CrMnTi系鋼種保護渣性能研究

劉泳1  劉麗娟2  高志勇3  王謙4

（1.河鋼集團鋼研總院工藝所，河北 石家莊050023；2.河鋼集團石鋼任公司 技術中心，050031；3.河鋼唐鋼唐銀公司063010；4.重慶大學材料與工程學院，40044）

摘  要：通過模擬保護渣在澆鋼過程中的受熱行為，尋找合適的保護渣分析方法，研究保護渣均勻性能指標，為保護渣理化指標優化和調整的方向提供建議和指導。

關鍵詞：CrMnTi鋼種、均勻性、流動性 堿度

1 前言

結晶器保護渣對維持連鑄工藝順行和提高鑄坯表面質量作用的重要性，已被越來越多的連鑄生產廠工程技術人員和操作人員所認識，但隨著連鑄工藝的復雜化和品種的增多，保護渣品種的配置和分類也越來越復雜。在一定的澆注條件下，一定量的熔融保護渣流進結晶器與坯殼之間，如果具有較好的流動性，即可在鑄坯表面維持一層均勻的的熔融態渣膜，減少拉坯阻力，均勻傳熱，減少因熱應力集中所產生的裂紋。石鋼齒輪鋼生產用保護渣有三種，分別用于電爐矩形坯、轉爐方坯、轉爐矩形坯的生產。為了確保石鋼生產的齒輪鋼連鑄坯有好的表面質量，就必須研究保護渣的流動性，而研究流動性也必須考察保護渣的均勻性。

2 連鑄工藝條件

針對石鋼煉鋼廠CrMnTi系齒輪鋼，連鑄工藝主要包括鋼種、拉速、坯型，詳細參數見表1。

表1連鑄工藝條件

Table1  continuous casting process conditions

不同參數對保護渣的性能要求有所差異，取三種保護渣樣品展開均質性的研究。

3 保護渣均勻性研究

3.1保護渣的理化指標

保護渣的化學成分和物理指標按照保護渣廠家提供的數據

表2  保護渣廠家提供的保護渣成分、熔點

Table2The slag composition and melting point provided by the slag manufacturer

從上表看出，轉爐矩坯和電爐矩坯保護渣成分、熔點相似。

3.2保護渣粒度觀察

保護渣的均勻性，主要是針對其顆粒度、形狀和成分的均勻性。評價保護渣的顆粒度和形狀是否均勻，方法是把保護渣粒子粘在導電膠紙上，放在電子顯微鏡下進行觀察對比。而評價保護渣顆粒的成分是否均勻，由于X射線衍射結果中有些元素沒有，不能簡單地以給出的結果討論，所以必須以某些元素間的比值與化學分析結果的某些元素間的比值對比來確定，這比值不相同則可以認為其顆粒成分不均勻。

利用德國蔡司場發射電子顯微鏡觀察了三個品種的保護渣的粒度電鏡下看到的保護渣的形狀如圖1、3、5所示。

由上圖1、圖3、圖5可見，三種保護渣的形狀不規則，粒度不均勻，看不出是否中空，有些顆粒好像是碎了，渣顆粒的粒度都在500μm以下。對照片所示范圍內的保護渣粒子進行面掃描，所得能譜分析結果如圖2、圖4、圖6所示。圖中表明三種保護渣中的主要化學元素為Si、Na、Ca、S、Al，各成分的含量表3如表所示。

表3  三種保護渣的能譜分析結果

Table 3 Energy spectrum analysis results of three kinds of mold fluxes

化學分析結果除保護渣廠家提供的之外，某大學也對三種保護渣進行了成分分析，成分如表4所示。

表4 某大學三種保護渣成分分析

Table 4 Analysis of three kinds of protective slag components in a university

將能譜分析結果、保護渣廠家分析結果和某大學分析結果中某些元素間的比值列在表5中，由表5其中的數據可見，保護渣廠家分析結果和某大學分析結果中某些元素間的比值接近，而能譜分析結果中某些元素間的比值與化學分析結果相差較大，說明保護渣顆粒成分不均勻。

表5 不同分析方法的三種保護渣幾個元素間的質量比

Tab 5 Mass ratio between several elements of three kinds of mold fluxes with different analytical methods

根據以上結果可知，盡管廠家提供的保護渣成分與某大學的分析值接近，但電鏡能譜分析結果與化學分析結果相比，可比Si/Al 、Ca/Si、Si/Fe、Ca/Al差別都比較大，說明三種保護渣各顆粒的化學成分不一致。這樣保護渣各顆粒的熔點就有可能不同，各顆粒的熔化速度會有較大的區別。

3.3保護渣流動性研究

   研究采用了文獻[1]曾提出一種測定方法來評價保護渣的流動性。這一方法測定的是同一質量的熔融保護渣在同一傾斜角度下某一段時間內的伸展長度，由此還可以計算出它的表觀伸展速度。

 實驗采用傾斜的臥式高溫電阻爐如圖7，加熱熔化小瓷舟如圖8內的保護渣試樣，任其自由向下流動，以一定時間內熔融的保護渣向下的伸展長度，來定性地判定不同成分的保護渣在不同溫度下的流動性的差別。

3.3.1三種保護渣流動性的對比

保護渣的炭質材料能有效的控制保護渣的熔化特性和層狀結構。鑄坯的表面和皮下質量，與保護渣的熔化特性有著密切的關系，通過調節配入保護渣中炭質材料的種類和數量，可以有效的控制保護渣的熔化特性，使之滿足于各種不同澆注條件的要求，獲得表面質量好的鑄坯。結晶器熔渣層的理想狀態是碳完全燒完時的狀態，這時碳對液態渣流動性的副作用被降到最低。為了考察碳大部分燒完時保護渣流動性的變化，本實驗采用爐管兩端不堵塞的方法，讓空氣通過供氧充分，以便使碳盡快燒完。

3.3.1.1三種保護渣伸展長度對比

采用上述方法實驗，當碳基本燃燒完后，即可以對A、B、C三種渣熔融后的流動性(伸展長度)在不同溫度下進行測定。三種保護渣的伸展長度隨保溫時間的變化（見圖9~11）。

上圖表明，在實驗溫度和保溫時間相同時，B型渣的伸展長度比A和C型渣的長， A和C型渣的伸展長度比較接近，因此，B型渣的流動性最好。

3.3.1.2三種保護渣伸展速度的對比

與用伸展長度描述保護渣的流動性類似，表觀伸展速度可以描述保護渣的流動性在某個時間段的變化，實驗結果如圖(12~14)。三種熔融保護渣的表觀伸展速度隨著時間的延長，其起始階段表觀伸展速度不一樣。隨著時間的延長，三種保護渣的表觀伸展速度的減少幅度也不一樣，A型渣、C型渣的表觀伸展速度降低的較快，B型渣的表觀伸展速度降低的較為緩慢。說明B型渣的流動性較好，而A型渣、C型渣的流動性稍差，與用伸展長度描述保護渣的流動性得出的結論一致。

3.3.1.3三種保護渣中添加3%TiO2前后流動性的比較

在熔渣體系中，TiO2加入到保護渣后可能會形成離子半徑大的復合陰離子，導致保護渣粘度增大，流動性下降。考慮到20CrMnTi齒輪鋼中含有0.04～0.10％的Ti，在氧化性氣氛中容易被氧化生TiO2，如果上浮則進入保護渣，可能會影響保護渣的流動性。針對結晶器液態渣進行分析檢測如表6 所示,液渣中的TiO2含量增加了約3.7%。因此本研究設定保護渣中增加3%的TiO2，配制試樣實驗考察了TiO2的增加對于保護渣流動性的影響,見圖15~23。

表6 保護渣使用前后化學成份的變化（wt％）

Table 6 Changes in chemical composition before and after the use of mold flux

由以上分析結果得知，在不同的溫度下，A型渣試樣加3%TiO2后的伸展長度與沒加TiO2前的伸展長度相比有明顯的下降，伸展長度最大減少幅度為5.97％。可知TiO2對保護渣流動性有壞的影響。B型渣試樣加3%TiO2后的伸展長度與沒加TiO2前的伸展長度相比有明顯的下降，伸展長度最大減少幅度為17.07％，可以看出，TiO2對B型渣流動性的影響更大。C型渣試樣加3%TiO2后的伸展長度與沒加TiO2前的伸展長度相比有明顯的下降，伸展長度最大減少幅度為9.59％，介于A、B型渣之間，可知TiO2對保護渣流動性有壞的影響。

4 堿度對對保護渣流動性的影響

在連鑄保護渣的堿度（CaO/ SiO2）范圍內，SiO2含量多，渣復合硅氧離子就多，會導致熔渣的粘度增大，使流動性變差。理論上講，在一定范圍內，適當提高堿度能使保護渣的粘度下降。實驗在石鋼提供的上述三種保護渣的基礎上對其堿度進行調整，把A、B、C三種原始渣的堿度（分別為0.51，0.79，0.87）調整到1.0，1.2，1.4， 1160℃灼燒5min時，其伸展長度的變化如圖(24~26)

上圖表明，提高了堿度，其伸展長度都呈現下降趨勢，甚至堿度較高時出現燒結塊，保護渣沒有完全熔化。其原因是加入CaO后，保護渣的熔化溫度升高了，而易熔物如K2O，Na2O ，CaF2的含量有所降低，導致保護渣熔點上升，使保護渣出現未熔現象。因此，要想使保護渣在適當提高堿度的情況下保持較好的流動性，應適當提高K2O，Na2O ，CaF2等可以降低保護渣熔化溫度的物質的含量。另外，三種保護渣中，當堿度（CaO/ SiO2）提高到1.0時仍然是B型渣的流動性最好，而且好于另兩種渣在低堿度(A型渣為0.51和C型渣為0.87)時的流動性，因此可以考慮適當提高B型渣的堿度，以提高保護渣吸收夾雜物的能力。

5 結論

石鋼用于齒輪鋼生產的電爐矩形坯保護渣（A型渣）、轉爐方坯保護渣（B型渣）和轉爐矩形坯保護渣（C型渣）三種保護渣顆粒度不均勻，但都小于500μm易于熔化，各個顆粒的成分與平均成分有些差別，這樣各個顆粒熔化時速度會有所不同。這三種保護渣熔化后B型渣流動性最好，A型渣次之，C型渣較差。

澆注20CrMnTi時結晶器里的熔化保護渣中含有3％左右的TiO2，對上述三種保護渣配加3％的TiO2后，熔化后的伸展長度都有不同程度的下降，說明TiO2有使保護渣流動性變差的作用，測試結果表明三種渣熔化后伸展長度的減少幅度不一樣。

對上述三種保護渣配加CaO提高堿度（CaO/SiO2）后，流動性都變差，表明如果要提高堿度（CaO/SiO2），必須適當增加可降低保護渣熔點的K2O、Na2O、CaF2等化合物的含量。在轉爐方坯保護渣（B型渣）成分基礎上加入CaO，使堿度（CaO/SiO2）提高到1的話，其流動性仍然比其他保護渣在低堿度（CaO/SiO2）時的流動性要好。

參考文獻

[1] 黃虹，金山同．連鑄用保護渣的粘度與流動性關系的研究．煉鋼，Vol.19．No.4．2003.8：43

[2] 唐萍，高速連鑄過程中結晶器內的傳熱和潤滑情況  冶金譯叢，1998（2）:40-41

[3] Lee I R.Development of mold powder for high speed continuous casting Steelmaking Conference Proceedings,1999:259

[4] 張賀林，朱果靈 高速連鑄用保護渣  鋼鐵研究學報，1993,5(7):17-23

[5] 申俊峰 戚龍水，結晶器保護渣的熔融-凝固機理 煉鋼 ，2000,4（3）：23-25