結(jié)晶器保護(hù)渣的性能和特性匯總

結(jié)晶器保護(hù)渣的性能和特性簡介在連鑄生產(chǎn)中結(jié)晶器保護(hù)渣起著主要作用。保護(hù)渣從結(jié)晶器頂部加入，向下移動逐步形成燒結(jié)層，熔融層和液渣層（見圖1）。液渣滲入結(jié)晶器銅板與坯殼之間，潤滑坯殼。但是，大部分的液渣進(jìn)入銅板與坯殼之間后，遇水冷結(jié)晶器銅板凝結(jié)并形成玻璃狀的固態(tài)渣膜（大約2毫米厚）。薄液渣膜（大約0.1毫米厚）與坯殼一起移動并為其提供液態(tài)潤滑。同時，玻璃渣也可部分結(jié)晶。一般認(rèn)為固渣膜附在結(jié)晶器壁上，或者如果移動，一定比坯殼的速度慢得多。結(jié)晶器振動防止坯殼粘結(jié)在結(jié)晶器上。固渣膜的厚度和特性決定水平熱傳遞?？傊?，液渣膜控制潤滑，固渣膜控制水平熱傳遞。圖1：結(jié)晶器內(nèi)形成的各種渣層一般認(rèn)為液渣層厚度d應(yīng)超過振幅，才能保證保護(hù)渣滲透良好（如坯殼的pool潤滑），一般建議采用厚度＞10毫米。液渣層厚度影響滲入結(jié)晶器銅板與坯殼之間的液渣量和從鋼水進(jìn)到液渣中的夾雜物數(shù)量。連鑄生產(chǎn)中保護(hù)渣有下列功能：1）防止彎月面鋼水被氧化2）保溫，防止彎月面鋼水表面凝結(jié)3）提供液渣潤滑坯殼4）對澆鑄鋼種提供最佳水平熱傳遞5）吸附鋼水中的夾雜物所有上述功能都很重要，但在日常生產(chǎn)中最重要的潤滑和水平熱傳遞。影響保護(hù)渣性能的基本因素如下：?澆鑄條件（拉速，V,振動特性）c?鋼種和結(jié)晶器尺寸?結(jié)晶器液位控制（可導(dǎo)致振痕等）?鋼流，其紊動可導(dǎo)致多種問題，如氣泡和夾渣由此可見，要有效執(zhí)行上述工作需要優(yōu)化保護(hù)渣的物理性能。結(jié)晶器保護(hù)渣的構(gòu)成如下：70%（CaO+SiO）， 0-6％MgO，2-6%2AlO，2-10％NaO（+KO）,0-10%F帶有其他添加物，如TiO,ZrO,BO,LiO232222232和MnO。堿度（％CaO/%SiO）范圍為0.7-1.3。碳以焦碳，碳黑和石墨方式加入2（2-20%），1）可控制保護(hù)渣的熔化速度，2）可在結(jié)晶器上部形成CO（g）,防止鋼水氧化。碳以固定碳方式存在于保護(hù)渣中，因而可防止保護(hù)渣結(jié)塊，直到最后氧化掉。這是控制保護(hù)渣熔化速率的機(jī)理。結(jié)晶器保護(hù)渣的性能和功能潤滑和保護(hù)渣消耗液態(tài)結(jié)晶器保護(hù)渣可潤滑鑄坯。如果保護(hù)渣完全在結(jié)晶器下部結(jié)晶，就失去了液態(tài)潤滑，就會發(fā)生許多問題（如龜裂）。因而鑄坯潤滑很重要。公式（1）中液體摩擦力為F,V是結(jié)晶器速度，A是結(jié)晶器的面積。由此可見摩擦力減小，1m粘度n減小，液渣膜厚度d增加。1F=An（V-V）/d ⑴1mm1由于到角部的距離增加，摩擦力增加，因而保護(hù)渣消耗量Q提供一種測量s潤滑的方法，主要取決于結(jié)晶器的大小。板坯中的摩擦力＞大方坯摩擦力＞方坯摩擦力，并隨鋼水的粘度增加而增加。保護(hù)渣消耗量Q—般按公斤/噸鋼計算。采t用公式（2）將Q轉(zhuǎn)化為Q，保護(hù)渣公斤/m-2（結(jié)晶器）。tsQ=f*Q76/R二dP （2）st1f*表示保護(hù)渣產(chǎn)生的液渣的粒度級，P是液渣的密度，R是（結(jié)晶器表面積）,并給2（w+1）/wt,w和t是結(jié)晶器的厚度。摩擦力隨到角部的距離增加而增加,因此板坯需要的潤滑（如較高的Q）＞大方坯〉方坯。s根據(jù)報告，保護(hù)渣消耗量不適宜，將導(dǎo)致各種鑄坯缺陷和問題，如下：1）縱裂，2） 粘結(jié)漏鋼（總是與缺乏潤滑有關(guān)），3） 深度振痕，4） 橫角裂，5） 三角區(qū)裂紋6） 形成凹坑。保護(hù)渣的消耗與多種影響因素有關(guān)。大多數(shù)人認(rèn)為主要影響有兩種：1）用于潤滑結(jié)晶器，Q，2）填補(bǔ)振痕Q。采用三種數(shù)學(xué)模型，計算Q，但近來顯lub om om示，常常過高估計了Q的數(shù)量。伊托亞瑪在報告中說，下列因素對Q具有影響omlub力：1）結(jié)晶器鋼液面的液渣厚度，2）間隙（結(jié)晶器銅板和鑄坯）間的流入量，3）結(jié)晶器振動提高。通過計算各種澆注參數(shù)（拉速，保護(hù)渣粘度等）得出的Q,s提出經(jīng)驗值。近來，Q的工廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示下列參數(shù)具有統(tǒng)計價值，如粘度，s拉速，振動頻率f和振幅以及熔化溫度（T，見第5.2章）或凝固溫度（T）。brsol根據(jù)結(jié)晶器保護(hù)渣特點，保護(hù)渣消耗量隨保護(hù)渣粘度和熔化溫度降低而增加。熔化速率（M）必須滿足液渣（如保護(hù)渣消耗）的需要。主要由以下因素控R制：1）自由碳的數(shù)量，2）碳顆粒的大小?？捎霉剑?）計算熔化速率。%C=—0.016M+15.41 （3）free R保護(hù)渣在水平方向的熱傳遞qhor水平傳熱是一個復(fù)雜工藝，包含兩個原理，如對流傳導(dǎo)系數(shù)K和輻射傳導(dǎo)系c數(shù)K。輻射傳導(dǎo)性包括輻射能的吸收和再散發(fā)，并成為高溫下透明材料的主要傳R導(dǎo)機(jī)制。采用公式（4）計算輻射傳導(dǎo)力，光學(xué)厚條件（定義為ad>3）,a=吸收系數(shù)，d=厚度，。6=斯蒂芬一波爾姿曼常數(shù)，口=折射指數(shù)（一般大約為1.60）。T是熱力學(xué)溫度（K）。K=166n2T3/3a （4）R但是，在渣層中出現(xiàn)下列物質(zhì)，K會大大降低：R?散射放射的細(xì)晶體（消光系數(shù)，E=a+S,S是驅(qū)散系數(shù)，E應(yīng)用于固體）?吸收放射的過渡鋼水氧化物，如FeO在板坯澆鑄過程中，估計熱傳遞穿過渣層形成K=10—30%K21-23，但是在方坯Rc澆鑄中采用高粘度保護(hù)渣形成玻璃狀渣層則更有效。坯殼和結(jié)晶器間的熱傳遞的總阻力R* 是一系列阻力，如圖2和公式（5）total所示。R*=R* +（d/k）+（d/k）+（d/k） （5）totalCu/sl 1 gl cry圖2：影響水平熱傳遞的熱阻力簡圖R* 是界面阻力，下標(biāo)1，gl和cry分別表示液體層，玻璃層和結(jié)晶層。Cu/sl可將放射傳導(dǎo)力考慮為平行阻力。公式（5）中影響R的最大因素是1）R和total Cu/sl2）固渣膜的厚度，如d=d+d固glcry界面阻力R 將隨1）固態(tài)渣層厚度d和2）玻璃態(tài)（圖3）的增大而增Cu/sl 固加，其大小約為5x10-4m2KW-1。增大的玻璃態(tài)對R的影響可理解為收縮。當(dāng)玻璃Cu/sl態(tài)粘度增加（P＞P）時易形成氣隙（或表面粗糙）。crygl圖3：澆鑄中碳鋼（MC）和低碳鋼（LC）時結(jié)晶器保護(hù)渣和玻璃態(tài)對界面阻力的影響因此，影響保護(hù)渣水平傳熱最重要的參數(shù)是固態(tài)渣層厚度（d）和渣層固中生成的玻璃態(tài)渣膜百分比。其他相關(guān)參數(shù)如凝固和液相的熱傳導(dǎo)系數(shù)，吸收系數(shù)，消光系數(shù)和折射系數(shù)。絕熱保溫（垂直方向的傳熱）保護(hù)渣層必須提供足夠的絕熱保溫效果，防止結(jié)晶器表面結(jié)冷鋼。減少垂直傳熱系數(shù)（q）,對減少振痕深度和咸少鑄坯表面針孔氣泡都很重要（圖4）。垂直絕熱取決于渣層的特性，但是總的來說，在下列情況下，絕熱增加：1） 特殊保護(hù)渣＞突出的顆粒＞球形顆粒2） 減小顆粒尺寸3） 增加渣層厚度4） 添加發(fā)熱劑，如Ca/Si圖4：右側(cè)表示被彎月面捕獲的一個氣泡，左側(cè)表示當(dāng)彎月面長度縮小后，氣泡是如何上升的。吸附夾雜物吸附夾雜物非常重要，因為鋼水的機(jī)械性能取決于鋼水中夾雜物的數(shù)量和大小。吸附過程包括以下步驟:1） 將夾雜物傳遞到渣/鋼水界面2） 滿足所需界面要求進(jìn)入渣層3） 通過液渣層分離夾雜，4） 從界面分離夾雜物通過以下措施可提高夾雜物分離:1）夾雜，增大鋼水和渣之間的接觸角度（報告種提到，對于18/8不銹鋼/夾雜/渣系統(tǒng)，AlO的接觸角為。=130°,TiN的23為160°；2）濕潤夾雜物（大多數(shù)夾雜物由渣濕潤）。通過（C-C）差值提高分離度，如渣中的飽和濃度和實際濃度之差。因此,Sat如果C較高對分離有幫助。（對于AlO,C的鈣值為40%,Ti0為10%,Zr0為Sat23Sat222%，TiN為0.5%。）澆鑄不銹鋼中的問題與渣芯中有大量的未溶解的固體TiN或CaTiO3有關(guān)，同時也大大增加了粘度。鋼水的紊流結(jié)晶器中的鋼流對連鑄工藝有重要影響。紊動的鋼流可形成立波（不流動波）（見圖5）。鋼水的紊動導(dǎo)致相關(guān)的渣層的波動，可能導(dǎo)致下列問題：?使板材表面產(chǎn)生夾渣和氣泡缺陷?特別在澆鑄超低碳鋼（ULC）時，使鋼水增碳?水口侵蝕，特別在鋼水/渣界面?球形顆粒渣沿紊動波移動，降低絕熱性能，因而結(jié)晶器鋼水表面結(jié)冷鋼紊流產(chǎn)生的主要原因如下：1） 浸入式水口（SEN）插入深度2） SEN孔的設(shè)計3） 氬氣流量盡管如此，常常采用結(jié)晶器保護(hù)渣來補(bǔ)償紊流產(chǎn)生的影響，一般用高粘度保護(hù)渣。但可能導(dǎo)致保護(hù)渣消耗量減少，引起上述的其他問題。缺陷和工藝問題縱裂和角部縱裂紋縱裂是一個嚴(yán)重的問題，特別常見于中碳鋼（MC）。當(dāng)6-Fe和奧氏體相的熱收縮系數(shù)相差4%時會產(chǎn)生這個問題。奧氏體相可增大張力，張力通過縱裂緩解。盡量保持坯殼薄且均勻可使張力最小化。通過采用較大晶體結(jié)構(gòu)的厚渣層，減低水平熱傳遞可達(dá)到該目標(biāo)。采用高凝固點或高熔化溫度的保護(hù)渣可得到厚渣層。粘結(jié)漏鋼產(chǎn)生粘結(jié)漏鋼的原因有多種，但都與潤滑不良有關(guān)。咼碳鋼（＞0.4%C）易于產(chǎn)生粘結(jié)漏鋼。原因是奧氏體顆粒間的鐵素體微偏析加強(qiáng)，使靠近彎月面的坯殼抗拉力較小。收縮形成假彎月面，從而產(chǎn)生粘結(jié)漏鋼。據(jù)報告發(fā)生粘結(jié)漏鋼的原因如下：1）碳結(jié)塊被擠到結(jié)晶器邊緣2）碳在結(jié)塊中擴(kuò)散形成富碳、低熔化，坯殼不能凝固3）結(jié)塊阻礙渣流進(jìn)入結(jié)晶器/鑄流通路富碳結(jié)塊的來源如下：1）未熔解的結(jié)晶器保護(hù)渣附在渣邊緣2）富碳層浮在渣芯上部3） AlO結(jié)塊上的鐵水靜壓撕開SEN和塞棒部分23眾所周知玻璃渣有利于減少粘結(jié)漏鋼。盡管粘結(jié)漏鋼與缺少潤滑有關(guān)，但常采用的策略是通過增加水平熱保護(hù)渣形成較厚和結(jié)實的坯殼使漏鋼最小化。采用薄玻璃狀渣層可達(dá)到此目標(biāo)，例如，反之可減少縱裂。采用低凝固點或低中斷溫度的保護(hù)渣可形成薄渣層。振痕和橫向裂紋振痕在鑄坯表面有規(guī)則的分布，它是在結(jié)晶器鋼液面水平缺口（壓凹痕）產(chǎn)生，必須經(jīng)打磨才能除去。振痕（OM）分兩種：鉤形或溢流型（見圖6）是鋼水溢過新形成的初生坯殼形成的；凝固的坯殼向上、向內(nèi)生長（遠(yuǎn)離結(jié)晶器），鋼水溢進(jìn)初生坯殼形成振痕。凹坑或折疊型，是由坯殼（如鉤狀）彎曲形成的，但沒有溢流，初生坯殼向后彎曲，向結(jié)晶器方向生長，在鑄坯表面形成堤狀。由于微偏析，在堤的凹陷部位經(jīng)常產(chǎn)生裂紋。邊緣有重要作用，可以使坯殼與銅板的間隙變窄，從而增大鋼水靜壓力。圖6：振痕形成原理，見左邊鉤的形成和右邊的凹坑橫裂與較深振痕的形成有關(guān)。影響振痕深度d主要因素是振動特性，但渣om層中的壓力也是一個重要因素，據(jù)報導(dǎo)其與粘度q的關(guān)系起著決定性作用。因i此謹(jǐn)慎挑選粘度可以降低壓力和d。減小d的兩種方法如下：omom?通過降低垂直傳熱，減小彎月面初生坯殼的大小?通過增加水平方向傳熱，增大坯殼厚度，增強(qiáng)坯殼張力氣泡和夾渣氣泡和夾渣主要產(chǎn)生于鋼水紊動。圖7為夾渣形成機(jī)理。氣泡的形成機(jī)理與其類同。減少氣泡和夾渣的方法是減少鋼流紊動（如調(diào)節(jié)SEN插入深度和孔數(shù)設(shè)計，減少氬氣流量或通過電磁制動降低鋼流速度，帶圓形的吐出孔或彎月面）。實際上，常常采用增加保護(hù)渣粘度來處理，但會導(dǎo)致保護(hù)渣消耗量降低。應(yīng)當(dāng)指出的是更有效地處理氣泡和夾渣的辦法是增加鋼水和保護(hù)渣之間的界面張力。圖7：高拉速下夾渣形成的機(jī)理保護(hù)渣特性粘度n保護(hù)渣粘度(或流動性=i/n)是影響保護(hù)渣性能的最重要因素，原因如下:?決定了保護(hù)渣消耗量和坯殼的潤滑情況?可通過增大渣粘度處理夾渣?sen的侵蝕率與流動性成比例?可能出現(xiàn)下列情況，與振痕深度d有關(guān)的結(jié)晶器/坯殼間隙的壓力達(dá)到om最大值，通過選擇粘度可使d最小化。om一般引用1300°C時的保護(hù)渣粘度，因為這代表液渣層的平均溫度。粘度測量可靠度為ca.±10%,但若采用石墨成分(如測錘和坩堝)，粘度計的誤差會高一點。但是，不精確的另一個主要原因是在注滿坩堝和測量過程中F元素會損失,這都取決于所采用的程序。較少采用測量化學(xué)分析。有些模型可通過化學(xué)成分估計粘度。大多數(shù)模型的操作顯示伊達(dá)模型在所有進(jìn)行結(jié)晶器保護(hù)渣的測試中性能最好，不精確度為±25%。熔化溫度、凝固點溫度和液相線溫度(TTT)br，sol，liq液相線溫度是保護(hù)渣最終熔化時的溫度，并在加熱周期DTA/DsC運行中或Leitz顯微鏡測試中測得。T的重要性是它決定渣層中液渣層和燒結(jié)層之間的liq界面。根據(jù)下列公式測估為±35C：T(C)=1191+11.4%SiO—11.0%Ca0+4.2%AlO+5.7%MgO—10.1%NaO-15.8%KO

liq 2 23 2 2+1.9%F+8.3%FeO+11.6%MnO (6)23凝固點溫度是液態(tài)保護(hù)渣遇冷開始凝固(或結(jié)晶)時的溫度；一般通過DTA/DSC或熱電偶方式測得?？夏吩趫蟾嬷刑岬侥虦囟瓤梢酝ㄟ^下列公式計算得出：(x二摩爾分?jǐn)?shù))T=1242C-1.4x(AlO)-2.1x(MgO)-4.5x(NaO,KO)-8.5x(CaF)sol 23 2 2 2-15.3x(BO) (7)23熔化溫度如圖8a所示，溫度低于粘度大大增加時的溫度(如液體潤滑開始中斷時的溫度）。我們認(rèn)為液渣在結(jié)晶器/坯殼間隙與粘度計中的表現(xiàn)類似，因此選擇T而不是T。在某些情況下測得的T和T十分相近。但在某些情況下相brsolbrsol差70°C。熔化溫度（和可能的凝固）隨冷卻速率增加而降低，一般在-10°Cmin-i時測量，但也可認(rèn)為在結(jié)晶器內(nèi)冷卻速率更低，為ca.lOCCs-i。通過下列公式,冷卻速率為lOCmin-1時，計算所得熔化溫度誤差為±20°C。T-1120°C=-8.43%Al0—3.3%SiO+8.65%CaO-13.86%MgO-18.4%Fe0-br 23 2 233.2%Mn0-2.2%K0-3.2O%Na0-6.47%F （8）22由于以下原因，熔化溫度很重要：?熔化溫度決定粉渣層厚度并影響qhor?熔化溫度決定液體層厚度并影響保護(hù)渣消耗量和潤滑高粘度玻璃狀渣（有時用于方坯連鑄）不能展示熔化溫度，但可逐步從液態(tài)轉(zhuǎn)化為超冷液態(tài)，直到達(dá)到玻璃狀傳送溫度T。一般發(fā)生在大約600C（圖8b）。g如果對玻璃狀渣進(jìn)行熱膨脹測量，可看到由于冷液渣不能承受兩個探測器的壓力，試樣將在超過T時破裂。因而希望超冷液態(tài)渣能沿坯殼流動，起到一些潤g滑作用。圖8：阿赫紐斯圖表顯示用于方坯連鑄的a）傳統(tǒng)保護(hù)渣和b）高粘度保護(hù)渣的關(guān)系，log粘度（dPaS）對溫度倒數(shù)（K-1）的關(guān)系。lO應(yīng)該指出的是，可以根據(jù)粘度和以熔化溫度為基礎(chǔ)的保護(hù)渣水平傳熱達(dá)到潤滑要求。圖9顯示大量的板坯，大方坯，方坯的工廠數(shù)據(jù)，可分為下列三種曲線：?MC鋼易于產(chǎn)生縱裂?HC鋼易于產(chǎn)生粘結(jié)漏鋼?其他鋼種處于上述兩類曲線之間圖9：粘度、熔化溫度和拉速間的關(guān)系渣膜的結(jié)晶部分熱阻R隨坯殼厚度和渣膜結(jié)晶部分（圖2）的增加而增大。原因是當(dāng)玻璃cu/sl態(tài)轉(zhuǎn)化為較稠密的結(jié)晶相時，在結(jié)晶器銅板與坯殼之間的間隙（相當(dāng)于空氣隙）形成表面粗糙狀（凹凸面）。渣膜結(jié)晶部分對水平熱傳遞的重要性促使我們對結(jié)晶部分進(jìn)行進(jìn)一步的研究。有人采用雙熱電偶和淬火技術(shù)對時間-溫度-轉(zhuǎn)化（T-T-T）曲線進(jìn)行研究。（T-T-T）曲線決定一定時間和溫度時形成的晶體相的數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)事例見圖10,其事例顯示在800°C時，渣達(dá)到50%晶片，將需要300秒以上的時間。圖10:與等溫T-T-T曲線相對的連續(xù)冷卻曲線偌卡波依斯研究了結(jié)晶的理論背景并在其報告中說，T=0.77T是普遍可noseliq以接受的公式，結(jié)晶器保護(hù)渣常數(shù)值大約為0.86±0.06°R={TT}/t提供cnose－liqnose臨界淬冷速率，t=時間。并可得出結(jié)論，雖然近似值對區(qū)分相關(guān)成分形成結(jié)晶相有用，但這些研究無法進(jìn)行定量檢測。假設(shè)最初形成的渣層是玻璃狀的，在熱區(qū)（坯殼側(cè)）馬上結(jié)晶。近年有人在報告中指出結(jié)晶相是在較冷的結(jié)晶器側(cè)形成的。原因如下:?渣膜可保存較長時間，即使在相對低溫下也能形成結(jié)晶相。（見T-T-T圖）?槍晶石的T較高，形成第一個相并沉積在結(jié)晶器側(cè)，晶體生長穿過坯殼sol側(cè)。?當(dāng)結(jié)晶器側(cè)渣膜溫度＞600C時結(jié)晶。據(jù)報告，槍晶石（3CaO.2SiO.CaF）在初次結(jié)晶時形成，霞石或carnegieite22在二次結(jié)晶時形成。采用各種方式，包括光學(xué)顯微鏡檢查，X射線DTA和DSC,表面粗糙度的測量可決定渣膜結(jié)晶相的數(shù)量。設(shè)計各種測試來測定在結(jié)晶器保護(hù)渣渣膜中形成的結(jié)晶相的數(shù)量。需要根據(jù)保護(hù)渣化學(xué)成分決定渣膜中生成的結(jié)晶相的數(shù)量。李曾嘗試采用各種代表鋼水的參數(shù)測量晶片。發(fā)現(xiàn)修改后的NBO/T可提供測量晶片的最佳方法。（圖11）圖11：作為修改后NBO/T速率功能的結(jié)晶度百分比。NBO/T速率代表解聚合。TOC\o"1-5"\h\zNBO/T二 （9）2x+2x +2x +2x -2x +6x +（2x +2x ）CaO BaO Ca’F Na_O AlO FeO MgO MnO— 2 2 2 3 2 3 ° x +2x+x +2x +（x +x）SiO2 Al2O3 TiO2 B2O3 MgO MnOx=結(jié)晶器保護(hù)渣成分的摩爾系數(shù)。分母/分子中的括號表示如果MgO大于7.0%或MnO大于4.0%時，應(yīng)包括在分母中，否則將包括在分子中。ms界面張力yms界面張力對于連鑄工藝的重要性如下：?高y值有助于使夾渣達(dá)到最小ms?由包括y的毛細(xì)常數(shù)決定彎月面形狀以及渣膜的厚度ms一般采用X線靜滴裝置測量界面張力。有人想使用已去除鈉化合物的保護(hù)渣使y最小化，從而減少夾渣?？颂m姆ms柏和其合作者在報告中提到，y隨AlO增加，隨NaO減小。ms232用下列公式計算界面張力：y=y+y-0(2yy)0.5 (10)msmgsgmgsg下標(biāo)m=鋼水，g二氣體，s二渣，0來自自由能量差別AG。但應(yīng)注意上述公式界面張力y,它主要由鋼水中硫含量決定。調(diào)節(jié)保護(hù)渣成分對y的影響不如mg ms調(diào)節(jié)鋼水中硫的含量。熱特性渣層的熱特性對坯殼和結(jié)晶器間的水平熱傳遞起著十分重要作用。許多人在報告提到，玻璃狀渣，結(jié)晶渣和液渣以及