金柱元，朱學(xué)瑾，李 亮，趙 斌

（日照鋼鐵集團有限公司冶金技術(shù)處，山東 日照 276800）

結(jié)晶器保護渣具有五大基本功能，對于保持連鑄過程順行，改善鑄坯質(zhì)量起著非常重要的作用，特別是對于裂紋敏感性強的包晶鋼更是舉足輕重[1-3]，保護渣性能不合容易造成鑄坯縱裂、夾渣、凹陷等缺陷，惡化鑄坯質(zhì)量，造成成本升高，針對某廠生產(chǎn)Q195鋼小方坯時因其w（C）要求在0.08%~0.10%處在包晶區(qū)，鑄坯出現(xiàn)夾渣、縱裂等缺陷，主要是保護渣性能不合適造成的，通過優(yōu)化現(xiàn)用保護渣的成分和理化性能，旨在改善保護渣功能，解決鑄坯問題，提高鑄坯合格率降低生產(chǎn)成本。

1 保護渣作用及包晶鋼對保護渣的要求

1.1 保護渣在結(jié)晶器中的分布及作用

結(jié)晶器鋼液面上的保護渣具有2~4層的典型層狀結(jié)構(gòu)，即，位于表面的固態(tài)渣層，處于中部含有多相的燒結(jié)層，固態(tài)渣開始熔化的糊狀區(qū)和直接與鋼液接觸起到潤滑作用的熔渣層。

圖1 結(jié)晶器保護渣熔化結(jié)構(gòu)

圖2 保護渣在結(jié)晶器的位置變化

保護渣的主要作用[1]：隔絕空氣，防止二次氧化；絕熱保溫，減少熱量損失；在結(jié)晶器壁和坯殼之間起潤滑作用，減小摩擦力；改善傳熱，確保形成足夠厚度且均勻的坯殼；吸收、溶解鋼非金屬夾雜物，改善鑄坯質(zhì)量。

1.2 包晶鋼對保護渣的要求

Q195鋼屬于裂紋敏感性鋼種，在熱應(yīng)力與鋼水靜壓力共同作用下，易在凹陷薄弱處產(chǎn)生裂紋，因此此類鋼種對保護渣要求較為嚴格。其主要要求包括：為形成足夠的液渣層，消耗量要適當(dāng)；為抵消液面波動影響，要一直具有足夠的液渣深度，確保結(jié)晶器邊緣，特別是彎月面附近液渣充足；吸收、溶解非金屬夾雜物后，能夠保持良好、穩(wěn)定的性能；保證結(jié)晶器縱向具有良好的絕熱性能，橫向傳熱均勻適中；析晶能力適宜。

2 Q195鋼小方坯質(zhì)量現(xiàn)狀

由表1可知，生產(chǎn)中Q195鋼中w[C]在0.08%~0.10%之間，因此其具有低碳鋼和包晶鋼雙重凝固特性。由于包晶鋼在固相線溫度以下20~50℃時的線收縮量最大，而且此時在結(jié)晶器彎月面處的初生坯殼隨溫度下降發(fā)生δFe→γFe轉(zhuǎn)變，由于相轉(zhuǎn)變時約有0.38%的體積収縮，致使坯殼與結(jié)晶器銅壁之間出現(xiàn)寬度不均勻的氣隙，傳熱效率降低，導(dǎo)致坯殼厚度相對較小，承受熱應(yīng)力和鋼液靜壓力的能力減弱，冷卻和凝固速度相對較慢，組織相對粗化，裂紋敏感性相對增強，最終在坯殼最薄弱的部位形成凹陷[4]。通過多日觀察統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該廠生產(chǎn)的Q195小方坯質(zhì)量問題主要是由于保護渣理化性能與鑄坯凝固過程不匹配造成的表面縱裂、凹陷和夾渣（見圖3）。

表1 Q195鋼的成分 %

圖3 Q195鋼小方坯存在的問題

3 Q195鋼小方坯保護渣成分設(shè)計及性能優(yōu)化

3.1 現(xiàn)用保護渣理化性能分析

為更好地對保護渣進行優(yōu)化，首先對現(xiàn)用保護渣的成分及理化性能進行了詳細檢測，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 保護渣成分和堿度

表3 保護渣理化性能

由表3可知，現(xiàn)用保護渣熔化溫度為1 230℃，1 300℃時的熔化時間為100 s，結(jié)晶溫度為1 075℃，黏度為0.815 Pa·s，此種理化性能的保護渣用于Q195小方坯的生產(chǎn)，黏度和熔化溫度較高，傳熱能力較差，熔化速度較慢，孕育時間較長，臨界冷卻速度較低，在正常澆注過程中，此保護渣不容易結(jié)晶，不能在鑄坯與結(jié)晶器銅壁之間形成足夠厚度的液態(tài)渣膜，因而不能起到改善傳熱的作用，由于粘度較高，還易引發(fā)黏結(jié)漏鋼，對生產(chǎn)造成嚴重影響，所以有必要對現(xiàn)用保護渣的成分和理化性能進行優(yōu)化以改善使用效果，提高鑄坯質(zhì)量。

3.2 熔化溫度設(shè)計

熔化溫度適宜的保護渣應(yīng)滿足在結(jié)晶器銅壁與坯殼之間形成厚度適合且均勻的液態(tài)渣膜，保證傳熱效果適當(dāng)，熔化溫度過高會造成潤滑不良，熔化溫度過低會造成結(jié)晶器內(nèi)熱流增加，影響鑄坯質(zhì)量，因此只有保證保護渣的熔化溫度略低于或等于結(jié)晶器下口處鑄坯表面溫度，才能滿足潤滑要求。由實際生產(chǎn)時鑄坯斷面為160 mm×160 mm，拉速為1.6~2.0 m/min，經(jīng)模擬計算，得出不同拉速下結(jié)晶器出口鑄坯表面溫度，由結(jié)晶器出口鑄坯中心表面溫度為1 188~1 257℃，綜合考慮傳熱和潤滑，保護渣熔化溫度設(shè)計為（1 110±20）℃（見表4）。

表4 Q195鋼在不同拉速條件下結(jié)晶器出口鑄坯溫度熱模擬結(jié)果

3.3 熔化速度設(shè)計

經(jīng)實驗測得現(xiàn)用保護渣在1 300℃時的熔化時間為100 s，根據(jù)生產(chǎn)實際觀察，澆注時結(jié)晶器液面上方液渣層厚度較小，不能充滿坯殼與結(jié)晶器銅壁間隙，液面波動時還容易造成卷渣，由于保護渣熔化速度較慢，當(dāng)吸附夾雜后，液渣量相對較少，潤滑能力進一步減弱，黏度進一步增加，黏結(jié)漏鋼風(fēng)險也隨之增加，為避免出現(xiàn)上述問題，設(shè)定保護渣1 300℃時的熔化時間為46 s。

3.4 黏度設(shè)計

保護渣的潤滑性能主要取決于黏度，黏度過高則液渣量減少，渣膜厚度減小且不均勻，致使摩擦力增大，嚴重時造成漏鋼，有關(guān)研究表明，設(shè)計保護渣的黏度要遵循η1 300℃-v匹配原則和穩(wěn)定性原則。對于拉速為1.5~2.2 m/min條件下的小方坯，結(jié)晶器保護渣黏度控制在（0.50±0.05）Pa·s比較合理。

3.5 結(jié)晶溫度設(shè)計

由表3知，現(xiàn)用保護渣的結(jié)晶溫度為1 075℃，由于Q195鋼屬于裂紋敏感性鋼種，宜選用具有較高結(jié)晶溫度的結(jié)晶器保護渣，結(jié)晶溫度控制在1 100℃效果比較好，綜合以上分析得出Q195鋼小方坯連鑄保護渣理化性能推薦值，如表5所示。

表5 Q195鋼連鑄保護渣理化性能指標推薦值

4 優(yōu)化后的Q195鋼小方坯應(yīng)用效果

該廠依據(jù)提供的推薦值，對保護渣進行了優(yōu)化，優(yōu)化前后保護渣成分及理化性能對比如表6、表7所示。

表6 優(yōu)化后保護渣的成分和堿度

表7 優(yōu)化前后保護渣的理化參數(shù)

優(yōu)化后保護渣的熔化溫度降低了84℃，熔化時間減少了52 s，結(jié)晶溫度提高了10℃，黏度降低了0.275 Pa·s，堿度提高了0.22，通過長時間的跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面質(zhì)量良好，鑄坯表面沒有出現(xiàn)凹陷、夾渣、表面裂紋等缺陷，鑄坯表面質(zhì)量顯著改善，鑄坯表面質(zhì)量合格率由保護渣優(yōu)化前的20%提高至97%，取得了比較好的效果（見圖4），提高了鑄坯成品率，降低了生產(chǎn)成本。

圖4 保護渣優(yōu)化后的鑄坯

5 結(jié)論

保護渣熔速、熔點、黏度、結(jié)晶溫度等理化性能與鑄坯冷卻過程需求不匹配導(dǎo)致傳熱不均、潤滑不良是造成鑄坯出現(xiàn)凹陷、夾渣、縱裂等表面質(zhì)量的主要原因。

斷面為160 mm×160 mm，拉速為1.5~2.2 m/min的Q195小方坯連鑄結(jié)晶器保護渣的理化性能推薦值為熔化溫度（1 130±20）℃，熔化速度（46±10）s，結(jié)晶溫度1 100℃，黏度（0.5±0.05）Pa·s。

通過提高保護渣的堿度、結(jié)晶溫度，降低熔化溫度、熔化速度和黏度，實現(xiàn)了傳熱均勻、潤滑良好、渣膜厚度合理，促進了鑄坯表面質(zhì)量的改善。