硼對連鑄結晶器保護渣性能的影響

殷 楷

（河北鋼鐵集團唐鋼第一鋼軋廠，河北唐山063000）

0 前言

連鑄過程中，鋼水在結晶器內停留時間較短，鋼液要在較短時間內釋放出大量的熱量，因此結晶器內鋼水的傳熱很重要。唐鋼在含硼鋼連鑄實際生產中，經常出現前三爐穩定澆鑄但是結晶器熱流逐步降低，第四爐澆鑄到1/3左右鋼水時出現了冷齒現象，隨后澆鑄時熱流繼續降低，澆鑄狀態不好易發生粘結、冷齒和漏鋼現象。初步認為這與含硼鋼中含有32-39 ppm左右的硼，在澆鑄過程中硼富集至保護渣中對保護渣的性能造成影響有關。為此，對硼富集至保護渣中對保護渣的性能的影響和含硼鋼連鑄結晶器保護渣性能的改善方法進行了歸納分析和研究。

1 含硼鋼連鑄生產實際情況

唐鋼一含硼鋼連鑄實際生產澆鑄狀態圖FDA（熱流密度-錐度-拉速曲線）如圖1所示。從圖1中可以看出，澆注過程中前三爐穩定澆鑄但是結晶器熱流是逐步降低的，第四爐鋼水澆鑄到1/3左右時出現了兩次冷齒現象，兩次冷齒現象出現時間接近。與此同時，進行了結晶器保護渣渣條清理，清理后結晶器熱流有上升，隨后第四爐順利澆鑄。到第五爐時可看出熱流又在降低，澆鑄狀態不好。從生產現場了解到，此含硼鋼多爐連澆后保護渣性能變化大，熱流量呈下降的趨勢。澆鑄過程中都是順利澆鑄兩爐，澆鑄到第三或第四爐出現結晶器的熱流量偏低的問題，易發生粘結、冷齒和漏鋼現象。初步認為這與含硼鋼中含有32-39 ppm左右的B，在澆鑄過程中B富集至保護渣中對保護渣的性能造成影響有關。

圖1 FDA（熱流密度—錐度—拉速曲線）

2 硼對結晶器保護渣性能的影響

結晶器的傳熱速率取決于結晶器內鋼水熱量傳遞給冷卻水的換熱系數，即結晶器內鋼水與冷卻水間的總熱阻影響著鋼水凝固速度，如圖2所示。

圖2 結晶器傳熱熱阻的分布示意圖

結晶器壁的總熱阻RT用各熱阻之和表示，如圖1中RT=R1+R2+R3+R4+R5+Rn。其中：R1為結晶器壁-冷卻水間的熱阻；R2為通過結晶器銅板的熱阻；R3為通過氣隙的熱阻；R4為通過保護渣膜的熱阻；R5為通過坯殼的熱阻；R6為鋼水-坯殼間的熱阻。其中R3與R4之和占到總熱阻的60%～70%，而R3也受R4和錐度的影響。可見結晶器保護渣的性能對結晶器的傳熱具有很重要的影響。

硼對結晶器保護渣性能的影響可由硼的存在狀態決定。硼在結晶器保護渣中的存在狀態可為B2O3和BN。其中B2O3是一種低熔點的助熔劑，主要是替代SiO2和CaF2改變渣的熔點、粘度、良好玻璃性和流動性能；而BN是替代渣中碳質材料作為骨架粒子，以期不改變渣的各種理化性能。含B2O3保護渣在中低碳鋼、超低碳鋼[1]和含鈦鋼[2]等鋼種連鑄中有著潛在的應用價值，并能充分發揮其無氟無害的環保特性。

2.1 B2O3對中低碳鋼連鑄結晶器保護渣物理性能影響

在澆鑄超低碳鋼時，會因為鑄坯粘渣引起表面增碳，含B2O3的保護渣易形成玻璃態渣，不易粘附在鑄坯表面，能夠有效避免卷渣帶來的危害；而且含B2O3保護渣可以實現低熔點、低粘度、良好玻璃性和流動性，是高速連鑄保護渣的理想組分。

張芳[3]對CaF2和B2O3對中碳鋼連鑄結晶器保護渣物理性能影響的研究結果表明，在其他化學成分及堿度相同的條件下，8%Na2O-6%B2O3無氟渣與5%Na2O-15%CaF2的含氟渣有相近的粘度和熔化溫度，并對結晶器控制傳熱有相似的作用。王謙[4]對低碳鋼板坯連鑄用無氟保護渣生成區域的研究表示低碳鋼板坯連鑄用無氟保護渣的三個生成區域中B2O3的范圍分別是0-3%、1.5-4.5%和2-5%。

2.2 B2O3對低氟結晶器保護渣理化性能的影響

王藝慈[5]研究了氟含量1.9%的保護渣系（%：27-30 CaO、30-33 SiO2、2-3 A12O3-3MgO、10-12 R2O、1-2 Fe2O3、4-5 C 粉、2 Li2O、4 CaF2-8 B2O3）的理化性能。結果如表2：隨著渣中BO3含量的增加，保護渣熔點、析晶溫度、粘度均降低，主要是因為B2O3的熔點很低為450℃。但B2O3含量超過6%以后，對保護渣粘度幾乎沒有影響；B2O3含量為2%-4%時，表面張力較低。

表2 B2O3對低氟保護渣理化性能的影響

從表2可知：所研究的低氟渣系熔點在920-1 010℃，隨著B2O3含量的增加，低氟渣熔點逐漸降低，B2O3含量在0-8%時，平均每增加1%的B2O3，保護渣熔點降低10℃。低氟渣系1 00℃的粘度值在0.2-0.3 Pa·s，BB2O3在 0-6%時，隨著渣中 B2O3含量的增加，保護渣粘度有下降趨勢，平均每增加1%的 B2O3，低氟渣粘度降低 0.01 Pa·s，但 B2O3含量超過6%以后，對保護渣粘度影響不大。低氟渣系的析晶溫度為1 170-1 260℃，析晶溫度較高，B2O3含量0-6%時，每升高1%B2O3，析晶溫度平均下降11℃，但B2O3含量超過6%以后，析晶溫度有一個陡降的現象。

盧艷青[6]研究添加劑對連鑄保護渣粘度及流動性的影響時提到：隨著渣中硼砂質量分數增加，粘度平緩下降，流動長度增加。B2O3質量分數的增加可以使熔渣粘度大幅降低。主要原因是B2O3屬酸性氧化物，其“網絡”形成體的作用較SiO2弱，因此它的增加就降低了SiO2的作用，使得熔渣“網絡”程度減弱，再加上熔渣的流動性增強，這兩方面的共同作用降低了熔渣的粘度。但是硼砂質量分數超過6%后，保護渣粘度略有增加。B2O3如果使用過量可能被鋼渣界面上的C還原，造成鋼液局部增硼。

2.3 B2O3對含鈦無氟結晶器保護渣物理性能影響

在澆鑄含鈦鋼20CrMnTi齒輪鋼時[2]，鋼中上浮的TiN、TiO2、A12O3是造成結晶器保護渣高溫物理化學性能惡化的主要原因，在保護渣中加入一定量的B2O3，可以遏制渣中CaTiO3的生成，并保持渣圈的玻璃化及潤滑特性。

圖3 B2O3對含鈦無氟保護渣的粘度和熔點的影響

劉永慶[7]研究結晶器含鈦無氟保護渣的粘度和熔化特性時，研究了B2O3含量對含鈦無氟保護渣的粘度和熔點的影響，如圖3所示。由圖3可見，在0-9%的范圍內，B2O3可顯著降低保護渣的熔點和粘度，平均每1% 的B2O3可降低粘度0.2 Pa·s，降低熔點約15℃。B2O3是一種低熔點的助熔劑（450℃），易形成低共熔物，極大地提高保護渣的過熱度，使復合陰離子團因熱振動的加劇而解體，進而降低熔渣的粘度和熔化溫度。而B2O3加入量超過7%時，渣的粘度略有升高。添加適量的B2O3能夠獲得高速連鑄結晶器保護渣需要的低粘度。直觀分析結果顯示，在配加的助熔劑中B2O3降低粘度和熔化溫度的作用均最強。因此，無氟保護渣中加B2O3可以代替CaF2有效降低含鈦無氟渣的粘度和熔點。

2.4 BN對IF鋼連鑄結晶器保護渣物理性能影響

姜茂發[8][9]采用新型骨架粒子BN替代碳質材料等傳統骨架粒子，研究BN對IF鋼連鑄保護渣理化性能的影響，在此基礎上設計開發出IF鋼新型連鑄保護渣。新型連鑄保護渣在熔化特性、粘性特征、夾雜物吸收能力和結晶性能等方面與傳統連鑄保護渣十分接近。新型骨架粒子BN可以使連鑄保護渣熔化溫度、熔化速度、粘度和結晶溫度減小、Al2O3吸收速率增大。采用新型連鑄保護渣可以徹底解決IF鋼的結晶器內增碳問題，不會發生IF鋼增硼問題，而在非穩態澆注案件下可能發生增硼反應。

3 含硼鋼連鑄結晶器保護渣性能的改善方向

解決含硼鋼連鑄過程中，結晶器的熱流量偏低，多爐連澆后熱流量變化大及呈下降的趨勢，易發生發生粘結、冷齒和漏鋼的問題。可借鑒唐萍[10]為改善集裝箱板鋼薄板坯連鑄過程中熱流量偏低及不穩定的問題，對結晶器熱流量與保護渣理化性能的關系分析。

保護渣在澆注過程中位于結晶器與凝固坯殼之間，其熱阻由三部分組成：液渣膜熱阻、固態渣膜熱阻和氣隙熱阻。這三部分熱阻與保護渣的以下性能有關：

（1）物理性能：

①粘度，保護渣的粘度直接影響著渣膜的厚度。當保護渣的粘度降低、渣膜增厚、保護渣的熱阻增大，澆注過程中結晶器熱流量下降；

②熔點，保護渣的熔點控制著固、液渣膜厚度。保護渣的熔點提高，固態渣膜的厚度增加，保護渣熱阻增大，結晶器熱流量下降。

（2）化學成分：

①堿度，保護渣的堿度控制著保護渣的結晶能力。隨著渣堿度的增加，熔渣的析晶能力增強。當保護渣的堿度大于0.9以后，熔渣粘度曲線出現明顯的拐點，這表明有大量晶體析出。晶體析出易導致渣膜內產生裂紋，增加氣隙熱阻，因而保護渣的熱阻增大，結晶器熱流量下降。

②F-含量。隨堿性渣中F-含量增加，大量的茅頭狀槍晶石析出。析出的槍晶石是常規保護渣中控制熱流量的主要物質。因此，增加F-含量可提高傳熱熱阻，使結晶器熱流量下降。

根據以上結晶器熱流量與保護渣理化性能的關系分析和硼對連鑄結晶器保護渣性能影響綜述，含硼鋼連鑄結晶器保護渣性能的改善可從兩個方面入手：一是提高保護渣的傳熱性能，提高結晶器熱流量；二是提高保護渣對硼富集的飽和度上限。具體定性的調整措施如下：

①提高保護渣的粘度 (提高幅度要稍小)，減小渣膜厚度，使熱阻下降；

②降低保護渣的熔點 (降低幅度稍小)，使固態渣膜厚度減小，使熱阻下降；

③堿度不變；

④降低保護渣中F-含量 (降低幅度要稍大)，以控制渣膜析晶量，提高傳熱能力。

其中粘度提高量和熔點降低量要稍小是考慮到B2O3在保護渣中的富集會降低保護渣的粘度和熔點。堿度不變是考慮到，降低保護渣的堿度可使渣膜析晶能力減小，熱阻降低，但同時要考慮到B2O3在保護渣中的聚集可以部分代替SiO2的功能，所以需要穩定堿度來控制保護渣性能的穩定性，以保證澆注過程中結晶器熱流量的穩定。F-含量降低幅度要稍大，是考慮到B2O3在保護渣中的聚集可以部分代替CaF2的功能。

4 結語

硼對結晶器保護渣性能的影響可由硼的存在狀態分為B2O3和BN，其中B2O3是一種低熔點的助熔劑，主要是替代SiO2和CaF2改變渣的熔點、粘度、良好玻璃性和流動性能，所以含B2O3保護渣在中低碳鋼、不銹鋼、超低碳鋼和含鈦鋼等鋼種連鑄和高效連鑄中有著潛在的應用價值；而BN是替代渣中碳質材料作為骨架粒子，以期不改變渣的各種理化性能。總結如下：

（1）從有效地發揮B2O3的作用考慮，B2O3在各種保護渣中的上限為7%，超過7%后B2O3對保護渣粘度和結晶級別的影響就不顯著了，但保護渣熔點還在繼續降低；

（2）無氟保護渣中加B2O3可以代替CaF2有效降低含鈦無氟渣的粘度和熔點。BN替代碳質材料等傳統骨架粒子后，新型連鑄保護渣與傳統連鑄保護渣在熔化特性、粘性特征、夾雜物吸收能力和結晶性能等方面十分接近；

（3）含硼鋼連鑄結晶器保護渣性能的改善從兩個方面入手：一是提高保護渣的傳熱性能，提高結晶器熱流量；二是提高保護渣對硼富集的飽和度上限。定性改進措施為：提高粘度、降低熔點、降低F-含量。

[1]李桂榮，王宏明，李敬生，等.含B2O3無氟連鑄保護渣物理性能的研究[J].特殊鋼,2005,26(3):12-14.

[2]謝兵，王謙，王雨，等.雙高連鑄保護渣在齒輪鋼(20CrMnTi)連鑄過程中的應用[J].鋼鐵,2003,38(2):19-21.

[3]張芳，王藝慈，童方，等.CaF2和B2O3對中碳鋼連鑄結晶器保護渣物理性能的影響[J].特殊鋼,2010,31(4):28-30.

[4]王謙，何生平，解丹，等.低碳鋼板坯連鑄用無氟保護渣生成區域的研究[J].北京科技大學學報,2008,30(5):487-491.

[5]王藝慈，郭俊玉，董方，等.B2O3對低氟結晶器保護渣理化性能的影響[J].特殊鋼.2008,29(5):10-12.

[6]盧艷青，張國棟，姜茂發，等.添加劑對連鑄保護渣粘度及流動性的影響[J].熱能工程,2007,36(6):27-29.

[7]劉永慶，唐萍，文光華，等.結晶器含鈦無氟保護渣的粘度和熔化特性[J].中國有色金屬學報,2006,16(3):550-554.

[8]姜茂發，任子平，劉承軍，等.BN對IF鋼連鑄結晶器保護渣理化性能的影響[J].連鑄,2006,(5):40-42.

[9]劉承軍，厲英，于景坤，等.超低碳鋼新型連鑄保護渣的開發[J].東北大學學報,2003,24(4):369-372.

[10]唐萍，文光華，徐楚韶，等.集裝箱板鋼薄板坯連鑄用結晶器保護渣[J].鋼鐵研究學報,2005,17(2):16-18.