连铸粘结漏钢成因机理分析探讨

王叶婷1，赵洪强1，国兴龙1，曾智2，孙立根2，张家泉2

(1．大连重工·起重集团公司，辽宁大连116013；2．北京科技大学，北京100083)

摘 要：粘结漏钢是连铸过程中漏钢的主要形式，许多文献都尝试解释结晶器中的粘结现象。本文认为其成因应从整个结晶器包括物质流进出的平衡、拉坯过程中摩擦阻力的变化以及产生粘结的现象等各方面的因素来综合考虑。基于弄清整个结晶器的进出物流平衡来分析粘结形成原因，可为开发有效的漏钢预报系统提供有力的依据。

关 键 词：结晶器；粘结漏钢；漏钢预报；摩擦力

1 前言

连铸坯的质量与生产顺行始终是连铸生产者关注的两大焦点问题。在高效连铸的背景下，围绕这两点开展了大量研究。然而，由于连铸过程的复杂性和随机性，一些问题依然难以完全解决，漏钢就是其一。有报道称一次典型的漏钢事故的损失竞高达20万美元，如果再加上因漏钢导致的生产停滞以及前后铸坯质量的影响，其损失可能是不可估量的[1]。因此，要开发出有效的漏钢预报系统避免漏钢的发生，正确了解漏钢的产生机理是必需的前提。

漏钢按产生的原因可分为四大类，分别是由传热不足引起的漏钢、粘结漏钢、缺陷漏钢和操作失误引起的漏钢，具体划分见图1。其中粘结漏钢是漏钢的主要形式，在规范操作条件下，粘结漏钢可占漏钢总数的90％以上[2]，因此最初开发出的漏钢预报系统大多针对漏钢的粘结行为，成为名副其实的粘钢预报。

2 结晶器物流状态分析

由于粘结生成于结晶器这个黑匣子之中，关于粘结的成因暂时只能通过推理得到。本文从结晶器的物流平衡状态以及从能量角度考虑的物流平衡状态出发展开推理。

首先从图2我们可以得知从物流平衡角度考虑，从结晶器上口进入的物质有结晶器保护渣、钢液(其中包含钢液中的夹杂物)以及随钢液卷入结晶器的大包渣和中包渣，而从结晶器流出的物质有连铸坯和固态的保护渣皮(包括上口捞出的渣圈和下口位于结晶器铜板和铸坯之间的渣皮)。由此可知，在考虑钢液中的部分夹杂物以及随钢液卷入的大包渣和中包渣上浮进入液态结晶器保护渣的条件下，进入结晶器的三种物质会有两种走向：一是含有部分夹杂物的铸坯；二是形成固态的保护渣皮。

以上是单纯考虑进出结晶器物质的守恒的结果。与此同时结晶器内发生着更为复杂的能量的传递，如图3所示。如果从能量角度考虑结晶器物流平衡，则进入结晶器的物质可以分为冷态结晶器保护渣、高温液体(包括高温的钢液，钢液中夹杂物和卷入的大包渣、中包渣)及通过结晶器铜板换热的低温冷却水。而出结晶器的物质相应变为高温的连铸坯壳、坯壳内的高温液体(包含未析出的夹杂物)、高温的固态保护渣皮以及通过铜板带走热量的相对高温的冷却水。

3 粘结漏钢的成因分析

此前有许多冶金学者对粘结漏钢的成因作出了分析，如：新日铁[3]认为粘结主要是由于在弯月面区的熔融钢水存在较强的碳以及合金元素的富集(因此会降低熔点)，阻止了坯壳的生长及负滑脱阶段坯壳的修复导致漏钢；UBC大学的Mimura[4]认为结晶器液面的上升加速黏结的形成，此外还有很多其他的见解，并且都有其合理之处。以下是一个粘结坯壳的实例。图4(A)、4(B)分别是粘结坯壳被切割开后不同段的实物形貌图；作为比较，图5是正常坯壳的形貌图，从中可以看出二者的巨大区别。

与正常铸坯图5相比，图4中坯壳得到的破坏是毁灭性的。特别是图4(A)，如果单拿出来根本无法确定是漏钢后的坯壳。但仔细观察图4(A)可以看到在粘结坯壳的周围有大量的颗粒物存在，而且颗粒物的形貌相近，基本可以确定是同一类物质。通常我们看到的正常铸坯如图5所示四周光洁。在钢水质量相差不大的情况下，与漏钢坯壳相比不难发现，漏钢坯壳中多了很多本不属于钢水的物质，从守恒的观点来看这些物质的来源只可能是保护渣。

保护渣的来源一是大包钢水注入速度变化导致中包液面波动，钢液卷渣进入结晶器；二是结晶器保护渣由于结晶器内的扰动进入；三就是钢液中的夹杂物被结晶器保护渣吸收，形成了新的物质，如保护渣对氧化铝的捕捉吸收。

在理想的稳态条件下是不会产生漏钢的，因此产生粘结漏钢是因为一些条件改变的极端结果。钢液特别是高碳钢、合金钢中含有很多易富集元素，如碳，镍等，还有一些会使保护渣变性的物质，如：铝、硅的氧化物等。当钢液注入结晶器后，由于在弯月面处温度急剧下降，就会有一部分易富集元素首先析出，并成为铸坯凝固的凝结核，如果不发生过分的扰动，也不发生钢液内部元素由于析出进入保护渣，则铸坯会顺利的向下运行。但在浇注过程中过大的扰动下，就会使保护渣与钢液的局部发生互混，钢液中易富集元素和易使保护渣变性的元素与保护渣元素相互发生物理化学作用，这样就会在弯月面区域遇强冷的条件下在即将凝固的坯壳表层内冷却粘度很大的渣钢混合态。由于部分结晶器保护渣与钢液混合使得其厚度大大减薄，不能充分发挥其在铸坯与结晶器之间的润滑作用，当渣膜的厚度减薄到一定程度时，这种混合态的渣钢就会与与结晶器壁相接触，紧接着因表面发生骤冷而粘在结晶器铜板上。

铸坯之所以能够在铸机上运行顺利运行，除了必不可少的拉坯力外，结晶器的振动起着非常关键的作用。结晶器在一个振动周期内，按其与铸坯的相对运动可以分为正滑脱阶段和负滑脱阶段。结晶器内部铸坯与铜板之间最重要的力—摩擦力正是由这一相对运动的速度和渣膜的厚度决定的，如式(1)[5]所示：

fL=η(vm－vc)／dL    (1)

式中vm—结晶器的拉速，m／min；

vc—拉坯速度，m／min；

η—液态保护渣膜的粘度，Pa·s；

dL—液态保护渣膜的厚度，m。

由(1)式可知，一方面当液态保护渣膜厚度一定的时候，正滑脱阶段由于其相对速度较大，因此其承受的拉坯阻力就大，这也是负滑脱阶段坯壳易于恢复的原因；另一方面，如前所述发生粘结的时候渣膜的厚度大大减薄，甚至粘在铜板之上，这样就使得摩擦力即拉坯阻力空前的大，特别是正滑脱的时候。当拉坯阻力大于坯壳的强度时，在拉坯力与摩擦力的相互作用下坯壳就会被拉破。

坯壳破裂后钢水在钢水静压力的作用下迅速进入裂口，与结晶器铜板接触，并在强冷的作用下迅速收缩形成新的坯壳。但由于上面的粘结部分挡住了保护渣的注入而且形成气隙，所以在坯壳收缩以后热通量大大减少，坯壳生长变缓，在下一个周期的正滑脱阶段中由于强度不够而再次被拉断，如果不采取措施则这样的行为会周而复始，直到坯壳出结晶器发生漏钢为止。

粘结形成以后，最初形成的粘结点位置向下移动的距离有限，这是因为只有当粘结区域下部的坯壳有足够的强度承受摩擦阻力时才能够把粘结点拉开。在粘结点区域的上方有不断注入的钢液，而与粘结点接触的铜板区域始终有快速的冷却，这就使得粘结点附近的传热绝对量接近稳定态，也就是说其将维持其粘结的状态。但如果在发现粘结以后立即停止拉坯或是降低拉坯速度就会打破这一稳定，使粘结点处坯壳有足够其形成必要强度以及收缩并使其与结晶器壁分开的冷却强度(热传导量)，再加上此过程中粘结点下部的坯壳冷却量增大，进而坯壳强度增大，这样粘结漏钢事故就得以避免。

当漏钢预报系统发现粘结并成功采取相应措施后会发现，拉出的坯壳会有很长一段的不规则凹陷，凹陷区域的长度远大于结晶器的长度。这也证明本机理推测的合理性。如果粘结点向下移动，则凹陷坯壳的长度不应远大于结晶器长度，而当粘结点不动时，凹陷的长度在一定程度上决定于粘结点处坯壳形成足够强度与结晶器铜板分离的时间，与结晶器长度的关系减少；另外产生不规则凹陷的原因是局部冷却不均，本机理正好能解释这一现象。

4 结语

粘结漏钢是漏钢事故中最主要的形式，分析可知，如果在一定的时间内发现粘结并采取相应的措施(停浇或降低拉速)是完全可以避免粘结漏钢的。粘结以及其他任何形式的漏钢都是连铸生产过程中的重大事故，除了规范化操作外，认清漏钢发生机制才能开发出或应用好有效的漏钢预报技术。在今后不断的研究中，通过深化对各种漏钢机理的认识，才能真正实现“零”漏钢。

参 考 文 献：

[1]   W．H．Emling and S．Dawson，“Mold Instrumentation for Breakout Prevention and Control，”ISS Steelmaking Conf．Proc．(1991)，161～181．

[2]   马学忠．板坯连铸机粘结漏钢与结晶器保护渣的关系[J]炼钢，1996(2)：7—10．

[3]   Nakato，S．Omiya，Y．Habu，T．Emi，K．Hamagami and T．Koshikawa，“Optimizing Mold Lubrication for High—Speed Continuous Casting of Slabs．”J．of Metals(March1984)．44—49．

[4]   Anon．“Adjustable Mold and Mold Oscillator”，Gladwin Corporation Technical Brochure(1984)．

[5]   李宪奎，张德明．连铸结晶器振动技术[M]．北京：冶金工业出版社，2000．