16MnD-R 鋼板坯保護渣成分與性能

華江峰楊 軍操瑞宏付振坡李廣生丁暢越

（1.西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西西安 710055；2.新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 336500）

16MnD-R 鋼板坯保護渣成分與性能

華江峰1楊 軍1操瑞宏2付振坡1李廣生1丁暢越1

（1.西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西西安 710055；2.新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 336500）

根據新余鋼鐵集團第一煉鋼廠部分鑄坯（16MnD-R）在一段時間內產生的表面缺陷問題，分析目標鋼種的凝固特性和所使用保護渣的熔點、結晶溫度、黏度等物化指標。并研究熔劑成分（Na2O、CaF2、MgO）對保護渣熔點、結晶溫度及黏度的影響。對原渣樣分別進行降低Na2O含量，降低Na2O、CaF2含量，降低Na2O、CaF2、MgO含量三種成分調節。結果表明：Na2O含量提高0.1%對保護渣熔化溫度的影響大于CaF2提高0.61%的作用；熔劑含量的降低會增強堿度對保護渣結晶能力的影響；對原渣樣同時降低Na2O、CaF2、MgO含量可以提高渣的熔化溫度，降低結晶率，使之更適合用于澆注目標鋼種，且優化后的保護渣成分受多因子制約從而減小其物化性能的波動。

16MnD-R鋼 保護渣 凝固特性 熔化溫度 結晶溫度 黏度

16MnD-R（屈服強度為390 MPa）屬于裂紋敏感性的低合金高強度鋼，在板坯生產過程中易產生表面縱裂、夾渣等質量缺陷。新余鋼鐵集團第一煉鋼廠澆注16MnD-R鋼時，在其他澆注參數都不變的情況下，由于保護渣選擇不當，導致后期鑄坯存在嚴重的表面裂紋。根據16MnD-R鋼的凝固特性設計合理的保護渣成分可以有效控制鑄坯表面裂紋的產生。

當保護渣熔化溫度稍低于或等于結晶器下口處坯殼表面溫度（約1 180℃）時，在結晶器長度方向便始終存在一定厚度的液渣膜，即實現“全程液態潤滑”［1］。研究表明［2-3］，高的熔化溫度有利于固態渣膜增厚、熱阻提高、冷卻緩慢，尤其是在冶煉Q345這類低合金高強度鋼時，保護渣熔化溫度升高有利于減少鑄坯表面缺陷的產生。因此，對于16MnD-R鋼用保護渣應該在保證全程液態潤滑的前提下，提高渣熔化溫度，但不能高于1 180℃。

在澆注低合金高強度鋼板時保護渣的主要性能是保證潤滑、適當降低傳熱強度。研究表明［4-6］，保護渣堿度升高會促使渣膜結晶從而降低傳熱速率，渣中的Na2O、K2O、CaF2、LiO2等熔劑含量升高會促使渣膜的結晶率升高，而適量的Al2O3、MnO、MgO、BaO可以促進渣的玻璃化傾向從而降低結晶率。有研究認為［7］，當渣的熔速過大、熔化后黏度低、熔化時間長、流入不均渣膜厚度不均以及渣中熔劑成分種類過多和在渣膜中易形成氣泡等現象，都容易導致連鑄坯裂紋的產生尤其是縱裂。因此，對所使用的保護渣性能要求是：在各項性能指標（如熔化速度、堆積密度、表面張力等）合格的情況下，保證鑄坯在結晶器內具有良好的潤滑；適當降低坯殼與結晶器銅板的傳熱。根據對保護渣性能的要求，對目標鋼種所使用的保護渣原渣作出調整，即在保證鑄坯潤滑的前提下，適當提高保護渣的熔化溫度和黏度，以增加渣膜厚度，達到減小傳熱的作用，從而減小熱應力，降低連鑄坯裂紋的發生率。

連鑄生產中應根據鋼種、斷面、拉速、振動參數等因素綜合考慮，選用合適的保護渣［8］。

因此，對16MnD-R這類低合金高強度鋼所使用的保護渣性能要求是：提高結晶能力，降低結晶率，并在保證鑄坯全程液態潤滑的情況下盡量提高熔化溫度。對保護渣成分設計要求是：提高保護渣堿度（R：1.26→1.31）的同時降低Na2O、CaF2含量以使結晶率降低；為防止Na2O、CaF2降低導致的結晶率劇烈下降，需要繼續降低MgO含量使結晶率小幅回升，同時防止保護渣因單一成分波動而引起的物化性能的大幅度變化。

1 試驗材料與方法

原渣樣細磨至200目以下，配入成分為化學純熔劑。表1所示是國內某鋼廠原渣化學成分，其熔化溫度為（1 135±50）℃。

表1 原渣化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of original slag（mass fraction）%

根據保護渣各組分對其熔化溫度及黏度的影響大小順序［9］（熔化溫度：Li2O＞Na2O＞R＞F－＞Al2O3＞MgO，黏度：Li2O＞F－＞R＞Al2O3＞Na2O＞MgO），對原渣的堿度及渣中Na2O、CaF2、MgO三種成分進行調節。調節的方式是：先將原渣樣磨細至200目以下，再將堿度調至1.31不變，分成三組，對第一組分3次降低Na2O含量（%Na2O：6.43%→5.93%→5.43%），其他熔劑按原始比例增加從而得到第一組的3個渣樣，分別記為1號、2號、3號；第二組按第一組的加入質量停止加入CaF2，得到了同時降低Na2O、CaF2的3個渣樣，分別記為4號、5號、6號；第三組按第二組的加入質量停止加入MgO，得到了同時降低Na2O、CaF2、MgO的3個渣樣，分別記為7號、8號、9號。根據這一渣樣調配制度得出Na2O、F－（將%CaF2按%F－進行折算）、MgO各渣樣成分含量及其變化趨勢如圖1所示。這種渣樣調配制度，在降低（Na2O）、（Na2O＋F－）、（Na2O＋F－＋MgO）過程中，會導致其他未降低的熔劑成分略微升高，除Na2O和F－，其他熔劑成分的改變量在0.10%以下，可忽略不計，而堿度（CaO／SiO2）不變，因此CaO和SiO2含量的變化對渣系的物化性能無影響。

采用全自動爐渣熔點熔速測定儀測定保護渣的熔化溫度，試樣加熱用鉑銠絲高溫電爐，爐溫用程序溫度控制儀控制。用無水酒精將粉渣壓成φ3 mm×3 mm的柱狀，采用剛玉墊片，升溫速度設定為10℃／min，一個試樣測完后，降低爐溫，移開爐體，取出墊片。更換渣樣重復測定。在測定粘度與結晶溫度時，測定前先將渣樣在800℃加熱一段時間脫碳，試驗采用立式管式爐，爐管恒溫帶長度與熔體深度之差不小于20 mm，1 300℃時，恒溫帶溫度波動≤3℃，加熱爐使用溫度為1 500℃，爐管內部取氮氣作為保護氣氛。采用高純石墨坩堝、鉬質測頭。

圖1 各渣樣Na2O、F－、MgO成分含量及其變化趨勢Fig.1 Mass fraction of Na2O，F－，MgO and its change trend in slag sample

圖2 9號渣樣熔化過程中高度變化圖Fig.2 Height variation of slag sample No 9 during themelting process

2 試驗結果與討論

2.1 保護渣Na2O、F－、MgO含量與熔化溫度的關系

熔點熔速試驗測得的9號渣樣熔化過程中高度變化情況見圖2。

三組渣樣熔化溫度之間的關系見圖3。根據圖3（a）可以看出，三組渣樣的熔化溫度均呈上升趨勢，這是由于（Na2O）、（Na2O＋F－）、（Na2O＋F－＋MgO）含量逐步降低，導致渣系內高熔點的硅酸鹽鏈狀體相對含量升高所致。根據文獻［10］，在%Na2O≤10%時，Na2O的質量分數與渣系熔化溫度成反比；當%Na2O＞10%時，會促進高熔點物霞石（Na2O·2SiO2·CaF2）的析出，使熔化溫度回升。而%F－＞4%時，F－含量的增加對降低保護渣熔化溫度的能力大大減弱，繼續增加F－含量會促進高熔點物槍晶石（3CaO·2SiO2·CaF2）的析出。本實驗中的Na2O、F－、MgO都在降低熔化溫度的質量分數范圍內，因此Na2O、F－、MgO的含量降低都會促使渣熔化溫度升高。

按照降低Na2O到同時降低Na2O、F－、MgO的調整制度，理論上會使得保護渣熔化溫度呈單調遞增的狀態。但從圖3（b）中可以看出，第一組到第二組，各渣樣熔化溫度呈下降趨勢，第二組到第三組開始回升，這是由于Na2O、F－、MgO對渣樣熔化溫度的影響存在強弱之差所致。前文提到，熔劑對保護渣熔化溫度的影響強弱順序為：Na2O＞F－＞MgO。從第一組到第二組，由于在調節成分過程中停止加入CaF2，從而間接提高了Na2O的質量分數（6.43%→6.53%），△%Na2O＝0.1%。因此，%Na2O的回升（△%Na2O＝0.1%）成了第一組到第二組調渣的主導過程，該過程沒有受到%F－降低0.61%的影響，因此從宏觀上來看熔化溫度降低。第二組到第三組，%Na2O的增加量△%Na2O＝0.01%。此時%Na2O的增加量已不足以抵消F－、MgO同時降低而導致的熔化溫度的升高，使得熔化溫度開始回升。另外，同一組三個渣樣的斜率的絕對值｜k｜逐漸增大，其原因是從1號到3號渣樣各成分含量的改變量逐步增大，對應于第一組到第三組熔點的變化也隨之被放大。

根據熔化溫度的數據分析，可以得出第三組成分調配方案既滿足了提高渣熔化溫度的要求，又緩沖了Na2O、CaF2對保護渣物化性能的強烈影響，使得保護渣在多熔劑因子的共同作用下穩定了其物化性能的波動。因此進一步對第三組渣樣的黏度及結晶溫度進行分析。

2.2 保護渣Na2O、F－、MgO含量與黏度、結晶溫度的關系

圖4為第三組（7號、8號、9號）渣樣黏度測試結果。從圖4可以看出，隨著Na2O、F－、MgO含量的逐漸降低，其黏度轉折溫度Tbr逐漸升高，即結晶溫度呈升高趨勢（1 240℃→1 237℃→1 266℃），究其原因，是在提高堿度后，結晶能力變強［8］，同時又降低了熔劑含量，突出了堿度對保護渣結晶能力的促進作用，其中8號、9號渣樣的黏度轉折溫度變化比較明顯，從1 237℃升高到1 266℃。結晶溫度的升高，固態渣膜厚度增加，在保證鑄坯潤滑的前提下，增加固態渣膜厚度可有效抑制傳熱。1 300℃下的黏度變化情況為：0.301 Pa·s→0.278 Pa·s→0.327 Pa·s。由于熔劑成分逐級降低（Na2O含量變化過程：6.54%→6.14%→5.72%，F－含量變化過程：8.71%→8.17%→7.62%，MgO含量變化過程：2.19%→2.05%→1.91%），因此，從總體上看渣樣在1 300℃的黏度趨于升高。另外，在1 220～1 240℃這一溫度區間內可以看出圖4（c）曲線的斜率｜k｜最小，說明9號渣樣在這一溫度區間的結晶率較低，符合對澆注16MnD-R鋼用保護渣的理論要求。

3 結論

圖3 不同渣樣熔點變化關系Fig.3 Slagmelting point relationship between different samples

圖4 第三組渣樣的黏度-溫度曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of the third groups of slag sample

（1）保護渣堿度由1.26提高到1.31后，9組渣樣的熔化溫度提高了13.1～48.2℃，且隨著Na2O、F－、MgO熔劑含量的變化呈規律性波動。

（2）通過逐級改變保護渣熔劑成分，半定量化地說明了Na2O對保護渣熔化溫度的影響大于F－。即%Na2O提高0.1%遠大于%F－提高0.61%對熔化溫度的影響。在同時降低Na2O、F－、MgO含量時，保護渣的黏度（η1300℃）和黏度轉折溫度（Tbr）的變化規律一致，并呈升高趨勢。

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收修改稿日期：2016-03-14

Study on Com positions and Properties of the Mold Powder for 16MnD-R Steel Slab

Hua Jiangfeng1Yang Jun1Cao Ruihong2Fu Zhenpo1Li Guangsheng1Ding Changyue1
（1.School of Metallurgical Engineering，Xi＇an University of Architecture and Technology，Xi＇an Shanxi710055，China；2.Xinyu Iron and Steel Co.Ltd，Xinyu Jiangxi336500，China）

This paper aimed to improve the quality of casting billet and to solve the problem of surface defects produced over a length of time by optimizing the composition ofmold powder for 16MnD-R steel produced in Xinyu steel company.The solidification characteristics of the target steel，themelting temperatupe，crystal temperature，viscosity and other physical and chemical indicators of used flux powder were analysed，to investigate the influence of flux composition（Na2O，CaF2，MgO style）on the themelting temperature，the crystal temperature and the viscosity.The Na2O content，the Na2O，CaF2content，the Na2O，CaF2，MgO style were separately reduced on the original slag sample to adjust the three compositions.The results showed that the influence of Na2O increased by 0.1%for flux powder on melting temperature was greater than that of CaF2increased by 0.61%.The flux content reduction could improve the influence of alkalinity on the crystallization ability of slag.So the optimized slag composition was conditioned bymany factors as to reduce the change of its physical and chemical properties.

16MnD-R steel，mold powder，solidification characteristics，melting temperature，crystal temperature，viscosity

國家自然科學基金資助項目（No.U1460104）；西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室開放課題基金（No.20131314）

華江峰，碩士研究生，主要從事連鑄結晶器保護渣性能研究，Email：137628741＠qq.com

楊軍，男，博士，教授，Email：6292yangjun＠163.com