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低合金钢保护渣渣膜矿相结构对铸坯质量的影响

韩秀丽^1,2，刘磊¹，刘丽娜¹，朱立光³，冯润明⁴，刘志远⁴

(1．河北联合大学 矿业工程学院，河北唐山063009；2．河北省矿业开发与安全技术实验室，河北唐山063009；3．河北联合大学 冶金与能源学院，河北唐山063009；4．唐钢中厚板材有限公司，河北唐山063009)

摘 要：针对唐钢中厚板材有限公司低合金钢Q345B连铸过程中出现的铸坯质量问题，系统研究了现场结晶器内渣膜的结构、矿相组成和结晶率；并结合现场铸坯质量，分析渣膜的润滑与传热性能，确定了适用于低合金钢Q345B板坯连铸生产较合理的矿相结构特征。结果表明，低合金钢Q345B的渣膜应为两层结构或多层结构，结晶层和玻璃层交替出现；主要结晶矿物为枪晶石和黄长石，在结晶过程中没有偏向性析出；有较多的玻璃相生成，结晶率相对较低，在35％～65％。为更好地保证铸坯质量，针对唐钢中厚板坯Q345B的连铸生产，建议在现用的保护渣原渣中适当提高。Fe₂O₃和MgO的含量，同时还要调整好现场的浇铸工艺和操作条件。

关 键 词：低合金钢；连铸保护渣；渣膜；矿相结构；铸坯质量

结晶器与铸坯间渣膜的形成、结构及其性状，直接影响着润滑与传热，对防止铸坯表面缺陷和漏钢，保证高速连铸的顺利运行起着决定性的作用。由于不同的钢种对保护渣润滑和传热的要求不同，各种保护渣渣膜的矿相结构也不相同；同种成分的保护渣在不同的冷却条件下，渣膜的矿相结构也会呈现差异，从而具有不同的润滑和控制传热的能力，给铸坯质量带来不同程度的影响。低合金钢板坯连铸生产时，铸坯表面易出现质量问题^[1]，自2011年10月以来，唐钢中厚板材有限公司(以下简称唐钢中厚板)在浇铸Q345B板坯时，出现了较多的表面夹杂或纵裂缺陷，降低了连铸生产的综合成材率。为此，从2011年12月起，进行了针对低合金钢Q345B板坯连铸用保护渣及其渣膜的研究与试验，将铸坯有无质量问题对应的2类渣膜的矿相结构进行了比较分析，找出渣膜矿相结构与铸坯质量的关系，确定比较合理的矿相结构特征，为改善铸坯质量及调控传热和润滑之间的矛盾提供理论依据。

1 试验条件及保护渣性能

试验所研究的Q345B钢保护渣渣膜，是在唐钢中厚板正常连铸作业过程中，从结晶器内壁弯月面处取得；结合现场铸坯质量，选出4个典型的渣膜试样，其中1号、2号渣膜对应铸坯质量正常，3号渣膜对应铸坯表面夹杂，4号渣膜对应铸坯表面出现纵裂；并将渣膜样沿断面方向做成光薄片，利用德国蔡司透／反两用Axioskop 40A pol研究型偏光显微镜观察其结构和结晶矿相。所有渣膜均来源于龙成公司低合金钢专用保护渣(性能指标见表1)，该渣性能稳定、熔速适宜、耗渣量均匀。Q345B板坯连铸工艺参数及铸坯情况见表2。

2 渣膜矿相结构分析

2．1 渣膜的厚度及分层结构

固态渣膜的厚度对传热有重要影响，结晶层纵向上厚度的均匀性直接决定着穿过结晶器壁的热流量^[2]；而渣膜中结晶层和玻璃层的比例，可控制结晶器内传热速率^[3]，进而影响着铸坯质量。在偏光显微镜下，对渣膜的矿相结构分析结果见表3和图1。

所取渣膜的厚度一般为0．8～1．2mm，在纵向上比较均匀，然而，在厚度方向上的分层结构却有较大差别。这是因为结晶器与坯壳间所形成的渣膜，一般分为固相区和液相区2部分，本次研究所获取的渣膜试样应是二者的组合体，只是由于冷却条件不同而导致固、液相区以及结晶层、玻璃层的厚度比例也有所不同，故渣膜样的分层结构差别较大。

1号渣膜为典型的两层结构，靠铸坯侧为结晶层，靠器壁侧为玻璃层(见图1a)；2号渣膜为多层结构，结晶层和玻璃层交替出现(见图1b)，靠近铸坯侧玻璃层和极薄的结晶层即为在浇铸过程中渣膜的液相区。结晶层中相变过程可有效控制结晶器内的传热速率，而玻璃相较结晶相具有摩擦力小的优点，对结晶器与坯壳间的润滑有利。因此，1号、2号渣膜中结晶层和玻璃层比例能够满足Q345B板坯连铸的要求，才会有效控制了铸坯表面缺陷的产生。

3号、4号渣膜中几乎全为结晶层(见图1c、图1d)，对应铸坯表面出现夹杂或纵裂等缺陷，这与保护渣对夹杂的同化作用有关。一方面不能被液渣溶解的夹杂物富集在钢渣界面处，使流入坯壳和结晶器间的液渣变得不稳定，恶化了保护渣的润滑性能，同时夹杂物可能卷入坯壳中，从而产生表面夹杂等缺陷；另一方面过多的夹杂物进入液渣，可能会改变渣膜的结构特征，使结晶矿物偏向性析出而未能有效地控制传热，最终导致铸坯表面出现纵裂。

2．2 渣膜的矿物组成及结晶率

熔融保护渣实际结晶过程受冷却环境的影响，结晶产物组成、含量、形态与平衡析晶时不同^[4]，渣膜会表现出不同的润滑和传热性能，严重时可能导致铸坯表面质量的异常。结晶矿相影响着渣膜结晶率，对形成渣膜热阻以控制结晶器传热减少铸坯纵裂纹，以及保证铸坯润滑降低粘结漏钢率都有直接的关系^[5—6]。故在偏光显微镜下对结晶层中矿物组成及结晶率进行鉴定分析，见表4和图2。

偏光显微镜下鉴定可知，渣膜结晶层中的矿物组成主要为枪晶石(3CaO·2SiO₂·CaF₂)和黄长石(2CaO·MgO·2SiO₂)，而没有出现硅灰石(CaO·SiO₂)、霞石(Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂)等矿物，这与渣膜结晶矿相X射线衍射分析结果相一致。文献^[7]认为保护渣中加入少量的MgO可以降低结晶率，抑制硅灰石的生成；而霞石在ω(Na₂O)>8％、ω(Al₂O₃)<2％，或ω(Na₂O)<2％、Al₂O₃>10％时生成^[8]，此渣中ω(Na₂O)≈7．82％，ω(Al₂O₃)=4．18％，因此无霞石生成。又有研究表明在保护渣中添加适量Fe₂O₃，可使渣膜的硅灰石相区缩小，黄长石相区扩大^[9]。综合以上与该渣的化学成分进一步验证了渣膜中的矿物组成。

对渣膜微观现象的研究发现，靠近结晶器壁侧因急冷首先形成玻璃层，玻璃层与结晶器壁的接触产生较大的界面热阻，使渣膜产生回热现象，引起渣膜中玻璃相向结晶相的转化，发生“脱玻化”现象^[10]，析出晶体主要为枪晶石(见图3a)，而在靠近铸坯侧易析出黄长石晶体(见图3b)；并且沿器壁到铸坯方向，一般晶体发育越来越好，结晶尺寸也在逐渐变大。这些都充分说明了保护渣的结晶性能以及渣膜的矿相结构不仅与保护渣的成分有关，与结晶器内的冷却条件也密切相关。

渣膜中的结晶矿物直接影响着结晶器的润滑和传热，从导热系数看，硅灰石>黄长石>枪晶石>霞石，渣膜中枪晶石的出现，可减缓通过结晶器的热流，有效地控制铸坯表面纵裂纹的产生^[11]；而从熔融黏度看，硅灰石<黄长石<枪晶石<霞石，渣膜中出现较低黏度的、摩擦力较小的结晶矿物比较好，应避免使保护渣摩擦力增大的结晶矿物的大量出现^[12]。

因此，从润滑性和导热性统一的角度分析，3号、4号渣膜均为事故渣膜，其共同特点是结晶率均高达95％以上，并且在结晶过程中都发生严重的偏向性析晶现象；3号渣膜偏向性析出枪晶石，其比例高达85％～90％，使渣膜的摩擦力严重增大，不利于润滑易引发粘结漏钢；4号渣膜则是偏向性析出黄长石，比例高达80％～85％，可能造成结晶器内的传热速率过大，最终导致铸坯表面出现偏离角纵裂纹。然而，1号、2号渣膜的结晶率在35％～65％；结晶过程中没有偏向性析晶，枪晶石和黄长石百分含量适当；矿相结构比较合理，在保证润滑能力的同时，又有效地控制了传热，所以对应现场铸坯质量良好。

为保证渣膜合理的矿相结构以及降低铸坯表面缺陷的发生率，针对唐钢中厚板材有限公司Q345B钢的连铸生产，一方面应在现用的保护渣原渣中适当提高Fe₂O₃和MgO的含量，以优化保护渣结晶行为和降低渣膜结晶率；另一方面应调整好现场的浇铸工艺和操作条件，以保证结晶器内适宜的冷却环境。

3 结论

1)低合金钢Q345B的事故渣膜几乎全为结晶层，结晶率高达95％以上；主要结晶矿物为枪晶石和黄长石，并且二者的含量悬殊。渣膜偏向性析出枪晶石，使渣膜的摩擦力严重增大，不利于润滑易引发粘结漏钢；偏向性析出黄长石时，可能造成结晶器内的传热速率过大，最终导致铸坯表面出现偏离角纵裂纹。

2)低合金钢Q345B的理想渣膜应为两层结构或多层结构，结晶层和玻璃层交替出现；主要结晶矿物为枪晶石和黄长石，在结晶过程中没有偏向性析出；结晶率在35％～65％。这样在保证润滑能力的同时，又有效地控制了传热。

参 考 文 献：

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