带你全面了解连铸保护渣
来源： 冶金技术网 发布时间：2022-02-25
1、连铸保护渣的作用是什么?
在浇注过程中，要向结晶器钢水面上不断添加粉末状或颗粒状的渣料，称为保护渣。保护渣的作用有以下几方面：
(1)绝热保温防止散热；
(2)隔开空气，防止空气中的氧进入钢水发生二次氧化，影响钢的质量；
(3)吸收溶解从钢水中上浮到钢渣界面的夹杂物，净化钢液；
(4)在结晶器壁与凝固壳之间有一层渣膜起润滑作用，减少拉坯阻力，防止凝壳与铜板的黏结；
(5)充填坯壳与结晶器之间的气隙，改善结晶器传热。
一种好的保护渣，应能全面发挥上述五个方面作用，以达到提高铸坯表面质量，保证连铸顺行的目的。
2、对保护渣熔化模式有何要求?
在连铸过程中加入到结晶器的保护渣，要完成上述五个方面的功能，必须要求保护渣粉有规定的熔化模式，也就是要求在钢水面上形成所谓粉渣层—烧结层一液渣层的所谓三层结构。
添加到结晶器高温钢液(1500℃左右)面上低熔点(1100～1200℃)的渣粉，靠钢液提供热量，在钢液面上形成了一定厚度的液渣覆盖层(约10～l5mm)，钢水向粉渣层传热减慢，在液渣层上的粉渣受热作用，渣粉之间互相烧结在一起形成所谓烧结层(温度在900～600℃)，在烧结层上粉渣接受从钢水传递的热量更少，温度低(<500℃)，故保持为粉状，均匀覆盖在钢水面上，防止了钢水散热，阻止了空气中的氧进入钢水。
在拉坯过程中，由于结晶器上下振动和凝固坯壳向下运动的作用，钢液面的液渣层不断通过钢水与铜壁的界面而挤入坯壳与铜壁之间，在铜壁表面形成一层固体渣膜，而在凝壳表面形成一层液体渣膜，这层液体渣膜在结晶器壁与坯壳表面起润滑作用，就像马达轴转动时加了润滑油一样。同时，渣膜充填了坯壳与铜壁之间气隙，减少了热阻，改善了结晶的传热。
随着拉坯的进行，钢液面上的液渣不断消耗掉，而烧结层下降到钢液面熔化成液渣层，粉渣层变成烧结层，再往结晶器添加新的渣粉，使其保持为三层结构，如此循环，保护渣粉不断消耗。
3、如何实现使结晶器保护渣粉形成所谓“三层结构”?
要发挥保护渣5个方面功能，就必须使添加到结晶器渣粉形成“三层结构”。要形成“三层结构”关键是要控制保护渣粉的熔化速度，也就是说，加入到钢液面的渣粉不要一下子都熔化成液体，而是逐步熔化。为此，一般都是在保护渣中加入碳粒子作为熔速的调节剂。
碳粒子控制熔速的快慢决定于加入碳粒子种类和数量。碳是耐高温材料，极细的碳粉吸附在渣粒周围，使渣粒之间互相分隔开来阻碍了渣料之间的接触、融合，使熔化速度变缓。如果加入碳粉不足，渣层温度尚未达到渣料开始烧结温度，碳粒子就已烧尽，则烧结层发达，熔速过快，液渣层过厚。如果加入碳粉过多，渣料全熔化后尚有部分碳粒子存在，则会使烧结层萎缩，烧结层厚度过薄。加入碳粉数量适中时，在烧结层中有部分碳粒子烧尽，其余部分渣料尚受碳粒子的有效控制，这样就会得到合适厚度的烧结层和液渣层。
配碳材料有石墨和碳黑两种。石墨颗粒粗大，粒度为60～80μm，其分隔和阻滞作用较差，但开始氧化温度较高(约560℃)，氧化速度较慢，在高温区控制熔速能力较强。碳黑为无定型结构，颗粒很细(0.06～0.10μm)，分隔和阻滞作用强，开始氧化温度较低(500℃)，氧化速度快，所以碳黑在渣层温度较低区，控制熔速能力强，在高温区控制效率较低，即使增加配入量，其改善效果也是有限的。
一般配入的碳粉量为4～7％。
4、影响保护渣吸收钢水中夹杂物有哪些因素?
浸入式水口注流在结晶器内引起钢水对流运动，上浮到结晶器钢渣界面上的夹杂物，由于结晶器液面的波动，可能会被卷入到凝固壳，造成铸坯皮下夹杂或表面夹渣，影响表面质量。因此，希望上浮到钢渣界面的夹杂物很快被液渣层吸收、溶解。
要使上浮到钢渣界面的夹杂物，迅速转移到液渣中去，这个过程决定于：
(1)钢渣界面接触面积；
(2)液体渣的黏度；
(3)渣子溶解夹杂物的能力。
也就是说，渣子流动性越好，钢渣接触面积越大，夹杂物就越易进入渣中。只要夹杂物一进入渣中，渣子能迅速吸收溶解，而渣子溶解夹杂物的能力主要决楚、于渣子化学成分，也就是cao和sio2含量，(cao％/ sio2％称为碱度)以及渣中原始al2o3含量。
生产试验指出，碱度增加，渣子溶解al2o3夹杂物能力增大，当碱度大于1.1，则溶解al2o3能力下降；渣中原始al2o3含量大于10％，则渣子溶解al2o3迅速下降。因此配制保护渣时，应使渣子cao％与sio2％之比在0.9～1.0，原始的al2o3含量尽可能低，一般应小于10％。
结晶器钢水面上液渣层对al2o3夹杂溶解能力究竟有多大?研究指出：当cao％/ sio2％=0.9～1.0时，渣中al2o3含量大于20％，就有高熔点的化合物析出，使渣子熔点升高，黏度增大，也就不能再吸收上浮的夹杂物。
然而，在浇注过程中，结晶器保护渣不断消耗，也不断吸收上浮夹杂物，而使渣子被al2o3富集。为了保持渣子具有良好的吸收al2o3能力，而又不改变渣子性能，可采取以下措施：
(1)配制渣粉时，选择合适原料，应尽可能降低原始渣中的al2o3含量；
(2)适当增加渣粉消耗，冲稀渣中al2o3含量；
(3)浇注过程中随渣中al2o3富集，可采用结晶器换渣操作。
5、结晶器液渣层厚度的作用及其测定方法有哪些?
保护渣要达到良好的使用效果，必须有合乎实际需要的液渣层厚度。液渣层过厚或过薄都会使板坯产生表面纵裂纹。如板坯拉速为1.2～1.5m/min，液渣层厚度小于5mm，板坯纵裂纹明显增加(由50mm/m增加到200mm/m)，液渣层厚度6～15mm，纵裂纹几乎消失，液渣层大于20mm，纵裂纹又有所增加。
液渣层厚度小于某一值，沿结晶器周边形成的渣圈，会使弯月面液渣流入坯壳与铜壁之间的通道堵死，致使液渣不能顺利流入坯壳表面而形成均匀的渣膜，则可能在相应的铸坯表面上产生纵裂纹。那么液渣通过弯月面下流的通道不被堵死所需的液渣厚度是多少呢?根据理论计算指出，拉速小于lm/min，液渣层厚度为5～7mm，拉速大于lm/min，液渣层厚度为7～15mm。这与生产实践所测的临界液渣层厚度是一致的。
在生产中测定液渣层厚度的方法：把一根钢丝和一根铜丝(或铝丝)绑在一起，插入结晶器渣层中，由于液渣温度比铜的熔点高，所以铜丝熔化，量出铜丝熔化的长度即为液渣层厚度。由于板坯结晶器断面各点钢水温度是不一样的(如浸入式水口区域和结晶器边部)，液渣层厚度也不相同，因此可测定不同位置的液渣层厚度。
6、保护渣是如何起润滑作用的?
浇注过程中结晶器上下振动，铸坯向下运动，在凝固壳表面与铜壁之间产生了摩擦，使坯壳与铜壁黏结，使拉坯阻力增大，轻者导致坯壳产生裂纹，重者会使坯壳拉裂。因此在坯壳与铜壁之间必须要进行润滑，这个作用只有靠保护渣来实现。
要保证良好的润滑，在凝固壳与铜壁之间必须有一层性状合适、厚度均匀的液态渣膜。结晶器钢液面上的液渣层是不断供给液渣膜的源泉。为此要保证结晶器弯月面附近液渣流入坯壳与铜壁之间的通道畅通，不受铜壁周围的渣圈堵塞。
那么润滑渣膜是如何形成的呢?当把钢水浇满结晶器就形成了初生坯壳，向液面添加保护渣粉，则渣粉熔化形成了一层液渣层，靠近铜壁四周的液渣冷却形成了渣圈，随着结晶器向下运动，渣子逐渐被挤入到坯壳与铜壁之间以致完全为渣子充填。铜壁温度低，靠近铜壁一侧的渣壳保持为固体渣皮，而凝壳表面温度高，靠近坯壳一侧渣子是液态渣膜，具有流动性。这样结晶器铜壁与坯壳之间靠液态渣膜来滑润，它随铸坯拉出而消耗掉，而附着在铜壁上的固体渣皮随结晶器振动而基本上不消耗。在渣膜不断消耗的同时，钢液面液渣经弯月面通道不断向下补充，形成了稳定液态渣膜。
渣膜的厚度与渣子黏度、拉速、结晶器振动等因素有关。知渣子黏度一定，拉速增加，渣膜厚度增加；而拉速一定，黏度增加，则渣膜厚度减少。一般渣膜厚度50～200μm，渣子消耗为0.4～0.6kg/t。，因此，要使渣膜对凝固坯壳的润滑处于最佳状态，则渣膜厚度，渣子消耗、渣子黏度三者要配合适中。当结晶器振动一定的情况下，黏度η)和拉速(v)应配合适当，低黏度与低拉速，或高黏度与高拉速搭配均不可取，以两者的乘积η·v作为指标来评价润滑状况，η·v值过小或过大，均表示渣膜厚度和消耗不适当，润滑状况不良。
7、保护渣成分的设计原则是什么?
要实现保护渣的五个功能，关键是配制合适成分的保护渣。
现在普遍应用于连铸的保护渣渣料是以cao-sio2-al203三元化合物组成的渣系为基础的。并含有适量的na2o、caf2、k20等化合物。这种渣料熔化后呈弱酸性或中性的液渣，对钢水的润湿性好，渣子黏度随温度变化平缓。连铸保护渣基本由三种物料组成：
(1)基础渣料。含cao、sio2、al203基本渣料。按cao-sio2-al203三元相图，这三种化合物成分范围是：ca0 10～38％，si0240～60％，al203小于l0％。熔点高于1300℃以上。
(2)助熔剂。如na2o、caf2能降低渣子熔点和黏度。根据资源情况，也可选用lio2、k20、bao、naf、b2o3等作助熔剂，加入量的多少视其渣子熔点而定。
(3)调节剂。碳粒子为熔速调节剂。加入量为5～7％。
根据钢种的要求，通过实验把保护渣合适的各化合物含量确定下来。
8、配制保护渣所用的主要原料是什么?
作为配制保护渣的原料有：天然矿物、工业废物和工业产品。已作为基础渣料的原料有：水泥、水泥熟料、硅灰石、长石、石英、电厂烟道灰、高炉渣、电炉白渣等。作为助熔剂辅助材料有：烧碱、萤石、重晶石、冰晶石、硼砂、碳酸锂等。熔速调节剂有天然石墨、碳黑、灯黑等。
9、保护渣对连铸坯质量有何影响?
保护渣是加入到结晶器钢水面上，保护渣的好坏主要是影响铸坯的表面质量：
(1)铸坯表面纵裂纹：纵裂纹是来源于结晶器弯月面区初生坯壳厚度的不均匀性。钢水面上液渣不能均匀流入分布到铸坯四周，导致凝固壳厚薄不均，在坯壳较薄之处容易产生应力集中，当应力超过凝壳的高温强度时就产生了裂纹。
研究指出，结晶器钢液面上的液渣层保持5～15㎜，可以显著减少板坯表面纵裂纹。纵裂还与渣子黏度(η)、熔化速度(tf)和拉速(v)有关。有人指出：η/tf比值愈大，纵裂指数愈小。如渣子温度1300℃，η/tf=1,纵裂指数为6，η/tf=2，纵裂指数为0。有人认为：对连铸板坯η·v控制在2～3.5。方坯η·v控制在5，可使渣膜均匀，传热稳定，润滑良好，可显著减少裂纹。
(2)夹渣：铸坯夹渣可分为表面夹渣和皮下夹渣。夹渣尺寸大小不等。由几毫米到十几毫米，夹渣在表面深浅也不一样。夹渣严重危害产品表面质量，因此在热加工之前必须予以清除。
结晶器坯壳卷入渣子，是夹渣的重要来源。如坯壳表面形成了渣斑，此处导热性差、凝壳薄，形成了一个高温“热点”，是造成出结晶器坯壳漏钢原因之一。
铸坯表面夹渣物组成主要是钙长石和钙黄长石，这两个化合物中a12o3均大于20％，它们熔点分别为1550℃和1590℃，容易使渣子结团。在结晶器液面波动太大，浸入式水口插入太浅，液面翻动会把渣子卷入。
炼钢连铸火焰切割高效节能技术”被国家科技部列入重点科技成果推广项目。本技术产品在数家炼钢企业成功应用，扭转了过去钢坯切割燃气消耗多、切割割缝大、切割断面粗糙、氧气压力高、工场粉尘多、噪音大、环境污染重、割具损坏多、工人劳动强度大等状况，显示出巨大的节能降耗威力和卓越的环境保护效果。该技术具有以下特点：
1、工艺先进：切割中火焰集中，切割速度快；切割断面光洁，上缘不塌边，下缘挂渣少，成材率高；可实现自动化，切割与连铸拉速相匹配。
2、节省钢材：切割方坯和板坯割缝可保持在3mm左右，每吨钢材可减少0.5公斤以上割损。
3、节约能源：节能连铸割嘴的燃气压力是其他割嘴的1/2至1/3，氧气压力是其他割嘴的1/2，可节省燃气50%以上，节省氧气40-50%，切割中可实现自动断火与点火。
10、连铸保护渣有哪几种类型?
根据设计的保护渣组成，再选用合适的原料经过破碎、球磨、混合等制作工序就制成了保护渣。有四种类型。
(1)粉状保护渣：是多种粉状物料的机械混合物。在长途运输过程中，由于受到长时间的震动，使不同比重的物料偏析，渣料均匀状态受到破坏，影响使用效果的稳定性。同时，向结晶器添加渣粉时，粉尘飞扬，污染了环境。
(2)颗粒保护渣：为了克服污染环境的缺点，在粉状渣中配加适量的黏结剂，做成似小米粒的颗粒保护渣。制作工艺复杂，成本有所增加。
(3)预熔型保护渣：将各造渣料混匀后放入预熔炉熔化成一体，冷却后破碎磨细，并添加适当熔速调节剂，就得到预熔性粉状保护渣。预熔保护渣还可进一步加工成颗粒保护渣。预熔保护渣制作工艺复杂，成本较高。但优点是提高保护渣成渣的均匀性。
(4)发热型保护渣：在渣粉中加入发热剂(如铝粉)，使其氧化放出热量，很快形成液渣层。但这种渣成渣速度不易控制，成本较高，故应用较少。
11、连铸保护渣主要理化性能有哪些?
保护渣配制好后，要测定渣子的理化性能，主要的理化指标有以下几项：
(1)化学成分：各牌号的保护渣，应分析化学成分，各氧化物的含量应在所规定的范围内，这是最起码的指标。
(2)熔化温度，将渣粉制成φ3×5mm的试样，在专门仪器上把试样加热到圆柱体变为半球形的温度，定义达到半球点的温度叫熔化温度。
(3)黏度：它表示渣粉熔化成液体的流动性能。而渣子流动性对熔渣吸收夹杂物和坯壳的润滑效果有重要影响。通常是用扭摆黏度计或旋转黏度计测定1300℃渣子的黏度，来比较不同渣子的流动性。
(4)熔化速度：熔化速度是衡量渣子熔化过程的快慢，关系到结晶器钢液面上能否形成稳定的三层结构和需要的液渣层厚度。
熔速可用标准试样在规定温度(如1300℃或1400℃)下完全熔化成液体所需的时间来表示。也可用一定重量的保护渣粉，加热到规定温度，在单位面积和时间内形成液渣量来表示。
(5)铺展性：它表示粉渣加到钢液面上的覆盖能力和覆盖的均匀性。可以用一定容积内的保护渣粉，从规定高度下流到平板上铺散的面积来衡量。
(6)水分：保护渣粉容易吸潮。吸附水分量超过规定要求(如0.5％)，渣粉会结团，危及使用效果。
12、如何控制保护渣的水分?
保护渣水分分为吸附水和结晶水两类。水分可使保护渣粉结团、质量变坏。应限制水分小于0.5％。
基料中的某些物质如苏打、固，体水玻璃等吸附水的能力甚强。当吸附水后，使粉渣裹卷成团，对连铸操作带来麻烦。
保护渣吸水主要决定于原料种类和粒度。粒度愈细，吸水率愈大，200目时，水泥吸水率为0.41％，固体水玻璃为3.24％，萤石为0.45％，苏打为15.9％，石墨微量。
控制水分方法：原料的烘烤温度不低于110℃。适当延长烘烤时间。烘烤后的原料应及时配料、混匀，配好的渣粉应及时密封包封。
对质量要求较高的钢种，保护渣原料最好烘烤到800℃以上，以去除结晶水，或采用预熔型保护渣。
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