連鑄保護(hù)渣技術(shù)狀況及作用

薛瑞^1,2  張彩軍^1,2

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063000；2.河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000）

摘  要：保護(hù)渣在生產(chǎn)無缺陷鑄坯、保證恒拉速的精細(xì)化和高效化連鑄生產(chǎn)中起到重要的作用。介紹了國(guó)內(nèi)外連鑄保護(hù)渣研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀 ,簡(jiǎn)要闡述了保護(hù)渣的主要性能及使用過程中常見的缺陷。在保護(hù)渣作用機(jī)制、性能控制、促進(jìn)連鑄生產(chǎn)順行和提高鑄坯質(zhì)量方面的研究不斷深化和系統(tǒng)化。

關(guān)鍵詞：連鑄保護(hù)渣；狀況；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

連鑄技術(shù)以其簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序、提高金屬收得率、節(jié)能降耗、提高鑄坯質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家連鑄比已達(dá)到 90%以上 ,我國(guó)連鑄比在 85%上 ,連鑄坯產(chǎn)量超過2億t[1]。連鑄采用浸入式水口和保護(hù)渣澆鑄 ,從提出到現(xiàn)在已有 60多年歷史 ,它對(duì)穩(wěn)定連鑄工藝、擴(kuò)大連鑄品種、提高鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量都是一項(xiàng)極為有效的技術(shù)。可以說 ,連鑄能達(dá)到目前水平是與該項(xiàng)技術(shù)密不可分的。因此 ,連鑄保護(hù)渣技術(shù)已成為現(xiàn)代連鑄技術(shù)的重要組成部分。

1 目前連鑄保護(hù)渣的狀況

1.1 國(guó)外狀況

鑒于連鑄保護(hù)渣技術(shù)在現(xiàn)代連鑄技術(shù)中的重要地位 ,工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將連鑄保護(hù)渣技術(shù)列入高科技范疇 ,各研究所、高等院校和企業(yè)都投入大量人力、物力進(jìn)行開發(fā)研究。歐洲煤鋼聯(lián)在 20世紀(jì)80年代末、 90年代初投入大量資金對(duì)保護(hù)渣原材料、基本組成及特性、在連鑄過程中的行為作用和連鑄保護(hù)渣工業(yè)化生產(chǎn)等 17個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)研究 ,取得了很好的成果 ,促進(jìn)了連鑄技術(shù)的發(fā)展 ;美國(guó)材料協(xié)會(huì)從 1996年開始研究和建立連鑄保護(hù)渣生產(chǎn)和使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ,大大促進(jìn)了保護(hù)渣技術(shù)的發(fā)展;日本和韓國(guó)除了進(jìn)行大量保護(hù)渣基礎(chǔ)理論研究外，還不斷開發(fā)連鑄保護(hù)渣生產(chǎn)的在線檢測(cè)和控制技術(shù)。 這些研究和開發(fā)一方面形成了連鑄保護(hù)渣的產(chǎn)業(yè) (如英國(guó) Foseco、德國(guó) Metal-lurgica和 Stollberg、韓國(guó) Stollburg、日本板田和品川等一批生產(chǎn)工藝先進(jìn)、開發(fā)能力較強(qiáng)的連鑄保護(hù)渣專業(yè)化生產(chǎn)廠 ) ,另一方面大大促進(jìn)了保護(hù)渣理論的深化和提高。總之 ,國(guó)外主要進(jìn)行了三方面的工作:

(1)進(jìn)行保護(hù)渣基礎(chǔ)理論研究 ,其目的是開發(fā)出適合各種連鑄品種和工藝要求的保護(hù)渣;

(2)采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及專家系統(tǒng) ,進(jìn)行結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣熔化特性模擬及保護(hù)渣成分設(shè)計(jì);

(3) 建造先進(jìn)的保護(hù)渣生產(chǎn)廠 ,生產(chǎn)性能穩(wěn)定和高質(zhì)量的保護(hù)渣 ,并使之商品化 ,我國(guó)各鋼廠進(jìn)口的保護(hù)渣多數(shù)從這些廠購(gòu)進(jìn)。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)做到連鑄保護(hù)渣系列化、商品化。

1.2 國(guó)內(nèi)狀況

我國(guó)連鑄保護(hù)渣自 1972年開始研制 ,至今已有 30多年的歷史 ,已經(jīng)具有研究開發(fā)保護(hù)渣的能力 ,并建成了一批保護(hù)渣生產(chǎn)廠。除了個(gè)別品種的保護(hù)渣需從國(guó)外進(jìn)口外 ,國(guó)產(chǎn)保護(hù)渣基本上能滿足目前國(guó)內(nèi)連鑄生產(chǎn)的需要 ,而且在保護(hù)渣基礎(chǔ)理論研究方面有所創(chuàng)新。如為解決高 鋁鋼、1Cr18Ni9Ti等高合金鋼連鑄中出現(xiàn)的保護(hù)渣吸收夾雜物和潤(rùn)浸的矛盾 ,提出了高堿性、高玻璃化保護(hù)渣的理論,并應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中 ,得到良好的效果。

我國(guó)現(xiàn)有連鑄保護(hù)渣生產(chǎn)廠近30家 (初略統(tǒng)計(jì))。國(guó)內(nèi)許多鋼廠都有自己的保護(hù)渣生產(chǎn)廠 ,如鞍鋼、武鋼、寶鋼、攀鋼、本鋼、濟(jì)鋼、邯鋼等 ,研制及生產(chǎn)連鑄保護(hù)渣 ,以滿足本企業(yè)生產(chǎn)的特殊性和靈活性 ,適應(yīng)鋼材市場(chǎng)的多樣性要求。連鑄保護(hù)渣之所以受到如此重視 ,一是因?yàn)檫B鑄生產(chǎn)對(duì)保護(hù)渣的使用性能要求很高 ,不同的鋼種、不同的機(jī)型要使用不同性能的保護(hù)渣;二是因?yàn)檫B鑄保護(hù)渣對(duì)連鑄生產(chǎn)順行和鑄坯表面質(zhì)量的提高起著關(guān)鍵作用。

目前我國(guó)應(yīng)用的保護(hù)渣主要是預(yù)熔型保護(hù)渣 ,外形以霧化空心顆粒為主 ,國(guó)內(nèi)板坯鑄機(jī)大部分采用這種渣型。還有部分實(shí)心顆粒渣和粉狀渣在使用 ,但大多用在方坯鑄機(jī)上。

2 連鑄保護(hù)渣的作用

連鑄生產(chǎn)要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效，甚至實(shí)現(xiàn)無缺陷坯的熱送熱裝，正確選擇和使用保護(hù)渣是非常必要的。但最基本的問題，還得首先弄明白保護(hù)渣的作用，以及在紛繁復(fù)雜的品種和連鑄工藝條件下，如何來保證保護(hù)渣功能的正常發(fā)揮。

連鑄保護(hù)渣澆注技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來[2] ，依次經(jīng)歷了60年代的初步探索，70年代的迅速成形，80年代的技術(shù)拓展，90年代的理論成熟，逐步進(jìn)入了21世紀(jì)的精準(zhǔn)化、系列化時(shí)代。連鑄保護(hù)渣的應(yīng)用促使連鑄鋼品種、連鑄斷面種類、連鑄坯質(zhì)量以及連鑄生產(chǎn)率得以大幅度的擴(kuò)展和提高，因而早已成為不可或缺的冶金輔助材料。

加入結(jié)晶器鋼液面的保護(hù)渣，在鋼水釋放的熱量作用下，逐漸升溫并發(fā)生燒結(jié)、熔化，在結(jié)晶器鋼液面上形成雙層、3層或多層的渣層結(jié)構(gòu)[2] 。由于鑄坯以一定的拉坯速度向下運(yùn)動(dòng)以及結(jié)晶器上下振動(dòng)，產(chǎn)生負(fù)滑脫運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓差將熔渣吸入結(jié)晶器和坯殼之間，在結(jié)晶器壁的冷卻下，靠結(jié)晶器壁側(cè)凝固形成玻璃體或結(jié)晶體的固態(tài)渣膜，靠坯殼一側(cè)維持液渣的狀態(tài)[3] 。隨著結(jié)晶器振動(dòng)和拉坯的進(jìn)行，液渣和固渣膜被帶出結(jié)晶器下口，在二冷水沖擊作用下與鑄坯分離，由此完成保護(hù)渣的消耗過程。保護(hù)渣從加入到離開結(jié)晶器這一過程中所發(fā)揮的作用可歸結(jié)為：

2.1 防止鋼液二次氧化。

中間包注流進(jìn)入結(jié)晶器，由于注流的沖擊作用，使結(jié)晶器內(nèi)金屬表面不斷更新。當(dāng)保護(hù)渣加入到結(jié)晶器內(nèi)鋼液面時(shí)迅速形成液渣層、燒結(jié)層和固渣層，并均勻地鋪展在鋼液面上使之與空氣隔絕，從而有效地阻止空氣進(jìn)入到鋼液中，防止鋼液二次氧化。

2.2 絕熱保溫減少鋼液熱損失。

鋼液表面的凝固和彎月面初生坯殼的提前凝固對(duì)鑄坯表面將產(chǎn)生不良的影響[4]。因?yàn)殇撘褐械纳细�夾雜物有可能被凝固的鐵的結(jié)晶體捕集，形成一個(gè)有金屬和氧化物組成的硬殼結(jié)構(gòu)，它被卷入坯殼后能造成嚴(yán)重的缺陷。渣的保溫作用通過覆蓋在鋼液面上的具有溫度低、體積密度小的固渣層來實(shí)現(xiàn)。因此適當(dāng)增加固渣層的厚度，可以提高渣的絕熱保溫性能，并使液渣層的溫度升高。但過厚的固渣層會(huì)延長(zhǎng)保護(hù)渣在高溫下的燒結(jié)時(shí)間，導(dǎo)致結(jié)團(tuán)和渣條嚴(yán)重危害連鑄生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 吸收和溶解非金屬夾雜物。

進(jìn)入結(jié)晶器的鋼液不可避免地帶入非金屬夾雜物，此外結(jié)晶器內(nèi)鑄坯液相穴內(nèi)上浮到鋼液彎月面的夾雜物有可能被卷入坯殼形成表面和皮下夾雜缺陷。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看，硅酸鹽渣系能吸收和溶解此類非金屬夾雜物，但其溶解速度受到許多因素的影響。在大力實(shí)施經(jīng)濟(jì)潔凈鋼生產(chǎn)模式下，鋼水中夾雜雖然減少，但進(jìn)入保護(hù)渣后對(duì)熔渣性能有影響，希望保護(hù)渣的性能變化要控制在連鑄工藝許可范圍之內(nèi)。

2.4 在結(jié)晶器壁和坯殼之間起潤(rùn)滑作用。

凝固的坯殼與結(jié)晶器銅壁之間需要一層性狀合適、厚度均勻的液渣來減小固—固摩擦力。鋼液面上的液渣層源源不斷地為坯殼和結(jié)晶器壁間提供潤(rùn)滑劑。為了保證液渣不斷供給，彎月面處必須保持通暢，而且為了使?jié)櫥�作用充分發(fā)揮，液渣要具有玻璃態(tài)的性能，液渣內(nèi)不應(yīng)有高熔點(diǎn)晶體析出。澆鑄時(shí)鑄坯的向下運(yùn)動(dòng)和結(jié)晶器的振動(dòng)使液渣在結(jié)晶器壁和坯殼之間形成渣膜，為減小摩擦力，必須保持一定的液渣消耗。

2.5 改善和控制鑄坯與結(jié)晶器之間的傳熱。

資料表明，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.09 W/(m·K),而渣膜約為1.2W/(m·K)[6]。坯殼在凝固過程中由于體積收縮而使其與結(jié)晶器之間產(chǎn)生氣隙，從而熱阻增加，使得結(jié)晶器中下部傳熱減慢，不利于坯殼厚度的快速增加而提高拉速以提高生產(chǎn)率。但另一方面，在彎月面區(qū)域氣隙非常小，渣膜傳熱能力太強(qiáng)，初生坯殼受到的不均勻冷卻作用大而厚度變得不均勻，加上因流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的不均勻?qū)е鲁跎�坯殼厚度不均勻性更�?qiáng)，并且因包晶反應(yīng)等造成的組織應(yīng)力[7]，可能在鑄坯表面和皮下產(chǎn)生裂紋。特別是對(duì)于軋制中厚板的鑄坯，即使是未暴露的鑄坯皮下裂紋，在軋制厚規(guī)格鋼板時(shí)也容易殘留在鋼板上，導(dǎo)致清理量大甚至報(bào)廢率高；而厚板坯生產(chǎn)因斷面大彎月面容易出現(xiàn)低溫區(qū)，又容易發(fā)生粘結(jié)。所以如何有效協(xié)調(diào)控制彎月面區(qū)域的傳熱和保證對(duì)鑄坯的潤(rùn)滑是一項(xiàng)非常迫切解決的問題。但國(guó)內(nèi)外在該方面的控制技術(shù)此前仍難于滿足穩(wěn)定生產(chǎn)的需要。要保證連鑄工藝順行和生產(chǎn)無缺陷鑄坯，除了要協(xié)調(diào)發(fā)揮保護(hù)渣自身功能外，控制好連鑄工藝條件也同樣重要。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著中國(guó)連鑄技術(shù)的發(fā)展，保護(hù)渣技術(shù)不斷進(jìn)步，在眾多研究單位和保護(hù)渣生產(chǎn)企業(yè)及連鑄生產(chǎn)廠的努力下，保護(hù)渣基本理論、生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用評(píng)價(jià)和管理方面，基本能滿足中國(guó)連鑄生產(chǎn)需要，從品種、質(zhì)量、數(shù)量方面能實(shí)現(xiàn)自給自足。但是，面對(duì)鋼市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，鋼鐵企業(yè)高質(zhì)量新品種將不斷增加，特別是對(duì)無缺陷鑄坯生產(chǎn)需求的加強(qiáng)，對(duì)保護(hù)渣提出了更加苛刻的要求。保護(hù)渣生產(chǎn)中存在的產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、生產(chǎn)集中度低、研發(fā)意識(shí)淡薄和投入低的現(xiàn)象急待解決。建議在行業(yè)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)合，建立研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用方面的科學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)

[1] 王健. 連鑄保護(hù)渣技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 鞍鋼技術(shù), 2004(2):4-8

[2] 任虹. 連鑄保護(hù)渣[J]. 安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 11(2):12-15.

[3] 遲景灝, 謝兵, 甘永年. BaO在連鑄保護(hù)渣中的作用[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 1990(2):85-91.

[4] 王謙, 謝兵, 王雨. 合金鋼連鑄保護(hù)渣的基本功能[C]// 中國(guó)金屬學(xué)會(huì)連鑄專業(yè)委員會(huì)2000年特鋼連鑄學(xué)術(shù)交流會(huì). 2000.[5]