1、2020/7/7,1,第五章 結(jié)晶器保護(hù)渣,連 鑄 連 軋,主講教師：閔 義 2008.092008.10,Tel024-83687720 Email：,2020/7/7,2,1 保護(hù)渣在連鑄過程中的作用,覆蓋鋼水絕熱保溫； 隔絕空氣，防止鋼水二次氧化； 吸收上浮到鋼渣界面上的非金屬夾雜物； 降低拉坯阻力，潤(rùn)滑鑄坯和結(jié)晶器作用； 流入坯殼和結(jié)晶器間隙內(nèi)的液態(tài)渣形成渣膜，以控制鑄坯向結(jié)晶器傳熱速度，保持坯殼均勻生長(zhǎng)。,為了提高連續(xù)澆注鋼坯的質(zhì)量，強(qiáng)化保護(hù)澆注工藝，使用一種固態(tài)粉渣覆蓋在結(jié)晶器鋼液面上形成一層保護(hù)渣。 結(jié)晶器保護(hù)渣的作用：,2020/7/7,3,2 保護(hù)渣

2、在結(jié)晶器內(nèi)的行為,2020/7/7,4,1）連鑄過程中彎月面形成,隨著結(jié)晶器的上下振動(dòng)，鋼液注入結(jié)晶器內(nèi)，且保持一定的液面高度，由于鋼液是金屬鍵，強(qiáng)度大，表面張力大，因而在結(jié)晶器銅壁處鋼液形成了向內(nèi)壁突出的彎月面。 彎月面是凝固坯殼生長(zhǎng)的起始點(diǎn)，它的性質(zhì)在很大程度上決定了鑄坯表面質(zhì)量。 連鑄結(jié)晶器彎月面區(qū)域的定義為:從彎月面根部以下45mm到根部以上45mm從結(jié)晶器內(nèi)壁到離壁20mm處的區(qū)域。,2020/7/7,5,2）鋼液彎月面的作用,受結(jié)晶器的強(qiáng)烈冷卻作用。突出的彎月面開始凝固，形成了極薄的坯殼，在向下運(yùn)動(dòng)的過程中受鋼水靜壓力的作用變形，形成了鑄坯的凝固殼。 如果彎月面表面干凈，具有較大的

3、曲率半徑，變形能力大，就容易恢復(fù)變平，則鑄坯的某些表面缺陷就難以產(chǎn)生。,2020/7/7,6,3）連鑄保護(hù)渣的熔融結(jié)構(gòu),連鑄過程中，由于熱量傳遞、化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)和物質(zhì)遷移，結(jié)晶器內(nèi)的保護(hù)渣構(gòu)成了一個(gè)非穩(wěn)態(tài)體系因此，凝固過程的影響變得復(fù)雜和難于控制。 最典型的保護(hù)渣熔融結(jié)構(gòu)為三層結(jié)構(gòu)：即由上至下依次為粉渣層、燒結(jié)層和熔融層。,2020/7/7,7,4）保護(hù)渣中碳的分布,基料熔化形成熔渣后，配入保護(hù)渣種的碳有四個(gè)去向，即：1）在浮力作用下浮出熔渣；2）溶解在渣中；3）擴(kuò)散到鋼液中；4）燃燒。 文獻(xiàn)報(bào)道了渣個(gè)碳分布的研究結(jié)果，認(rèn)為碳在各渣層中分布嚴(yán)重不均，過渡層碳含量高出平均碳含量610倍左右，

4、如左圖所示。,2020/7/7,8,5）液渣的流入與消耗,鑄壞潤(rùn)滑一直是連鑄技術(shù)的重要內(nèi)容，鑄坯振痕深度、表面凹陷、裂紋及漏鋼都與鑄坯和結(jié)晶器的潤(rùn)滑有關(guān)。實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器與鑄坯之間潤(rùn)滑是保護(hù)渣最重要的功能之一； 現(xiàn)在普遍支持的觀點(diǎn)是：在結(jié)晶器負(fù)滑脫之外的時(shí)間內(nèi)是保護(hù)渣流入的主要時(shí)期，通過減少負(fù)滑脫時(shí)間，可以增加保護(hù)渣的消耗量，減少連鑄坯結(jié)晶器之間的摩擦力。 保護(hù)渣消耗量可以采用下列回歸方程估算：,0.08%C0.16%,C0.08%,A振幅，mm；f-振動(dòng)頻率Hz；V拉坯速度； 1300 保護(hù)渣粘度。,滿足中、低碳鋼潤(rùn)滑要求的最小渣耗量為0.3kg/m2，中碳鋼臨界渣耗的試驗(yàn)結(jié)果為2.6kg/m2。

5、,2020/7/7,9,3 連鑄保護(hù)渣的成分設(shè)計(jì),成分設(shè)計(jì)是連鑄保護(hù)渣研制、應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，成分設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定著保護(hù)渣的性能，并最終影響連鑄坯質(zhì)量。 連鑄保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)原則： 保護(hù)渣具有合理的熔化溫度、熔化速度和熔融結(jié)構(gòu)； 保護(hù)渣具有穩(wěn)定適宜的粘度； 保護(hù)渣具有合理的結(jié)晶溫度和礦物組成； 保護(hù)渣具有足夠的吸收夾雜物容量； 使保護(hù)渣的加工、使用符合環(huán)保要求。,成分設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制,保護(hù)渣的熔化,熔渣池的形成,熔渣向氣隙的流入,對(duì)坯殼形成的影響,鑄坯結(jié)晶器傳熱,鑄坯液渣潤(rùn)滑,連鑄坯表面質(zhì)量,2020/7/7,10,4 連鑄保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ),基于連鑄保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的工作條件和設(shè)計(jì)原則的要求，國(guó)內(nèi)外

6、均采內(nèi)硅酸鹽為基礎(chǔ)的玻璃渣體系作為保護(hù)渣的基料成分。 資料表明，已有的連鑄保護(hù)渣，按其基料組成可分為三個(gè)渣系， 即SiO2-Al2O3-CaO系、SiO2-Al2O3-FeO系、SiO2-Al2O3-Na2O系，其中SiO2-Al2O3-CaO 系應(yīng)用最為普遍。 在基料基礎(chǔ)上輔加少量的添加劑(如堿金屬或堿土金屬氧化物、氯化物)和控制熔化速度的碳質(zhì)材料(如碳黑、石墨等)。,2020/7/7,11,結(jié)晶器保護(hù)渣成分選擇依據(jù),該三元系有兩個(gè)低熔化溫度區(qū)，即A、B兩點(diǎn)。對(duì)于A點(diǎn)(1170)，盡管液相線溫度比B點(diǎn)(1265)低，但從相圖分忻，其實(shí)際應(yīng)用的意義不大因?yàn)樵跐沧⑦^程中，隨Al2O3夾雜的吸收將

7、導(dǎo)致液相線溫度激增，同時(shí)，A點(diǎn)的SiO2含量高，渣堿度低，粘度大。 所以一般用B點(diǎn)作為保護(hù)渣基料成分，其范圍為： SiO2為28%38%，CaO為2535， Al2O3 10. 這是一個(gè)以硅灰石(CaO. SiO2)形態(tài)存在的低熔化溫度區(qū)，其CaO/SiO2 1，恰與保護(hù)渣堿度要求相近。同時(shí)，該區(qū)域的粘度也較低，1400時(shí)粘度僅為0.6Pas。,：,：,A,B,2020/7/7,12,保護(hù)渣原料選擇,連鑄保護(hù)渣化學(xué)成分因需要不同而改變。就保護(hù)渣原料選擇而言，化學(xué)成分決定了保護(hù)渣使用性能。用于連鑄保護(hù)渣的原料種類繁多，分為： 天然礦物 石灰（CaO)、螢石(CaF2)、鋁釩土（bauxite）

8、、硅灰石(CaOSiO2)、 石英砂(SiO2)，白云石，長(zhǎng)石，珍珠巖，蛭石等； 人造礦物 工業(yè)廢渣（高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣等）、水泥熟料、玻璃屑、人造硅灰石。,2020/7/7,13,幾種保護(hù)渣成分范例：,2020/7/7,14,5 熔渣離子結(jié)構(gòu),熔渣可以導(dǎo)電，并有一定的電阻。電渣重熔及電弧爐煉鋼及LF精煉均是通過熔渣導(dǎo)電而獲得高溫的； 熔渣可以電解，當(dāng)電解熔渣時(shí)，在陽極析出金屬，在陰極析出氧氣，說明熔渣中至少存在金屬正離子和氧負(fù)離子； 熔渣可以作為高溫原電池的電解質(zhì)，說明熔渣是由離子組成； 當(dāng)向金屬熔渣界面通入電荷時(shí)，可以改變金屬熔渣的界面張力，稱為電毛細(xì)現(xiàn)象，說明金屬熔渣間的反應(yīng)是離子反應(yīng)，熔渣

9、中存在離子。,2020/7/7,15,熔渣中離子種類及相互作用力,根據(jù)X射線分析及其他試驗(yàn)證明，熔渣中存在以下離子： （1）正離子 均為簡(jiǎn)單的離子，如Ca2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Mg2+。它們都 是由金屬氧化物離解生成的。 （2）負(fù)離子 簡(jiǎn)單的負(fù)離子有O2-,S2-,F-等。它們是由氧化物、硫化物和氟化物離解生成的。 復(fù)雜的負(fù)離子有：SiO44-,PO43-,Fe2-.，其中SiO44-還能聚合成更復(fù)雜的硅氧復(fù)合離子，如:Si2O76-,Si3O96-,Si4O126-,Si6O1812-。,2020/7/7,16,熔渣中含量最高的酸性氧化物是SiO2，因此復(fù)雜的負(fù)離子以SiO44-為主。當(dāng)

10、SiO2含量不斷增加時(shí)，會(huì)造成熔渣中的O2-不足，使SiO2變成SiO44-的反應(yīng)困難，這時(shí)SiO44-會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，釋放出O2-以使SiO2變成SiO44-反應(yīng)得以進(jìn)行。硅氧復(fù)合離子的聚合反應(yīng)有： SiO44-+ SiO44-=Si2O76-+O2- Si2O76- + SiO44-=Si3O96-+2O2- Si3O96- + SiO44-=Si4O128-+O2- .,2020/7/7,17,2020/7/7,18,6 結(jié)晶器與鑄坯間渣膜的狀態(tài),液渣進(jìn)入坯殼和結(jié)晶器縫隙后，受坯殼和結(jié)晶器溫度的影響，靠近結(jié)晶器一側(cè)受結(jié)晶器的強(qiáng)冷作用形成固態(tài)渣膜，而靠近鑄坯一側(cè)受鑄坯的加熱作用重熔變成液態(tài)

11、，在鑄坯向下運(yùn)動(dòng)的過程中，起到潤(rùn)滑作用。 隨著渣膜向下運(yùn)動(dòng)，液態(tài)渣膜量逐漸減少，固態(tài)渣膜量增多，直至完全形成固態(tài)，出結(jié)晶器后脫落。,2020/7/7,19,凝固后渣膜的礦物組成,正硅酸鈣（ 2CaOSiO2）；硅灰石（CaOSiO2）；鈣鋁黃長(zhǎng)（2CaOAl2O3SiO2）；槍晶石（3CaO2SiO2CaF2）；霞石(Na2OAl2O32SiO2)；玻璃相、螢石和氧化硅等。 研究指出，各種礦物具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，從而影響鑄坯的凝固。導(dǎo)熱系數(shù)按順序排列為：硅灰石(CA)鈣黃長(zhǎng)石 (C2AS)尖晶石(MA）霞石(NAS2)。增大渣的堿度使硅灰石區(qū)域縮小，而尖晶石和霞石相區(qū)擴(kuò)大了，因此降低了熱傳導(dǎo)系

12、數(shù)，使結(jié)晶器熱流減小，從而減少裂紋傾向。,2020/7/7,20,7 保護(hù)渣理化性質(zhì)7.1保護(hù)渣的熔化特征,保護(hù)渣熔點(diǎn)/熔化溫度 保護(hù)渣是由各種氧化物和氟化物組成，沒有固定的熔點(diǎn)，一般用半球點(diǎn)溫度定義保護(hù)渣的熔化溫度。大多數(shù)結(jié)晶器保護(hù)渣的熔化溫度在10001200。 為了保證保護(hù)渣消耗量和吸收夾雜物，一般情況下熔渣層厚度控制在10mm左右。 連鑄保護(hù)渣熔化溫度的高低一般取決于助熔劑加入種類和數(shù)量，對(duì)保護(hù)渣熔化溫度起決定作用的熔劑種類： 蘇打粉（Na2CO3）冰晶石（Na5Al3F14） 硼砂（NaB4O7) 螢石（CaF2、NaF） 常用助熔劑對(duì)降低熔化溫度的次序?yàn)椋?NaF Na5Al3F1

13、4 Na2CO3 NaCl CaF2,2020/7/7,21,熔化溫度對(duì)連鑄工藝參數(shù)的影響,熔化溫度越低，熔渣層厚度越大，保護(hù)渣消耗量越大； 平均渣膜厚度隨保護(hù)渣熔化溫度的降低而增大； 保護(hù)渣熔化溫度越低，鑄坯和結(jié)晶器之間摩擦力越小，裂紋指數(shù)下降； 熔化溫度低，不利于發(fā)揮絕熱保溫作用，一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)不允許出現(xiàn)“紅渣”操作。,幾種主要助熔劑對(duì)保護(hù)渣熔化溫度的影響規(guī)律,2020/7/7,23,保護(hù)渣熔化速度,保護(hù)渣熔化速度是表征保護(hù)渣熔化快慢的標(biāo)志，熔化速度的快慢一般是由保護(hù)渣中添加的碳質(zhì)材料或碳酸鹽種類和數(shù)量來控制的。 1300 ，由固態(tài)保護(hù)渣轉(zhuǎn)變呈液態(tài)所需要的時(shí)間來定義熔化速度。 配入保護(hù)渣

14、中的炭質(zhì)材料種類包括： 焦炭、木炭、石墨、碳黑、無定性碳等,2020/7/7,24,對(duì)保護(hù)渣熔化速度的要求,1、必須滿足生成液態(tài)渣的需要,熔化速度,C含量 C質(zhì)材料粒度比率 熔化溫度&粘度 礦物材料&C材料粒度 f（C質(zhì)材料種類） 燈黑 焦炭 木炭 石墨 無定性碳,2020/7/7,25,2、必須避免鋼液與富含碳質(zhì)材料的粉渣層接觸而導(dǎo)致鋼液增碳,連鑄過程中保護(hù)渣各層結(jié)構(gòu)與碳質(zhì)材料的化學(xué)反應(yīng)示意圖,2020/7/7,26,保護(hù)渣熔化速度的影響因素,分解出的氣體攪拌熔融層和粉末層來控制保護(hù)渣的熔化。,2020/7/7,27,熔化溫度和熔化速度的測(cè)定方法,將保護(hù)渣加工成如左圖的錐形或者圓柱形試樣，推

15、入高溫爐內(nèi)的恒溫區(qū)，以10/min的升溫速度升溫，觀察渣料的熔化情況，進(jìn)而定義保護(hù)渣的熔化溫度。 將爐溫升至1300或1350恒溫，然后迅速將左圖渣料推入恒溫區(qū)，觀察渣料完全熔化后所需時(shí)間。,2020/7/7,28,7.2 保護(hù)渣粘度,連鑄保護(hù)渣的粘度，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的冶金行為包括液渣的流入和消耗、潤(rùn)滑、夾雜物吸收等產(chǎn)生重要影響。所以，為了確保保護(hù)渣在澆鑄中的良好性能，就必須高度重視保護(hù)渣的粘度特性的研究和優(yōu)化。 粘度大小取決于熔渣的化學(xué)成分和溫度，在一定溫度范圍內(nèi)，粘度和溫度的關(guān)系符合阿累尼烏斯公式：,A常數(shù)項(xiàng) E黏性活化能 R氣體常數(shù) T絕對(duì)溫度,2020/7/7,29,保護(hù)渣粘度,實(shí)際應(yīng)

16、用中，通常以ln-1/T曲線描述粘度與溫度的關(guān)系，如右圖所示。 曲線包括三部分：高溫時(shí)以E/R為斜率的線性部分、范圍窄的非線性部分、低溫時(shí)的垂直部分。線性部分與垂直部分的交點(diǎn)被成為拐點(diǎn)通常拐點(diǎn)處的溫度被稱為凝固溫度或結(jié)晶溫度。,2020/7/7,30,實(shí)際應(yīng)用時(shí)保護(hù)渣粘度范圍,就一般碳素結(jié)構(gòu)鋼用保護(hù)渣，1300時(shí)的粘度多在0.10.5Pa.s（1Pa.s10泊）。國(guó)內(nèi)渣和日本渣一般粘度較低，而德國(guó)的保護(hù)渣粘度一般設(shè)計(jì)較高。 對(duì)保護(hù)渣粘度的要求一般是為了實(shí)現(xiàn)合理的保護(hù)渣消耗量，以實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑和傳熱功能。 應(yīng)根據(jù)拉速確定保護(hù)渣粘度，參數(shù)1300V是一個(gè)簡(jiǎn)便和有效的指標(biāo)。一般情況下， 1300V0

17、.10.35范圍之間比較適宜。 由于粘度作用的復(fù)雜性及各工藝因素的差異，對(duì)粘度值的選定各廠存在一定分歧，但都能基本滿足要求。,2020/7/7,31,保護(hù)渣粘度穩(wěn)定性,保護(hù)渣粘度穩(wěn)定性包括化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。 化學(xué)穩(wěn)定性：允許熔渣化學(xué)成分在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而不應(yīng)使熔渣粘度發(fā)生太大變化。 增加粘度化學(xué)穩(wěn)定性的成分有MnO、MgO等。,2020/7/7,32,保護(hù)渣熱穩(wěn)定性：溫度變化對(duì)熔渣粘度影響較小，通常是指在-t曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，粘度隨溫度變化的大小。 一般而言，“長(zhǎng)渣”的熱穩(wěn)定性要好于“短渣”。 保護(hù)渣堿度增大，保護(hù)渣具有從“長(zhǎng)渣”向“短渣”轉(zhuǎn)變的傾向。,2020/7/7,33,保護(hù)渣化學(xué)成

18、分對(duì)粘度的影響,決定熔渣（硅酸鹽體系）粘度大小的主要因素是熔渣內(nèi)的復(fù)雜網(wǎng)狀的硅氧四面體的數(shù)量和復(fù)雜程度。復(fù)雜的硅氧離子鏈形成的機(jī)理為：,凡是能向爐渣中提供多余氧離子和取代氧離子的物質(zhì)，均可以使?fàn)t渣粘度降低。 這些物質(zhì)包括幾乎所有的堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物。,2020/7/7,34,成分對(duì)保護(hù)渣粘度的影響,增大粘度的組元： SiO2 、Al2O3、B2O3等 降低粘度的組元： CaF2、CaO、MgO、Li2O、Na2O、 FeO、Fe2O3、BaO、B2O3等 當(dāng)然，以上任何一種物質(zhì)，其在熔渣中達(dá)到飽和后，不僅不會(huì)降低粘度，一定程度增加熔渣粘度。這是由于未溶解的質(zhì)點(diǎn)狀物質(zhì)改變了熔渣組成，使

19、熔渣從牛頓流體（遵循阿累尼烏斯公式）變成非牛頓流體。,2020/7/7,36,保護(hù)渣粘度測(cè)定方法,將配制好的保護(hù)渣粉末混勻。 將爐溫恒定在1350，稱取140g渣料加入坩堝，10min后渣料均勻熔化； 將Mo轉(zhuǎn)頭下降到熔渣表面充分預(yù)熱； Mo轉(zhuǎn)頭下端距離石墨坩堝底部10mm，攪拌一段時(shí)間，使?fàn)t渣盡可能均勻； 以5min-1的速度降低爐溫，將測(cè)得頻率與零點(diǎn)頻率值比較得到保護(hù)渣粘度數(shù)值； 系統(tǒng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)即可得到粘度溫度曲線。,旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),2020/7/7,37,7.3 吸收非金屬夾雜物能力,連鑄時(shí)要求結(jié)晶器內(nèi)的熔渣對(duì)聚集在鋼渣界面上的高熔點(diǎn)非金屬夾雜物能迅速溶解，以避免此類夾雜物被鋼流卷入坯殼，

20、產(chǎn)生皮下夾雜等缺陷，此現(xiàn)象在澆注鋁鎮(zhèn)靜鋼、含鈦不銹鋼、稀土處理鋼等其他一些高合金鋼時(shí)更為突出，對(duì)保護(hù)渣性能要求也更嚴(yán)格。,2020/7/7,38,連鑄過程保護(hù)渣熔池內(nèi)Al2O3質(zhì)量平衡可以表示為：,熔渣吸收Al2O3的量主要取決于 。本圖表示的是根據(jù)上式計(jì)算得到的不同（或 ）的保護(hù)渣， Al2O3隨時(shí)間的變化。其中和具有相同的意義， 的量綱為g/(cm2.s)。 和表征保護(hù)渣吸收Al2O3能力的大小，其值主要受化學(xué)成分的影響。,2020/7/7,40,影響熔渣吸收Al2O3夾雜的因素,（1）堿度 隨爐渣堿度的增大，熔渣吸收氧化鋁的速度是先增大后減小的過程，當(dāng)CaO/SiO2=1.01.1時(shí)，吸

21、收速度最大。 主要原因： 隨爐渣堿度增大，粘度降低，有利于擴(kuò)散的進(jìn)行，當(dāng)堿度過高時(shí)，由于氧化鋁的作用，可以形成鈣鋁黃長(zhǎng)石初晶，使表觀粘度增大，吸收速度降低。,2020/7/7,41,（2）保護(hù)渣中F-和Na+的影響,2020/7/7,42,熔渣吸收其他類型夾雜物情況,在連鑄其他類型合金鋼時(shí)，比如含Ti的不銹鋼， Ti的含量約0.5時(shí)就可能在渣金界面上富集大量夾雜物(TiN和TiCN)，要求澆注此類鋼種所需的保護(hù)渣具有較強(qiáng)的吸附能力。 相關(guān)研究指出，澆注不銹鋼時(shí)，對(duì)夾雜缺陷進(jìn)行分析，認(rèn)為缺陷產(chǎn)生的主要原因時(shí)CaTiO3或者TiN的析出導(dǎo)致的。 同樣，在澆注稀土鋼過程中，由于稀土的氧化或者燒損，造

22、成一部分高熔點(diǎn)的稀土氧化物聚集在鋼渣界面，也要求保護(hù)渣很快吸收這些夾雜物，降低其對(duì)鋼質(zhì)量的影響。,2020/7/7,44,7.4 保護(hù)渣的結(jié)晶性能,結(jié)晶溫度是保護(hù)渣主要性能指標(biāo)之一，液態(tài)渣膜結(jié)晶度高、結(jié)晶率高，使得結(jié)晶器內(nèi)熱阻增大，鑄坯與結(jié)晶器內(nèi)摩擦力增加，易發(fā)生漏鋼和表面缺陷。 保護(hù)渣結(jié)晶溫度升高，容易導(dǎo)致鑄坯-結(jié)晶器之間熱傳遞速度降低，傳熱速度慢固然可以減少縱向裂紋，但由此而造成的粘結(jié)使得拉漏率增大，見右圖所示。,2020/7/7,45,保護(hù)渣結(jié)晶動(dòng)力學(xué),從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來看，由于冷卻時(shí)熔體粘度增加很快，析晶阻力大，故可能不析晶而形成過冷的液體，即玻璃體.一般析晶在相應(yīng)于粘度為103-105P

23、a.s的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行； 析晶過程包括晶體成核和晶體長(zhǎng)大兩個(gè)階段，成核速度和晶體生長(zhǎng)速度都是過冷度和粘度的函數(shù)，對(duì)大多數(shù)硅酸鹽熔體來說，晶粒形成的最大速度是在較低溫度區(qū)，而晶體生長(zhǎng)的最大速度在較高溫度區(qū)。當(dāng)液渣從高溫冷卻時(shí)，熔體尚無晶核，故不致析晶，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至某一區(qū)間，液相中既能形成晶核，晶體又能生長(zhǎng)，因此具備了析晶條件，但晶核生成和晶體生長(zhǎng)的速度都不大，析晶緩慢，因此只要冷卻速度足夠大，就能迅速使溫度降低至形核區(qū)，而不析晶或很少析晶。,2020/7/7,46,保護(hù)渣結(jié)晶溫度測(cè)量方法比較,2020/7/7,47,DTA測(cè)量保護(hù)渣結(jié)晶溫度,將經(jīng)過充分混勻后粉渣磨細(xì)至粒度小于0.074mm，

24、在1300預(yù)熔后備用。 取渣料30mg左右，放入差熱天平專用剛玉坩堝內(nèi)并壓實(shí)； 以30min-1升溫速度快速加熱至1300，恒溫10min； 然后以10min-1的冷卻速度降溫至800； 實(shí)驗(yàn)過程采用N2作為天平和爐膛的保護(hù)氣氛，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析熱重-差熱曲線，定義析晶開始溫度為保護(hù)渣的結(jié)晶溫度。,2020/7/7,48,標(biāo)準(zhǔn)DTA熱峰示意圖,其中AB為反應(yīng)的基線，曲線ACB為熱峰，A 為峰的開始，B為峰的終了，C為峰的極值點(diǎn)。AB與弧形曲線所引出的最大曲線斜率切線的交點(diǎn)溫度TOE為熱效應(yīng)的起點(diǎn)，在本研究中則代表了保護(hù)渣中礦物初始結(jié)晶溫度點(diǎn)。另外，熱峰的極值點(diǎn)表明此時(shí)析出的晶體最多，TB點(diǎn)表明在

25、TA-TB冷卻過程中析晶反應(yīng)的結(jié)束。,2020/7/7,49,保護(hù)渣結(jié)晶溫度與保護(hù)渣組成有密切關(guān)系。Kyodenatal等人認(rèn)為高堿度的保護(hù)渣有更高的結(jié)晶溫度。Nakato等人還發(fā)現(xiàn)，添加BaO可以防止保護(hù)渣出現(xiàn)結(jié)晶，在結(jié)晶開始時(shí)，添加一定氧化鋁后保護(hù)渣可變成完全玻璃態(tài)。 國(guó)內(nèi)研究表明，F(xiàn)-可以增大結(jié)晶比；B2O3和MgO可以減少結(jié)晶比，另外Na2O含量增加可導(dǎo)致保護(hù)渣有更大的結(jié)晶傾向。,成分對(duì)保護(hù)渣結(jié)晶的影響,2020/7/7,50,成分對(duì)析晶的影響,2020/7/7,51,2020/7/7,52,保護(hù)渣結(jié)晶礦物組成,理論研究認(rèn)為，提高保護(hù)渣結(jié)晶溫度可以降低通過結(jié)晶器的熱流量，從而在一定程度

26、上避免鑄坯表面縱裂紋的產(chǎn)生，這對(duì)于澆注中碳鋼（C約為0.080.16%）至關(guān)重要。但是即使使用相同結(jié)晶溫度的保護(hù)渣，結(jié)晶器熱流量卻不一定相同，因此單一考慮結(jié)晶溫度作為控制傳熱的手段是不夠的。保護(hù)渣在冷卻后，形成的結(jié)晶物相直接影響結(jié)晶器和鑄坯之間的潤(rùn)滑和傳熱功能。,2020/7/7,53,礦物特征對(duì)鑄坯縱裂紋以及粘結(jié)漏鋼都有不同程度的影響，傳熱受礦物特征的影響，結(jié)晶相導(dǎo)熱系數(shù)大于玻璃相導(dǎo)熱系數(shù)。 連鑄保護(hù)渣結(jié)晶礦相主要由槍晶石、霞石、硅灰石和黃長(zhǎng)石組成。 不同礦物具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，按照導(dǎo)熱系數(shù)大小排列，硅灰石（CS）黃長(zhǎng)石（2CAS）槍晶石（2CaOSiO22CaF2）霞石(NA2S)。提高堿

27、度，硅灰石區(qū)域縮小，槍晶石和霞石區(qū)域擴(kuò)大，降低了導(dǎo)熱系數(shù)。 保護(hù)渣在高溫時(shí)，主晶相為槍晶石（C3S2F）、霞石（NCS3），另外有少量假硅灰石（CS）和三斜霞石（NAS2），當(dāng)添加一定含量Al2O3，會(huì)形成黃長(zhǎng)石（C2AS）和三斜霞石（NAS2）。,2020/7/7,54,在保護(hù)渣組成范圍內(nèi)，結(jié)晶相組成主要受Na2O、Al2O3含量決定，CaSiO3在Na2O、Al2O3含量小于6%時(shí)形成，硅鈣鈉石在低Al2O3含量和Na2O含量大于6%時(shí)形成，鋁黃長(zhǎng)石（2CAS）在Al2O3含量大于6%和Na2O含量小于6%時(shí)形成，霞石（N2AS2）在Na2O含量大于8%和Al2O3大于6%時(shí)形成。,202

28、0/7/7,55,保護(hù)渣結(jié)晶礦物組成實(shí)例,2020/7/7,56,8 連鑄保護(hù)渣與連鑄坯質(zhì)量,2020/7/7,57,1）保護(hù)渣與鑄坯表面縱裂紋,從根本上講，表面縱裂是壞殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均導(dǎo)致應(yīng)力集中而發(fā)生的。研究表明，引起表面縱裂的具體原因有以下兩個(gè)方向： (1) 在連鑄含碳量為0.080.14的鋼種時(shí)，最容易產(chǎn)生表面縱裂紋，這主要是由于相變?cè)斐蔁崾湛s差異所致，是產(chǎn)生縱裂的內(nèi)因。 (2) 熔渣層過厚或不穩(wěn)定，引起液渣流入波動(dòng)，結(jié)晶器熱流紊亂，加之結(jié)晶器液面波動(dòng)和鋼水過熱度較大，共同構(gòu)成了鑄坯產(chǎn)生裂紋的外因，加劇了易裂鋼種產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)性。 因此，對(duì)于給定鋼種，為了消除表面縱裂，正確選擇保護(hù)

29、渣，改善結(jié)晶器傳熱與潤(rùn)滑是至關(guān)重要的。,2020/7/7,58,保護(hù)渣傳熱性能對(duì)表面縱裂的影響,碳含量0.09%0.17%的鋼種在凝固時(shí)發(fā)生L+的包晶相變。、的晶格原子致密度分別為0.68和0.74, 這樣伴隨包晶相變,凝固坯殼產(chǎn)生較大的線性收縮, 使得結(jié)晶器彎月面處的凝固初生坯殼厚度不均勻, 隨拉坯進(jìn)行，沿拉速方向的板坯表面易產(chǎn)生縱裂紋。 保護(hù)渣作為凝固坯殼與結(jié)晶器之間的傳熱介質(zhì)，其性質(zhì)最終控制傳熱速率，對(duì)碳含量在0.090.17鋼種在凝固過程的行為將產(chǎn)生顯著的影響。,2020/7/7,59,保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能對(duì)鑄坯縱裂的影響,鑄坯表面裂紋量依賴于結(jié)晶器保護(hù)渣的潤(rùn)滑能力。研究表明，1300V2

30、0.30.7或1300V0.10.35時(shí)，結(jié)晶器摩擦力最小，且液渣消耗波動(dòng)最小，結(jié)晶器熱流波動(dòng)也最小，從而使表而縱裂傾向最小。 渣膜對(duì)坯殼潤(rùn)滑的好壞，還與溫度造成的粘度變化有關(guān)。即保護(hù)渣粘度的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性好，不僅可以使結(jié)晶器內(nèi)鋼液面上整個(gè)熔渣層的粘度波動(dòng)幅度小，而且在結(jié)晶器和彎月面之間的熔渣具有可流動(dòng)的范圍大，增強(qiáng)了熔渣潤(rùn)滑作用的連續(xù)性。,2020/7/7,60,保護(hù)渣熔化溫度對(duì)鑄坯縱裂的影響,過高的保護(hù)渣熔化溫度使得潤(rùn)滑渣膜的厚度減小，從而導(dǎo)致鑄坯和結(jié)晶器之間摩擦力增加，縱裂指數(shù)提高； 在拉速提高的情況下，保護(hù)渣消耗量降低，此時(shí)應(yīng)選擇熔點(diǎn)相對(duì)低一些的結(jié)晶器保護(hù)渣。,2020/7/7,6

31、1,2）保護(hù)渣與鑄坯橫裂的關(guān)系,保護(hù)渣對(duì)表面橫裂的影響體現(xiàn)在保護(hù)渣物性對(duì)振痕深度的影響，因?yàn)檎窈凼潜砻鏅M裂的根源。 橫向裂紋產(chǎn)生的原因： 橫裂紋產(chǎn)生于結(jié)晶器初始坯殼形成振痕的波谷處，振痕越深，則橫裂紋越嚴(yán)重。在波谷處，由于：奧氏體晶界析出沉淀物(AlN、Nb(CN)， 產(chǎn)生晶間斷裂；沿振痕波谷S、P元素呈正偏析，降低了鋼的高溫強(qiáng)度。這樣，振痕波谷處，奧氏體晶界脆性增大,為裂紋產(chǎn)生提供了條件。(2)鑄坯運(yùn)行過程中,受到外力(彎曲、矯直、鼓肚及輥?zhàn)硬粚?duì)中等)作用時(shí),剛好處于低溫脆性區(qū)的鑄坯表面處于受拉伸應(yīng)力作用狀態(tài)，如果坯殼所受的拉伸力1.3%，在振痕波谷處就會(huì)產(chǎn)生裂紋。,2020/7/7,62,

32、保護(hù)渣耗量增加,橫裂紋產(chǎn)生傾向減小,見右圖所示。保護(hù)渣耗量基本公式: 渣粘度和拉速V乘積增加，渣耗量Q減少, 坯殼易與銅板粘結(jié)。為防止粘結(jié)，又要降低振痕深度,渣耗量要合適。渣耗量通常要大于3kgm2，這是最低要求。,2020/7/7,63,9 保護(hù)渣應(yīng)用范例,3.1大板坯連鑄保護(hù)渣 3.2薄板坯連鑄保護(hù)渣 3.3方坯連鑄保護(hù)渣 3.4合金鋼連鑄保護(hù)渣 3.5超低碳鋼連鑄保護(hù)渣,2020/7/7,64,9.1大板坯連鑄保護(hù)渣,由于大板坯和寬厚板坯產(chǎn)量大，金屬收得率高和節(jié)約能源，在連鑄產(chǎn)量中占有較大比例。 大斷面的鑄坯裂紋敏感性強(qiáng)，尤其是表面縱裂紋，是大板坯連鑄的一個(gè)主要問題。其次是表面夾渣，這些

33、缺陷與保護(hù)渣性能密切相關(guān)，因此，對(duì)大板坯和厚板坯用結(jié)晶器保護(hù)渣進(jìn)行系統(tǒng)研究十分必要。,2020/7/7,65,大板坯凝固特點(diǎn),（1）凝固過程中，沿寬邊水平方向有較大的拉伸應(yīng)力，隨鑄坯寬度增大而增大，是造成板坯縱裂紋的主要原因； （2）凝固過程中，結(jié)晶器各部位溫度場(chǎng)不均勻，凝固殼厚度不等，尤其是含碳量為0.100.15的鋼種； （3）連鑄過程中，結(jié)晶器壁與坯殼之間的縫隙不同，渣膜厚度相差很大，傳熱性能差異造成坯殼厚度不同，易引起縱裂紋產(chǎn)生； （4）拉速越大，摩擦力越大，促進(jìn)了縱裂紋的產(chǎn)生。,2020/7/7,66,大板坯連鑄保護(hù)渣性能選擇,（1）熔化溫度的選擇 對(duì)寬板坯使用的保護(hù)渣來說，熔化溫度

34、可以影響熔渣層厚度、渣膜厚度、保護(hù)渣消耗量及潤(rùn)滑等，這些性能是否適當(dāng)對(duì)縱裂紋產(chǎn)生影響很大。 高速大板坯用結(jié)晶器保護(hù)渣，熔化溫度一般控制在10001100 。 （2）保護(hù)渣消耗量 板坯拉坯速度在1.62.0m/min時(shí)，保護(hù)渣的消耗量應(yīng)該大于0.3kg/m2，或者大于0.4kg/t鋼。 上海寶山鋼鐵公司生產(chǎn)大板坯時(shí)使用的連鑄保護(hù)渣的消耗量在0.4kg/t鋼左右。,2020/7/7,67,（3）粘度的選擇 保護(hù)渣的粘度應(yīng)根據(jù)拉坯速度進(jìn)行調(diào)整，主要要保證合適的消耗量，使之形成穩(wěn)定的渣膜，一般情況下，高速澆注的保護(hù)渣應(yīng)采用低粘度。 對(duì)大板坯連鑄保護(hù)渣粘度的選擇，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式： (1300 ) Vc

35、=0.10.35 （4）結(jié)晶性能的選擇 從大板坯連鑄生產(chǎn)角度出發(fā)，要求熔渣盡可能呈玻璃態(tài)，凝固后則為玻璃體，這樣可以改善坯殼與結(jié)晶器之間的潤(rùn)滑，減少固相摩擦，有利于提高鑄坯的表面質(zhì)量和減少縱向裂紋的產(chǎn)生。,2020/7/7,68,大板坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣實(shí)例,例1 鋼種：低碳鋼和中碳鋼（C：0.080.20） 拉坯速度：1.3m/min； 鑄坯斷面尺寸：(210250) (9001930)mm； 化學(xué)成分，： 熔化溫度：1080； 粘度（1300）：0.12Pa.s； 熔化速度（1300）：24s。,2020/7/7,69,9.2 薄板坯連鑄保護(hù)渣,薄板坯連鑄以產(chǎn)量高，節(jié)約能源、節(jié)省投資費(fèi)用、減

36、少加工成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益好以及產(chǎn)品接近成品等優(yōu)點(diǎn)，受到許多冶金企業(yè)的青睞，發(fā)展速度比較快。通常所說的薄板坯連鑄，是指鑄坯厚度在3070mm范圍內(nèi)，采用伸入式水口保護(hù)澆注的連鑄工藝。目前，國(guó)內(nèi)很多廠家已經(jīng)投產(chǎn)薄板坯連鑄生產(chǎn)線，如本鋼、珠江鋼廠、張家港鋼廠、邯鄲鋼廠等。,2020/7/7,70,薄板坯連鑄的特點(diǎn),拉坯速度快，一般拉速為3.06.0m/min，表面振痕淺，表面質(zhì)量好； 由于拉速快，單位時(shí)間注入結(jié)晶器內(nèi)的鋼液量大，且水口形狀為扁狀，結(jié)晶器內(nèi)鋼液攪拌劇烈，容易導(dǎo)致卷渣； 薄板坯結(jié)晶器處溫度場(chǎng)不均勻和流股的強(qiáng)烈沖擊，坯殼凝固不均勻，易產(chǎn)生裂紋； 鋼液散熱速度快，鋼液凝固快，如拉坯

37、速度配合不當(dāng)，鑄坯易產(chǎn)生表面和皮下夾渣和皺皮等缺陷； 拉速變化范圍寬，幅度大，鑄坯易產(chǎn)生夾渣和漏鋼。,2020/7/7,71,薄板坯連鑄保護(hù)渣的要求,（1）保護(hù)渣成渣速度快 由于拉速快，幅度變化大，且薄板坯噸鋼表面積大，渣耗量大，因此單位時(shí)間內(nèi)成渣速度必須快，否則液渣層變薄造成表面缺陷。 （2）對(duì)性能的要求 薄板坯連鑄由于結(jié)晶器散熱快，液面溫度低，因此要求熔化溫度和粘度均應(yīng)低一些，而熔化速度必須快。粘度和熔化溫度低一些，也可以增大渣耗量，改善玻璃性能和潤(rùn)滑性能。,2020/7/7,72,薄板坯連鑄保護(hù)渣實(shí)例,例1 鋼種：普通碳素鋼 拉坯速度：4.05.5m/min 鑄坯斷面：（5070）（90

38、01350）mm 化學(xué)成分（）： 熔化溫度：1100； 粘度（1300）：0.05Pa.s； 熔化速度（1300）：20s。,2020/7/7,73,9.3 方坯連鑄保護(hù)渣,在連鑄生產(chǎn)中，方坯連鑄占有很重要地位，我國(guó)方坯連鑄機(jī)多為小斷面，一般斷面尺寸為：（130480） （130480），通常小于160 160為小方坯，大于200 200稱大方坯。一般方坯連鑄適合于轉(zhuǎn)爐容量小的中小冶金企業(yè)，特點(diǎn)是產(chǎn)量低，生產(chǎn)品種為棒材和線材。,2020/7/7,74,方坯連鑄特點(diǎn),斷面差別大，要求保護(hù)渣有較大差別； 方坯連鑄拉速差別大，大斷面方坯拉速為0.61.2m/min，小斷面達(dá)2.5m/min； 小斷面

39、方坯連鑄時(shí)，結(jié)晶器液面波動(dòng)大，不易穩(wěn)定，如保護(hù)渣選擇不當(dāng)，易使鑄坯產(chǎn)生夾渣等缺陷。 小斷面方坯結(jié)晶器散熱快，液面溫度低，易發(fā)生結(jié)晶器壁粘渣現(xiàn)象以及熔渣易凝固，鑄坯易產(chǎn)生皺皮、結(jié)疤等缺陷； 小斷面方坯拉坯速度快，要求保護(hù)渣成渣速度快； 方坯連鑄與板坯連鑄比較，不易產(chǎn)生表面縱裂紋。,2020/7/7,75,方坯連鑄保護(hù)渣特性,（1）方坯連鑄品種多，斷面尺寸和拉速大，要求有多種性能的保護(hù)渣，方能滿足需要； （2）方坯連鑄與板坯連鑄相比，不易產(chǎn)生表面縱裂紋和凹坑等缺陷，保護(hù)渣的熔化溫度和粘度等的控制范圍可以比板坯寬一些； （3）方坯連鑄保護(hù)渣一般采用低熔點(diǎn)、低粘度和高熔化速度的保護(hù)渣。主要原因是，隨著

40、方坯斷面的減小，鑄坯散熱快，液面溫度低，同時(shí)由于液面不穩(wěn)定，希望有較厚的熔渣層，所以采用熔化速度快的保護(hù)渣，渣耗量一般在0.70.9kg/t鋼的范圍。,2020/7/7,76,方坯連鑄保護(hù)渣使用范例,例1 鋼種：40Cr、60MnSi、1Cr13、4Cr13 拉坯速度：1.21.8m/min 鑄坯斷面：180 180，200 200mm 化學(xué)成分（）： 熔化溫度：963 粘度（1300 ）：0.36Pa.s,2020/7/7,77,9.4 合金鋼連鑄保護(hù)渣,特點(diǎn)： （1）合金鋼種類多，鋼種之間差異大。 （2）合金鋼夾雜物類型多，含量高，且鋼液中易氧化元素含量高，要求保護(hù)渣具備較強(qiáng)的夾雜物吸收能

41、力； （3）合金鋼鑄坯表面易產(chǎn)生表面缺陷，對(duì)保護(hù)渣要求嚴(yán)格； （4）合金鋼液相線溫度低，保護(hù)渣熔化溫度要求偏低； （5）合金鋼連鑄工藝復(fù)雜，如澆注溫度、拉速、冷卻制度等，要求保護(hù)渣與工藝相適應(yīng)。,2020/7/7,78,合金鋼連鑄保護(hù)渣和鑄坯表面缺陷,1、不銹鋼連鑄保護(hù)渣簡(jiǎn)介 由于不銹鋼中含有鈦元素，連鑄過程中容易形成TiO2、TiN或者Ti(CN)系列高熔點(diǎn)夾雜物，因次降低鋼水中的和非常重要，同時(shí)降低保護(hù)渣堿度和選擇合理的水口形狀也是關(guān)鍵所在。目前我國(guó)就不銹鋼保護(hù)渣的開發(fā)工作還處在起始階段，也是國(guó)內(nèi)亟待解決的問題，已經(jīng)成為制約不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。,2020/7/7,79,2、不銹鋼鑄坯

42、表面缺陷 （1）不銹鋼鑄坯振痕深，提高保護(hù)渣粘度可以減輕振痕的深度； （2）不銹鋼表面易產(chǎn)生凹坑。澆注收縮敏感的不銹鋼時(shí)，采用結(jié)晶器“弱冷”制度并使用性能良好的保護(hù)渣，可以減少鑄坯表面凹坑。 （3）含鈦不銹鋼結(jié)晶器液面易結(jié)“冷皮”，主要是鋼渣混合物。由于含鈦不銹鋼鋼液粘稠，含有Ti和Al易氧化元素，可能生成CaTiO3、TiN或者Ti(CN)和Al2O3高熔點(diǎn)夾雜物，在鋼液面上與保護(hù)渣混合在一起。,2020/7/7,80,4、不銹鋼保護(hù)渣熔化溫度和粘度控制 為了避免不銹鋼由振痕和凹坑造成鑄坯質(zhì)量缺陷，控制好保護(hù)渣熔化溫度和粘度是非常重要的。保護(hù)渣的熔化溫度和粘度應(yīng)滿足下列公式： 不銹鋼無缺陷鑄坯保護(hù)渣在1300的粘度和熔化溫度與鑄坯表面缺陷關(guān)系見右圖。,2020/7/7,81,不銹鋼連鑄保護(hù)渣實(shí)例,例1 鋼種：1Cr18Ni9Ti 拉坯速度：0.81.2m/min 鑄坯斷面：250 10501800mm