薄板坯连铸保护渣冶金性能实验研究.doc

薄板坯连铸保护渣冶金性能实验研究 摘要对5种薄板坯连铸保护渣化学成分、熔化温度、熔化速度、结晶温度和矿物组成进行了试验研究和理论分析，结果表明现行薄板坯连铸保护渣熔化温度为1057～1131℃，熔化速度为19.3～61.1s，结晶温度为1058～1142℃，凝固渣样的矿物组成以硅灰石和少量黄长石为主，且随着碱度的提高，渣样的玻璃化率急剧降低。综合各种性能氟工艺要求，渣A除熔化速度需要调整外，其它性能均较适于薄板坯连铸需要。 关键词薄板坯连铸；保护渣；冶金性能；实验研究 因此国内在短短几年内先后投产了7条薄板 薄板坯连铸连轧是上个世纪末期才逐步成熟起来的一项冶金工艺，除高的生产效率和低的能源消耗等优点外，其高质量的板带产品更是对于调整我国的钢材产品结构，提高板材比具有非常大的吸引力。坯连铸连轧生产线，其中薄板坯连铸工艺是重要的组成部分，它决定着最终产品的质量和产量。结晶器保护渣则是薄板坯连铸中的关键技术和重要材料，起着润滑铸坯、改善传热和吸附夹杂的冶金作用，因此在引进生产线的同时，各企业也非常重视结晶器保护渣的选型和使用，但各企业生产中都发生了与保护渣有关的质量和运行问题，如铸坯表面出现纵裂、发生漏钢事故等。文中就是针对这种情况，采集了5种薄板坯连铸生产中使用的保护渣进行了试验研究和理论分析，根据工艺要求提出了现行保护渣的改进方案，并为薄板坯连铸保护渣的设计提供了理论依据。 1 保护渣化学成分 对保护渣成品渣样和渣膜渣样进行成分分析，分析结果示于表1。 表1 保护渣化学成分 渣样号 R wB/ SiO2 CaO Na2O Al2O3 F CToal CFree A 0.86 34.25 29.52 14.1 3.33 4.79 5.69 3.34 B 1.09 30.17 33.51 8.69 4.45 8.65 8.19 0.21 C 1.18 29.91 35.73 8.37 4.53 8.35 9.08 0.43 D 0.80-0.91 35.40 29.00-31.00 2.00-3.50 6.00-7.50 5.50-7.50 3.50-5.00 E 1.19-1.37 24.00-26.00 31.00-33.00 6.50-8.00 2.50-4.00 6.00-7.50 12.50-14.00 10.00-11.50 2 保护渣熔化特性研究 2.1 研究方法及实验装置 采用RDS-04全自动炉渣熔点熔速测定仪对薄板坯连铸保护渣熔化温度和熔化速度进行研究。应用试样变形法测定试样变形量与温度的关系，其中试样开始变形的温度定为初始熔化温度，试样高度降为原高度的1/2呈半球形时的温度定为半球点温度，即保护渣的熔化温度，试样全部变为液体时即渣柱高度降为原高度的1/4时的温度定为流动温度。 2.2 实验结果及讨论 表2为各渣样熔化温度的实测值。其中渣A、渣D熔化温度分别为1057℃和1064℃，可以使保护渣在结晶器内弯月面保持良好的熔融状态，而且使结晶器长度方向上的铸坯凝固坯壳表面的渣膜处于液态，有利于改善铸坯在结晶器内的润滑状况，降低摩擦力，防止铸坯拉漏，同时有助于改善铸坯表面质量，提高拉速。A、D的碱度接近，都在1.0以下，故其熔化温度较碱度在1.0以上的渣B、渣C、渣E低。虽然渣样A、D碱度相近，但由于渣样A中wNa2O为14.8％，以至渣样A比D的熔化温度和流动温度略低。试样B、C、E碱度高导致熔点较高，使用时在结晶器内初始液态渣膜中随着温度的降低易析出高熔点物质相，使保护渣粘度增大。液态渣膜存在区域减小，恶化保护渣润滑性能和传热条件，易出现裂纹等表面质量问题，进而迫使拉速下降。生产中发现使用渣B、C、E时铸坯表面易出现渣皮和结渣。图1为渣A熔化过程中开始熔化温度、半球点温度、流动温度视图。熔化速度实验结果列于表3。 表2 测定的熔化温度 渣样 初始熔化温度/℃ 半球点温度/℃ 流动温度/℃ 第1次 第2次 平均值 第1次 第2次 平均值 第1次 第2次 平均值 A 906 880 893 1053 1057 1055 1063 1074 1068 B 884 896 890 1120 1124 1122 1142 1147 1145 C 997 1013 1005 1136 1131 1134 1157 1149 1153 D 806 871 839 1080 1064 1072 1090 1073 1082 E 754 610 682 1106 1111 1108 1123 1142 1133 表3 保护渣熔化速度 渣样 熔化速度/s 第1次 第2次 第3次 平均 A 19.0 23.0 22.0 21.3 B 35.0 27.0 44.0 35.3 C 37.2 35.6 38.0 36.9 D 18.2 20.6 19.0 19.3 E 65.4 54.0 64.0 61.1 由于熔速与碳质材料的类型及质量分数有关。由表1和表3分析可知，随着保护渣中碳质材料的质量分数增加，熔化速度逐渐降低。渣样B、C熔速分别为35.3s和36.9s，适于生产要求，而渣A、D熔速太快，会导致渣耗量急剧增大，同时不利于稳定操作和提高铸坯表面质量，渣E熔速则太慢，不能满足薄板坯连铸高拉速对化渣速度的要求，不能在弯月面上形成足够厚度的熔渣层，易出现润滑不良，甚至导致铸坯与结晶器壁的固固接触，引起粘结漏钢。 3 粘度特性研究 粘度是决定保护渣消耗量和均匀流入的重要性能之一，它直接关系到熔化的保护渣在弯月面区域的行为。保护渣粘度高，很难流入到钢水弯月面与结晶器壁之间。薄板坯连铸在高拉速条件下，为了增加传热，改善铸坯与结晶器之间的润滑，防止粘结漏钢，必须采用较低粘度的保护渣。在常规板坯连铸的拉坯速度时，满足ηVc0.1～0.35η为熔渣粘度，VC为拉坯速度条件下得到的结晶器导热量及渣膜厚度的变化达最低值。对于薄板坯连铸，ηVC0.2～0.3，以适应高速连铸对液体渣流入的苛刻要求。根据这一关系，可以确定拉速在3～6 m/min的薄板坯连铸，结晶器保护渣粘度不应超过0.1 PaS。采用柱体旋转法测得上述5种保护渣在1300℃时的粘度，基本在0.1～0.15 PaS之间，符合薄板坯连铸工艺要求。 4 析晶温度研究 4.1 研究方法 由于实际应用的保护渣含有大量的碳质材料和挥发性原料，实验测定其析晶温度难度较大，几次试验均未成功，因此运用课题组基于大量实验结果建立的析晶温度性能预测模型对5种保护渣析晶温度进行预测。 4.2 结果及讨论 用保护渣析晶性能预测模型预测结果如表4所示。 表4 保护渣的析晶温度 渣样 析晶温度/℃ A 1058 B 1134 C 1140 D 1084 E 1142 其中，渣B、C、E析晶温度较高，这与碱度高有直接的关系。这些渣在使用过程中易在结晶器内过早出现弥散在渣膜中微小晶体，破坏渣膜的玻璃性，导致润滑恶化，传热变弱，铸坯摩擦力增大。而渣A、D的析晶温度较低，在结晶器内其渣膜比渣B、C、E具有良好的玻璃态，可获得良好的润滑，使铸坯在结晶器内向下运动的过程中受到尽可能低的摩擦力；同时具有较好的传热性能。 5 连铸保护渣岩相分析 5.1 研究方法 将熔化后的固体渣样制成薄片和光片，用正、反、偏光高倍岩相显微镜鉴定凝固渣膜结晶相的比例，确定晶体矿物的种类及组成。 5.2 试验结果及讨论 对上述5种渣固体渣样矿物进行观察和分析，表明形成的晶体矿物主要为硅灰石和少量黄长石，且玻璃化程度随保护渣碱度增大而急剧恶化，如碱度为0.88的渣A玻璃化率为85％，而碱度为1.09的渣B玻璃化率则陡降至10％。表5为5种保护渣岩相分析结果。图2为典型的镜下图样以渣A为例。可见，为了获得高的玻璃化渣膜，设计保护渣时要严格控制碱度，必要时，为了提高传热速度，减小摩擦，尽可能地降低渣碱度，而牺牲吸附夹杂的能力。 表5 保护渣岩相分析结果 保护渣种类 矿物种类 矿物形状 结晶率/ A 硅灰石少量黄长石 长柱状或羽毛状集合体，部分呈针状平行排列，局部可见硅灰石雏晶集合体 15 B 硅灰石 树冠状和放射状集合体 90 C 硅灰石 结晶体粗大，多呈板柱状，部分呈放射状或树冠状集合体 D 硅灰石 长羽毛状或放射状 85 E 硅灰石 呈长柱状或树枝状集合体，局部见他形粒状集合体 10 6 结论 15种商业保护渣，熔化温度在1057～1131℃，熔化速度在19.3～61.1s析晶温度在1058～1142℃。性能差别较大，对于特定工艺条件的薄板坯连铸工艺这些渣显然不可能都能满足使用要求。其中渣A具有相对地的熔化温度和析晶温度，但需要进一步调整渣A的配碳种类和含量适当降低熔化速度，以更好地适应工艺要求。 2对5种渣固体渣样矿物分析表明，主要为硅灰石和少量黄长石，且玻璃化程度随保护渣碱度增大而急剧恶化，如碱度为0.88的渣A玻璃化率为85％，而碱度为1.09的渣B玻璃化率则陡降至10％。可见，为了获得高的玻璃化渣膜，设计保护渣时要严格控制碱度，必要时，为了提高传热速度，减小摩擦，尽可能地地降低渣碱度，而牺牲吸附夹杂的能力。 3渣A熔点较低、析晶温度适中且凝固渣膜矿物中以玻璃相为主，约占85％～90％，主要为硅灰石和少量黄长石，故热稳定性好，易控制结晶器热流，有利于改善铸坯在结晶器内的润滑状况，降低摩擦，防止铸坯拉漏，利于提高铸坯表面质量，适合提高拉速。