摘要：结合邯钢CSP生产实践，通过现场试验研究了结晶器保护渣渣膜结构与结晶器热流密度和铸坯表面纵裂发生率之间的关系，结果表明，对CSP浇铸中碳钢，渣膜结晶率控制在40%，结晶器宽面热流控制在2．05×10⁶w／m²，可使纵裂发生率减少约一半。

关键词：渣膜；结晶器热流；表面纵裂

邯郸钢铁集团公司(以下简称邯钢)于1999年引进德国西马克(SMS)CSP薄板坯连铸连轧生产线，率先在国内进行钢铁短流程生产，目前已拥有两条CSP薄板坯生产线，年生产能力约280万t，产品以中碳钢SS400、Q345A(B)为主。由于薄板坯连铸的特点，CSP在发挥其优势的同时，铸坯表面纵裂已成为产品的主要缺陷之一，特别是裂纹敏感的中碳钢极易产生表面纵裂。邯钢CSP生产线在生产初期热轧卷板中含表面纵裂缺陷的每年约在1．8万t左右，2004年也达到1．2万t，纵裂发生率达到0．43％，给厂家带来严重损失，因此解决薄板坯产品的表面纵裂缺陷是发挥CSP薄板坯生产线优势，提高经济效益的关键.

    研究发现，结晶器热流密度与铸坯表面纵裂产生存在一定的关系，而结晶器用保护渣渣膜结构对结晶器热流密度有重要影响。本文通过现场试验研究了结晶器热流对薄板坯表面纵裂的影响以及保护渣渣膜结构与结晶器热流值之间的关系，针对邯钢实际生产情况，提出合理的结晶器热流密度值和渣膜结构，可将邯钢CSP薄板坯表面纵裂发生率由目前的0．4％降低至0．2％左右。

1  结晶器保护渣试验

1．1  试验条件

  针对中碳钢SS400纵裂发生率较高的现象，于2005年2月在邯钢连铸连轧厂1号连铸机上使用了3种保护渣进行试验，使用的保护渣型号分别为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，试验钢种为中碳钢SS400，铸坯断面尺寸为1 500 mm×70 mm。

    试验分两个阶段进行，在第一阶段将3种类型保护渣分别进行3个浇次的试验，考察保护渣渣膜结构对结晶器热流密度值和铸坯表面纵裂的影响，在此基础上又进行了第二阶段的对比试验。

    第一阶段，将每种型号保护渣分别进行1个浇次的试验，每个浇次连浇17炉，拉速为3．7m／min，中间包温度为1 547～1 549℃；

    第二阶段，在同一浇次中分阶段使用Ⅰ型和Ⅱ型保护渣，进行对比试验。浇次一开始，首先使用I型渣，浇注6炉后换为Ⅱ型渣继续进行试验，浇铸到第14炉由于热流居高不下，重新使用I型渣直到本浇次结束。试验拉速为4．0 m／min，中间包温度为1 545～1 547℃。

1．2试验方法和结果

    利用更换中包时，结晶器中液面下降，渣膜暴露的时机取得试验渣样的渣膜，测定渣膜厚度及其玻璃体层和结晶体层的厚度，计算渣膜的结晶率。3种保护渣渣膜结构及特征如表1所示：

    通过铸机本身具备的结晶器冷却水流量和水温数据采集记录功能，记录各试验阶段结晶器宽面的冷却水量、出人口水温差、拉速、铸坯断面尺寸和中间包钢水温度等，根据传热公式计算结晶器宽面平均热流值。与两个试验阶段对应的结晶器热流密度值如表2和图1所示：

2试验结果分析

2．1  渣膜结构对结晶器热流的影响

    连铸结晶器用保护渣具有的两项重要冶金功能是“润滑”和“控制传热”，这些功能是依靠保护渣流入结晶器壁与坯壳间隙内形成的渣膜来实现的。渣膜在厚度方向上一般呈两层结构，分别为结晶体层和玻璃体层，结晶体层中固体质点振动范围较小，热阻相对较大，传热系数小，相应使结晶器铜板热流值较小；玻璃体层中组分质点是无序排列的，振动范围较大，热阻较小，传热系数大，相应使结晶器铜板热流值较大。所以渣膜结构不同，保护渣的控制传热效应就不同，对应结晶器铜板热流值也就不同。

    从第一阶段试验结果可以看出，I型渣和Ⅱ型渣渣膜厚度相同，均为0．8 mm，但它们在控制传热上的表现却有很大差异，使用Ⅱ型渣相应的结晶器热流密度(2．25×10⁶W／m²)比I型渣(2．05×10⁶W／m²)大许多。这是因为Ⅰ型渣和Ⅱ型渣的结晶率不同(分别为40％和13 %)，对应渣膜中玻璃体层和结晶体层的厚度也不相同，I型渣的传热热阻比Ⅱ型渣大所造成的。这证明了保护渣结晶率越高，结晶体层越厚，对应结晶器热流密度越小。

  另外，第一阶段试验结果还发现，工型渣和Ⅲ型渣结晶率相近(分别为40 %和36％)，但对应结晶器热流密度却相差很大，工型渣为2．05×10⁶W／m²，Ⅲ型渣的为1．8×10⁶W／m²。这是因为二者渣膜厚度不同所造成的，Ⅰ型渣渣膜厚度为0．8mm，Ⅲ型渣渣膜厚度为1．1 mm。比较铸坯、结晶器和渣膜的导热性可知，渣膜的导热能力最差，所以渣膜越厚，传热阻力越大，对应结晶器热流密度越小。

    在第二阶段的试验中，我们也看到了同样的结果。从图1可以看出，使用I型渣的结晶器宽面热流密度值为2．3×10⁶W／m²左右，使用Ⅱ型渣的结晶器宽面热流密度值为2．6×10⁶W／m²左右，可见在同一浇次中，在保持其他工艺条件不变的情况下，使用结晶率较高的I型渣的结晶器热流密度比使用结晶率低的Ⅱ型渣更低。

2．2  结晶器热流与铸坯表面纵裂的关系

       对于薄板坯连铸来说，在结晶器内，连铸坯坯壳与结晶器壁间存在较大的温度梯度，特别是在拉速较大、坯壳较薄的情况下温度梯度更大，而温度梯度会导致坯壳产生热应力，温度梯度越大，产生的热应力越大。从坯壳产生表面纵裂的机理来看，当坯壳承受的应力超过其临界应力时，坯壳会发生应变，引起裂纹的产生，这是发生表面裂纹的根本原因。而结晶器热流密度是连铸坯壳与结晶器壁间温度梯度的直接反应，结晶器热流密度值越大，对应的温度梯度值就越大，铸坯承受的热应力就越大，裂纹发生率就越高。

      对于裂纹敏感的中碳钢连铸来说，对结晶器热流密度值有更严格的要求。日本住友金属公司经过大量实验发现，为了防止板坯产生表面纵裂纹，需控制结晶器铜板的热流密度在临界热流密度以下，低碳钢(ω(C)=0．04％～0．06 %)和中碳钢(ω(C)=0．14％～0．17％)临界热流密度分别为3．0×10⁶W／m²、2．0×10⁶W／m²。目前，邯钢CSP结晶器宽面热流密度为(2．0～2．7)×10⁶W／m²，窄面热流密度为(1．5～1．9)×10⁶w／m²。生产低碳钢时，热流密度控制在3．0×10⁶W／m²以下没有问题，纵裂发生率也较低。但如果生产ω(C)=0．15％～0．22％的钢种，很难保证结晶器铜板宽面热流密度小于2．0×10⁶W／m²。

    第一阶段的试验结晶器热流密度与铸坯表面纵裂情况如表3所示。

    从表3可以看出，使用Ⅲ型渣的结晶器热流密度最小，整个浇次没有发生一卷纵裂；使用Ⅱ型渣热流密度最大，整个浇次中出现4卷纵裂，纵裂率达1％；使用I型渣结晶器热流密度值和纵裂率都介于Ⅲ型渣和Ⅱ型渣之间，可见结晶器热流密度越大时，铸坯表面纵裂发生率就越高。同样在第二阶段试验过程中，使用结晶器热流平均值较低的工型渣，就没有纵裂发生，而使用Ⅱ型保护渣时，结晶器热流密度值居高不下，平均达到2．6×10⁶w／m²左右，超出了正常范围，试验6炉后应厂方要求随即停止了试验，可见不能使用使结晶器热流值过高的保护渣。因此，第二阶段的对比试验进一步印证了保护渣对结晶器热流密度和铸坯表面纵裂有较大的影响，为减少铸坯表面纵裂，特别是对裂纹敏感的钢种，必须保证保护渣有足够的结晶率，以降低结晶器热流值和纵裂发生率。

2．3  结晶器热流对漏钢的影响

    需要注意的是，在试验过程中并没有在一个完整的浇次使用Ⅲ型渣，当浇铸到第14炉时出现漏钢事故，试验被迫终止，由此可见，结晶器热流密度并非越低越好。这是因为薄板坯连铸的高拉速特征对保护渣的两项主要冶金功能“润滑”和“控制传热”都提出了更高的要求。一方面，高拉速要求保护渣润滑效果必须要好，否则容易发生漏钢事故，这就要求保护渣渣膜中要有一定厚度的玻璃层；另一方面，如前所述，高拉速带来的结晶器高热流密度值和相应的表面纵裂现象又要求渣膜结晶率要比较高、结晶层比较厚。所以在保护渣及渣膜结构的选择上必须兼顾以上两方面的要求。

    综上所述，使用工型保护渣，由于其渣膜结构合理，结晶率合适，结晶器热流密度值适中，在防止漏钢和降低纵裂发生率方面均表现出不错的效果，整个试验过程没有漏钢发生，纵裂发生率较低，为0．2％，比实际生产中的0．4％降低一半左右。

    必须指出，保护渣的熔化结构和渣膜结构的形成过程是非常复杂的，在浇注过程中也是动态变化的，与保护渣的理化参数、所浇铸的钢种、浇铸温度、结晶器的结构和振动形式、铸坯断面尺寸、拉坯速度等因素有关。

3  结  论

    (1)目前邯钢薄板坯连铸生产的主要问题是结晶器热流密度高和纵裂发生率高；

    (2)保护渣渣膜结构和结晶率对结晶器热流密度和薄板坯表面纵裂发生率影响较大；

    (3)薄板坯连铸中碳钢用保护渣将其结晶率控制在40％左右，结晶器热流密度值控制在2．05×10⁶W／m²左右(拉速为3．7 m／min时)纵裂发生率比实际生产情况减少一半左右；

    (4)薄板坯连铸的高拉速特点对保护渣的“润滑”和“控制传热”功能均提出了更高要求，在保护渣的选择上必须兼顾以上两个功能。