低碳钢用无氟保护渣传热性能的研究

蔡得祥，张晨

（宝钢集团中央研究院工艺所，上海 201900）

摘 要：连铸保护渣对结晶器的传热性能发挥着十分重要的影响，低碳钢用无氟保护渣与传统的含氟保护渣相比在传热性能方面具有较大的差异，本文通过实验室和现场试验两方面的手段，详细介绍了无氟保护渣在研制开发过程中对传热性能的影响规律。

关 键 词：保护渣；无氟；传热；结晶

1 前言

连铸保护渣是连铸生产中极其重要的冶金辅料之一，它对连铸操作的顺行以及铸坯表面质量都具有重要的影响。一般连铸保护渣由于成分、性能、原料来源及成本等诸多方面的因素均配有一定含量的氟，含量一般在6～10 %之间（以F-计）。含氟保护渣在现场使用过程中产生大量有害环境的气体（SiF4等），同时高温下熔融保护渣在出结晶器后与二冷水接触发生反应，生成的氢氟酸溶入二冷水后造成严重的设备腐蚀和循环水处理及排放成本增加，因此开发环保型无氟化保护渣成为今后连铸保护渣研究的一个重要发展方向[1－5]。

保护渣主要有隔热保温、防止二次氧化、吸附夹杂、润滑以及控制铸坯和结晶器之间的传热等五大功能，特别是在对结晶器的传热性能影响方面连铸保护渣发挥着十分重要的影响，由于保护渣中的氟能有效地调节保护渣熔渣的熔化温度和粘度等重要性能，还可以显著控制熔融保护渣在冷却过程中的结晶性能，对调节铸坯与结晶器之间的传热起着重要作用。因此，无氟保护渣不仅要求具备传统保护渣的理化性能（包括熔点、粘度、析晶性能、熔化速度、容重等），还必须研究其对铸坯和结晶器之间传热速率的影响。

2 试验方法 

通常实验室分析保护渣对传热性能影响的方法主要是通过检测保护渣的结晶性能来评价，方法主要有DTA热分析法、凝固温度法、简易铜模冷却法、热流模拟法（重庆大学研制）[6]，其中前二种方法有比较固定的标准检测设备，后二种方法属于非标设计，无统一的检测标准。本文涉及的无氟保护渣主要是针对低碳钢用保护渣，具有较低的碱度和凝固温度，传统的四种分析方法的一个共同特点就是主要针对裂纹敏感钢用高析晶性保护渣，而对低碱度低凝固温度的低碳钢用保护渣的结晶性能无法进行检测和区分，因为在上述方法的试验冷却条件下，低碳钢用保护渣均全部呈现良好的玻璃性能。

为了开展低碳钢用无氟保护渣对结晶器传热速率的影响研究，本文采用中南大学研制的设备“红外高温发射测温系统”分析测量含氟和无氟保护渣的传热速率[7]，再结合无氟试验渣和传统含氟保护渣在现场试验过程中的传热速率共同来分析无氟保护渣对传热性能的影响。

图1为 “红外高温发射测温系统”设备分析测量保护渣热流方法模拟示意图，将磨好的保护渣渣片（直径30mm、厚度4mm）加入到铜模上，高温红外加热元件将热量辐射到渣片上，通过采集铜模热电偶的温度数据来计算通过保护渣的热流。

3 试验过程

表1为低碳钢用传统含氟保护渣（以下简称含氟渣）和无氟渣的主要成分和性能，低碳钢无氟保护渣在研制过程中经历了大量的优选和改进，表中选取第一次无氟试验渣和最终开发成功的无氟渣作为试验对象。

表1 含氟渣和无氟渣主要成分和性能

Table 1  the main chemical composition and properties of the fluorine-free and fluorine mold powder

将表1中的3种保护渣去除碳质材料后高温熔化制成直径30 mm、厚度为4 mm的渣片，通过“红外高温发射测温系统”设备，分别测量三种渣片的热流密度，图2为三种保护渣的红外热流对比。结果显示，在高温熔化区间，含氟渣平均热流为551KW/M2，第一次无氟渣609KW/M2，最终成品无氟渣为478KW/M2，第一次无氟渣比含氟渣热流高10.5％，改进后的无氟渣比含氟保护渣热流低13％。

图3为含氟渣和无氟渣红外热流分析试验后三个试样的横截面断口照片，结果显示，尽管三种渣在常规结晶性能检测中均呈现全部玻璃性能，但经过红外热流分析之后，三种渣均有一定的析晶量，为了叙述方便，称为“潜析晶性”，与传统方法分析高碱度高析晶性保护渣相区别。含氟渣析晶层比率占总厚度的26％，第一次无氟渣析晶层比率为7％，无氟渣析晶层比率为37％，这和图2中两种渣的红外热流对比数据是一致的。

图4为表1中的含氟渣和第一次无氟渣在现场250×1300 mm双流板坯连铸机上进行现场试验时二种渣的综合传热系数对比，试验时含氟渣和第一次无氟渣拉速相同，均在1.4～1.5 m/min之间，图中显示，第一次无氟渣综合传热系数比含氟渣高50～230 W/m2.K。图5为表1中的含氟渣和最终成品无氟渣在现场试验时二种渣的综合传热系数对比，图中显示，经过实验室大量的优化改进，在保证保护渣润滑良好的前提下大幅提高无氟渣的潜析晶性，有利于降低结晶器与坯壳间的传热速率，改进后的无氟渣综合传热系数比第一次无氟渣下降明显，与同铸机对比流的含氟渣基本相当。低碳钢用无氟保护渣经历了六轮次的试验改进，终于解决了无氟保护渣传热速率偏快的难题。

4 分析和讨论

表1和图2～图5试验结果表明，低碳钢用无氟保护渣在相同碱度条件下比含氟保护渣具备更高的传热速率，红外热流对比试验显示第一次无氟渣热流比含氟渣平均高10.5％，现场试验显示第一次无氟渣综合传热系数比含氟渣高50～230 W/m2.K。含氟渣析晶层比率占总厚度的26％，第一次无氟渣析晶层比率仅为7％，析晶比率越高，对传热的阻碍作用越强。由于第一次无氟渣具有较快的传热速率，导致现场试验时，使用无氟渣时坯壳热流偏高，不利于提高铸机拉速，对现场铸机操作造成一些不利影响，限制了无氟保护渣的扩大试验。

为了降低无氟保护渣的传热速率，通过大量的实验室试验研究，在保证保护渣具备良好润滑能力的同时，提高无氟保护渣的潜析晶性。试验证明，改进后的无氟渣红外热流分析显示，无氟渣红外热流比含氟渣低13％，无氟渣析晶层比率为37％，比含氟渣高11％。现场试验也显示，在传热性能方面，无氟渣与含氟渣相当。通过对现场保护渣操作和铸坯及后续轧制成品质量方面的统计，无氟渣要优于含氟渣，特别是在夹渣方面，因为保护渣中的氟能显著降低熔渣的表面张力，因此无氟渣在减少铸坯夹渣方面优于含氟渣。

通过对含氟渣和无氟渣两种渣样固态渣膜析晶组织磨成200目粉状试样进行X衍射试验分析，图6和图7分别为含氟渣和无氟渣X衍射图谱。X衍射试验结果显示，含氟渣析出晶体主要为枪晶石，无氟渣主要为硼硅酸钙和易变硅钙石。含氟渣中析出的枪晶石晶体表面粗糙，无光泽，不透明。而无氟渣中析出的硼硅酸钙和易变硅钙石晶体表面较光滑，比较致密，有少量玻璃光泽，颜色较浅。因此，在控制传热方面，在晶体同等析出比率的条件下，析出枪晶石的含氟渣比析出硼硅酸钙的无氟渣具有更低的传热速率，因此导致无氟保护渣在研制初期传热速率偏高，为了降低无氟保护渣的传热速率，必须提高无氟保护渣的潜析晶率，通过提高无氟保护渣的析晶量，来达到同含氟渣具备相当的传热速率。

5 结论

（1) 通过红外高温发射测温装置设备开展了低碳钢用含氟渣和无氟渣对传热速率的影响研究，试验结果显示，含氟渣平均热流为551KW/M2，第一次无氟渣609KW/M2，最终成品无氟渣为478KW/M2，含氟渣析晶层比率占总厚度的26％，第一次无氟渣析晶层比率为7％，无氟渣析晶层比率为37％，通过提高无氟渣的析晶性，能显著降低无氟渣的传热速率。

（2）通过含氟渣和无氟渣现场工业对比试验显示，无氟渣结晶器综合传热系数与含氟渣相当，在铸坯夹渣方面，无氟渣优于含氟渣。

（3） 对含氟渣和无氟渣进行X衍射试验分析显示，含氟渣析出晶体主要为枪晶石，无氟渣主要为硼硅酸钙和易变硅钙石。

参 考 文 献：

[1]   王谦，王平，何生平等，保护渣对连铸二冷水中氟含量的影响，重庆大学，北科大学报，06.11，1019-1022.

[2]   茅洪祥，胡汉涛，马国军，连铸保护渣对环境的氟污染及其对策，武汉冶金科技大学，炼钢，99.3 ,41-45.

[3]   王谦、何生平，王平等，连铸结晶器保护渣中氟逸出的调查，重庆大学，第八届全国连铸学术会议论文集,2007年，449-455.
[4]   A.B.Fox, K C Mills, D Lever et al. Development of Fluoride-Free Fluxes for Billet Casting. ISIJ Int., 2005 .7 ,1051-1058.
[5]   G Wen, S Sridhar, P Tang et al. Development of Fluoride-free Mold Powders for Peritectic Steel. ISIJ Int., 2007.8,1117-1125
[6]   赵艳红 结晶器保护渣渣膜结构对传热影响规律研究, 重庆大学, 硕士论文, 2008, 1-8.

[7]   WANG Wanlin, ZHOU Lejun, GU Kezhuan. The effect of in-situ dynamic mold flux melting and crystallization on heat transfer in continuous casting，中南大学， 第四届宝钢学术年会 2010.10 B95-B99.