連鑄結晶器保護渣研究進展及趨勢

王淑滿

摘要：連鑄結晶器保護渣是一種以硅酸鹽為基的并含有多種熔劑和骨架材料的功能性材料。保護渣在連鑄結晶器內發揮著絕熱保溫、防止鋼液氧化、控制傳熱、潤滑鑄坯的作用，是促進連鑄技術發展、保證連鑄工藝順行及鑄坯質量的關鍵性材料。基于此，本文就連鑄結晶器保護渣研究進展及趨勢方面的內容進行了分析探討，以供參閱。

關鍵詞：連鑄結晶器；保護渣；研究進展；趨勢

引言

鋼鐵的制造從模鑄生產到連續鑄鋼，使鋼鐵的生產更加高效化。在這個過程中連鑄結晶器的發明使鋼鐵生產由間斷式生產轉變為連續生產。可以說連鑄結晶器是整個連鑄過程的“心臟”，而連鑄保護渣和浸入式水口的配合使用是維持連鑄結晶器正常運轉的關鍵之一。

1連鑄保護渣的基本功能

①可以防止鋼液特別是鋼液彎月面的二次氧化。保護渣加入到結晶器內的鋼液面上，熔化后形成一定厚度的液渣層，并均勻覆蓋鋼液面，該液渣層起到了隔絕鋼液與空氣接觸的作用，進而可防止鋼液的二次氧化。②絕熱保溫。在高溫鋼液面上加入保護渣，由于三層或多層結構的出現，可減少鋼液的輻射熱損失，降低鋼水的過熱度。為此，在保護渣操作中，要求液渣層上有一定厚度的粉渣層，即黑渣操作。提高保護渣的保溫性，可提高結晶器彎月面溫度，可減少渣圈的生成或過分長大。尤其是在澆鑄高碳鋼時，提高保護渣的絕熱保溫性能，對改善鑄坯潤滑是有利的。增加保護渣中的配碳量、改變碳質材料的種類、加入發熱元素或降低保護渣的體積密度，均可以提高保護渣保溫性。③保護渣吸收夾雜的能力。為防止鋼液上浮的夾雜物被卷入凝固殼，造成鑄坯表面或皮下缺陷，保護渣熔化形成的液渣層應具有吸收和同化鋼液中上浮的非金屬夾雜的能力。不同鋼種上浮的夾雜不同，對保護渣物性的影響是不同的。④保護渣具有均勻傳熱的功能。保護渣熔化形成的液渣，若能均勻流入結晶器壁與凝固坯殼間，便能形成均勻的渣膜，可以減小上部的傳熱速率，加大下部傳熱速率，從而改善傳熱的均勻性，提高鑄坯質量。近來通過保護渣成分的調整，已可實現控制渣膜的傳熱速率。在控制渣膜傳熱上采用的技術主要有提高保護渣堿度，以提高保護渣的凝固溫度、析晶溫度和析晶率，降低渣膜的有效熱傳導率。

2連鑄結晶器保護渣現狀及趨勢

2.1熔化過程的揮發問題

現有的研究主要是通過高溫質譜儀或熱重分析等，方法研究其熔化過程揮發物的生成，這些試驗手段可以研究分析熔化過程的揮發物種類及含量，但其升溫速度極慢（高溫質譜儀的升溫速度僅為4-5℃/min，熱重分析儀的升溫速度也僅為20-30℃/min。然而，實際連鑄過程鋼液面上的連鑄保護渣在高溫鋼水的作用下易生成揮發物，而且鋼液面上的液渣更新速度較快，揮發物的生成情況勢必受到影響，現有實驗室的條件無法模擬這一熔化過程，也無法研究分析揮發物的生成情況。雖然，Schulz等研究指出當在保護渣中添加AL2O3能夠抑制揮發物性氟化物的生成，但在實驗室中無法研究是否可以在連鑄保護渣中添加這些特殊組分來抑制有害揮發物的生成，解決揮發帶來的危害。所以，現有解決氟揮發問題只能依靠減少渣中氟化物開發無氟或低氟保護渣。

2.2現有熔渣的表面張力計算主要是通過組分加和的方法

然而，熔渣的表面張力與其熔渣結構有關，雖然程紅艷等指出熔渣的表面張力與熔渣中離子和離子團的靜電勢有關，也考慮了硅酸根離子團靜電勢的變化，但未提出新的基于熔渣結構的計算模型，這并不利于表面張力的準確計算。而鋼渣界面張力測試比較困難，所采用的X射線座滴法，并無通用設備，往往需要研究者根據需要而改裝設備，這也限制了該方法的應用，導致界面張力的研究比較欠缺。

2.3為了解釋連鑄保護渣的一些現象利于后續的研究開發

近年來冶金工作者開始了連鑄保護渣熔渣結構的探究。Mills闡述了連鑄保護渣的熔渣結構，但其對結構的描述是引用了硅酸鹽璃結構的觀點。而常規的硅酸鹽玻璃組成相對比較簡單，玻璃中的SiO2為主要組成其質量分數往往大于70%，僅含有少量的Ca0、Na2O等來調節玻璃的性能。但在連鑄保護渣中SiO2的質量分數往往小于50%，除了Ca0、Na2O等組分之外還含有CaF2和AL2O3等特殊組分，硅酸鹽玻璃和CaO-SiO2基連鑄保護渣的結構上勢必會存在一定的差異，這些結構的存在勢必對熔渣的結構和性能產生影響，但卻缺乏系統的研究。

2.4高鋁鋼連鑄問題和渣中氟造成的危害問題

不管高鋁鋼澆鑄采用哪種策略勢必要增加渣中的AL2O3含量，而本團隊的研究表明增加渣中AL2O3的含量有助于抑制渣中氟釋放造成的危害，這就表明當改變CaO-SiO2渣系中的AL2O3含量開發CaO-AL2O3-SiO2渣系和CaO-AL2O3渣系保護渣，有可能有助于同時解決保護渣面臨的兩大難題。然而將CaO-SiO2渣系轉變為CaO-AL2O3-SiO2基和CaO-AL2O3以基保護渣之后，渣中各組分對各渣系保護渣的結構和性能的影響尚缺乏系統的研究。

2.5熔渣的流變行為與其結構相關

然而現有的大部分研究主要考慮了組分變化對流變性能的影響，但欠缺從結構層面系統的研究熔渣的流變行為。此外，隨著渣系的轉變，熔渣的結構勢必發生改變，這些結構上的變化會對熔渣的流變性能產生何種影響尚缺乏系統的研究。

2.6連鑄保護渣的結晶特性主要通過CCT和TTT曲線來研究

然而，在實際結晶器內的熔渣是在非等溫條件下凝固結晶，CCT和TTT曲線無法表征這一凝固結晶過程。DHTT試驗可以用于研究連鑄保護渣在非等溫條件下的凝固結晶特性，但這種方法尚處于研究階段，建立合適的試驗方法及選擇合適的評估參數尚需要進一步的研究。

結束語

綜上分析連鑄保護渣作為一種須滿足多種行為要求的功能材料，幾十年的發展己從經驗逐漸轉化為科學，從宏觀的理化性能控制到微觀的熔渣結構控制，但對熔渣成分、性能與結構間的關系還缺乏系統的研究，這將是今后研究的重點。

參考文獻：

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