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高碱度连铸结晶器保护渣液渣膜粘度特性研究

龙潇，何生平，王谦

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044)

摘 要：在包晶钢板坯连铸生产过程中，通常使用结晶性能较强的高碱度保护渣以减小渣膜传热量，但易引起摩擦力增大的问题。通过计算和实验，模拟讨论了高碱度保护渣析晶后液渣膜成分和粘度变化趋势。结果表明随着枪晶石的析出，剩余液渣膜碱度降低、粘度增大，特别是析出量超过40％之后这种趋势更加突出。为此提出通过提高保护渣原始碱度以减小析晶对液渣膜粘度性能影响的研究思路，并初步讨论了提高碱度后保护渣的粘度特性变化趋势，结果表明当碱度大于1．3时，熔渣粘度明显减小，且粘温特性相对稳定。可为高拉速包晶钢板坯连铸保护渣设计提供参考。

关 键 词：保护渣；高碱度；析晶；粘度；液渣膜

1 前言

在包晶钢板坯的连铸生产过程中，坯壳凝固时由于发生包晶反应，会产生较大的体积收缩，在冷却强度过大的情况下往往会出现坯壳凝固收缩不均的现象，造成较大的热应力从而导致纵裂的出现[1—2]。因此在生产中往往要求保护渣有较高的碱度以增强其结晶趋势，减缓结晶器的水平传热，进而减少铸坯的纵向裂纹[3—5]。在实际的连铸过程中，随着高碱度保护渣液渣中晶体的析出，剩余液渣膜的成分和性能会发生变化。特别是在高拉速情况下，会影响连铸的稳定顺行。但关于析晶对液渣膜成分性能的影响，国内外相关研究文献很少，只有Hideko NAKADA在无氟保护渣的研究中做了一些探讨[6]。

由于高碱度保护渣析晶相主要为枪晶石[7]，为了研究方便，本文在探索性实验的基础上，配制了析出矿相仅为枪晶石的传统高碱度保护渣，并且通过模拟计算得到了不同晶体析出量析出后剩余液渣的成分，然后即可通过配制相同成分的渣样模拟剩余液渣。通过对剩余液渣粘度的测定和讨论，得到了析晶后高碱度保护渣粘度的变化规律。随之提出了提高保护渣原始碱度，使用超高碱度保护渣以改善连铸过程中液渣膜粘度特性的研究思路，并对提高碱度后保护渣的粘度特性进行了讨论。

2 试验方法

2．1 高碱度渣系的选择及析晶后成分的确定

实验中用以获取结晶后液渣膜成分的高碱度渣样由探索性实验获得，并用化学纯试剂配制，具体成分见表1。为了验证实验用保护渣的析出矿相，将保护渣熔融冷却后进行XRD分析，XRD衍射图谱见图1。衍射结果表明析出矿相主要为枪晶石。

设定枪晶石的析出量分别为0，20％，40％，60％，对应析出量析出后液渣膜的成分由剔除法获得，详见表2，本文所有碱度均指二元碱度(CaOwt％／SiO2wt％)。

2．2 提高碱度后保护渣成分的确定

实验所用提高碱度后保护渣的配制基于普通包晶钢保护渣，在传统高碱度渣基础上适当提高碱度后用化学纯试剂配制。同时，作为对照也配制了其他成分不变而碱度较低的渣。实验中所用不同碱度保护渣成分见表3。

所有渣样中Na2O与Li2O均以Na2CO3和Li2CO3的形式加入，粘度与粘温曲线用内圆柱体旋转粘度计测定。

3 结果与讨论

本文以1300℃下粘度、粘温曲线等与粘度特性有关的参数及图表作为保护渣粘度特性变化的衡量标准。

3．1 析晶对剩余液渣膜粘度的影响

传统高碱度保护渣以及其析晶后的剩余液渣，在1300℃下粘度(η1300℃)的数值及变化趋势分别见图2与表4。

由图2可知，随着枪晶石的析出，剩余液渣的粘度呈上升趋势。析出量在0～20％时粘度有明显上升，在20％～40％时变化不明显，超过40％时粘度急剧上升。高碱度保护渣在弯月面处开始结晶，液渣膜成分与性能将发生改变。

虽然固渣膜向下移动的速度小于液渣膜，析晶后的剩余液渣与来自缝隙上部的液渣也有一个成分混合缓冲的作用，但是在实际生产过程中由于工艺参数和现场生产情况的波动，某些液渣膜微区成分和性能会由于析晶出现较大波动，从而造成微区液渣膜碱度降低，粘度增大，在高拉速的情况下，因粘度大造成供渣不足，会增加粘结漏钢的频率，影响连铸顺行。

传统高碱度保护渣析晶后剩余液渣碱度降低，液渣膜粘度有所上升，为保证连铸顺行为高拉速创造条件，液渣膜的粘度特性在析晶后须保持在相对稳定的状态。为此，配制了不同原始碱度的保护渣并测定其粘度特性，讨论提高碱度对保护渣粘度特性的影响。

3．2 提高碱度对保护渣粘度特性的影响

在传统高碱度保护渣的基础上，配制不同碱度保护渣，研究提高碱度对保护渣粘度特性的影响。

保护渣在1300℃下粘度随碱度变化情况见表5和图3。

由图3可知，随着碱度的提高，保护渣液渣的粘度明显增大，但当碱度超过1．3时却急剧减小。在实验条件下，随着碱度的增大，可能会促使高熔点的固相微粒在渣中析出，从而使熔渣进入非均相区，粘度增大；当碱度超过1．3之后，由于体系组分比例发生变化，引起组分活度改变，促使固相微粒重新熔解，熔渣的粘度也随之降低，但具体的反应机理仍需进一步研究。

随着碱度的增加，保护渣液渣的粘温曲线特性也会有相应变化，由于碱度超过1．3以后液渣1300℃下粘度明显下降，所以优先选取碱度大于等于1．3的J—8(1．3)、J—9(1．35)和J—10(1．4)渣样的粘温曲线讨论，分析提高碱度条件下液渣粘温曲线的特性，如图4。

由图4可知，当碱度R由1．3提高到1．35时，液渣的总体粘度明显减小，降温过程中粘度的稳定性也显著提高。当碱度继续提高到1．4时，保护渣粘度的高温稳定性与碱度为1．35时的情况区别不大，但当温度降到1235℃以下时，液渣粘度随温度降低而缓慢增加，表现出了玻璃渣的粘温特性，此时保护渣的润滑性能会明显提高。

在包晶钢的连铸过程中，随着晶体(枪晶石)的析出，保护渣液渣的碱度会逐步降低。由于结晶器上部坯壳薄弱，要求在保证坯壳弱冷，不出现纵裂的条件下尽可能改善润滑。在本实验条件下，当碱度为1．4时，保护渣有较好的润滑性能，当碱度为1．35时，对应的保护渣粘温曲线表现出了明显的结晶渣特征，能有效控制传热。由上述可知，在一定范围内提高保护渣碱度，不仅能降低液渣总体粘度，还能使渣子的粘温特性保持在相对稳定的状态，但提高碱度后保护渣的析晶对剩余液渣粘度特性的影响还需进一步研究。

由保护渣析晶引起的液渣膜成分和粘度的变化会使包晶钢的连铸过程变得不稳定，特别是在高拉速条件下。因此提出了提高保护渣原始碱度以减小析晶对液渣膜成分与性能影响的研究思路，在此基础上对提高碱度后的保护渣粘度特性做了讨论，结果证明提高碱度后，保护渣粘度减小，粘温特性稳定。但是需要对提高碱度后保护渣的其他特性进行更进一步的讨论。

4 结论

1)通过探索性试验，找到了析出单一矿相的高碱度保护渣，并且用按比例剔除的方法通过计算得到了不同析晶比例下剩余液渣的成分。

2)随着枪晶石在传统高碱度渣中的析出，剩余液渣的粘度呈增大趋势，特别是在析出量大于40％时尤为明显。

3)在传统高碱度渣的基础上提高碱度后发现：碱度大于1．3时，液渣1300℃下粘度明显减小。对碱度大于等于1．3的保护渣粘度—温度曲线讨论得出，提高碱度后的保护渣总体粘度减小，粘温特性相对稳定，可为高拉速包晶钢板坯连铸保护渣设计提供参考依据。

参 考 文 献：

[1]   迟景灏等．连铸保护渣[M]．第一版．沈阳：东北大学出版社，1992．

[2]   A．Yamauchi．Effect of Solidus Temperature and Crystalline Phase of Mould Flux on Heat Transfer in Continuous Casting Mould[J]．Ironmaking and Steelmaking，2002，29(3)：203．

[3]   J．A．Kromhout，C．Liebske，S．Melzer，A．A．Kamperman and R．Boom．Mould powder investigations for high speed casting[J]．Ironmaking and Steelmaking．2009，36(4)：291．

[4]   李殿明，邵明天，杨宪礼，刁承民．结晶器连铸保护渣应用技术[M]．北京：冶金工业出版社，2008。

[5]   K．C．Mills，A．B．Fox．The Role of Mould Fluxes in Continuous Casting—so Simple yet so Complex[J]．ISIJ International，2003，43(10)：1479．

[6]   Hideko NAKADA and Kazuhiro NAGATA．Crystallization of CaO-SiO2—TiO2 slag as a candidate for fluorine free mold flux[J]．ISIJ International，2006，46(3)：441．

[7]   朱传运，刘承军，史培阳，姜茂发．保护渣成分对结晶矿相的影响[J]．东北大学学报(自然科学版)，2004，25(6)：559．