特钢厂模铸用保护渣

蔡燮鳌　缪新德　吴小林

Shielding Powered Slag for Ingot Mold Casting at Special Steel Works

Cai Xieao, Miao Xinde and Wu Xiaolin
(Jiangyin Xingcheng Iron and Steel Co Ltd, Jiangyin 214432)

60年代前期，国内各特钢厂都采用焦油木框、石蜡草圈等保护浇铸，钢锭表面质量差，尤其是低倍皮下气泡、翻皮、夹杂等缺陷一直困扰着钢锭质量的提高。60年代中期探索用固体粉状保护渣，用石墨尾矿做基料加萤石和固体水玻璃，高碳型“721”石墨渣就是当时普遍采用的混合型保护渣。使用后钢锭表面质量较过去有很大提高。20多年来，特别是1981年冶金部特钢第2届铸锭会后，经各厂、科研单位和大专院校的共同开发研究，目前已开发出各种不同类型的模铸保护渣，基本满足了生产的需要，同时也大大缩短了与国外在这一方面的差距。

1　保护渣基料的选择和使用原则

1.1　保护渣基料的选择
为保证保护渣的稳定性，基料的选择十分重要。由于模铸条件的要求，保护渣应具有低碱度、高粘度，其熔点在1 100～1 250 ℃。基料的主要化学成分为：SiO2 30%～60%；Al2O3 5%～20%；CaO 10%～30%。
目前国内普遍采用的保护渣基料有高炉水渣、电厂灰、石墨尾矿、水泥熟料、硅灰石、蛭石、珍珠岩等。据有关研究单位指出水泥熟料和硅灰石较好，但价格较高。煤资源较稳定且未经收集漂珠的电厂粉煤灰，再适当配加其它基料、熔剂和碳质材料亦能获得价廉质量较好的保护渣，如周庄炼钢保材厂生产的ZF-12复合渣就是一例，性能稳定，含碳量低，钢锭表面质量好，头部增碳和帽头切损少。
1.2　保护渣常用的熔剂
在SiO2-Al2O3-CaO三元系相图中基础成分熔点高，且各厂钢种、锭型和浇铸工艺不同，因此必须在基础成分上添加适量的熔剂来调整熔点和粘度。熔剂对保护渣的各种性能有较大的影响。因此，必须把熔剂对保护渣的熔点、粘度和吸收夹杂的能力加以综合考虑。
各种熔剂对保护渣3种性能的影响的研究结果如下：
(1) 常用各种熔剂对保护渣熔化温度的降低强度的次序：B2O3＞Na2O＞BaO＞CaF2＞MnO。
(2) 常用各种熔剂对保护渣粘度的降低强度的次序：CaF2scop-369＞B2O3＞MnO＞Na2O＞BaO。
(3) 常用各种熔剂对Al2O3的吸收能力大小的次序：B2O3＞CaF2＞Na2O＞BaO＞MnO。
目前关于熔剂加入量的研究还不能做到准确的定量关系。因为各种熔剂加入保护渣中产生相互作用-混合效应，只在某一量和某一范围效果较好。而某一熔剂加入量过多时适得其反，能使保护渣产生高熔点物质。例如，CaF2加入量过多时，可能生成枝晶石；Na2O加入量过多时，可能生成霞石。为了避免这种现象，保护渣熔剂加入的原则是：加入的种类多而每种量要少。
从有效性、经济性、综合性等方面考虑，国内目前普遍采用含钠熔剂(苏打、碱)和萤石。
1.3　保护渣中的碳
所有国家“通用型”的保护渣均含有碳。除低碳钢种和连铸保护渣外，不应把碳降得太低，一般在15%～30%。
碳在保护渣中对熔融速度的影响，不同种类的碳几乎没有什么区别，只是随着数量增加，粒度减细、熔速变慢。但是，对保温性能石墨类优于普通碳质材料，而碳黑类又优于石墨类。另外在选用碳质材料时还得考虑价格因素。

2　生产中保护渣的几个问题

2.1　钢液增碳
农业交易碳在保护渣中起到调整熔速，改善铺张性，润滑模壁，提高保温性能，产生还原气氛等作用。但是，也出现钢锭不同部位的增碳现象，尤其是头部更为严重。1976年后大连、齐钢、大冶等厂相继指出：高碳保护渣钢锭头部增碳，是影响钢材质量，提高成材率的最大障碍。我厂1986年前使用含碳高达26%的穆林MB2-5渣，钢锭头部增碳也十分严重。
为了搞清增碳机理，北京科技大学、重庆大学等高等院校对不同含碳量的保护渣进行了试验，其结果是：
(1) 固体粉渣与高温钢液接触产生高温溶解增碳。
既然碳与钢液接触时的增碳是一个溶解过程，它就应遵循溶解理论：

碳的溶解速度
扩散系数

式中　r ——碳粒直径；S ——界面积；δ ——边界层厚度；N ——阿佛加德罗常数；C饱 ——碳在钢中饱和浓度；CX ——钢液中原有碳浓度；R ——气体常数；η ——钢液粘度。
从上式可以看出：钢液温度愈高，碳的扩散速度愈快，保护渣中碳含量愈高，钢液的增碳速度愈快。
(2) 固体粉渣与红热钢锭接触时，产生高温扩散增碳。此过程应遵循菲克扩散定律：
dn/dt=D.F (CS-CX)
式中F—接触面积；D—氧化锆全瓷扩散系数；CS—保护渣碳浓度；CX—钢锭碳浓度。
从上式可以看出：保护渣含碳量愈高，增碳愈严重。
(3) 液渣层把钢液与粉渣完全隔离，增碳十分轻微。对熔渣的实际分析结果含碳量很低一般不超过0.05%，且碳粒在熔渣中的扩散系数极低。因此碳要通过熔渣向钢液增碳是困难的。
(4) 大生产中粉状保护渣对钢锭的增碳
无论渣粉如何放置加入，开浇后钢液进入模内粉渣都要与钢液接触必须经过一定时间后才能形成足够覆盖钢液顶面的液渣层，这段时间粉渣中碳直接与钢液接触发生溶解增碳。在浇铸过程中注速不可能达到理想平稳，实际注速是波动的，形成液渣对某部分钢液不能良好覆盖造成粉渣与钢液的直接接触机会，同时锭模内壁不是完全光滑，经过多次使用后模壁变得粗糙，特别是当前钢厂清模操作质量差，模壁粘有渣壳的情况普遍存在，造成再次浇注时粉渣滞留，形成粉渣与钢液直接接触的机会。
钢液上升到锭身与帽口交界处粉渣在此有聚集和滞留，同时绝热帽内壁粗糙气孔率高，粉渣也有滞留造成粉渣对该部钢液的溶解增碳和对凝固红钢的扩散增碳。由于帽口部分钢液凝固最慢，接触时间最长，传质时间长，因此增碳最严重，形成一个“V”形墨中心，显然这样的钢无法使用，必须切除。从而降低钢锭的成材率。保护渣中碳含量愈高，钢液凝固时间愈长，增碳愈严重。
为减轻含碳保护渣对钢锭的增碳程度，除改善浇钢工艺，改进帽口设计外，主要还应设法在保证保护渣基本特性的前提下，尽可能降低保护渣的含碳量。
采用不同含碳量保护渣：ZF-12(含碳量11.3%)和穆林MB2-5(含碳22.60%)试验(表1)。钢锭头部化学成分分析取样部位与碳含量分析结果如图1和表2所示。

表1　MB2-5和ZF-12两种渣的成分/%
Table 1　Ingredient of shielding powered slag for ingot mold casting /%

牌号	SiO2	CaO	Al2O3	Fe2O3	Na2O	K2O	C
MB2-5	42.5	8.5	6.0	4.1	2.0	-	20～25
ZF-12	43.0	23.0	7.0	4.4	2.0	0.6	14

图1　钢锭头部取样位置
锭型(无人机吊舱上口255mm×255mm)/(下口200mm×200mm)×1100mm
Fig.1　Sampling location at top of ingot Ingot top 255mm×255mm, end 200mm×200mm, height 1100mm

表2　用MB2-5和ZF-12保护渣铸锭时钢锭头部不同部位的碳含量/%
Table 2　Carbon content at different position of top of ingot as ingot mold casting with shielding powered slag MB2-5 and ZF-12/%

猪肉精

试样部位	20CrMnTi		45#
试样部位	MB2-5渣	ZF-12渣	MB2-5渣	ZF-12渣
成品	0.19	0.19	0.46	0.46
1	0.20	0.19	0.46	0.455
2	0.24	0.21	0.95	0.63
3无水厕所	0.64	0.45	1.15	0.92
4	0.315	0.30	0.91	0.52
5	0.205	0.19	0.47	0.46
6	0.48	0.34	0.93	0.78
7	0.20	0.19	0.48	0.46
8	0.21	0.21	0.53	0.47
9	0.24	0.24	0.65	0.57
10	0.38	0.315	0.905	0.64
11	0.28	0.25	0.69	0.52
12	0.22	0.205	0.535	0.47
13	0.20	0.195	0.475	0.47
14	0.27	0.21	0.555	0.47

注：试样部位见图1。

莱钢特钢厂与周村炼钢保护材料厂共同开发的用膨胀珍珠岩和漂珠代替部分基料，用膨胀石墨做碳质材料，含碳小于12%的ZF-12复合保护渣取得满意的效果：钢锭表面质量好、增碳少、保温效果亦好，采用轻质绝热帽680 kg锭型，不使用发热剂帽头，收缩良好，成坯率在89%左右。
2.2保护渣的保温性能
保护渣良好的保温性能，能改善钢锭表面质量和帽头收缩，减少切头损失，提高成材率。降低粉渣的含碳后，钢锭增碳减轻，但随之出现保护渣保温性能差使用量增加等问题。如何改善低碳保护渣的保温性能，国内各钢厂从不同角度都做了不少工作。如采用容重轻、气孔率高、绝热保温性能好的膨胀蛭石，高炉水渣，膨胀珍珠岩做基料。还有些单位试验用呈空心球状的具有良好绝热性的粉煤灰——漂珠做部分基料。目的均为提高粉渣基料本身的绝热性。有些厂用膨胀石墨做碳质材料，提高粉渣的绝热性。
2.3粉渣的颗粒度
对混合型渣(几种原料机械混合)来说，粒度愈细，熔融速度愈大，熔融温度愈低，保温性能愈好，粒度粗的保护渣分熔现象严重，液渣均匀性差，并降低润滑效果。但粒度大，质量大铺展性好，且太小的粒度给生产带来困难，生产环境恶化，一般模铸用保护渣粒度小于100目，小于200目占30%左右即可。
2.4保护渣的水分
保护渣水分含量高，会严重受气幕附着力的影响，铺展性变差。严重时保护渣结团，浇铸时滞留模壁，有时被卷入钢锭和锭模之间，恶化钢锭的表面质量。同时水分高的保护渣会使钢锭尾部产生皮下气泡等缺陷。所以要求小于0.7%，最好小于0.5%。含有结晶水的原材料应在500～600 ℃的温度进行烘烤才能去除结晶水。

3结束语

(1)配置混合型保护渣时，其基料选择，必须成分稳定，有害杂质含量低，成分应在SiO2-Al2O3-CaO三元相图中低熔点区，基料之间成分差距不能太大。
(2)保护渣熔剂的选择，宜种类多，每种加入量要少，当前普遍采用苏打、碱和萤石。
(3)碳质材料在保护渣中对调整熔速、提高保温性能、改善铺展性和模内气氛等方面起良好作用。但是，保护渣中高的碳含量使钢锭头部增碳严重。因此在不降低保护渣基本性能的前提下尽可能降低保护渣含碳量。如选用绝热性能较好的基料和碳质材料，控制保护渣中含碳量在15%以下是可行的。
(4) 发展预熔性渣，可克服混合型渣包装、储存和使用期限要求严格、运输过程易发生偏析及在熔化过程中放出气体和融化均匀性差等不足。

作者简介：蔡燮鳌，男，57岁，总工程师、高级工程师。1963年上海交通大学炼钢专业毕业，从事特殊钢生产技术研究工作。
作者单位：江阴兴澄钢铁有限公司，江阴 214432

收稿日期：1999-04-28

本文发布于:2024-09-22 15:43:02，感谢您对本站的认可！

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