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承德建龙特殊钢有限公司圆坯连铸保护渣系列化

陈宏豫，尹修刚

（承德建龙特殊钢有限责任公司，河北 067201）

摘 要：承德建龙特殊钢有限公司大圆坯连铸机所用保护渣在2012年初生产钢种已达18个、铸坯规格6个，结晶器保护渣的品种已达46种，基本上是品种规格与保护渣是一一对应的。由于品种太多，不便于管理。通过对逐个钢种碳含量和合金含量的分析，将42个钢种合并为6类；通过对断面和拉速的分析，结合钢种裂纹敏感性，将7个断面合并为2类；最终合并使用12种结晶器保护渣。使用效果良好。

关 键 词：圆坯；保护渣；合并

1 前言

承德建龙特殊钢有限公司引进DANILI的14米弧半径、五机五流大圆坯连铸机于2011年2月投产，与大圆坯连铸机配套的是1座提钒转炉2座70吨氧气顶吹转炉-钢包精炼炉-真空精炼炉，可生产Φ250-600mm7个铸坯断面，42个钢种。

2012年初生产钢种已达18个、铸坯规格6个，结晶器保护渣的品种已达46种，基本上是品种规格与保护渣是一一对应的，然而由于市场变化，生产计划变更，造成保护渣有时某个品种供应不上、有时某个品种积压至过期，致使生产和质量出现波动，造成较大损失。

照此发展，随着市场对品种规格要求的增多，保护渣品种还会大量增加，配置和分类也越来越复杂，管理难度也越来越大。

因此，需要对该连铸机使用的结晶器保护渣进行梳理整合，使之在满足生产和质量要求的前提下系列化，减少保护渣种类。

结晶器保护渣对连铸生产的顺行和铸坯质量的提高至关重要性。

结晶器保护渣的作用可概括为：一是隔热保温作用：连铸浇注过程中，被高温钢水熔化的液渣层覆盖在结晶器上，加之烧结层和粉渣层隔热保温，防止表面结壳，提高弯月面温度，保持良好的液渣流入通道，减轻振痕，减少铸坯表面缺陷。二是防止钢水二次氧化：保护渣覆盖在钢水液面上，其三层结构将钢水与空气隔绝开，防止空气进入钢水发生二次氧化。三是吸附夹杂的作用：液渣具有一定的吸附、溶解夹杂物的能力，保护渣熔化成液渣后，吸附钢水中上浮的夹杂物，达到净化钢水的作用。四是润滑作用：液渣在结晶器四周的弯月面处，由于结晶器的振动和坯壳与铜板之间缝隙的毛细用，液渣被吸入并充满铜板与坯壳的缝隙，形成一定厚度的渣膜，减少拉坯阻力和避免坯壳粘结问题。五是改善结晶器传热：液渣填充到铜板与坯壳之间的气隙中，减少了热阻，改善坯壳在结晶器内的传热，使坯壳生长均匀，防止铸坯表面裂纹。

连铸保护渣在使用过程中能否发挥较完美的作用，则取决于其性能。保护渣的性能设计应根据现场连铸生产条件如钢种及钢水温度、拉坯速度、结晶器形状及大小、结晶器振动参数等来确定[1]。

2 圆坯连铸机结晶器保护渣的整合原则

对同一台连铸机，保护渣的分类及设计依据主要考虑三个方面的因素：1）浇注钢种；2）浇注断面；3）浇注速度[1-4]。根据承德建龙特殊钢有限公司的钢种生产情况，圆坯连铸机结晶器保护渣的整合原则如下。

2.1 按钢种含碳量对保护渣进行分类

选择保护渣首先应根据所浇注钢种的特性来选择保护渣。重点考虑的是钢中碳含量，其次是其它元素的含量。因钢中碳含量不同，其裂纹敏感性不同。

2.1.1 包晶钢结晶器保护渣

碳含量在0.08～0.16%，结晶器保护渣主要要控制结晶器弯月面处的传热，控制凹陷、裂纹。

当钢中碳含量处于包晶钢范围内时，在结晶区弯月面形成的初生坯壳δ铁素体，在固相线温度以下25℃时发生δ铁素体向奥氏体的转变，发生δ铁索体向奥氏体转变时，线收缩量增加3.8％。由于线收缩量大，使坯壳与结晶器铜壁过早脱离形成气隙，导出热流最小，坯壳最薄。由于凝固收缩和钢水静压力的不均衡作用，使薄的坯壳表面粗糙、折皱，严重时形成凹陷，该部位冷却和凝固比其它部位慢，组织粗化，在热应力和钢水静压力作用下，在凹陷处造成应力集中而产生裂纹，在二次冷却区继续扩展。坯壳表面凹陷越深，纵裂纹出现的几率就越大。

要避免包晶钢铸坯产生纵裂纹，就要降低其在结晶器中的水平传热，从而使初生坯壳尽可能地均匀。这就要求保护渣渣膜要厚，保护渣的析晶率要高，最大限度地减小辐射传热和增加界面热阻。研究表明 ，渣膜的厚度随保护渣转折温度的增加而增加，这一发现可以用于控制水平传热。许多研究得到最一致的结论是：提高碱度，保护渣的结晶倾向增大，析晶率提高。

但需要注意的是提高转折温度和提高碱度的做法，可能导致液渣膜减薄，恶化铸坯的润滑条件，增加铸坯粘结、拉漏的风险。同时，保护渣的润滑性能也是影响铸坯表面裂纹的另一个因素。具有良好润滑性能的保护渣，可以减小铸坯与结晶器壁之间的摩擦力，从而减少裂纹的产生。

平衡和协调好保护渣的润滑与传热，是设计保护渣的关键。已报道的一些包晶钢用保护渣设计思路有：黏度合适、高碱度(CaO／SiO2>1．10)及高析晶温[6]；较低黏度、较高熔化温度[7]；低碱度(CaO／SiO2<1．0、高析晶率[8]；黏度和碱度较低、及较高熔化温度和析晶温度[9] ；高熔化温度和析晶温度[10]等。

2.1.2 低碳钢结晶器保护渣

低碳钢结晶器保护渣适用于C=17%-0.25%的钢种。

这类钢尽管还属亚包晶钢范围，但其高温机械性能好，凝固过程中不存在严重的相变体积变化，内应力及裂纹敏感性小。基于低碳钢本身的凝固特点和质量要求，设计时主要考虑渣的润滑及消耗。要求尽量增大结晶器热流，加速钢水凝固，防止粘结漏钢，这要求保护渣结晶温度低、凝固温度适中，以确保低碳钢结晶器保护渣在950℃ 以上处于非晶体状态，使发生粘结漏钢的可能性最小。另外，此类钢种初生铁素体坯壳中[P]、[S]偏析小，初生坯壳强度高，铸坯振痕较深，故应使用保温性能较好的保护渣，提高弯月面初生坯壳温度，有利于减轻振痕过深带来的危害。因此，连铸低碳钢满足以上各要求，就要通过设计具有一定的传热性能、良好的保温性能、良好的非金属吸收、良好的润滑和性能稳定的保护渣来获得。

2.1.3 中碳钢结晶器保护渣

中碳钢结晶器保护渣适用C=0.25%-0.45%。

与包晶钢相比，但随着钢中碳含量的增加，钢的强度增加，裂纹敏感性不及包晶钢强。同时随着钢中碳含量的增加，钢冷却过程中的线收缩量减小，这影响保护渣的流入。因此该碳范围内的钢种不仅须控制传热，还须控制润滑。

该保护渣的粘度和凝固温度要低些，渣膜玻璃化倾向要大些，以保证良好的润滑性能，适当调节保护渣的热阻。另外，由于高碳钢液相线温度低，浇铸温度较其它钢种要低，保护渣性能设计也要考虑此温度的影响，为了防止钢水冻结，高碳钢要使用隔热性能好的保护渣，体积密度要低。

2.1.4 高碳钢

高碳钢结晶器保护渣适用C>0.50%，由于随碳含量的增加，钢冷却过程中的线收缩量减小，以至铸坯在弯月面的收缩量减少，保护渣的流入受限，粘结漏钢率增加，控制润滑，是该碳范围内钢浇注的特点。

2.2 按钢中合金含量进行保护渣分类

完全按钢中碳含量选择保护渣，不能满足所有钢种的对保护渣的要求，如浇注含锰、铝、钛和稀土的钢种应选用能吸收这些钢种各自夹杂物的保护渣，同时还须考虑Mn、Nb、V、Mo等元素对钢强度塑性的影响。

在所生产的钢种中，大部分都含有一定量的合金元素，对于所含的合金元素对保护渣适应性的影响，该研究作了如下考虑。

2.2.1 钢中[Ti]

钢中的钛在浇注过程中将还原保护渣中的SiO2，使保护渣的碱度增加，性能改变。钛的氧化物在高碱性渣下，将生成高熔点的钙钛矿，使保护渣变粘稠。同时含钛的钢液因TiN、Ti(CN)的存在也会变得粘稠。由此含钛钢液浇注时，易在结晶器液面产生冷皮，影响保护渣的均匀熔化和均匀流入，保护渣起不到应有的作用，从而影响结晶器壁与坯壳间的润滑，造成铸坯表面大量的夹杂和夹渣，严重时引起漏钢事故。由此，在保护渣的设计上，应考虑走低碱度、低粘度路线，并利用多种熔剂共存的方式，来控制冷皮的生成。实践经验表明，当钢中含[Ti]大于0.4% 后，[Ti]才显示出明显的影响作用。承德建龙特殊钢有限公司圆坯连铸机生产的钢种中，含[Ti]量<0.15%，并且所选用保护渣碱度、及粘度都不太高，由此可不考虑该因素对保护渣使用性能的影响。

2.2.2 钢中 [Mn]

对于所浇注的中低碳钢中，有很大部分属含锰较高的钢种,钢中[Mn]>1%。[Mn]在浇注过程中，由于锰的氧化，生成的（MnO）进入渣中将降低保护渣的熔点及粘度，使铸坯表面产生凹坑缺陷。

2.2.3 钢中[Si]

硅含量的增加，势必而增大SiO2含量，增大了枪晶石(Ca4F2 Si2O7 )的组分浓度，但增大了保护渣的粘度，增大了晶体组成离子的迁移位阻，这种作用更大，会抑制保护渣析晶[5]。

2.2.4 其他合金元素

[Cr]、[V]、[Nb]、[Mo]：[Cr]、[V]、[Nb]元素氧化物进入渣中虽使保护渣粘度增加，性能改变，但上述元素都不属于易氧化元素，不与保护渣中的物质发生氧化还原反应，由于其量也不高，在保护浇注条件下，对保护渣性能影响弱，由此可不考虑设置专用保护渣。但对于含Mo的钢，由于强度高，易引起深振痕，导致矫直横裂纹，因此在保护渣粘度设计上须考虑用粘度较大的保护渣。

2.3 按浇注断面进行保护渣分类

铸坯断面尺寸随着铸坯断面尺寸的增加，比表面的值减小，冷却变慢，为防止出结晶器坯壳过薄，需增加铸坯在结晶器内停留时间，即降低拉坯速度；同时，随比表面值的减小，消耗量增加，坯壳与结晶器壁间的保护渣膜增厚，因此要求保护渣较高熔化温度，较低熔化速度。另外，断面大小对铸坯用保护渣粘度的影响比较复杂，即使浇注相同的钢种，由于断面的不同，其保护渣也有所不同。

2.4 按拉速分类保护渣

连铸机的拉坯速度是连铸生产的重要工艺参数之一。

随着拉速提高，保护渣耗量减少。保护渣的消耗量是液渣渗入铸坯与结晶器之间空隙的平均量的一个量度，因此成为一个重要的过程控制参数，其值一般要求在0.3 kg／m 以上。拉坯速度提高则保护渣消耗降低，而保护渣的消耗量不足将导致铸坯的润滑和传热状况不良，为此设计高速连铸用保护渣时应提高其熔化速度、降低其粘度及凝固温度，以改善液渣的流入特性，满足液渣消耗的要求。同时，为了提高熔化速度，应当减少堆积密度，减少碳含量和增加碳酸盐含量以及选择合理原料及其物性。

拉速提高，传往结晶器的热流增大。这是由于拉速提高，钢水在结晶器中停留时间缩短，坯壳温度增高，凝固坯壳厚度减薄，同样的钢水静压力更容易使坯壳与结晶器壁接触，这样有利于传热，使热流密度随拉速的提高而增大。因此，对于高速连铸保护渣，应适当降低凝固温度及结晶温度，减小渣膜厚度，保证结晶器传热良好，也应考虑到各钢种的临界热流值。

3 承德建龙圆坯结晶器保护渣分类

承德建龙特殊钢有限公司大圆坯连铸机可生产铸坯断面为Ф250-600mm范围内7个规格，钢种为碳素结构钢、合金结构钢，已达42个钢种，产品质量稳定。

根据保护渣分类原则，在认真分析研究的基础上，将我公司大圆坯连铸机用保护渣进行分类如下。

3.1 按钢种分类

在认真分析各钢种碳含量和合金含量及钢种性能的基础上，将钢种分为5大类。

3.1.1 包晶钢

包晶钢属于中碳钢范围内，当钢中C=0.08％～0.16％时，要将钢中碳含量在C=0.08％～0.16％范围的钢种列为一类，使用同一种保护渣。

该类钢种为Q345E、12Cr1MoV、10#、15CrMoG、460c、4MnV、14MnNb、14Mn等。

3.1.2 低碳钢

低碳钢结晶器保护渣适用于C=17%-0.25%的钢种，如图1所示。适用钢种为20#、20Mn、Q345B、20CrMnTi、18CrMnTi、20Cr 等。

3.1.3 中碳钢

中碳钢结晶器保护渣适用C=0.25%-0.45%、Mn ≤0.80%的钢种。代表钢种为45、40Cr、42CrMo、35、30、30CrMo等。

3.1.4 中碳锰钢

中碳钢结晶器保护渣适用C=0.25%-0.45%、Mn ＞0.80%的钢种。代表钢种为50Mn、65Mn、37Mn5、40Mn2、34Mn6、CL60等。与中碳钢相比，锰含量较高。

3.1.5 铬钼系钢

铬钼系钢结晶器保护渣适用C=0.20-0.45%、含 Cr和Mo的钢种。代表钢种为42CrMo、35CrMo、40Cr、20CrMnMo、45CrMnMo等。与中碳钢相比，Cr、Mo含量较高。

3.1.6 液压支柱用钢

从液压支柱用钢的化学成分看，该钢种碳中碳钢范围，其特点是锰和硅含量均大于1.0%以上，代表钢种为27SiMn、30CrMnSi等。

3.2 按断面和拉速分类

该连铸机生产的大圆坯断面范围为Φ250-600mm,拉速也基本是与断面锁定的，所以将保护渣适用断面分为Φ250-400mm和500-600mm两个规格范围，他们的拉速范围为：断面小于Φ400mm拉速在0.42-1.2m/min, 断面大于Φ500mm拉速在0.18-0.3m/min。

3.3 钢种、规格适用保护渣分类

将圆坯连铸机结晶器保护渣分为6个品种，2个规格，共计12种保护渣（如下表所示）。

表1 圆坯连铸结晶器保护渣分类
钢种名称	适用钢种（碳/锰含量%）	适用钢种	按规格分类
包晶钢	C=0.08～0.16	Q345E、12Cr1MoV、10#、15CrMoG、460C1、4MnV、14MnNi、14Mn等；	Φ400及以下	Φ500及以上
低碳钢	C＜0.25	20#、20Mn、Q345B、20CrMnTi、18CrMnTi、20Cr ；	Φ400及以下	Φ500及以上
中碳钢	C=0.25～0.45； Mn≤0.80	45、35、30、等	Φ400及以下	Φ500及以上
中碳锰钢	C=0.25～0.45；  Mn＞0.80	50Mn、65Mn、37Mn5、40Mn2、34Mn6、CL60等	Φ400及以下	Φ500及以上
铬钼系			40Cr、42CrMo、35CrMo、20CrMnMo、20CrMnMo、 4145H		Φ400及以下	Φ500及以上
专用渣	液压支柱用钢	27SiMn 30CrMnSiA	Φ400及以下	Φ500及以上

4 应用效果

从2012年初开始合并工作，按照分类原则，逐步推进，于2012年6月开始全部在大圆坯连铸机生产的42个钢种、Φ250-600mmd的7个规格产品使用系列化后的12个品种保护渣，应用效果良好。

生产实践证明，系列化后的保护渣在结晶器中铺展良好，熔化均匀，渣条少。测得液渣层厚度10 mm～12 mm，渣量消耗为0.4kg／t，与调整前基本相同。保证了圆铸坯表面质量、内部质量，并确保了生产秩序的正常。

5 结论

（1) 通过分析我公司各钢种的特点，找出了不同钢种对保护渣性能设计上的要求，并在此基础上进行了合并。

（2) 从连铸钢种及工艺参数对保护渣性能上的要求出发，设计具有相应性能的保护渣，在此基础上通过原料的合理组合完成保护渣的设计。

（3）实践证明，我公司大圆坯连铸机结晶器保护渣的系列化合并合理、可行。

参 考 文 献：

[1]   王新月，金山同.连铸保护渣性能与钢种工艺参数关系的初探.炼钢，2005年8月：53-54.

[2]   饶添荣，刘启龙.连铸保护渣的选用方法.马钢科研.2001年第1期：48-52.

[3]   何生平，王丽鹃，王谦，张家相，张东升.水钢方坯连铸保护渣系列化探讨.钢铁钒钛.2009年1月：64-67.

[4]   杨春梅,颜慧成,王新月.连铸保护渣中碳成分对熔化速度的影响机制.山西冶金，2010年第5期：10-12.

[5]   铁生年，张芬娟，陈列，李昀琚，李 星。连铸保护渣性能研究进展，中国冶金，2008年12月：1-5.

[6]   汪洪峰，姜加和，江中快一包晶钢连铸板坯表面质量的控制[J]．冶金丛刊，2004，150(2)：1．

[7]   崔立新，王秀，杨富强．亚包晶钢圆坯表面纵裂及影响因素[J]．包钢科技，2001，27(增刊)：58．

[8]   曾建华，李桂军，杨素波．低碱度高结晶率连铸保护渣的研究与应用lJ1．钢铁，2004，39(6)：17．

[9]   张咏庆，段承秩，党昕伟．保护渣在薄板坯连铸中的应用[J]．包钢科技，20o4，30(2)：10．

[10]   王新月，金山同．连铸保护渣性能与钢种、工艺参数关系的初探l J1．炼钢，2005，21(4)：53．