宽厚板包晶钢的保护渣

第31卷第6期 北京科技大学学报 Vol.31 No.6 2009年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2009 宽厚板包晶钢的保护渣 巴钧涛)文光华)唐萍)赵艳红)迟景灏)职建军2) 徐国栋2) 1)重庆大学材料科学与工程学院，重庆4000442)宝山钢铁股份有限公司炼钢部，上海201900 摘要针对包晶钢的凝固特性，研发了高碱度、高结晶速率、低结晶温度及低热流密度保护渣，并在宝钢3“连铸机上进行了 试验研究，现场试验四个浇次的结果表明，使用改进渣的试验流铸坯无纵裂发生，而使用原渣的对比流铸坯裂纹率达到5% 优化保护渣有效防止了铸坯表面纵裂的发生 关键词保护渣：渣膜：表面纵裂：热流密度：结晶速率：结晶温度 分类号TF777.1 Mold fluxes of peritectic steel for wide and thick slabs BA Jurrtao,WEN Guang hua,TANG Ping,ZHAO Yarr hong,CHI Jing hao,ZHI Jiarrjun?,XU Guo dong? 1)College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)Steelmaking Department,Baoshan Iron and Steel Co.Ltd.,Shanghai 201900,China ABSTRACI According to the solidified characteristic of peritectic steel for wide and thick slabs,mold fluxes with high basicity, high crystallization rate,low crystallization temperature and low heat flux density were developed and experimentally studied on 3 Caster at BaoSteel.The trial results of 4 casting times showed that experimental strands produced with the developed mold fluxes had not surface longitudinal cracks,but the surface longitudinal crack ratio of strands produced with original mold fluxes was 5%.The developed mold fluxes can prevent surface longitudinal cracks in wide and thick slabs effectively. KEY WORDS mold fluxes;slag film;surface longitudinal crack;heat flux density;crystallization rate;crystallization temperature 连铸过程中，保护渣性能的好坏对保证工艺的 制铸坯传往结晶器的热流，希望保护渣具有较大热 顺行和提高铸坯质量起着极其重要的作用，被视为阻，但同时要保证润滑.通过现场调研和实验室研 连铸关键技术之一山.铸坯随着宽度增加，受到的 究，宝钢宽厚板包晶钢原渣控制传热能力欠佳是造 拉应力不断增大，且宽板坯中心点与侧边处的温差 成表面纵裂的重要原因.为了解决宝钢宽厚板表面 会比普通板坯的高，产生的收缩应力和热应力容易 纵裂问题，本文对其原渣从热流密度、结晶温度和结 在中心集中，从而较普通板坯更容易产生表面纵裂 晶速率等方面进行了优化. 纹2.另外，碳质量分数处于0.08%~0.17%的钢 1研究方法 种，在凝固过程中会发生8+液相反应，产生强 烈的线收缩和体积收缩，因此裂纹敏感性大.在宝 1.1实验装置及原理 钢浇注的包晶钢中，[C]处于0.09%~0.14%包晶 Ohmiyal4)、Yamauchil5]、成泽伟6]及张平I等 反应强烈区，且含有较高MnV和Nb等强度元素； 采用相同原理的一维稳态平板法，测定了渣膜上、下 铸坯断面大，最大厚度为300mm,宽度为2300mm. 板内的温度，外推到上、下板表面温度，计算出综合 因此，在包晶反应较大的体积收缩和线收缩条件下， 有效传热系数.该方法操作复杂，并且只能测定稳 很容易引起热应力裂纹)，经统计，纵裂率高达 态下的渣膜导热系数；而实验中保证一维稳态传热 17.4%.对于此类钢种，保护渣设计的重点是在控 困难，测量精度要求很高，也不能获取固态渣膜.本 收稿日期：2008-07-07 基金项目：重庆市科委自然科学基金计划资助项目(No.CSTC/2008BB4036):宝山钢铁股份有限公司资助项目(No.4207520070397) 作者简介：巴钧涛(1982→，男，硕士研究生；文光华(1963→，男，教授，博士生导师，Email:wengh@cqu.edu.cn

宽厚板包晶钢的保护渣 巴钧涛1) 文光华1) 唐 萍1) 赵艳红1) 迟景灏1) 职建军2) 徐国栋2) 1) 重庆大学材料科学与工程学院 , 重庆 400044 2) 宝山钢铁股份有限公司炼钢部 , 上海 201900 摘 要 针对包晶钢的凝固特性 ,研发了高碱度、高结晶速率、低结晶温度及低热流密度保护渣 ,并在宝钢 3 # 连铸机上进行了 试验研究 1 现场试验四个浇次的结果表明 ,使用改进渣的试验流铸坯无纵裂发生 ,而使用原渣的对比流铸坯裂纹率达到 5 %. 优化保护渣有效防止了铸坯表面纵裂的发生. 关键词 保护渣 ; 渣膜 ; 表面纵裂 ; 热流密度 ; 结晶速率 ; 结晶温度 分类号 TF 77711 Mold fluxes of peritectic steel for wide and thick slabs BA J un2tao 1) , W EN Guang2hua 1) , TA N G Ping 1) , ZHA O Yan2hong 1) , CHI Jing2hao 1) , ZHI Jian2jun 2) , XU Guo2dong 2) 1) College of Materials Science and Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044 , China 2) Steelmaking Department , Baoshan Iron and Steel Co. Ltd. , Shanghai 201900 , China ABSTRACT According to the solidified characteristic of peritectic steel for wide and thick slabs , mold fluxes with high basicity , high crystallization rate , low crystallization temperature and low heat flux density were developed and experimentally studied on 3 # Caster at BaoSteel. The trial results of 4 casting times showed that experimental strands produced with the developed mold fluxes had not surface longitudinal cracks , but the surface longitudinal crack ratio of strands produced with original mold fluxes was 5 %. The developed mold fluxes can prevent surface longitudinal cracks in wide and thick slabs effectively. KEY WORDS mold fluxes; slag film ; surface longitudinal crack ; heat flux density ; crystallization rate ; crystallization temperature 收稿日期: 2008207207 基金项目 : 重庆市科委自然科学基金计划资助项目(No. CSTC/ 2008BB4036) ;宝山钢铁股份有限公司资助项目(No. 4207520070397) 作者简介 : 巴钧涛(1982 —) ,男 ,硕士研究生 ;文光华(1963 —) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,E2mail :wengh @cqu. edu. cn 连铸过程中 ,保护渣性能的好坏对保证工艺的 顺行和提高铸坯质量起着极其重要的作用 ,被视为 连铸关键技术之一[1 ] . 铸坯随着宽度增加 ,受到的 拉应力不断增大 ,且宽板坯中心点与侧边处的温差 会比普通板坯的高 ,产生的收缩应力和热应力容易 在中心集中 ,从而较普通板坯更容易产生表面纵裂 纹[2 ] . 另外 ,碳质量分数处于 0108 %～0117 %的钢 种 ,在凝固过程中会发生δ+ 液相 →γ反应 ,产生强 烈的线收缩和体积收缩 ,因此裂纹敏感性大. 在宝 钢浇注的包晶钢中 ,[ C]处于 0109 %～0114 %包晶 反应强烈区 ,且含有较高 Mn、V 和 Nb 等强度元素 ; 铸坯断面大 ,最大厚度为 300 mm ,宽度为 2 300 mm. 因此 ,在包晶反应较大的体积收缩和线收缩条件下 , 很容易引起热应力裂纹[3 ] ,经统计 ,纵裂率高达 1714 %. 对于此类钢种 ,保护渣设计的重点是在控 制铸坯传往结晶器的热流 ,希望保护渣具有较大热 阻 ,但同时要保证润滑. 通过现场调研和实验室研 究 ,宝钢宽厚板包晶钢原渣控制传热能力欠佳是造 成表面纵裂的重要原因. 为了解决宝钢宽厚板表面 纵裂问题 ,本文对其原渣从热流密度、结晶温度和结 晶速率等方面进行了优化. 1 研究方法 111 实验装置及原理 Ohmiya [4 ]、Yamauchi [5 ] 、成泽伟[6 ]及张平[7 ]等 采用相同原理的一维稳态平板法 ,测定了渣膜上、下 板内的温度 ,外推到上、下板表面温度 ,计算出综合 有效传热系数. 该方法操作复杂 ,并且只能测定稳 态下的渣膜导热系数 ;而实验中保证一维稳态传热 困难 ,测量精度要求很高 ,也不能获取固态渣膜. 本 第 31 卷 第 6 期 2009 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol. 31 No. 6 Jun. 2009

第6期 巴钧涛等：宽厚板包晶钢的保护渣 ·697· 文利用实验室自制渣膜热流模拟仪HF-200,测试 液渣的传热能力小于低碳钢和高碳钢保护渣，且渣 保护渣热流密度.该装置用水冷传感器模拟结晶 膜在冷却过程中的凝固收缩快，这与渣膜的结晶以 器，浸入1400C液渣，通过采集进出水温差，经程序 及组织结构的变化有关 计算后便可得到保护渣热流密度，所测热流密度包 从图2可以看出，在实验室模拟的固体渣膜形 括了传导传热和辐射传热，反映了液渣、固态渣膜及 成过程中，进出水温差变化存在三个明显阶段.0 C山渣界面整个传热过程，较为真实地模拟了实际 1时间段是探头浸入液渣，水温差急剧增加，此时 结晶器中保护渣的传热行为.实验装置如图1所 的状态为非稳态导热过程中的初始状况阶段，液渣 示，进出水温差随传感器浸入时间关系如图2所示. 的热量不断向水传递，该阶段的温度一部分受不稳 态导热规律控制，另一部分受水温的初始温度影响， 进水温度 出水温度 时刻11对应的进出水温差△T,是温差-时间关系 图中最高的温度，它表示了传感器浸入液态保护渣 MoSi,炉 铜传感器 中，固态渣膜形成初期阶段，主要体现为液渣的传热 高铝炉管 能力，用该阶段的传热来表征结晶器弯月面处的传 固态渣膜 液渣 热，1~1=45s是非稳态导热过程中的正规状况阶 段，初始温度的影响已经消失，主要受不稳态导热规 石墨坩埚 律控制，水温差减小很快是与渣膜厚度增加并伴随 热电偶 着渣膜凝固收缩导致气隙的形成有关，用该阶段的 传热情况来表征结晶器中上部的渣膜传热，1=45s 图1实验装置 以后固态渣膜与探头之间的气隙己稳定形成，渣膜 Fig.I Experimental apparatus 的传热主要体现为回热结晶和由于炉温降低引起的 渣膜厚度逐渐增厚.通过大量实验，传感器浸入时 12 间45s左右后，水温差变化幅度在0.1~0.3℃，变 10 化较小，且45s获得的渣膜厚度为1~5mm,与现场 8 取得的渣膜厚度一致，同时浸入时间45s的固体渣 膜结构也与现场实际渣膜结构相似，因此用1~45s 之间的平均值来表示某种渣传热能力的大小是可 1-45s 行的 20 40 60 80 100 结晶温度是热丝法在10℃min1冷却速度下 浸人时间s 测定的，结晶孕育时间是热丝法等温实验晶体开始 图2进出水温差与浸入时间关系 析出的最小时间，具体方法见文献[8]；熔点是指用 Fig.2 Relationship between temperature difference and immersion 保护渣熔化性能测试仪测定的半球点温度，黏度用 time 旋转黏度计在1300℃下进行测试 1.2实验方案 经过大量实验发现，实验室模拟测试的热流密 本文针对宝钢宽厚板包晶钢实际浇注条件，在 度与Savage在静止水冷结晶器内测定的热流与钢 原渣基础上提出了降低热流密度、降低熔点、提高黏 水停留时间关系相似，也服从以下关系式： 度及保证相同消耗量的设计原则.从传统理论来 g=a-b t (1) 看控制传热就意味着要适当地提高保护渣凝固温 其中，q为瞬时渣膜平均热流密度，MWm2,1为 度，增加固体渣膜厚度，缩小液渣膜厚度，这势必影 传感器浸入时间（从1开始），s;a为最大热流密 响润滑效果.针对上述问题，本文提出了一种新的 度，MWm2,表示液渣的传热能力；b为渣膜凝固 保护渣设计思路，如图3所示.优化配方主要体现 系数，MWm2s2,表示固体渣膜生长厚度、组 在低结晶温度和高结晶速率两个特点.快速结晶可 织结构变化以及固体渣膜与结晶器壁接触程度（界 以促使弯月面处固态渣膜由薄变厚，低结晶温度可 面热阻)大小的物理量.大量研究发现：包晶钢保护 使液渣膜在结晶器出口处由薄变厚，这样就可以使 渣a=0.71.1,b=0.06~0.12;低碳钢和高碳钢 固态渣膜和液态渣膜在整个结晶器高度方向上变得 a=0.9~1.2,b=0.05~0.08.说明包晶钢保护渣 更为均匀，既控制了弯月面处的传热，又保证了润

文利用实验室自制渣膜热流模拟仪 HF- 200 ,测试 保护渣热流密度. 该装置用水冷传感器模拟结晶 器 ,浸入 1 400 ℃液渣 ,通过采集进出水温差 ,经程序 计算后便可得到保护渣热流密度 ,所测热流密度包 括了传导传热和辐射传热 ,反映了液渣、固态渣膜及 Cu/ 渣界面整个传热过程 ,较为真实地模拟了实际 结晶器中保护渣的传热行为. 实验装置如图 1 所 示 ,进出水温差随传感器浸入时间关系如图 2 所示. 图 1 实验装置 Fig. 1 Experimental apparatus 图 2 进出水温差与浸入时间关系 Fig. 2 Relationship between temperature difference and immersion time 经过大量实验发现 ,实验室模拟测试的热流密 度与 Savage 在静止水冷结晶器内测定的热流与钢 水停留时间关系相似 ,也服从以下关系式 : q = a - b t (1) 其中 , q 为瞬时渣膜平均热流密度 ,MW·m - 2 ; t 为 传感器浸入时间 (从 t1 开始) ,s; a 为最大热流密 度 , MW·m - 2 ,表示液渣的传热能力 ; b 为渣膜凝固 系数 ,MW·m - 2·s - 1/ 2 ,表示固体渣膜生长厚度、组 织结构变化以及固体渣膜与结晶器壁接触程度 (界 面热阻) 大小的物理量. 大量研究发现 :包晶钢保护 渣 a = 017～111 , b = 0106～0112 ;低碳钢和高碳钢 a = 019～112 , b = 0105～0108. 说明包晶钢保护渣 液渣的传热能力小于低碳钢和高碳钢保护渣 ,且渣 膜在冷却过程中的凝固收缩快 ,这与渣膜的结晶以 及组织结构的变化有关. 从图 2 可以看出 ,在实验室模拟的固体渣膜形 成过程中 ,进出水温差变化存在三个明显阶段. 0～ t1 时间段是探头浸入液渣 ,水温差急剧增加 ,此时 的状态为非稳态导热过程中的初始状况阶段 ,液渣 的热量不断向水传递 ,该阶段的温度一部分受不稳 态导热规律控制 ,另一部分受水温的初始温度影响 , 时刻 t1 对应的进出水温差Δ T1 是温差- 时间关系 图中最高的温度 ,它表示了传感器浸入液态保护渣 中 ,固态渣膜形成初期阶段 ,主要体现为液渣的传热 能力 ,用该阶段的传热来表征结晶器弯月面处的传 热 ; t1～ t = 45 s 是非稳态导热过程中的正规状况阶 段 ,初始温度的影响已经消失 ,主要受不稳态导热规 律控制 ,水温差减小很快是与渣膜厚度增加并伴随 着渣膜凝固收缩导致气隙的形成有关 ,用该阶段的 传热情况来表征结晶器中上部的渣膜传热 ; t = 45 s 以后固态渣膜与探头之间的气隙已稳定形成 ,渣膜 的传热主要体现为回热结晶和由于炉温降低引起的 渣膜厚度逐渐增厚. 通过大量实验 ,传感器浸入时 间 45 s 左右后 ,水温差变化幅度在 011～013 ℃,变 化较小 ,且 45 s 获得的渣膜厚度为 1～5 mm ,与现场 取得的渣膜厚度一致 ,同时浸入时间 45 s 的固体渣 膜结构也与现场实际渣膜结构相似 ,因此用 t1～45 s 之间的平均值来表示某种渣传热能力的大小是可 行的. 结晶温度是热丝法在 10 ℃·min - 1冷却速度下 测定的 ,结晶孕育时间是热丝法等温实验晶体开始 析出的最小时间 ,具体方法见文献[ 8 ] ;熔点是指用 保护渣熔化性能测试仪测定的半球点温度 ,黏度用 旋转黏度计在 1 300 ℃下进行测试. 112 实验方案 本文针对宝钢宽厚板包晶钢实际浇注条件 ,在 原渣基础上提出了降低热流密度、降低熔点、提高黏 度及保证相同消耗量的设计原则. 从传统理论来 看 ,控制传热就意味着要适当地提高保护渣凝固温 度 ,增加固体渣膜厚度 ,缩小液渣膜厚度 ,这势必影 响润滑效果. 针对上述问题 ,本文提出了一种新的 保护渣设计思路 ,如图 3 所示. 优化配方主要体现 在低结晶温度和高结晶速率两个特点. 快速结晶可 以促使弯月面处固态渣膜由薄变厚 ,低结晶温度可 使液渣膜在结晶器出口处由薄变厚 ,这样就可以使 固态渣膜和液态渣膜在整个结晶器高度方向上变得 更为均匀 ,既控制了弯月面处的传热 ,又保证了润 第 6 期 巴钧涛等 : 宽厚板包晶钢的保护渣 ·697 ·

·698· 北京科技大学学报 第31卷 滑.具体方案是采用高L20和高碱度，保证在高碱 液渣膜 液渣膜 度下能在弯月面处快速析晶 弯月面区域 1.3实验结果与讨论 (结品速率慢) 表1和表2分别给出了原渣和改进渣的化学成 (结品速率快) 分及物理性能（化学成分为宝钢按其检测标准分析 结品器 结 凝固坏 所得).表1中的碱度R=CaO/SiO2,其中Ca0包 器 固坯壳 含了CaF2中的钙.表2中10s渣膜厚度为传感器 厚（结晶温度高） 浸入10s时制取的渣膜厚度，代表结晶器弯月面处 渣膜厚度 薄（结晶温度低）一 从表2可以看出，改进渣的性能均达到了方案 闲态渣膜 周态清膜 设计要求，最大热流密度和平均热流密度分别较原 渣降低了6.4%和8.4%；同时，结晶温度降低了 图3传统渣(a)和本次实验优化目标渣膜(b)结构示意图 95℃，孕育时间缩短了9s,理论上很好地解决了传 Fig.3 Schematic of conventional (a)and improved mold fluxes (b) 表1原渣和改进渣的成分 Table 1 Components of original and improved mold fluxes 质量分数/% 渣型 R Cao SiO2 Al20: Na20+K2O LiO 其他 原渣 39.0 26.8 2.9 5.0 7.5 2.0 1.46 改进渣 42.9 25.5 4.4 1.9 3.5 5.3 3.2 1.68 表2原渣和改进渣物理性能 Table 2 Physical properties of original and improved mold fluxes 熔点/ 黏度/ 最大热流密度/ 平均热流密度/ 结品温度/ 孕育时间/ 10s渣膜 渣型 6 (Pas) (MW m2) (MW m2) C 厚度/mm 原渣 1143 0.060 0.999 0.656 1215 32 1.82 改进渣 1090 0.067 0.935 0.601 1120 23 2.25 热与润滑之间的矛盾.改进渣10s处的渣膜厚度大 枪晶石和氟化钙；改进渣析出的晶体有三种，分别为 于原渣0.43mm,从另一方面验证了弯月面处改进 枪晶石、Ca2(SiO4)以及低熔点物相Ca2SiO2F2.从 渣的结晶速率快，有效地控制了结晶器弯月面处的 晶体形貌并配合X射线衍射分析结果可知，图4中 传热，可期望减少裂纹的产生.另外，结晶温度低， 1为板条状的枪晶石，2为圆点状的氟化钙，3为细 可使液渣均匀流入，避免液渣中高熔点晶体的出现， 条状的硅酸二钙，4为粒状的Ca2SiO2F2微晶.改进 从而保证润滑.图4为原渣和改进渣靠结晶器壁侧 渣相对原渣晶粒更为细小：原渣最大晶体长度大约 渣膜背散射照片.经X射线衍射分析，原渣析出了 为20μm左右，而改进渣则为12μm左右.使用高 10 um 1板条状的枪品石；2圆点状的氟化钙：3细条状的硅酸二钙；4粒状的C2Si1O2F2微品 图4原渣(a)和改进渣(b)的SEM照片 Fig.4 SEM photographs of original (a)and improved mold fluxes (b)

图 3 传统渣(a) 和本次实验优化目标渣膜(b) 结构示意图 Fig. 3 Schematic of conventional (a) and improved mold fluxes (b) 滑. 具体方案是采用高 Li2O 和高碱度 ,保证在高碱 度下能在弯月面处快速析晶. 113 实验结果与讨论 表 1 和表 2 分别给出了原渣和改进渣的化学成 分及物理性能(化学成分为宝钢按其检测标准分析 所得) . 表 1 中的碱度 R = CaO/ SiO2 ,其中 CaO 包 含了 CaF2 中的钙. 表 2 中 10 s 渣膜厚度为传感器 浸入 10 s 时制取的渣膜厚度 ,代表结晶器弯月面处 渣膜厚度. 从表 2 可以看出 ,改进渣的性能均达到了方案 设计要求 ,最大热流密度和平均热流密度分别较原 渣降低了 614 %和 814 % ; 同时 ,结晶温度降低了 95 ℃,孕育时间缩短了 9 s ,理论上很好地解决了传 表 1 原渣和改进渣的成分 Table 1 Components of original and improved mold fluxes 渣型 质量分数/ % CaO SiO2 Al2O3 Na2O + K2O Li2O F 其他 R 原渣 3910 2618 219 510 — 715 210 1146 改进渣 4219 2515 414 119 315 513 312 1168 表 2 原渣和改进渣物理性能 Table 2 Physical properties of original and improved mold fluxes 渣型 熔点/ ℃ 黏度/ ( Pa·s) 最大热流密度/ (MW·m - 2 ) 平均热流密度/ (MW·m - 2 ) 结晶温度/ ℃ 孕育时间/ s 10 s 渣膜 厚度/ mm 原渣 1 143 01060 01999 01656 1 215 32 1182 改进渣 1 090 01067 01935 01601 1 120 23 2125 热与润滑之间的矛盾. 改进渣 10 s 处的渣膜厚度大 于原渣 0143 mm ,从另一方面验证了弯月面处改进 渣的结晶速率快 ,有效地控制了结晶器弯月面处的 传热 ,可期望减少裂纹的产生. 另外 ,结晶温度低 , 可使液渣均匀流入 ,避免液渣中高熔点晶体的出现 , 从而保证润滑. 图 4 为原渣和改进渣靠结晶器壁侧 渣膜背散射照片. 经 X 射线衍射分析 ,原渣析出了 枪晶石和氟化钙 ;改进渣析出的晶体有三种 ,分别为 枪晶石、Ca2 (SiO4 ) 以及低熔点物相 Ca2SiO2F2 . 从 晶体形貌并配合 X 射线衍射分析结果可知 ,图 4 中 1 为板条状的枪晶石 ,2 为圆点状的氟化钙 ,3 为细 条状的硅酸二钙 ,4 为粒状的 Ca2SiO2F2 微晶. 改进 渣相对原渣晶粒更为细小 :原渣最大晶体长度大约 为2 0μm左右 ,而改进渣则为1 2μm左右 . 使用高 1 —板条状的枪晶石 ;2 —圆点状的氟化钙 ;3 —细条状的硅酸二钙 ;4 —粒状的 Ca2SiO2F2 微晶 图 4 原渣(a) 和改进渣(b) 的 SEM 照片 Fig. 4 SEM photographs of original (a) and improved mold fluxes (b) ·698 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第6期 巴钧涛等：宽厚板包晶钢的保护渣 ·699· L2O不仅在很大程度上降低保护渣的析晶温度和 2现场试验及结果分析 转折温度，而且在高碱度条件下，促使固态渣膜晶粒 细小，晶粒界面增多，更有效地削弱了通过晶界的传 2.1对比试验 导传热，减缓和均匀了弯月面区域的热流密度9)： 宝钢3#连铸机为两机两流.现场验证实验5 同时其熔点较低，在结晶器内能更长距离地保证铸 流使用改进渣，6流使用原渣，经换算得到的结晶器 坯的润滑 热流密度如表3所示 表3改进渣与原渣的热流密度对比 Table 3 Comparison of heat flux density between improved and original mold fluxes 钢种碳质量 平均热流密度/(MWm~2) 平均拉速， 断面/ 铸机流数 渣型 分数/% 宽面 窄面 V(m min) mm2 吨钢渣耗kg 5流 改进渣 0.0900.093 1.032 0.795 0.96 220×1650 0.51 6流 原渣 0.090-0.093 1.138 0.884 0.96 220×1650 0.48 由表3可以看出：在同一钢种、拉速及断面条件 所浇铸坯出现4块裂纹坯，表面纵裂纹发生率为 下，5流宽、窄面平均热流相对6流分别小9.3%和 5%.说明在相同浇注条件下，改进渣较原渣有效地 10.1%,说明新设计的改进渣能够有效控制传热，预 降低了表面纵裂发生率 防表面纵裂，这与实验室自制渣膜热流模拟仪所测 3结论 平均热流密度降低8.4%相近，证明了此模拟装置 和方法的可靠性：改进渣消耗量大于原渣，充分保证 (1)针对宝钢宽厚板包晶钢表面纵裂纹原渣控 了润滑.因此，改进渣更能有利于连铸工艺的顺行 制传热能力差的问题，提出了高碱度、高结晶速率、 和铸坯质量的提高 低结品温度以及低热流密度保护渣的设计思路. 2.2液渣层厚度及分布 (2)利用实验室自制渣膜热流模拟仪对保护渣 足够的熔渣层厚度，可以防治高速连铸或拉速 传热性能进行测试，改进渣较原渣最大热流密度低 波动较大时，熔渣供应不足以及固体颗粒渣流入，同 6.4%,平均热流密度低8.4%；用热丝法对保护渣 时合理的液渣层厚度分布对保护渣的传热和润滑具 结晶性能进行测试，改进渣较原渣结晶温度降低了 有至关重要的作用.图5为改进渣和原渣液渣层厚 95℃，孕育时间缩短了9s.改进渣达到了弯月面处 度及分布图 渣膜快速结晶，而结晶器下部液态渣膜较厚的设计 12 目标 5流 10 (3)现场验证试验表明：在相同浇注条件下，改 进渣宽面热流密度低于原渣9.3%，与实验室自制 渣膜热流模拟仪所测平均热流密度减小8.4%相 近，证明了此模拟的可靠性；同时改进渣消耗量大于 原渣，保证了铸坯的润滑，很好地解决了传热与润滑 窄边 1/4处 12处 之间的矛盾；优化后的保护渣，在试验流没有发现铸 结品器位置 坯表面纵裂纹，而对比流原渣铸坯纵裂纹率为5% 图5对比试验的液渣层厚度及分布 Fig.5 Liquid slag thickness and distribution of contrast experiments 参考文献 [1]Mills K C,Fox A B,Li Z,et al.Performance and properties of 从图5可以看出：5流试验流液渣层厚度大于6 mold fluxes.Ironmaking Steelmaking,2005,32(1)26 流，且分布合理；6流保护渣窄边厚度过薄，对保护 [2]Zhou YY,Yuan F C.Characteristics of highrspeed wide slab 渣的均匀流入不利 casting and measures to prevent the slab defect.Res Iron Steel, 2.3裂纹统计结果 2003,31(6):1 (周有预，袁凡成.宽板坯高拉速连铸的特点及铸坯缺陷的预 对试验保护渣铸坯质量进行统计，对比试验共 防.钢铁研究，2003,31(6)：1) 浇四个浇次，12炉，约3600t钢水，156块铸坯.5 [3]Wen GH,Chi J H,Wang Q,et al.Investigation on surface lom 流改进渣所浇铸坯没有发现表面纵裂纹；，6流原渣 gitudinal crack of continuous cast slab of subperitectic steel.Iron

Li2O 不仅在很大程度上降低保护渣的析晶温度和 转折温度 ,而且在高碱度条件下 ,促使固态渣膜晶粒 细小 ,晶粒界面增多 ,更有效地削弱了通过晶界的传 导传热 ,减缓和均匀了弯月面区域的热流密度[9 ] ; 同时其熔点较低 ,在结晶器内能更长距离地保证铸 坯的润滑. 2 现场试验及结果分析 211 对比试验 宝钢 3 # 连铸机为两机两流. 现场验证实验 5 流使用改进渣 ,6 流使用原渣 ,经换算得到的结晶器 热流密度如表 3 所示. 表 3 改进渣与原渣的热流密度对比 Table 3 Comparison of heat flux density between improved and original mold fluxes 铸机流数 渣型 钢种碳质量 分数/ % 平均热流密度/ (MW·m - 2 ) 宽面 窄面 平均拉速 , V c/ (m·min - 1 ) 断面/ mm 2 吨钢渣耗/ kg 5 流 改进渣 01090～01093 11032 01795 0196 220 ×1 650 0151 6 流 原渣 01090～01093 11138 01884 0196 220 ×1 650 0148 由表 3 可以看出 :在同一钢种、拉速及断面条件 下 ,5 流宽、窄面平均热流相对 6 流分别小 913 %和 1011 % ,说明新设计的改进渣能够有效控制传热 ,预 防表面纵裂 ,这与实验室自制渣膜热流模拟仪所测 平均热流密度降低 814 %相近 ,证明了此模拟装置 和方法的可靠性 ;改进渣消耗量大于原渣 ,充分保证 了润滑. 因此 ,改进渣更能有利于连铸工艺的顺行 和铸坯质量的提高. 212 液渣层厚度及分布 足够的熔渣层厚度 ,可以防治高速连铸或拉速 波动较大时 ,熔渣供应不足以及固体颗粒渣流入 ,同 时合理的液渣层厚度分布对保护渣的传热和润滑具 有至关重要的作用. 图 5 为改进渣和原渣液渣层厚 度及分布图. 图 5 对比试验的液渣层厚度及分布 Fig. 5 Liquid slag thickness and distribution of contrast experiments 从图 5 可以看出 :5 流试验流液渣层厚度大于 6 流 ,且分布合理 ;6 流保护渣窄边厚度过薄 ,对保护 渣的均匀流入不利. 213 裂纹统计结果 对试验保护渣铸坯质量进行统计 ,对比试验共 浇四个浇次 ,12 炉 ,约 3 600 t 钢水 ,156 块铸坯. 5 流改进渣所浇铸坯没有发现表面纵裂纹 ;6 流原渣 所浇铸坯出现 4 块裂纹坯 ,表面纵裂纹发生率为 5 %. 说明在相同浇注条件下 ,改进渣较原渣有效地 降低了表面纵裂发生率. 3 结论 (1) 针对宝钢宽厚板包晶钢表面纵裂纹原渣控 制传热能力差的问题 ,提出了高碱度、高结晶速率、 低结晶温度以及低热流密度保护渣的设计思路. (2) 利用实验室自制渣膜热流模拟仪对保护渣 传热性能进行测试 ,改进渣较原渣最大热流密度低 614 % ,平均热流密度低 814 % ;用热丝法对保护渣 结晶性能进行测试 ,改进渣较原渣结晶温度降低了 95 ℃,孕育时间缩短了 9 s. 改进渣达到了弯月面处 渣膜快速结晶 ,而结晶器下部液态渣膜较厚的设计 目标. (3) 现场验证试验表明 :在相同浇注条件下 ,改 进渣宽面热流密度低于原渣 913 % ,与实验室自制 渣膜热流模拟仪所测平均热流密度减小 814 %相 近 ,证明了此模拟的可靠性 ;同时改进渣消耗量大于 原渣 ,保证了铸坯的润滑 ,很好地解决了传热与润滑 之间的矛盾 ;优化后的保护渣 ,在试验流没有发现铸 坯表面纵裂纹 ,而对比流原渣铸坯纵裂纹率为 5 %. 参 考 文 献 [ 1 ] Mills K C , Fox A B , Li Z , et al. Performance and properties of mold fluxes. Ironmaking S teelmaking , 2005 , 32 (1) : 26 [ 2 ] Zhou Y Y , Yuan F C. Characteristics of high2speed wide slab casting and measures to prevent the slab defect. Res Iron S teel , 2003 , 31 (6) : 1 (周有预 ,袁凡成. 宽板坯高拉速连铸的特点及铸坯缺陷的预 防. 钢铁研究 , 2003 , 31 (6) : 1) [ 3 ] Wen G H , Chi J H , Wang Q , et al. Investigation on surface lon2 gitudinal crack of continuous cast slab of subperitectic steel. Iron 第 6 期 巴钧涛等 : 宽厚板包晶钢的保护渣 ·699 ·

·700· 北京科技大学学报 第31卷 Steel Vanadium Titanium,1999,20(3):1 [7]Zhang P,Wei QC,HuJJ.The study on heat transfer through (文光华，迟景灏，王谦，等.亚包晶钢连铸板坯表面纵裂纹的 flux film in the continuous casting mold.J Chongging Univ Nat- 研究.钢铁钒钛，1999,20(3)：1) ural Sci,1996,19(4):77 [4]Ohmiya S,Tacke K H,Schwerdtfeger K,et al.Heat transfer (张平，魏庆成，胡建军.连铸结品器中渣膜的传热研究.重 through layers of casting fluxes.Ironmaking Steelmaking, 庆大学学报：自然科学版，1996,19(4)：77) 1983,10(1):24 [8]Wen GH,Liu H,Tang P.CCT and TTT diagrams to character- [5]Yamauchi A,Sorimachi E,Sakuraya O,et al.Heat transfer be- ize crystallization behavior of mold fluxes.J Iron Steel Res Int, tween mold and strand through mold fluxes film in continuous 2008,15(4):32 casting of steel.ISI Int,1993,33(1)140 [9]Xie B.Study on Related Basic Theories of Continuous Casting (6]Chen Z W,Chen W Q,Li L S.Influence of mold fluxes property Mold Fluxes and Application in Industry Dissertation ] on heat transfer in mold.J Univ Sci Technol Beijing,2003,25 Chongqing:Chongqing University,2004 (6):524 (谢兵.连铸结品器保护渣相关基础理论的研究及其应用实践 (成泽伟，陈伟庆，李联生.保护渣性能对结品器内传热的影 [学位论文1.重庆：重庆大学，2004) 响.北京科技大学学报，2003,25(6)：524) (上接第695页) molten calcium aluminate and steel:Part I.CaS-CaO-Al2O3 [4]Lu D Z,Irons GA,Lu W K.Kinetics and mechanisms of calci- melts equilibrated with liquid Fe containing Al and S.Mer Sci, um dissolution and modification of oxide and sulphide inclusions in 1984,18(6):299 steel.Ironmaking Steelmaking,1994,21(5):362 [10]Inoue R,Suito H.Calcium desulfurization equilibrium in liquid [5]Yuan F M,Wang X H,Zhang J M.Online forecasting model of iron.Steel Res,1994,65(10):403 tundish nozde clogging.J Univ Sci Technol Beijing,2006,13 [11]Guo HJ.Physical Chemistry of Metallurgy.Beijing:Metallur- (1):21 gical Industry Press,2006:130 [6]Tang H Y.The Control Study on Nor metallic Inclusion in N80 (郭汉杰.治金物理化学教程.北京：治金工业出版社，2006： Casing Steel Dissertation ]Beijing:University of Science and 130) Technology Beijing,2008 [12]IpuropB A.Calculation of Physical Chemistry in Steel (唐海燕.N80套管钢中非金属夹杂物控制研究[学位论文]， Process.Qu Y,Translated.Beijing:Metallurgical Industry 北京：北京科技大学2008) Press,1993:73 [7]Yan JJ.Development and application of calcium treatment in CC (格里古良BA.炼钢过程的物理化学计算.曲英，译.北京： production.Met World,2007(2):32 治金工业出版社，1993：73) (燕际军.钙处理工艺在连铸生产中的开发与应用.金属世界， [13]Han Q Y.Kinetics in Metallurgical Process.Beijing:Metallur- 2007(2):32) gical Industry Press,1983:248 [8]Kor GJ W.Calcium Treatment of Steel for Castability //Interna (韩其勇.治金过程动力学.北京：治金工业出版社，1983： tional Calcium Treatment Symposium.London,1988:7 248) [9]Ozturk B,Turkdogan E T.Equilibrium S distribution between

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