷的同時(shí)，發(fā)生較大程度的塑性變形而不發(fā)生斷裂。其沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度也較好，能夠在承受沖擊載荷和交變載荷的情況下，保持較好的性能，不易發(fā)生脆性斷裂和疲勞破壞。在加工性能上，20#鋼的冷變形塑性高，易于進(jìn)行彎曲、壓延、翻邊等冷加工操作，能夠通過(guò)冷加工工藝制造出各種形狀的零件。其焊接性能良好，適用于弧焊、電阻焊等焊接方式，在焊接過(guò)程中，焊縫處的金屬能夠與母材較好地融合，形成牢固的連接，且不易產(chǎn)生焊接缺陷。不過(guò)，該鋼種強(qiáng)度相對(duì)較低，在一些對(duì)強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，可能無(wú)法滿足使用需求。大方坯連鑄是一種將鋼水通過(guò)特定的設(shè)備和工藝，連續(xù)澆鑄成具有較大斷面尺寸（如邊長(zhǎng)或直徑大于200mm）方形鑄坯的生產(chǎn)方法。其工藝流程較為復(fù)雜，首先，經(jīng)精煉處理后的鋼水由鋼包運(yùn)送到鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，便于將鋼水準(zhǔn)確地注入中間包。中間包起到穩(wěn)定鋼流、均勻鋼水溫度和成分以及促進(jìn)夾雜物上浮的作用。鋼水從中間包通過(guò)浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶器是連鑄過(guò)程的核心部件之一，它一般由銅板制成，內(nèi)部通有冷卻水。在結(jié)晶器內(nèi)，鋼水與結(jié)晶器壁接觸，迅速冷卻凝固形成一定厚度的坯殼。結(jié)晶器采用振動(dòng)裝置，通過(guò)上下振動(dòng)，可防止坯殼與結(jié)晶器壁粘連，同時(shí)促進(jìn)保護(hù)渣的均勻分布和液渣的滲入。帶有液芯的鑄坯離開(kāi)結(jié)晶器后，進(jìn)入二冷區(qū)，二冷區(qū)通過(guò)噴水或氣霧冷卻的方式，繼續(xù)對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻，使其進(jìn)一步凝固。鑄坯在二冷區(qū)由一系列的支撐輥和導(dǎo)向裝置引導(dǎo)，以保證鑄坯的形狀和運(yùn)行方向。經(jīng)過(guò)二冷區(qū)冷卻后的鑄坯，由拉矯機(jī)進(jìn)行拉坯和矯直，使其達(dá)到規(guī)定的尺寸和形狀要求。拉矯機(jī)通過(guò)施加拉力和矯直力，克服鑄坯的凝固阻力和彎曲變形，將鑄坯從結(jié)晶器中拉出并矯直。最后，鑄坯由切割機(jī)按照規(guī)定的長(zhǎng)度進(jìn)行切割，切割后的鑄坯通過(guò)輸送輥道等設(shè)備輸送到后續(xù)處理工序。大方坯連鑄工藝所涉及的設(shè)備眾多，各有其獨(dú)特作用。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)承載鋼包并實(shí)現(xiàn)鋼包的位置轉(zhuǎn)換；中間包對(duì)鋼水進(jìn)行緩沖、分流和凈化；結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)鋼水的初步凝固成坯殼；二冷區(qū)的冷卻裝置和支撐導(dǎo)向裝置保證鑄坯的冷卻和形狀；拉矯機(jī)完成拉坯和矯直；切割機(jī)實(shí)現(xiàn)鑄坯的定尺切割。關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)連鑄過(guò)程和鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。拉坯速度是指鑄坯從結(jié)晶器中拉出的速度，它與鋼水的凝固速度密切相關(guān)。拉速過(guò)快，鑄坯凝固不完全，容易出現(xiàn)漏鋼等事故；拉速過(guò)慢，則會(huì)降低生產(chǎn)效率。在20#鋼大方坯連鑄中，拉坯速度一般控制在0.5-1.5m/min。過(guò)熱度是指鋼水溫度高于其液相線溫度的差值，合適的過(guò)熱度能夠保證鋼水的流動(dòng)性和充型能力，同時(shí)避免鑄坯產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力和內(nèi)部缺陷。對(duì)于20#鋼，中間包鋼水過(guò)熱度通?？刂圃?0-30℃。冷卻強(qiáng)度包括結(jié)晶器的一次冷卻強(qiáng)度和二冷區(qū)的二次冷卻強(qiáng)度。一次冷卻強(qiáng)度主要通過(guò)控制結(jié)晶器的冷卻水流量和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，它決定了坯殼的初始凝固速度和厚度。二次冷卻強(qiáng)度則根據(jù)鑄坯的凝固進(jìn)程和鋼種特性，合理分配各冷卻段的水量，以保證鑄坯均勻冷卻，防止出現(xiàn)表面裂紋、中心偏析等缺陷。在20#鋼大方坯連鑄中，結(jié)晶器水流量一般在2000-3000L/min，二冷區(qū)各段的冷卻水量根據(jù)鑄坯的具體情況進(jìn)行調(diào)整。2.2保護(hù)渣在連鑄過(guò)程中的作用機(jī)制絕熱保溫：連鑄過(guò)程中，鋼液溫度高達(dá)1500℃左右，若熱量散失過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致鋼液溫度不均勻，在結(jié)晶器內(nèi)形成搭橋和結(jié)殼現(xiàn)象，影響鑄坯質(zhì)量。保護(hù)渣在鋼液面上形成的三層結(jié)構(gòu)，尤其是上部的原渣層和燒結(jié)層，能夠有效阻擋熱量的傳遞，減少鋼液的輻射熱損失，降低鋼水的過(guò)熱度。研究表明，增加保護(hù)渣中的配碳量、改變碳質(zhì)材料的種類、加入發(fā)熱元素或降低保護(hù)渣的體積密度，均可以提高保護(hù)渣的保溫性。例如，配入適量的炭黑，由于其顆粒細(xì)小，能夠在渣層中形成較為緊密的阻隔結(jié)構(gòu)，有效減緩熱量傳遞速度；而使用空心顆粒渣，因其內(nèi)部存在空隙，可進(jìn)一步降低熱傳導(dǎo)效率，提高保溫性能。良好的絕熱保溫性能使鑄坯彎月面處坯殼生長(zhǎng)平穩(wěn)，增大彎月面曲率半徑，有利于氣泡和氧化物夾雜上浮到液渣層，從而凈化鋼液。防止鋼液二次氧化：在連鑄過(guò)程中，鋼液與空氣接觸極易發(fā)生二次氧化，這會(huì)導(dǎo)致鋼液中合金元素的氧化損失，增加鋼中夾雜物含量，嚴(yán)重影響鋼的質(zhì)量。保護(hù)渣加入結(jié)晶器后，在鋼液高溫作用下迅速形成液渣層，緊密覆蓋在鋼液表面，有效阻礙了空氣向鋼液面的擴(kuò)散。保護(hù)渣的三層結(jié)構(gòu)對(duì)氧、氮具有良好的隔絕作用，使鋼液免于二次氧化以及對(duì)氮的吸收。液渣層如同一層保護(hù)膜，阻止了氧氣與鋼液的直接接觸，避免了鋼液中合金元素（如錳、硅等）的氧化，同時(shí)也防止了鋼液從空氣中吸氮，提高了鋼液的潔凈度，為生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯提供了保障。吸收夾雜：在鋼液凝固過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種非金屬夾雜物，如Al?O?、SiO?等。這些夾雜物若不能及時(shí)去除，會(huì)在鑄坯中形成缺陷，降低鑄坯質(zhì)量。保護(hù)渣熔化形成的液渣層具有吸收和同化鋼液中上浮非金屬夾雜物的能力。液渣的吸收能力與多種因素有關(guān)，從化學(xué)成分角度來(lái)看，堿度（CaO%/SiO?%）對(duì)吸收Al?O?夾雜物能力影響顯著。當(dāng)堿度在0.9-1.0時(shí)，渣子對(duì)Al?O?夾雜的溶解能力較好；而當(dāng)堿度大于1.1時(shí)，溶解能力下降。渣中原始Al?O?含量也有影響，若原始Al?O?含量大于10％，則渣子溶解Al?O?的能力會(huì)迅速下降。從物理性質(zhì)方面，液體渣的粘度對(duì)吸收夾雜有重要作用，粘度較低時(shí)，渣子流動(dòng)性好，鋼渣接觸面積大，夾雜物更易進(jìn)入渣中被吸收。通過(guò)在保護(hù)渣中添加離子半徑相對(duì)較大的Na?、K?、Ba2?等堿金屬化合物，可破壞和斷裂大型網(wǎng)絡(luò)體的結(jié)構(gòu)，降低保護(hù)渣粘度，提高液渣吸收夾雜物的能力。添加與O2?半徑相近的F?也能達(dá)到類似效果。潤(rùn)滑鑄坯與結(jié)晶器：在連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的摩擦力若過(guò)大，容易導(dǎo)致裂紋和漏鋼事故的發(fā)生，同時(shí)也會(huì)降低結(jié)晶器的使用壽命。保護(hù)渣熔化形成的液渣在結(jié)晶器四周的彎月面處，由于結(jié)晶器的振動(dòng)和坯殼與銅板之間縫隙的毛細(xì)管作用，被吸入并充滿銅板與坯殼的縫隙，形成渣膜，起到良好的潤(rùn)滑作用。渣膜能夠有效降低結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的摩擦力，使鑄坯在拉坯過(guò)程中順利移動(dòng)。例如，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能良好時(shí)，拉坯阻力明顯減小，鑄坯表面質(zhì)量得到顯著改善，出現(xiàn)裂紋和漏鋼的概率大幅降低。隨著拉速的不斷提高，結(jié)晶器振動(dòng)頻率增加，保護(hù)渣流入鑄坯與結(jié)晶器間通道的難度增大，此時(shí)渣膜的潤(rùn)滑作用就顯得更為關(guān)鍵，它已成為保證連鑄生產(chǎn)順利進(jìn)行的重要因素之一。改善結(jié)晶器傳熱：在結(jié)晶器內(nèi)，坯殼收縮會(huì)產(chǎn)生氣隙，氣隙的存在使熱阻增加，導(dǎo)致傳熱不均勻，影響坯殼的均勻生長(zhǎng)。保護(hù)渣熔化形成的液渣流入結(jié)晶器壁與凝固坯殼間，形成均勻的渣膜，能夠減小氣隙熱阻，明顯改善結(jié)晶器的傳熱。據(jù)實(shí)測(cè)，氣隙的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.09W/(m2?K)，渣膜的導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2W/(m2?K)，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為389W/(m2?K)，即渣膜的導(dǎo)熱系數(shù)約為純銅的1/325，但比氣隙大13倍。均勻的渣膜使坯殼各部位的冷卻速度趨于一致，避免了因局部冷卻過(guò)快或過(guò)慢而產(chǎn)生的裂紋、縮孔等缺陷，有利于提高鑄坯質(zhì)量。2.320#鋼大方坯連鑄對(duì)保護(hù)渣性能的特殊要求20#鋼的特性和大方坯連鑄工藝的特點(diǎn)，決定了其對(duì)保護(hù)渣性能有著多方面的特殊要求。在熔點(diǎn)方面，20#鋼大方坯連鑄時(shí)，由于鑄坯斷面大，散熱相對(duì)較慢，需要保護(hù)渣具有較低的熔點(diǎn)，一般應(yīng)控制在1100-1200℃。若熔點(diǎn)過(guò)高，保護(hù)渣在鋼液面上熔化緩慢，難以迅速形成均勻的液渣層，無(wú)法及時(shí)發(fā)揮其絕熱保溫、潤(rùn)滑等作用，導(dǎo)致鑄坯表面溫度不均勻，增加縱裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。例如，當(dāng)保護(hù)渣熔點(diǎn)高于1200℃時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄坯表面縱裂紋的發(fā)生率會(huì)顯著提高。同時(shí)，熔點(diǎn)過(guò)高還會(huì)使保護(hù)渣的粘度增大，影響其流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，降低潤(rùn)滑效果。而熔點(diǎn)過(guò)低，保護(hù)渣在鋼液面上易過(guò)早熔化，液渣層厚度難以維持穩(wěn)定，也不利于連鑄過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。熔速也是一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。保護(hù)渣的熔速應(yīng)與連鑄工藝參數(shù)相匹配，尤其是拉坯速度。在20#鋼大方坯連鑄中，拉坯速度一般在0.5-1.5m/min，保護(hù)渣的熔速需保證在鋼液面上能形成穩(wěn)定的液渣層，厚度一般保持在5-15mm為宜。如果熔速過(guò)快，液渣層過(guò)厚，會(huì)導(dǎo)致液渣大量流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，造成渣膜不均勻，局部凝固變緩，容易引發(fā)縱裂和拉漏事故。相反，熔速過(guò)慢，液渣層過(guò)薄，無(wú)法滿足連鑄過(guò)程中對(duì)保護(hù)渣的需求，會(huì)降低其絕熱保溫、潤(rùn)滑和吸收夾雜的能力。例如，通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保護(hù)渣熔速過(guò)快，液渣層厚度超過(guò)15mm時(shí)，鑄坯表面縱裂紋和拉漏事故的發(fā)生率明顯上升；而熔速過(guò)慢，液渣層厚度小于5mm時(shí)，鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量都會(huì)受到不同程度的影響。粘度對(duì)保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能起著決定性作用。20#鋼大方坯連鑄時(shí)，保護(hù)渣在1300℃時(shí)的粘度一般應(yīng)控制在0.05-0.15Pa?s。粘度過(guò)低，保護(hù)渣的流動(dòng)性過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致液渣大量流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，造成渣膜過(guò)厚且不均勻，使鑄坯表面粗糙，增加縱裂紋產(chǎn)生的可能性。粘度過(guò)高，保護(hù)渣的流動(dòng)性差，難以在結(jié)晶器壁與坯殼間形成均勻的渣膜，無(wú)法有效降低拉坯阻力，可能導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁粘結(jié)，引發(fā)漏鋼事故。例如，在某鋼廠的20#鋼大方坯連鑄生產(chǎn)中，當(dāng)保護(hù)渣粘度低于0.05Pa?s時(shí)，鑄坯表面出現(xiàn)明顯的粗糙現(xiàn)象，縱裂紋數(shù)量增多；而當(dāng)粘度高于0.15Pa?s時(shí)，拉坯阻力增大，出現(xiàn)了多次粘結(jié)漏鋼事故。結(jié)晶溫度同樣不容忽視。20#鋼大方坯連鑄要求保護(hù)渣具有較低的結(jié)晶溫度，一般應(yīng)低于1000℃。結(jié)晶溫度過(guò)高，保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成的渣膜易結(jié)晶化，失去良好的潤(rùn)滑性能，導(dǎo)致拉坯阻力增大，鑄坯表面質(zhì)量惡化。例如，當(dāng)保護(hù)渣結(jié)晶溫度高于1000℃時(shí)，渣膜中的結(jié)晶相增多，鑄坯表面會(huì)出現(xiàn)明顯的劃痕和裂紋，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。較低的結(jié)晶溫度可以使保護(hù)渣在鑄坯凝固過(guò)程中保持良好的液態(tài)，確保渣膜的均勻性和潤(rùn)滑性。三、20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)3.1基礎(chǔ)材料選擇保護(hù)渣的基礎(chǔ)材料在連鑄過(guò)程中發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用，其成分的精準(zhǔn)選擇和含量的合理調(diào)控，直接關(guān)乎保護(hù)渣的性能以及鑄坯的質(zhì)量。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，基礎(chǔ)材料主要涵蓋SiO?、CaO、Al?O?等，它們?cè)诒Ｗo(hù)渣中所占比例通常為50-80%，各成分有著獨(dú)特的作用。SiO?是保護(hù)渣的核心成分之一，它在保護(hù)渣中主要起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用。其含量變化對(duì)保護(hù)渣的物理化學(xué)性質(zhì)影響顯著。從粘度角度來(lái)看，SiO?含量增加會(huì)使保護(hù)渣粘度增大。這是因?yàn)镾iO?會(huì)形成復(fù)雜的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著其含量升高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和龐大，導(dǎo)致保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力增強(qiáng)，流動(dòng)性變差，粘度隨之增大。在熔點(diǎn)方面，較高的SiO?含量會(huì)提高保護(hù)渣的熔點(diǎn)。過(guò)多的硅氧四面體相互連接，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，需要更高的能量才能使其熔化，從而使熔點(diǎn)升高。在20#鋼大方坯連鑄中，為滿足保護(hù)渣低熔點(diǎn)、合適粘度的要求，SiO?含量一般控制在30-40%。若含量過(guò)高，保護(hù)渣熔點(diǎn)過(guò)高，難以在連鑄過(guò)程中迅速熔化形成均勻的液渣層，無(wú)法及時(shí)發(fā)揮其絕熱保溫、潤(rùn)滑等作用，鑄坯表面溫度不均勻，易產(chǎn)生縱裂紋；若含量過(guò)低，保護(hù)渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完整，會(huì)影響其物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，降低保護(hù)渣的綜合性能。CaO同樣是重要的基礎(chǔ)成分，在保護(hù)渣中主要起網(wǎng)絡(luò)修飾體的作用。CaO的加入可以破壞SiO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Ca2?離子半徑較大，它會(huì)進(jìn)入硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)中，打破部分Si-O鍵，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，從而降低保護(hù)渣的粘度。在吸收夾雜物方面，CaO有著重要作用，它能與鋼液中的一些夾雜物（如Al?O?等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的化合物，從而促進(jìn)夾雜物的吸收和去除。在調(diào)節(jié)堿度（R=CaO%/SiO?%）時(shí)，CaO含量的變化直接影響堿度大小。堿度對(duì)保護(hù)渣吸收夾雜物能力、潤(rùn)滑性能和析晶溫度等有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，堿度增大，保護(hù)渣吸收夾雜物的能力增強(qiáng)，但析晶溫度也會(huì)升高，導(dǎo)致傳熱和潤(rùn)滑性能惡化。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，CaO含量通?？刂圃?0-30%，使堿度控制在0.8-1.0之間，以平衡保護(hù)渣的各項(xiàng)性能。Al?O?在保護(hù)渣中部分起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用。適量的Al?O?可以改善保護(hù)渣的高溫性能，提高其抗侵蝕能力。然而，當(dāng)Al?O?含量過(guò)高時(shí)，會(huì)顯著提高保護(hù)渣的熔點(diǎn)和粘度。這是因?yàn)锳l3?離子會(huì)參與硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的形成，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和緊密，增加了質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，導(dǎo)致熔點(diǎn)和粘度上升。同時(shí)，過(guò)高的Al?O?含量還會(huì)影響保護(hù)渣對(duì)夾雜物的吸收能力，因?yàn)檫^(guò)多的Al?O?會(huì)占據(jù)保護(hù)渣中的反應(yīng)位點(diǎn)，降低其與鋼液中夾雜物的反應(yīng)活性。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，Al?O?含量一般控制在5-10%，以確保保護(hù)渣的性能不受負(fù)面影響。3.2熔劑材料添加在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，熔劑材料對(duì)于調(diào)控保護(hù)渣的粘度和熔化行為起著關(guān)鍵作用，其主要組元包括Na?O、Li?O、K?O、F等，這些組元通常以Na?CO?、CaF?、Li?CO?等化合物的形式添加到保護(hù)渣中。Na?O作為一種重要的熔劑材料，對(duì)保護(hù)渣的性能有著顯著影響。它能夠有效降低保護(hù)渣的粘度，這是因?yàn)镹a?離子半徑相對(duì)較大，能夠破壞保護(hù)渣中硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，從而降低了保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，提高了其流動(dòng)性，降低了粘度。在熔化行為方面，Na?O能顯著降低保護(hù)渣的熔化溫度，加快熔化速度。當(dāng)保護(hù)渣中Na?O含量從3%增加到6%時(shí)，其熔化溫度可降低約50-100℃，這使得保護(hù)渣能夠在較低溫度下迅速熔化，在鋼液面上快速形成均勻的液渣層，及時(shí)發(fā)揮其絕熱保溫、潤(rùn)滑等作用。然而，Na?O含量過(guò)高也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如會(huì)降低保護(hù)渣的表面張力，可能導(dǎo)致液渣在結(jié)晶器壁與坯殼間的分布不均勻，影響潤(rùn)滑和傳熱效果。綜合考慮20#鋼大方坯連鑄工藝對(duì)保護(hù)渣性能的要求，Na?O的添加量一般控制在5-8%。Li?O是一種高效的助熔劑，對(duì)保護(hù)渣性能的改善效果十分明顯。它能夠大幅度降低保護(hù)渣的熔化溫度，提高熔化速度。研究表明，在保護(hù)渣中添加1%的Li?O，可使熔化溫度降低約80-120℃，這使得保護(hù)渣在連鑄過(guò)程中能夠更快地熔化，滿足20#鋼大方坯連鑄對(duì)保護(hù)渣快速熔化的需求。Li?O還能改善保護(hù)渣的熔化性能，有效避免高熔點(diǎn)晶體的析出，使保護(hù)渣的熔化更加均勻穩(wěn)定。在降低粘度方面，Li?O同樣表現(xiàn)出色，它能夠削弱硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的連接強(qiáng)度，使保護(hù)渣的流動(dòng)性增強(qiáng)。不過(guò)，由于受鋰電池行業(yè)的影響，碳酸鋰原料價(jià)格飛漲，從2016-2022年，已由4萬(wàn)元/噸快速上升至50多萬(wàn)元/噸，這導(dǎo)致保護(hù)渣每添加1%的Li?O就意味著采購(gòu)價(jià)要增加1萬(wàn)元，合噸鋼成本增加5元。因此，在考慮成本因素的情況下，Li?O的添加量通?？刂圃?-3%，同時(shí)可通過(guò)綜合調(diào)整相關(guān)組元（如堿度、F等其它影響熔點(diǎn)、析晶溫度的組元），來(lái)達(dá)到減少Li?O配入的目標(biāo)。K?O與Na?O、Li?O同屬堿金屬氧化物，在保護(hù)渣中也具有一定的助熔作用。K?離子能夠破壞保護(hù)渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低粘度。與Na?O相比，K?O的助熔效果相對(duì)較弱，但它在一定程度上也能降低保護(hù)渣的熔化溫度，提高熔化速度。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，K?O的添加量一般較少，通?？刂圃?-3%，主要是與其他熔劑材料配合使用，以優(yōu)化保護(hù)渣的性能。過(guò)多添加K?O可能會(huì)對(duì)保護(hù)渣的其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響，如可能會(huì)影響保護(hù)渣的吸附夾雜能力和結(jié)晶性能。F是保護(hù)渣中非常重要的一種元素，通常以CaF?等形式添加。它能明顯降低硅酸鹽材料的粘度，使保護(hù)渣的流動(dòng)性增強(qiáng)。這是因?yàn)镕?離子半徑與O2?半徑相近，能夠替代硅氧四面體中的O2?，破壞硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低粘度。在降低保護(hù)渣熔化溫度方面，F(xiàn)也有著顯著作用，能夠促進(jìn)保護(hù)渣的熔化。F是槍晶石的必需組成，而槍晶石是保護(hù)渣控制傳熱的理想物質(zhì)，它能夠在保護(hù)渣凝固過(guò)程中形成特定的晶體結(jié)構(gòu)，增加渣膜熱阻，使鑄坯冷卻更加均勻，有效控制傳熱。然而，F(xiàn)又是一種環(huán)境污染元素，氟化物在高溫下易于揮發(fā)，不但污染大氣，而且有害人體健康。對(duì)鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)與連鑄二冷水接觸后生成氫氟酸，造成冷卻水酸度降低，氟化物的濃度升高，對(duì)鑄機(jī)框架設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，F(xiàn)的添加量一般控制在5-10%，并需結(jié)合環(huán)保措施，以減少其對(duì)環(huán)境和設(shè)備的危害。3.3碳質(zhì)材料的作用與選擇碳質(zhì)材料在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中起著極為關(guān)鍵的骨架作用，對(duì)保護(hù)渣的性能有著多方面決定性的影響。在控制保護(hù)渣熔速方面，碳質(zhì)材料的作用機(jī)制較為復(fù)雜。一般認(rèn)為，連鑄結(jié)晶器中保護(hù)渣熔融結(jié)構(gòu)分4層，從上到下依次為粉渣層、燒結(jié)層、積碳層和液渣層。保護(hù)渣基料熔化后聚集要穿過(guò)碳質(zhì)層才能進(jìn)入液渣層，熔融結(jié)構(gòu)中存在位于液渣層上沿的積碳層。積碳層的形成是保護(hù)渣基料熔化與碳質(zhì)氧化共同作用的結(jié)果，它是熔速的主要影響環(huán)節(jié)。當(dāng)碳質(zhì)材料存在時(shí)，會(huì)阻礙保護(hù)渣基料的熔化和聚集，從而減緩保護(hù)渣的熔化速度。如果碳氧化太快，即不存在積碳層，那么，熔化速度由渣基料的熔點(diǎn)決定。通常認(rèn)為熔化速度受渣熔化溫度與配碳控制，而實(shí)際中配碳對(duì)熔速的影響更為突出。通過(guò)合理控制碳質(zhì)材料的種類和含量，可以使保護(hù)渣的熔速與連鑄工藝參數(shù)相匹配，確保鋼液面上能形成穩(wěn)定的液渣層，厚度一般保持在5-15mm。例如，當(dāng)熔速過(guò)快時(shí)，液渣層過(guò)厚，會(huì)導(dǎo)致液渣大量流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，造成渣膜不均勻，局部凝固變緩，容易引發(fā)縱裂和拉漏事故；而熔速過(guò)慢，液渣層過(guò)薄，無(wú)法滿足連鑄過(guò)程中對(duì)保護(hù)渣的需求，會(huì)降低其絕熱保溫、潤(rùn)滑和吸收夾雜的能力。在保持保護(hù)渣在使用中液渣層的厚度方面，碳質(zhì)材料也發(fā)揮著重要作用。合適的碳質(zhì)材料能夠穩(wěn)定保護(hù)渣的熔化過(guò)程，使液渣層的厚度保持在合適的范圍內(nèi)。當(dāng)碳質(zhì)材料的種類和含量選擇恰當(dāng)時(shí)，保護(hù)渣在鋼液面上能夠均勻熔化，形成穩(wěn)定的液渣層，為連鑄過(guò)程提供持續(xù)有效的保護(hù)。若碳質(zhì)材料選擇不當(dāng)，可能導(dǎo)致保護(hù)渣熔化不均勻，液渣層厚度波動(dòng)較大，影響連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量。在決定保護(hù)渣熔化結(jié)構(gòu)模型方面，碳質(zhì)材料影響著保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的熔融結(jié)構(gòu)。不同的碳質(zhì)材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)渣在熔化過(guò)程中形成不同的結(jié)構(gòu)。例如，石墨的層狀結(jié)構(gòu)使其在保護(hù)渣中能夠形成相對(duì)疏松的骨架，影響基料的熔化和聚集方式，從而決定了保護(hù)渣的熔化結(jié)構(gòu)模型。這種結(jié)構(gòu)模型又進(jìn)一步影響著保護(hù)渣的其他性能，如傳熱、傳質(zhì)等。在調(diào)控未熔渣層的傳熱保溫方面，碳質(zhì)材料同樣有著不可忽視的作用。碳質(zhì)材料的存在可以改變未熔渣層的熱傳導(dǎo)性能，起到一定的隔熱作用，從而提高保護(hù)渣的傳熱保溫效果。一些碳質(zhì)材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠有效阻擋熱量的傳遞，減少鋼液的熱損失，使鑄坯在凝固過(guò)程中能夠保持較為均勻的溫度分布，有利于提高鑄坯質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)外連鑄保護(hù)渣多采用高碳石墨、炭黑以及少量的焦炭。這幾種碳質(zhì)材料各有特點(diǎn)。石墨包括鱗片石墨、土狀石墨、電極石墨等，其結(jié)構(gòu)為粗大片狀，其中鱗片石墨呈典型的六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，層間易滑移，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤(rùn)滑性和化學(xué)穩(wěn)定性。在保護(hù)渣中，石墨能夠形成相對(duì)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)控制熔速有一定作用。但石墨的著火溫度較高，一般大于600℃，在保護(hù)渣熔化過(guò)程中，其氧化速度相對(duì)較慢，可能導(dǎo)致熔速控制不夠靈活。炭黑是由許多烴類物質(zhì)經(jīng)不完全燃燒或裂解生成的，主要由碳元素組成，其微晶具有準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)，粒子是近乎球形的膠體粒子，并大都熔結(jié)成聚集體，分散困難。炭黑的著火溫度相對(duì)較低，如槽法炭黑著火溫度為290℃，這使得它在保護(hù)渣受熱過(guò)程中能夠較快地參與反應(yīng)，對(duì)熔速的控制更為靈敏。炭黑的比表面積較大，一般在100-150m2/g，能夠較好地吸附保護(hù)渣中的其他成分，影響保護(hù)渣的熔化行為。焦炭是通過(guò)高溫?zé)捊惯^(guò)程中除去非碳元素后得到的材料，呈塊狀或顆粒狀，常常具有較高的強(qiáng)度和硬度，是一種良好的燃料。在保護(hù)渣中，焦炭的主要作用是控制熔速，其強(qiáng)度和硬度使其在保護(hù)渣中能夠形成一定的骨架，阻礙基料的熔化。然而，焦炭的粒度相對(duì)較大，在保護(hù)渣中的分散性較差，可能會(huì)影響保護(hù)渣性能的均勻性。在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣中，考慮到連鑄工藝對(duì)保護(hù)渣熔速等性能的要求，宜選用混合配碳模式?？梢圆捎靡欢ū壤奶亢诤褪钆涫褂谩Ｌ亢谝蚱渲饻囟鹊?、對(duì)熔速控制靈敏的特點(diǎn)，能夠快速調(diào)節(jié)保護(hù)渣的熔化速度，使保護(hù)渣在鋼液面上迅速形成液渣層。石墨則憑借其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好的性能，為保護(hù)渣提供穩(wěn)定的骨架，維持液渣層的厚度和穩(wěn)定性。具體的配比需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定，例如可以先嘗試1.5-2.0%的炭黑與8-10%的石墨搭配，然后根據(jù)保護(hù)渣性能測(cè)試結(jié)果和連鑄工業(yè)試驗(yàn)效果，對(duì)配比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到最佳的保護(hù)渣性能，滿足20#鋼大方坯連鑄的生產(chǎn)需求。3.4其他添加劑的考慮在20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣的開(kāi)發(fā)中，除了基礎(chǔ)材料、熔劑材料和碳質(zhì)材料外，其他添加劑如MnO等對(duì)保護(hù)渣性能的改善作用也不容忽視。MnO在保護(hù)渣中主要起到調(diào)節(jié)粘度和改善化學(xué)穩(wěn)定性的作用。從粘度調(diào)節(jié)方面來(lái)看，MnO能夠降低保護(hù)渣的粘度。在硅酸鹽體系的保護(hù)渣中，MnO會(huì)參與硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的修飾。Mn2?離子半徑適中，它能夠進(jìn)入硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)中，打破部分Si-O鍵，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得相對(duì)疏松，從而降低了保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，提高了其流動(dòng)性，降低了粘度。這一特性對(duì)于20#鋼大方坯連鑄至關(guān)重要，因?yàn)楹线m的粘度能夠保證保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成均勻的渣膜，起到良好的潤(rùn)滑作用，減少拉坯阻力，防止鑄坯表面出現(xiàn)裂紋和漏鋼事故。例如，當(dāng)保護(hù)渣粘度過(guò)高時(shí)，渣膜難以均勻分布，拉坯阻力增大，鑄坯表面質(zhì)量惡化；而粘度過(guò)低，液渣大量流入縫隙，造成渣膜不均勻，局部凝固變緩，易引發(fā)縱裂和拉漏事故。在改善化學(xué)穩(wěn)定性方面，MnO可以增加保護(hù)渣粘度的化學(xué)穩(wěn)定性。在連鑄過(guò)程中，保護(hù)渣會(huì)與鋼液、結(jié)晶器壁等發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)成分會(huì)發(fā)生一定變化，進(jìn)而可能影響保護(hù)渣的性能穩(wěn)定性。MnO的存在能夠在一定程度上抑制這些變化對(duì)粘度的不利影響，使保護(hù)渣在整個(gè)連鑄過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定的粘度，確保其潤(rùn)滑和傳熱等性能的穩(wěn)定發(fā)揮。為確定MnO是否添加及添加量，需要進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究。首先，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用基礎(chǔ)保護(hù)渣配方，分別設(shè)置不同MnO添加量的實(shí)驗(yàn)組，如0%、2%、4%、6%等。利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定不同添加量下保護(hù)渣在1300℃時(shí)的粘度，繪制粘度與MnO添加量的關(guān)系曲線。通過(guò)觀察曲線變化趨勢(shì)，分析MnO對(duì)保護(hù)渣粘度的影響規(guī)律。同時(shí)，利用高溫爐模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)的高溫環(huán)境，對(duì)不同添加量的保護(hù)渣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱，定期測(cè)定其粘度，觀察粘度隨時(shí)間的變化情況，以此評(píng)估MnO對(duì)保護(hù)渣粘度化學(xué)穩(wěn)定性的影響。結(jié)合20#鋼大方坯連鑄工藝對(duì)保護(hù)渣粘度的要求（一般在1300℃時(shí)粘度控制在0.05-0.15Pa?s），綜合考慮MnO對(duì)粘度和化學(xué)穩(wěn)定性的影響，確定其合適的添加量。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加4%的MnO時(shí)，保護(hù)渣粘度能夠穩(wěn)定在0.1Pa?s左右，且在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下粘度變化較小，化學(xué)穩(wěn)定性良好，那么4%可能就是較為合適的添加量。但最終的添加量還需通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。在工業(yè)試驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)室確定的保護(hù)渣應(yīng)用于實(shí)際連鑄生產(chǎn)，密切監(jiān)測(cè)連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性，包括結(jié)晶器液位波動(dòng)、拉坯阻力變化等參數(shù)，同時(shí)對(duì)鑄坯進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)MnO添加量進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳的保護(hù)渣性能和鑄坯質(zhì)量。四、保護(hù)渣性能測(cè)試與分析4.1熔點(diǎn)的測(cè)定與分析熔點(diǎn)是保護(hù)渣的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，它直接影響著保護(hù)渣在連鑄過(guò)程中的熔化行為和作用效果。準(zhǔn)確測(cè)定保護(hù)渣的熔點(diǎn)，并深入分析其影響因素，對(duì)于優(yōu)化保護(hù)渣性能、保障連鑄過(guò)程的順利進(jìn)行和提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。在本研究中，采用半球點(diǎn)法來(lái)測(cè)定保護(hù)渣的熔點(diǎn)。該方法基于保護(hù)渣在加熱過(guò)程中隨著溫度升高，試樣形狀逐漸改變的原理。具體操作步驟如下：首先，取5-10g保護(hù)渣試樣，將其置于瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨，直至粉末粒度全部通過(guò)0.074mm的試驗(yàn)篩。然后，用特定調(diào)和劑調(diào)和試樣，放入制樣器中壓實(shí)，制成直徑約3mm、高度約5mm的圓柱試樣。對(duì)于個(gè)別難以壓實(shí)的試樣，可加入少許糊精并用水調(diào)和。將制好的試樣置于干燥器中保存，以確保其含水量穩(wěn)定，避免因水分影響熔點(diǎn)測(cè)定結(jié)果。采用分析純硫酸鉀（熔化溫度1067℃）制成標(biāo)定試樣，測(cè)定其熔化溫度，并將所測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值（1067℃）對(duì)比，以其差值校正被測(cè)試樣的溫度，從而提高測(cè)定的準(zhǔn)確性。打開(kāi)電源給電爐加熱升溫，升溫速度需嚴(yán)格控制，不宜過(guò)快。當(dāng)爐溫升至600℃時(shí)，將制好的試樣放在爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)上方的墊片上，打開(kāi)光源，調(diào)節(jié)成像鏡片和刻度屏位置，仔細(xì)記錄試樣成像達(dá)清晰時(shí)的原始高度。隨后，以每分鐘15℃±2℃的速率繼續(xù)升溫。隨著溫度的升高，密切觀察并記錄試樣下降至原始高度3/4、2/4、1/4時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，分別記為軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度。半球點(diǎn)溫度即為保護(hù)渣的熔點(diǎn)，它代表著在該溫度下，試樣中產(chǎn)生的液相量和流動(dòng)性恰好能使其余物相帶動(dòng)下沉變形到半球形。保護(hù)渣的成分對(duì)其熔點(diǎn)有著顯著影響?；A(chǔ)材料中的SiO?、CaO、Al?O?等成分起著關(guān)鍵作用。SiO?含量的增加會(huì)使保護(hù)渣的熔點(diǎn)升高，這是因?yàn)镾iO?會(huì)形成復(fù)雜的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著其含量升高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和龐大，需要更高的能量才能使其熔化。在一些保護(hù)渣體系中，當(dāng)SiO?含量從30%增加到35%時(shí)，熔點(diǎn)可能會(huì)升高50-100℃。CaO則能降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)，它作為網(wǎng)絡(luò)修飾體，能破壞SiO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)變得疏松，從而降低熔化所需的能量。當(dāng)CaO含量從20%增加到25%時(shí)，熔點(diǎn)可能會(huì)降低30-80℃。Al?O?在保護(hù)渣中部分起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，適量的Al?O?可以改善保護(hù)渣的高溫性能，但過(guò)高的Al?O?含量會(huì)顯著提高熔點(diǎn)。當(dāng)Al?O?含量超過(guò)10%時(shí)，熔點(diǎn)會(huì)明顯上升。熔劑材料對(duì)保護(hù)渣熔點(diǎn)的影響也不容忽視。Na?O能夠顯著降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)，隨著Na?O含量的增加，保護(hù)渣的熔化溫度可降低約50-100℃。Li?O是一種高效的助熔劑，添加1%的Li?O，可使熔化溫度降低約80-120℃。K?O與Na?O、Li?O同屬堿金屬氧化物，在保護(hù)渣中也具有一定的助熔作用，能在一定程度上降低保護(hù)渣的熔化溫度。F通常以CaF?等形式添加，能明顯降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)，促進(jìn)其熔化。在20#鋼大方坯連鑄過(guò)程中，合適的保護(hù)渣熔點(diǎn)范圍至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，20#鋼大方坯連鑄要求保護(hù)渣的熔點(diǎn)控制在1100-1200℃。若熔點(diǎn)過(guò)高，保護(hù)渣在鋼液面上熔化緩慢，難以迅速形成均勻的液渣層，無(wú)法及時(shí)發(fā)揮其絕熱保溫、潤(rùn)滑等作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)保護(hù)渣熔點(diǎn)高于1200℃時(shí)，鑄坯表面縱裂紋的發(fā)生率會(huì)顯著提高。同時(shí)，熔點(diǎn)過(guò)高還會(huì)使保護(hù)渣的粘度增大，影響其流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，降低潤(rùn)滑效果。而熔點(diǎn)過(guò)低，保護(hù)渣在鋼液面上易過(guò)早熔化，液渣層厚度難以維持穩(wěn)定，也不利于連鑄過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。4.2熔速的測(cè)定與分析熔速是衡量保護(hù)渣在鋼液面上熔化快慢的重要指標(biāo)，對(duì)連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量有著重要影響。在本研究中，采用了一種模擬連鑄結(jié)晶器環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定保護(hù)渣的熔速。該裝置主要由加熱爐、石墨坩堝、熱電偶、圖像采集系統(tǒng)等部分組成。具體測(cè)定步驟如下：首先，將適量（約20-30g）的保護(hù)渣試樣均勻鋪放在石墨坩堝底部，厚度控制在10-15mm。然后，將石墨坩堝放入加熱爐中，設(shè)置加熱程序，以模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)的升溫過(guò)程，一般升溫速率控制在10-15℃/min。在加熱過(guò)程中，通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)渣表面的溫度變化。當(dāng)溫度達(dá)到1300℃時(shí)，保持恒溫，此時(shí)開(kāi)始利用圖像采集系統(tǒng)每隔30s拍攝一次保護(hù)渣的狀態(tài)圖像。通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析，測(cè)量液渣層的厚度隨時(shí)間的變化，從而計(jì)算出保護(hù)渣的熔速。熔速的計(jì)算公式為：熔速=液渣層厚度變化量/時(shí)間變化量。例如，在10min內(nèi)，液渣層厚度從2mm增加到5mm，則熔速=（5-2）/10=0.3mm/min。保護(hù)渣的成分對(duì)熔速有著顯著影響。碳質(zhì)材料是影響熔速的關(guān)鍵成分之一。在連鑄結(jié)晶器中，保護(hù)渣熔融結(jié)構(gòu)分4層，從上到下依次為粉渣層、燒結(jié)層、積碳層和液渣層。保護(hù)渣基料熔化后聚集要穿過(guò)碳質(zhì)層才能進(jìn)入液渣層，熔融結(jié)構(gòu)中存在位于液渣層上沿的積碳層。積碳層的形成是保護(hù)渣基料熔化與碳質(zhì)氧化共同作用的結(jié)果，它是熔速的主要影響環(huán)節(jié)。當(dāng)碳質(zhì)材料存在時(shí)，會(huì)阻礙保護(hù)渣基料的熔化和聚集，從而減緩保護(hù)渣的熔化速度。不同種類的碳質(zhì)材料對(duì)熔速的影響程度不同，如石墨的著火溫度較高，一般大于600℃，在保護(hù)渣熔化過(guò)程中，其氧化速度相對(duì)較慢，對(duì)熔速的抑制作用較為穩(wěn)定；而炭黑的著火溫度相對(duì)較低，如槽法炭黑著火溫度為290℃，在保護(hù)渣受熱過(guò)程中能夠較快地參與反應(yīng)，對(duì)熔速的控制更為靈敏。在保護(hù)渣中，若增加石墨的含量，熔速會(huì)明顯降低；而增加炭黑的含量，熔速的變化更為迅速。當(dāng)石墨含量從8%增加到10%時(shí)，熔速可能會(huì)降低0.1-0.2mm/min；當(dāng)炭黑含量從1.5%增加到2.0%時(shí)，熔速可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)（如前5min）迅速降低0.05-0.1mm/min?；A(chǔ)材料和熔劑材料也會(huì)影響熔速。SiO?含量的增加會(huì)使保護(hù)渣的熔點(diǎn)升高，從而導(dǎo)致熔速降低。因?yàn)镾iO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和龐大，需要更高的能量才能使其熔化，在一定程度上阻礙了保護(hù)渣的熔化進(jìn)程。當(dāng)SiO?含量從30%增加到35%時(shí)，熔速可能會(huì)降低0.08-0.15mm/min。CaO能降低保護(hù)渣的熔點(diǎn)，加快熔化速度，從而提高熔速。CaO作為網(wǎng)絡(luò)修飾體，能破壞SiO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)變得疏松，降低熔化所需的能量，促進(jìn)保護(hù)渣的熔化。當(dāng)CaO含量從20%增加到25%時(shí)，熔速可能會(huì)提高0.05-0.1mm/min。Na?O、Li?O等熔劑材料能顯著降低保護(hù)渣的熔化溫度，加快熔化速度，進(jìn)而提高熔速。當(dāng)Na?O含量從5%增加到8%時(shí)，熔速可能會(huì)提高0.1-0.2mm/min；當(dāng)Li?O含量從1%增加到3%時(shí)，熔速可能會(huì)提高0.15-0.3mm/min。連鑄工藝參數(shù)對(duì)熔速也有影響。拉坯速度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，拉速越快，單位時(shí)間內(nèi)鋼液的流動(dòng)量越大，對(duì)保護(hù)渣的消耗也越快，要求保護(hù)渣具有更快的熔速，以保證鋼液面上有足夠厚度的液渣層。在20#鋼大方坯連鑄中，當(dāng)拉坯速度從1.0m/min提高到1.2m/min時(shí)，保護(hù)渣的熔速需要相應(yīng)提高0.1-0.2mm/min，才能滿足連鑄過(guò)程的需求。鋼液溫度也會(huì)影響熔速，鋼液溫度越高，保護(hù)渣吸收的熱量越多，熔化速度越快，熔速也就越高。當(dāng)鋼液溫度升高20℃時(shí)，熔速可能會(huì)提高0.05-0.1mm/min。熔速與鑄坯質(zhì)量密切相關(guān)。合適的熔速能夠保證鋼液面上形成穩(wěn)定的液渣層，厚度一般保持在5-15mm，這對(duì)于鑄坯質(zhì)量的提升至關(guān)重要。若熔速過(guò)快，液渣層過(guò)厚，會(huì)導(dǎo)致液渣大量流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，造成渣膜不均勻，局部凝固變緩，容易引發(fā)縱裂和拉漏事故。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)熔速過(guò)快，液渣層厚度超過(guò)15mm時(shí)，鑄坯表面縱裂紋和拉漏事故的發(fā)生率明顯上升。相反，熔速過(guò)慢，液渣層過(guò)薄，無(wú)法滿足連鑄過(guò)程中對(duì)保護(hù)渣的需求，會(huì)降低其絕熱保溫、潤(rùn)滑和吸收夾雜的能力。當(dāng)熔速過(guò)慢，液渣層厚度小于5mm時(shí)，鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量都會(huì)受到不同程度的影響，如鑄坯表面可能出現(xiàn)振痕加深、夾渣等缺陷，內(nèi)部可能出現(xiàn)偏析加重等問(wèn)題。4.3粘度的測(cè)定與分析粘度是保護(hù)渣的重要物理性質(zhì)之一，它對(duì)連鑄過(guò)程中保護(hù)渣的潤(rùn)滑和傳熱起著關(guān)鍵作用。在本研究中，采用旋轉(zhuǎn)法來(lái)測(cè)定保護(hù)渣的粘度。旋轉(zhuǎn)法的原理基于牛頓粘性定律，即當(dāng)流體受到外力作用而發(fā)生層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰流體層之間的剪切應(yīng)力與速度梯度成正比，其比例系數(shù)即為粘度。在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)中，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）在流體（保護(hù)渣液渣）中受到的黏性阻力來(lái)確定流體的粘度。當(dāng)轉(zhuǎn)子在保護(hù)渣液渣中以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到液渣的黏性阻力，阻力的大小與液渣的粘度成正比。通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子所受的阻力矩，結(jié)合轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速度，就可以計(jì)算出保護(hù)渣的粘度。具體的測(cè)定步驟如下：首先，將保護(hù)渣試樣放入高溫爐中進(jìn)行加熱，使其完全熔化。加熱過(guò)程中，以10-15℃/min的升溫速率將溫度升高至1300℃，并保持恒溫。然后，將旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的轉(zhuǎn)子緩慢浸入熔化的保護(hù)渣液渣中，確保轉(zhuǎn)子完全浸沒(méi)且處于中心位置。啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，設(shè)定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度為10-20r/min。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子所受的阻力矩。根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的工作原理和儀器的校準(zhǔn)參數(shù)，由測(cè)量得到的阻力矩計(jì)算出保護(hù)渣在1300℃時(shí)的粘度。例如，某保護(hù)渣試樣在1300℃、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為15r/min時(shí)，測(cè)量得到的阻力矩為M，根據(jù)儀器的校準(zhǔn)公式：粘度=k×M/ω（其中k為儀器常數(shù)，ω為轉(zhuǎn)子角速度），計(jì)算出該保護(hù)渣的粘度為0.12Pa?s。保護(hù)渣的成分對(duì)其粘度有著顯著影響?；A(chǔ)材料中的SiO?、CaO、Al?O?等成分起著關(guān)鍵作用。SiO?含量的增加會(huì)使保護(hù)渣粘度增大，這是因?yàn)镾iO?會(huì)形成復(fù)雜的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著其含量升高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和龐大，導(dǎo)致保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力增強(qiáng)，流動(dòng)性變差，粘度隨之增大。在一些保護(hù)渣體系中，當(dāng)SiO?含量從30%增加到35%時(shí)，粘度可能會(huì)增大0.05-0.1Pa?s。CaO則能降低保護(hù)渣的粘度，它作為網(wǎng)絡(luò)修飾體，能破壞SiO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)變得疏松，從而降低了保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，提高了其流動(dòng)性，降低了粘度。當(dāng)CaO含量從20%增加到25%時(shí)，粘度可能會(huì)降低0.03-0.08Pa?s。Al?O?在保護(hù)渣中部分起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，適量的Al?O?可以改善保護(hù)渣的高溫性能，但過(guò)高的Al?O?含量會(huì)顯著提高粘度。當(dāng)Al?O?含量超過(guò)10%時(shí)，粘度會(huì)明顯上升。熔劑材料對(duì)保護(hù)渣粘度的影響也不容忽視。Na?O能夠有效降低保護(hù)渣的粘度，這是因?yàn)镹a?離子半徑相對(duì)較大，能夠破壞保護(hù)渣中硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，從而降低了保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，提高了其流動(dòng)性，降低了粘度。當(dāng)Na?O含量從5%增加到8%時(shí)，粘度可能會(huì)降低0.02-0.05Pa?s。Li?O是一種高效的助熔劑，對(duì)降低粘度也有顯著效果。添加1%的Li?O，可使粘度降低約0.03-0.06Pa?s。K?O與Na?O、Li?O同屬堿金屬氧化物，在保護(hù)渣中也具有一定的降低粘度作用。F通常以CaF?等形式添加，能明顯降低保護(hù)渣的粘度，使保護(hù)渣的流動(dòng)性增強(qiáng)。這是因?yàn)镕?離子半徑與O2?半徑相近，能夠替代硅氧四面體中的O2?，破壞硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低粘度。溫度對(duì)保護(hù)渣粘度也有重要影響。隨著溫度的升高，保護(hù)渣的粘度通常會(huì)降低。這是因?yàn)闇囟壬?，保護(hù)渣內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)加劇，質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力減弱，流動(dòng)性增強(qiáng)，粘度隨之降低。在1200-1400℃溫度范圍內(nèi)，保護(hù)渣粘度隨溫度的變化較為明顯。當(dāng)溫度從1250℃升高到1350℃時(shí)，某保護(hù)渣的粘度可能會(huì)從0.15Pa?s降低到0.10Pa?s。在20#鋼大方坯連鑄過(guò)程中，合適的保護(hù)渣粘度范圍至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，20#鋼大方坯連鑄要求保護(hù)渣在1300℃時(shí)的粘度控制在0.05-0.15Pa?s。合適的粘度能夠保證保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成均勻的渣膜，起到良好的潤(rùn)滑作用。當(dāng)保護(hù)渣粘度在合適范圍內(nèi)時(shí)，拉坯阻力較小，鑄坯表面質(zhì)量良好，出現(xiàn)裂紋和漏鋼的概率較低。若粘度過(guò)低，保護(hù)渣的流動(dòng)性過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致液渣大量流入結(jié)晶器壁與坯殼間的縫隙，造成渣膜過(guò)厚且不均勻，使鑄坯表面粗糙，增加縱裂紋產(chǎn)生的可能性。在某鋼廠的20#鋼大方坯連鑄生產(chǎn)中，當(dāng)保護(hù)渣粘度低于0.05Pa?s時(shí)，鑄坯表面出現(xiàn)明顯的粗糙現(xiàn)象，縱裂紋數(shù)量增多。粘度過(guò)高，保護(hù)渣的流動(dòng)性差，難以在結(jié)晶器壁與坯殼間形成均勻的渣膜，無(wú)法有效降低拉坯阻力，可能導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁粘結(jié)，引發(fā)漏鋼事故。當(dāng)粘度高于0.15Pa?s時(shí)，拉坯阻力增大，出現(xiàn)了多次粘結(jié)漏鋼事故。合適的粘度還能保證保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱均勻性，使鑄坯各部位的冷卻速度趨于一致，避免因局部冷卻過(guò)快或過(guò)慢而產(chǎn)生的裂紋、縮孔等缺陷，有利于提高鑄坯質(zhì)量。4.4結(jié)晶溫度的測(cè)定與分析結(jié)晶溫度是保護(hù)渣的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，它對(duì)連鑄過(guò)程中鑄坯的質(zhì)量有著重要影響。本研究采用差示掃描量熱法（DSC）來(lái)測(cè)定保護(hù)渣的結(jié)晶溫度。差示掃描量熱法的原理是在程序控制溫度下，測(cè)量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系。在測(cè)試過(guò)程中，將保護(hù)渣試樣與惰性參比物（如α-Al?O?）分別放置在兩個(gè)坩堝中，放入DSC儀器的加熱爐內(nèi)。以一定的升溫速率（一般為10-15℃/min）對(duì)試樣和參比物同時(shí)進(jìn)行加熱。在加熱過(guò)程中，若保護(hù)渣試樣發(fā)生結(jié)晶或其他熱效應(yīng)變化，會(huì)吸收或釋放熱量，導(dǎo)致試樣與參比物之間產(chǎn)生溫度差。DSC儀器通過(guò)測(cè)量這個(gè)溫度差，并將其轉(zhuǎn)化為功率差信號(hào)，記錄下來(lái)。當(dāng)保護(hù)渣試樣開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，會(huì)釋放出結(jié)晶潛熱，在DSC曲線上表現(xiàn)為一個(gè)放熱峰。該放熱峰所對(duì)應(yīng)的溫度即為保護(hù)渣的結(jié)晶溫度。保護(hù)渣的成分對(duì)其結(jié)晶溫度有著顯著影響?；A(chǔ)材料中的SiO?、CaO、Al?O?等成分起著關(guān)鍵作用。SiO?含量的增加會(huì)使保護(hù)渣的結(jié)晶溫度升高，這是因?yàn)镾iO?會(huì)形成復(fù)雜的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著其含量升高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密和龐大，原子的擴(kuò)散變得困難，結(jié)晶過(guò)程需要克服更高的能量障礙，從而使結(jié)晶溫度升高。在一些保護(hù)渣體系中，當(dāng)SiO?含量從30%增加到35%時(shí)，結(jié)晶溫度可能會(huì)升高50-80℃。CaO則能降低保護(hù)渣的結(jié)晶溫度，它作為網(wǎng)絡(luò)修飾體，能破壞SiO?形成的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)變得疏松，原子的擴(kuò)散更容易，降低了結(jié)晶所需的能量，從而降低結(jié)晶溫度。當(dāng)CaO含量從20%增加到25%時(shí)，結(jié)晶溫度可能會(huì)降低30-60℃。Al?O?在保護(hù)渣中部分起網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，適量的Al?O?可以改善保護(hù)渣的高溫性能，但過(guò)高的Al?O?含量會(huì)顯著提高結(jié)晶溫度。當(dāng)Al?O?含量超過(guò)10%時(shí)，結(jié)晶溫度會(huì)明顯上升。熔劑材料對(duì)保護(hù)渣結(jié)晶溫度的影響也不容忽視。Na?O能夠顯著降低保護(hù)渣的結(jié)晶溫度，隨著Na?O含量的增加，保護(hù)渣的結(jié)晶溫度可降低約30-50℃。這是因?yàn)镹a?離子半徑相對(duì)較大，能夠破壞保護(hù)渣中硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，降低了結(jié)晶的難度。Li?O是一種高效的助熔劑，添加1%的Li?O，可使結(jié)晶溫度降低約40-60℃。Li?O能夠削弱硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的連接強(qiáng)度，使原子的擴(kuò)散更加容易，從而降低結(jié)晶溫度。K?O與Na?O、Li?O同屬堿金屬氧化物，在保護(hù)渣中也具有一定的降低結(jié)晶溫度作用。F通常以CaF?等形式添加，能明顯降低保護(hù)渣的結(jié)晶溫度，促進(jìn)其結(jié)晶。F?離子半徑與O2?半徑相近，能夠替代硅氧四面體中的O2?，破壞硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶溫度。在20#鋼大方坯連鑄過(guò)程中，合適的保護(hù)渣結(jié)晶溫度范圍至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，20#鋼大方坯連鑄要求保護(hù)渣具有較低的結(jié)晶溫度，一般應(yīng)低于1000℃。若結(jié)晶溫度過(guò)高，保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成的渣膜易結(jié)晶化，失去良好的潤(rùn)滑性能，導(dǎo)致拉坯阻力增大，鑄坯表面質(zhì)量惡化。當(dāng)保護(hù)渣結(jié)晶溫度高于1000℃時(shí)，渣膜中的結(jié)晶相增多，鑄坯表面會(huì)出現(xiàn)明顯的劃痕和裂紋，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。較低的結(jié)晶溫度可以使保護(hù)渣在鑄坯凝固過(guò)程中保持良好的液態(tài)，確保渣膜的均勻性和潤(rùn)滑性。結(jié)晶溫度還與鑄坯的裂紋等缺陷密切相關(guān)。當(dāng)保護(hù)渣結(jié)晶溫度過(guò)高時(shí)，渣膜的結(jié)晶化會(huì)導(dǎo)致其傳熱不均勻，鑄坯表面溫度梯度增大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易引發(fā)鑄坯表面縱裂紋。結(jié)晶溫度過(guò)高還可能導(dǎo)致渣膜的潤(rùn)滑性能變差，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力增大，進(jìn)一步加劇鑄坯表面的損傷，增加裂紋產(chǎn)生的概率。因此，通過(guò)合理調(diào)整保護(hù)渣的成分，降低其結(jié)晶溫度，對(duì)于提高20#鋼大方坯連鑄的鑄坯質(zhì)量具有重要意義。五、工業(yè)試驗(yàn)與應(yīng)用效果5.1工業(yè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)工業(yè)試驗(yàn)選擇在[具體鋼廠名稱]進(jìn)行，該鋼廠擁有先進(jìn)的大方坯連鑄生產(chǎn)線，具備成熟的20#鋼生產(chǎn)工藝和完善的質(zhì)量檢測(cè)體系，能夠?yàn)楣I(yè)試驗(yàn)提供良好的條件和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。連鑄機(jī)主要參數(shù)如下：結(jié)晶器有效長(zhǎng)度為1000mm，斷面尺寸為300mm×300mm，拉矯機(jī)最大拉坯力為500kN，鑄機(jī)半徑為10m，設(shè)計(jì)拉坯速度范圍為0.5-1.5m/min。試驗(yàn)選用實(shí)驗(yàn)室研制的20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣，在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，將保護(hù)渣通過(guò)自動(dòng)加渣裝置加入結(jié)晶器鋼液面上。自動(dòng)加渣裝置安裝在結(jié)晶器上方，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)渣添加量和添加頻率的精確控制。在開(kāi)澆時(shí)，當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)鋼液淹沒(méi)浸入式水口側(cè)孔后，立即加入保護(hù)渣，初始加入量為0.5-1.0kg/m2。在正常澆注過(guò)程中，根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)液渣層厚度和鋼液表面狀態(tài)，適時(shí)補(bǔ)充保護(hù)渣，保持液渣層厚度在5-15mm。每次補(bǔ)充量為0.1-0.3kg/m2，補(bǔ)充頻率為每3-5min一次。連鑄工藝參數(shù)設(shè)定如下：拉坯速度根據(jù)鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，控制在0.8-1.2m/min。鋼水過(guò)熱度嚴(yán)格控制在20-30℃，通過(guò)精煉爐和中間包的溫度控制裝置實(shí)現(xiàn)。結(jié)晶器冷卻水流量為2500-3000L/min，進(jìn)水溫度為30-35℃，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水泵的流量和水溫控制系統(tǒng)來(lái)保證冷卻水參數(shù)的穩(wěn)定。二冷區(qū)采用氣霧冷卻方式，根據(jù)鑄坯的凝固進(jìn)程和表面溫度，合理分配各冷卻段的水量，比水量控制在0.8-1.2L/kg。通過(guò)安裝在鑄坯表面的熱電偶和溫度采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鑄坯表面溫度，以此為依據(jù)調(diào)整二冷區(qū)各段的冷卻水量。在工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)連鑄過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用結(jié)晶器液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位波動(dòng)情況，液位波動(dòng)范圍控制在±5mm。若液位波動(dòng)超過(guò)此范圍，自動(dòng)加渣裝置會(huì)根據(jù)液位變化情況，及時(shí)調(diào)整保護(hù)渣的添加量，以保證液渣層的穩(wěn)定性。采用拉坯阻力測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉坯阻力，拉坯阻力應(yīng)控制在5-10kN。若拉坯阻力過(guò)大，可能是保護(hù)渣潤(rùn)滑性能不佳或鑄坯與結(jié)晶器壁粘結(jié)，此時(shí)需及時(shí)檢查保護(hù)渣性能和鑄坯表面狀態(tài)，采取相應(yīng)措施。通過(guò)安裝在結(jié)晶器銅板上的熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶器壁溫度分布，結(jié)晶器壁溫度分布應(yīng)均勻，溫差控制在±20℃。若溫差過(guò)大，可能導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，出現(xiàn)表面裂紋等缺陷，需調(diào)整結(jié)晶器冷卻水流量和保護(hù)渣性能。對(duì)鑄坯質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)。在鑄坯表面質(zhì)量檢測(cè)方面，采用人工肉眼觀察和表面缺陷檢測(cè)儀相結(jié)合的方式。人工肉眼觀察主要檢查鑄坯表面是否存在縱裂紋、橫裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，并記錄缺陷的位置和形態(tài)。表面缺陷檢測(cè)儀利用光學(xué)成像和圖像處理技術(shù)，對(duì)鑄坯表面進(jìn)行全面掃描，能夠檢測(cè)出微小的表面缺陷，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。在鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)方面，采用低倍酸蝕試驗(yàn)和超聲波探傷檢測(cè)。低倍酸蝕試驗(yàn)將鑄坯試樣經(jīng)過(guò)酸蝕處理后，觀察其內(nèi)部的偏析、疏松、縮孔等缺陷情況。超聲波探傷檢測(cè)利用超聲波在鑄坯內(nèi)部傳播時(shí)的反射和折射特性，檢測(cè)鑄坯內(nèi)部是否存在裂紋、夾雜等缺陷，確定缺陷的位置和大小。5.2試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集在工業(yè)試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)連鑄機(jī)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了全面的檢查和調(diào)試，確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。對(duì)自動(dòng)加渣裝置進(jìn)行了校準(zhǔn)，保證保護(hù)渣添加量和添加頻率的準(zhǔn)確性。對(duì)結(jié)晶器液位傳感器、拉坯阻力測(cè)量裝置、結(jié)晶器壁熱電偶等監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照預(yù)定的工業(yè)試驗(yàn)方案進(jìn)行操作。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員密切關(guān)注連鑄機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確保連鑄過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器液位波動(dòng)超過(guò)±5mm時(shí)，操作人員立即通過(guò)自動(dòng)加渣裝置調(diào)整保護(hù)渣的添加量，使液位恢復(fù)到正常范圍。若拉坯阻力超過(guò)10kN，操作人員會(huì)立即停止拉坯，檢查鑄坯表面狀態(tài)和保護(hù)渣性能，采取相應(yīng)措施后再繼續(xù)生產(chǎn)。數(shù)據(jù)采集工作貫穿整個(gè)工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程。對(duì)于鑄坯表面質(zhì)量數(shù)據(jù)，每澆鑄5塊鑄坯，進(jìn)行一次全面的表面質(zhì)量檢測(cè)。人工肉眼觀察記錄鑄坯表面縱裂紋、橫裂紋、夾渣、氣孔等缺陷的數(shù)量、位置和長(zhǎng)度。表面缺陷檢測(cè)儀對(duì)鑄坯表面進(jìn)行掃描，獲取缺陷的面積、深度等詳細(xì)信息。對(duì)于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量數(shù)據(jù)，每澆鑄10塊鑄坯，取一塊進(jìn)行低倍酸蝕試驗(yàn)和超聲波探傷檢測(cè)。低倍酸蝕試驗(yàn)中，將鑄坯試樣加工成規(guī)定尺寸，經(jīng)過(guò)酸蝕處理后，用卡尺等工具測(cè)量偏析、疏松、縮孔等缺陷的尺寸和深度。超聲波探傷檢測(cè)通過(guò)探傷儀記錄缺陷的位置、大小和性質(zhì)。保護(hù)渣消耗數(shù)據(jù)的采集通過(guò)在自動(dòng)加渣裝置上安裝計(jì)量裝置實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)記錄保護(hù)渣的添加量。同時(shí)，在連鑄過(guò)程中，每隔1小時(shí)，測(cè)量一次結(jié)晶器內(nèi)液渣層的厚度，計(jì)算保護(hù)渣的實(shí)際消耗量。連鑄過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，如結(jié)晶器液位波動(dòng)、拉坯阻力、結(jié)晶器壁溫度分布等，通過(guò)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集頻率為每秒1次。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。5.3試驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)對(duì)工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，全面評(píng)估了新開(kāi)發(fā)的20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣的實(shí)際應(yīng)用效果。在鑄坯表面質(zhì)量方面，使用新開(kāi)發(fā)保護(hù)渣后，鑄坯表面縱裂紋數(shù)量明顯減少。使用原保護(hù)渣時(shí)，鑄坯表面縱裂紋發(fā)生率約為5%，而使用新保護(hù)渣后，縱裂紋發(fā)生率降低至1%以內(nèi)。這主要得益于新保護(hù)渣優(yōu)化的成分設(shè)計(jì)，其合適的熔點(diǎn)、熔速、粘度和結(jié)晶溫度，使保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)能夠均勻熔化，形成穩(wěn)定且均勻的液渣層和渣膜，有效降低了鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力，減少了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的縱裂紋產(chǎn)生。新保護(hù)渣良好的絕熱保溫性能使鑄坯彎月面處坯殼生長(zhǎng)更加平穩(wěn)，降低了縱裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。鑄坯表面夾渣缺陷也得到了有效改善，原保護(hù)渣下鑄坯表面夾渣率約為3%，新保護(hù)渣使夾渣率降低至0.5%左右。新保護(hù)渣中優(yōu)化的成分，如適當(dāng)?shù)膲A度和熔劑材料含量，提高了其吸收夾雜物的能力，使鋼液中的夾雜物能夠更好地被液渣吸收，減少了夾渣缺陷的出現(xiàn)。鑄坯內(nèi)部質(zhì)量也有顯著提升。使用新保護(hù)渣后，鑄坯中心偏析評(píng)級(jí)明顯降低。原保護(hù)渣下鑄坯中心偏析評(píng)級(jí)平均為2.0級(jí)，新保護(hù)渣下降低至1.5級(jí)以下。這是因?yàn)樾卤Ｗo(hù)渣良好的傳熱性能，使鑄坯在凝固過(guò)程中溫度分布更加均勻，減少了元素的偏析。新保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成的均勻渣膜，改善了傳熱條件，避免了局部過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象，從而有效降低了中心偏析程度。鑄坯內(nèi)部疏松和縮孔等缺陷也有所減少，原保護(hù)渣下疏松和縮孔的發(fā)生率約為2%，新保護(hù)渣使其降低至1%以內(nèi)。新保護(hù)渣合適的性能參數(shù)，保證了鑄坯在凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮效果，減少了疏松和縮孔的產(chǎn)生。連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性也得到了提高。在拉坯阻力方面，使用新保護(hù)渣后，拉坯阻力明顯降低，平均拉坯阻力從原來(lái)的8kN降低至6kN左右。這表明新保護(hù)渣在結(jié)晶器壁與坯殼間形成的渣膜具有良好的潤(rùn)滑性能，有效降低了鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力，使拉坯過(guò)程更加順暢。結(jié)晶器液位波動(dòng)也更加穩(wěn)定，原保護(hù)渣下液位波動(dòng)范圍在±8mm左右，新保護(hù)渣使液位波動(dòng)控制在±5mm以內(nèi)。新保護(hù)渣在鋼液面上能夠迅速熔化形成均勻的液渣層，有效抑制了鋼液的波動(dòng)，保證了結(jié)晶器液位的穩(wěn)定。新開(kāi)發(fā)的20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣在鑄坯表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和連鑄過(guò)程穩(wěn)定性等方面均取得了良好的應(yīng)用效果，能夠滿足20#鋼大方坯連鑄生產(chǎn)的高質(zhì)量要求。5.4經(jīng)濟(jì)效益分析從多個(gè)維度來(lái)看，新開(kāi)發(fā)的20#鋼大方坯連鑄保護(hù)渣帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在保護(hù)渣成本方面，雖然新保護(hù)渣的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中可能在原料選擇和工藝控制上有更高要求，但通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有效降低了對(duì)一些昂貴添加劑的依賴。如在熔劑材料選擇上，通過(guò)精確調(diào)控Na?O、Li?O等的添加量，在保證保護(hù)渣性能的前提下，避免了過(guò)度使用高價(jià)的Li?O，從而降低了原料采購(gòu)成本。與原保護(hù)渣相比，新保護(hù)渣的單位成本有所降低，假設(shè)原保護(hù)渣每噸成本為[X]元，新保護(hù)渣每噸成本降低至[X-Y]元，以該鋼廠每年使用保護(hù)渣[Z]噸計(jì)算，僅保護(hù)渣采購(gòu)成本每年就可節(jié)約Y×Z元。鑄坯合格率的提升是經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)的重要因素。使用新保護(hù)渣后，鑄坯表面縱裂紋發(fā)生率從5%降低至1%以內(nèi)，夾渣率從3%降低至0.5%左右，內(nèi)部中心偏析評(píng)級(jí)從2.0級(jí)降低至1.5級(jí)以下，疏松和縮孔等缺陷發(fā)生率也從2%降低至1%以內(nèi)。鑄坯質(zhì)量的提高使得合格鑄坯數(shù)量大幅增加。以該鋼廠每年生產(chǎn)20#鋼大方坯[M]噸為例，原鑄坯合格率為[P1]%，使用新保護(hù)渣后合格率提升至[P2]%。合格鑄坯增加量為M×(P2%-P1%)噸。按照每噸合格鑄坯的市場(chǎng)售價(jià)為[Q]元計(jì)算，因鑄坯合格率提升帶來(lái)的額外收益為M×(P2%-P1%)×Q元。生產(chǎn)效率的提高也帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益的提升。新保護(hù)渣使拉坯阻力從8kN降低至6kN左右，結(jié)晶器液位波動(dòng)從±8mm控制在±5mm以內(nèi)，連鑄過(guò)程穩(wěn)定性顯著提高。這使得連鑄機(jī)的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)減少，生產(chǎn)作業(yè)率提高。假設(shè)原連鑄機(jī)每年非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間為[T1]小時(shí)，使用新保護(hù)渣后減少至[T2]小時(shí)。連鑄機(jī)每小時(shí)生產(chǎn)鑄坯[R]噸，每噸鑄坯利潤(rùn)為[S]元。那么因