三明钢厂连铸相关渣剂性能及其优化研究.docx

1、三明钢厂连铸相关渣剂性能及其优化研究摘 要针对福建三钢实际，研究目前连铸用中包覆盖剂和结晶器保护渣的相关性能及其对钢水和铸坯质量的影响。研究结果发现三钢目前铸机状态均倾向于使用高熔点、高粘度的保护渣。若保护渣熔点、粘度较低则铸坯上很容易出现横向和纵向凹陷。但熔点、粘度较高时，保护渣吸收夹杂的能力很弱，特别是在浇铸ML08Al等酸溶铝较高的钢种时，大量类夹杂聚集在钢渣界面处后，保护渣对铸坯的润滑能力很差，容易造成振痕扭曲、表面和皮下夹渣，这些缺陷对冷镦、拉丝材的质量危害较大。针对三钢连铸用结晶器保护渣存在的问题，提出了优化方案，优化后从保护渣组成和性能来看，原渣Al2O3含量较现有生产用渣降低了

2、，这有利于进一步吸收夹杂，并且加入BaO、MnO、B2O3，有利于稳定保护渣吸收夹杂后的性能。并且设计中融合了重庆大学关于低氟保护渣的最新研究成果，降低了保护渣中的F含量，使得保护渣经二冷水冲击后对连铸设备的腐蚀。从保护渣中加入Al2O3后熔点、粘度的变化情况来看，比现在使用的渣稳定得多。针对三钢ML08Al钢种为了实现中间包覆盖剂对钢水保温和净化钢液的作用，提出采用中包覆盖渣低碳炭化稻壳的双层渣覆盖剂模式，这种覆盖剂模式既能净化钢液又具有保温性能。实验研究了预熔型铝酸钙渣系中包覆盖渣组成和熔点的关系且确定了几种渣系,通过配C基本可用与现场的试验。 关键词：连铸，保护渣，中间包覆盖剂，性能AB

3、STRACTIn view of the condition of Fujian sanming iron and steel Co. at present, the mold fluxes and tundish cover power used in continuous casting were investigated. The result showed that the continuous caster was inclined to using the high melting point and high viscosity mold fluxes. If the mold

4、fluxes melting point and viscosity were lower, the casting billets was liable to appear crosswise and longitudinal hollow. While when melting point and viscosity were higher, the capability of absorbing inclusion for mold fluxes very weakly, especially when cast the ML08Al which contain higher alumi

5、num gathering on the surface of steel fluxes. It is easy to cause the mark distortion, the surface and the hypodermic entrapped slag.Based on the analysis the problem of the mold fluxes, a new type mold fluxes was development in the lab.Compared the existing products,Al2O3 content of the developing

6、mold fluxes was reduced. There is advantage to further absorb the inclusion. And the low fluorine content mold fluxes could reduce the corrosion of continuous casting equipment. The melting point and the viscosity change of mould fluxes was more stable than used at present after Al2O3 absorption.In

7、order to realize thermal retardation and the molten steel purification, the tundish cover powder based CaO-Al2O3 slag system was studied. The experimental showed that the developed covering powder can be used in high Al steel grades.Keywords: continuous casting, mold fluxes, tundish cover powder, pe

8、rformance 目录摘 要 IABSTRACT II1绪论 11.1连铸用中间包覆盖剂的基本功能及其种类 11.1.1中间包覆盖剂的基本功能 11.1.2中间包覆盖剂的种类 11.1.3 碱性中包覆盖剂的特点.21.2连铸保护渣的基本功能及其在结晶器中的行为 21.2.1连铸保护渣的作用 21.2.2连铸保护渣在结晶器内行为 31.3保护渣对铸坯质量的影响 41.4本课题项目背景 51.5本课题的来源、研究的主要内容 62 实验方案与设备 72.1对保护渣的优化方法 72.2中间包覆盖渣成分的设计方法 72.3实验仪器及其基本原理 92.3.1粘度测试 92.3.2熔点测试 113实验结果

9、及分析 133.1现有保护渣的性能 133.1.1化学成分 133.1.2 熔点和粘度变化 133.1.3吸收夹杂后性能变化 143.2优化后的连铸保护渣性能 183.2.1预熔料 183.2.2含铝低碳钢保护渣 183.2.3中碳含铝钢 203.2.4中高碳钢 213.3中间包覆盖剂实验室研究 223.3.1理论计算中包覆盖渣中SiO2的含量 223.3.2 中包渣成分的设计 233.3.3 铺展性测试 264结论 275 致谢 28参考文献 291 绪论连铸保护渣是连铸过程中关键性辅料，对连铸工艺的顺行和铸坯表面质量的控制具有重要影响。保护渣从加入到离开结晶器这一过程中所发挥的作用可归结为

10、：对结晶器钢液面绝热保温，避免钢液凝固；保护钢液面不受空气二次氧化；吸收钢液中上浮的夹杂物；润滑运动的铸坯；均匀和调节凝固坯壳向结晶器的传热。在上述诸多功能中，最重要的是润滑铸坯和控制传热两大特性。中间包过程是连铸中重要的冶金操作单元，具有缓冲、分流钢水, 促进夹杂物进一步上浮,实现多炉连浇的功能。具有绝热保温，防止钢液面结壳。隔绝空气，防止钢液二次氧化，吸收上浮至钢液面的非金属夹杂的作用。因此，中包覆盖剂是连铸过程中重要的辅料。本课题需要开发三类钢种的连铸保护渣，即低碳含铝钢（ML08Al）、中碳含铝钢（35K）和中高碳不含铝钢（65钢）。同时需要针对（ML08Al）钢种开发中间包覆盖渣，即

11、碱性覆盖剂(主要是CaO-Al2O3基)碳化稻壳双层渣。这种覆盖剂模式既能净化钢液又具有保温性能，是目前的发展趋势。实验室首先对现用保护渣和中包覆盖渣性能特点进行检测，并根据与之相关的铸坯表面质量，确定连铸保护渣和中包覆盖渣性能指标范围，然后在实验室进行保护渣优化设计。 1.1连铸用中间包覆盖剂的基本功能及其种类中间包过程是连铸中重要的冶金操作单元，具有缓冲、分流钢水, 促进夹杂物进一步上浮,实现多炉连浇的功能。1.1.1中间包覆盖剂的基本功能1）绝热保温，防止钢液面结壳；12）隔绝空气，防止钢液二次氧化；3）吸收上浮至钢液面的非金属夹杂。 因此，中包覆盖剂是连铸过程中重要的辅料。1.1.2中

12、间包覆盖剂的种类目前工业应用的中包覆盖剂按使用方式及类型大致可分为5类：1）传统碳化稻壳，含碳量3550%；2）中性或酸性覆盖剂；3）碱性覆盖剂；4）球形空心颗粒覆盖剂5）碱性覆盖剂(主要是CaO-Al2O3基)碳化稻壳双层渣。这种覆盖剂模式不仅具有净化钢液的作用还具有良好的保温性能，是目前的发展趋势。 1.1.3 碱性中包覆盖剂的特点根据连铸工艺要求，一般碱性中间包覆盖剂应具有以下特点：2（1）铺展性良好，火苗小而均匀；（2）初熔温度较低，以保证能迅速形成适当厚度的熔融层，更好的隔绝空气及吸附夹杂物等；（3）合适的熔化速度，以保证覆盖剂在钢液面上能较长时间的保持三层结构，具有良好的保温性能，

13、特别对于多炉连浇，还可减少后续炉次追加保温剂的数量；（4）合适的粘度，且不随温度急剧变化。（5）随着浇铸时间延长，渣面不结壳。（6）对长水口，中间包内衬侵蚀小。1.2连铸保护渣的基本功能及其在结晶器中的行为连铸保护渣是以CaO-SiO2-Al2O3为基料，Na2O、CaF2等为熔剂，炭质组分作为骨架材料的一种硅酸盐材料。1.2.1连铸保护渣的作用连铸保护渣有如下五大基本功能：1 防止钢液（特别是钢液弯月面）的二次氧化3 保护渣加入到结晶器内的钢液面上，熔化后形成一定厚度的液渣层，并均匀覆盖钢液面，该液渣层起到了隔绝钢液与空气接触的作用，进而可防止钢液的二次氧化。绝热保温在高温钢液面上加入保护渣

14、，由于固渣层出现，可减少钢液的辐射热损失, 降低钢水的过热度。为此，在保护渣操作中，要求液渣层上有一定厚度的粉渣层，即黑渣操作。提高保护渣的保温性，可提高结晶器弯月面温度，减少渣圈的生成或过分长大。尤其是在浇铸高碳钢时，提高保护渣的绝热保温性能，对改善铸坯润滑是有利的。增加保护渣中的配碳量、改变炭质材料的种类、加入发热元素或降低保护渣的体积密度，均可以提高保护渣保温性。吸收夹杂为防止钢液上浮的夹杂物被卷入凝固壳，造成铸坯表面或皮下缺陷，保护渣熔化形成的液渣层应具有吸收和同化钢液中上浮的非金属夹杂的能力。不同钢种上浮的夹杂不同，对保护渣物性的影响是不同的，如低碳钢的Al2O3夹杂，浇注含稀土的钢

15、或含钛钢时，钢中高熔点稀土氧化物、钛氧化物及钛的氮化物对保护渣性能的影响等，这些夹杂物会引起保护渣的粘度、熔点或碱度等性能的变化。均匀传热冶金工作者在应用结晶器保护渣时认识到保护渣渣膜具有控制铸坯向结晶器传热的功能。如使用菜籽油作润滑剂时，在结晶器上部由于坯壳与结晶器壁接触，坯壳冷却速度大；而在结晶器下部，由于坯壳的收缩产生了气隙， 致使热阻增加，导出的热量减少，同时气隙的传热是很不均匀的。使用保护渣后，保护渣熔化形成的液渣，若能均匀流入结晶器壁与凝固坯壳间，便能形成均匀的渣膜，可以减小上部的传热速率，加大下部传热速率4， 从而改善传热的均匀性，提高铸坯质量。近来通过保护渣成分的调整，已可实现

16、控制渣膜的传热速率。在控制渣膜传热上采用的技术主要有提高保护渣碱度， 以提高保护渣的凝固温度、析晶温度和析晶率，降低渣膜的有效热传导率。润滑铸坯。保护渣熔化流入结晶器壁与凝固坯壳间形成的渣膜可起到润滑剂的作用，减少拉坯阻力，防止坯壳与结晶器壁的粘结。随着拉速的不断提高，因结晶器振动频率的提高使保护渣流入铸坯与结晶器间的量减少，拉坯摩擦阻力增加，当阻力超过坯壳强度时，会引起漏钢事故。此外，摩擦力的增加还会引起纵裂指数的上升。渣膜的润滑作用越来越重要，已成为连铸生产中必须解决的主要问题。1.2.2连铸保护渣在结晶器内行为保护渣在结晶器内钢水表面上，熔化后液渣流入结晶器壁和坯壳之间。图1.1为保护渣

17、在连铸结晶器中的形态5。图1.1保护渣熔化模型示意图1-固态渣层；2-烧结层；3-半熔化层；4-液态渣层；5-钢液6-坯壳；7-渣圈；8-玻璃质渣膜；9-晶体质渣膜保护渣性能的良好作用与其理化性质有关，其中要求之一是连铸保护渣要有良好的均匀性和润滑性。连铸结晶器和铸坯之间的保护渣分三层：玻璃层、结晶层、液相层。液渣层在结晶器和铸坯之间起到润滑的作用，液渣层越厚，润滑越好，而液渣层厚度增加将导致固渣层减薄，不利于传热，这就要求固态渣膜有良好的传热性能。有研究表明，熔渣内不应有高熔点的晶体析出6。因为晶体的析出会增大熔渣的粘度，使熔渣的润滑变差，铸坯可能出现纵裂，并且晶体的析出会降低熔渣的传热能力

18、，使铸坯坯壳变薄，易产生拉漏事故。所以研究连铸保护渣的结晶性能越来越受到人们的重视。图1.2 保护渣在结晶器内行为示意图图1.2清楚地表明了保护渣在结晶器中的行为7。可见，连铸保护渣在结晶器中会出现以下关键现象： 保护渣熔化； 形成熔渣池； 熔渣流入结晶器与铸坯间隙； 形成固态和液态渣膜。保护渣的这些作用与保护渣组成、原料的物性及原料的组合格式等因素有关。如果所采用的保护渣的化学成分不合理，或制渣工艺不合格，不仅不能发挥保护渣的作用，反而会使铸坯质量恶化，甚至出现保护渣使用不当而影响连铸机的正常生产。所以，要求保护渣必须具有良好的物理化学性质，合理的熔融特性及层状结构，稳定而均匀熔化形成一定厚

19、度的熔渣层，这三者缺一不可。1.3保护渣对铸坯质量的影响保护渣选用适当与否，对连铸生产和铸坯质量将产生重要影响。保护渣对铸坯质量的影响主要发生在结晶器内, 其中又以表面质量为甚。保护渣的选用对连铸生产和铸坯质量的影响主要有8:1) 粘结性漏钢。生产实践表明, 由于保护渣不良引起的粘结是板坯和大方坯连铸漏钢的主要原因。保护渣的熔化温度偏高或熔化速度偏低, 会导致液渣层过薄, 从而造成漏钢。2) 表面纵向热裂纹。该缺陷发生在结晶器内, 是由于结晶器内生成的坯壳厚度不均匀, 张应力集中在某一薄弱部位造成的。在设备条件和操作因素不变的条件下, 保护渣熔化特性选用不当,液渣层厚薄不一, 造成渣膜厚度不均

20、, 使局部坯壳变薄产生裂。纵裂产生与熔渣粘度和拉坯速度有关, 连铸板坯时, GT值应控制在0. 2- 0. 35Pasm2, 小方坯连铸时, 应控制在0. 5Pasm2。3) 表面横向裂纹。横裂纹大多沿着振痕的波谷处发生。保护渣的物性影响振痕的深浅, 浅而圆滑的振痕可获得光滑的铸坯表面, 改善保护渣的性能可使振痕深度变浅, 减轻横裂纹的发生。4) 夹渣。夹渣分表面夹渣和皮下夹渣。渣子卷入是夹渣的重要来源。凡渣子的剥离性不良, 会使铸坯表面嵌附成片夹渣, 有的夹渣在加热炉内未能剥离, 还会残留在成品钢材上形成表面缺陷。5) 表面增碳。由于浇铸过程中, 保护渣熔化性能不良, 液渣层过薄, 造成钢液

21、与含碳保护渣或富碳层相接触而渗碳。生产低碳钢和超低碳钢时,钢坯表面增碳的可能性更大, 对此类钢应注意选用低碳或无碳保护渣。表1.1为表面缺陷对保护渣的要求。表1.1 表面缺陷对保护渣的要求缺陷要求功能纵向裂纹渣的粘独不能过大，过小液渣适当流入，渣膜厚度适中，坯壳均匀生长横向粘度适当降低良好润滑，减少振痕深度夹渣，夹杂物减少渣中的Al2O3含 量降低熔点，避免高熔点的CAS2,C2AS生成表面渗碳减少渣中的C含量避免弯月面C富集1.4本课题项目背景 三明钢厂现有80吨转炉、LF精炼炉和30吨大容量中间包及10米半径的大弧形方坯连铸机，这些基础设施为生产品种钢创造了良好的硬件条件，20052006

22、年进行的ML08Al、45、65等钢种的生产工艺开发也取得了较好的效果，特别是在这些品种钢的精炼环节，部分工艺技术和控制水平已步入同行前列。尽管如此，目前在一些品种钢的生产中，仍然存在两方面比较突出的问题，即钢水在处理过程中增氮严重，铸坯表面缺陷对质量影响较大。对于150150mm2这种断面不大的方坯来讲，铸坯缺陷主要有如菱变或脱方的形状缺陷，包括中心疏松、偏析、缩孔、夹杂、裂纹等的内部缺陷，和表面横向及纵向凹陷、振痕重叠和紊乱、夹渣、微裂纹、角裂纹等表面缺陷。铸坯表面缺陷主要产生于结晶器内，而内部缺陷主要产生于铸坯出结晶器后的凝固过程。就三明钢厂目前的生产情况来看，铸坯形状缺陷很少，内部缺陷

23、主要表现在浇铸高碳钢时疏松和碳偏析的出现，现正在通过优化二冷和电搅进行解决。而铸坯表面缺陷问题较突出，需要作专门研究。如上所述，铸坯表面缺陷在结晶器内产生，除伸入式水口的合理操作参数外，结晶器锥度、与此匹配的保护渣参数也非常重要。从三钢20052006生产情况来看，伸入式水口结构和操作方面的问题不特别突出，主要问题是部分炉次钢水夹杂多或接缝密封不好造成钢水二次氧化生成的Al2O3夹杂使得水口在浇铸过程中变长。更突出的问题在于保护渣的匹配。三钢目前铸机状态均倾向于使用高熔点、高粘度的保护渣，部分保护渣碱度也较高；若保护渣熔点、粘度较低则铸坯上很容易出现横向和纵向凹陷。但熔点、粘度较高时，保护渣吸

24、收夹杂的能力很弱，特别是在浇铸ML08Al等酸溶铝较高的钢种时，大量类夹杂聚集在钢渣界面处后，保护渣对铸坯的润滑能力很差，容易造成振痕扭曲、表面和皮下夹渣，这些缺陷对冷镦、拉丝材的质量危害较大。另一方面，为避免铸坯凹陷，三钢目前保护渣的碱度也较高，这种保护渣在浇铸C0.150.25或Mn、Cr、Mo含量较高的钢种时，由于摩擦阻力大容易造成铸坯表面微裂纹。由于浇注温度对连铸工艺的稳定性具有重要影响, 因此中间包的绝热保温至关重要。在中包保温性能差情况下,浇注过程温度变化量增大,拉速变化频繁, 会引起铸机事故、铸坯质量问题和整体生产难于协调，所以中间包的保温问题越来越被钢厂所重视。就保温性能而言，

25、传统碳化稻壳虽然保温能力强，但会带来低碳钢和超低碳钢的增碳问题。目前，低碳或无碳碳化稻壳在国内还未大规模采用，其对连铸过程影响还不甚明了，因此系统研究碳化稻壳在低碳或微碳条件下保温性能及其对钢质的影响是必要的。 1.5本课题的来源、研究的主要内容 课题来源自福建三明钢铁场,调查分析三钢150150mm2方坯在连铸过程中中间包覆盖剂和结晶器保护渣对铸坯质量的影响及存在的问题，并提出优化方案。主要研究内容为：1）根据三明钢厂生产的品种，优化中间包覆盖渣的组成，有利于吸收钢水中上浮的夹杂并减少覆盖渣对部分低硅钢种增硅的危险性。2）根据三明钢厂目前和近期的品种计划，对结晶器保护渣进行系列化规划和设计。

26、3） 选取一些代表钢种，开发23个保护渣，并通过初试、中试和工业性试验，建立适合三明钢厂的保护渣技术规范。2 实验方案与设备2.1对保护渣的优化方法1）针对三钢ML08Al和35K两个钢号150150小方坯用连铸保护渣进行性能测试，包括化学成分、熔点、粘度和粘度温度曲线、以及吸收Al2O3夹杂后性能变化。对原渣、烧碳后渣及浇铸中渣膜样进行化学成分分析。2）提出优化方案，针对150150断面的含铝低碳钢、含铝中碳钢以及不含铝中高碳钢三类钢种进行，实验室主要进行预熔料的设计、连铸保护渣性能设计以及配方调整。并对设计的渣进行性能测试，包括化学成分、熔点、粘度和粘度温度曲线、以及吸收Al2O3夹杂后性

27、能变化，以此来分析保护渣性能的稳定性。 2.2中间包覆盖渣成分的设计方法为实现中间包覆盖剂对钢水保温和净化钢液的作用并具有良好的吸收夹杂的性能。，我们选用中包覆盖渣低碳炭化稻壳的双层渣覆盖剂模式，这种覆盖剂模式既能净化钢液又具有保温性能，是目前的发展趋势。1）首先通过理论计算要求中间包覆盖剂不能给钢液带来夹杂，不让其与钢液中的Al发生反应 计算方法是:通过热力学方法计算,要求钢液中反应式2.1的G0,反应就不会正向进行,这样中包覆盖剂就不会和钢液中的Al反应,导致给钢液带入夹杂。4 Al+3 (SiO2) = 2 (Al2O3) + 3 Si (2.1)2）通过计算可以最终确定一个aAl2O3

28、2/aSi2O33的值,分析图2.1和图2.2 CaO-SiO2-Al2O3系组分的活度曲线图,在图中找出满足上述条件的区间,并在相图中描述出此区间的范围。 3）将此区间范围转换成质量百分比区间,在2.3 CaO-SiO2-Al2O3三元相图中表示出来,在此区间内选取33个不同组分不同熔点的点,配好渣后,在实验室测试各个渣的熔化温度。4）最终选取其中的两个熔化温度在1250-1350以内较合适的点.分别测试在这两个渣中加入3%,6%,9%,12%的Al2O3时,其熔化温度的变化特性。来描述其吸收夹杂后性能的稳定性。5）根据所选的渣系配置中间包覆盖渣的预熔渣,并用于生产测试。图2.1 CaO的活

29、度曲线图 2.2 SiO2的活度曲线，虚线为Al2O3的活度曲线图2.3 CaO-SiO2-Al2O3系渣系相图2.3实验仪器及其基本原理 实验中主要测量的保护渣参数有粘度、粘温曲线、转折温度、熔点、析晶温度及结晶率等，所使用的设备有旋转式高温粘度计、半球点熔点测定仪等。2.3.1粘度测试实验采用SB-6型旋转粘度计进行粘度测试。基本装置如图2.5所示。其基本原理及主要步骤如下：1同步电机；2上遮光盘；3上卡头；4悬丝；5下遮光盘；6下卡头；7万向接头；8钼杆；9坩锅；10热电偶；11硅碳管；12上光源；13上光电管；14下光源；15下光电管；16微机控制系统图2.5 保护渣粘度测试装置从图2

30、.5中的实验装置来看,当电动机旋转时带动金属丝及悬杆圆柱旋转，但由于熔体内摩擦力作用在圆柱头上，使金属丝受到扭角，显然扭角与熔体的粘度及电动机的转速n成正比，即n （2.2）于是得到：K/n （2.3）当n一定时:K （2.4）式中K为仪器常数，在悬柱尺寸一定的条件下，K值仅与金属丝的弹性及长度有关，可由已知粘度的液体确定。该装置大体可分为四部分：(1) 悬挂部分：包括恒力矩马达、悬丝、测杆及光电转换装置等。为保证测量精度，必须注意马达轴心、悬丝、测杆在转动时的同心度。(2) 炉体部分：炉子的发热体采用的是MoSi2棒，发热体外部应使用良好的绝热材料，以保证有较宽的恒温带。(3) 控温及显示系

31、统：用于精确控制测定温度，显示脉冲信号时间差，可采用精确温度控制仪和光电脉冲测速仪。采用微机控制系统，它可以完成粘度计炉温闭环自动调节，并完成粘度实验时的数据采集和处理。(4) 标定系统：首先要根据所测渣的粘度的大致范围选择适当直径的悬丝和标准溶液。要标定仪器常数K：可采用两种已知粘度的标准溶液标定K值的大小。如两种液体的粘度分别为1和2，且21所测结果分别为t1和t2 则 K=（2-1）/（t2-t1） （2.5）也可用一种已知粘度的标准溶液标定K值。如果该液体的粘度，所测得时间为t，则 K=/（t-t0） （2.6）式中t0为仪器在空转时所显示的时间差，一般t0可调整到0.5s以下。标定时，盛着标准液体器皿的直径、液体高度应同高温测定盛未知粘度熔渣的坩埚的直径及熔渣高度相一致。最后将已确定的常数K的悬挂系统的测头插入炉体高温区内盛着熔清保护渣的坩埚的中心，测出未知粘度熔渣引起的时间差的平均值，按下式计算出所测的熔渣的粘度为： i=K（tit0） （2.7）通过测定未知熔渣的粘度液体流动时所表现出来的粘滞性是流体内部各