小方坯连铸中碳钢铸坯表面缺陷与保护渣性能选择

小方坯连铸中碳钢铸坯表面缺陷与保护渣性能选择

孔祥涛1 周德1 孙齐松1 丁宁1 诸葛铭毅1 陈宏2 王莉2 张宝全2

（1.北京，首钢集团有限技术研究院，100043;2.北京，首钢第二炼钢厂，100041）

摘  要:首钢二炼钢160mm×160mm小方坯连铸使用高碳钢类型FRK-45型保护渣生产含碳量在0.35～0.50%钢时，连铸坯表面出现大量的纵向裂纹和横向凹坑缺陷。通过降低连铸机拉速，提高保护渣的碱度，延缓保护渣熔化速度，改善铸坯坯壳与结晶器壁间之间渣膜的传热等技术措施，使铸坯的表面缺陷得到了有效的控制。

关键词:中碳钢 连铸 保护渣 表面缺陷

THE BILLET SURFACED DEFECTS AND CHOICE OF MOULD FLUXES PROPERTIES FOR MEDIUM CARBION STEEL BY CONTINUOUS CASTING WAY

Kong Xiangtao1 Zhou De1 Sun Qisong1 Ding Ning1 Zhu Geminyi1  Wang Li2 Chen Hong2 Zhang Baoqian2

(1.Shou Gang Research institute of Technology;2.Shou Gang No.2 Steel Making Plant)

Abstract：A lot of surface longitudinal cracks and transverse pits were observed on 160mm×160mm billets containing 0.35~0.50% carbon and produced by high carbon steel mould fluxes in No. 2 steelmaking plate of Shougang Group.. These surface defects have been effectively controlled by improving the basicity of mould fluxes, prolonging the dissolve rate of mould fluxes and improving the heat transfer between mould wall and billet shell.

Keywords：medium steel  continuous casting  mould fluxes  surface defect

首钢二炼钢160mm×160mm断面方坯铸机在浇注含碳量0.38~0.50%的中碳钢时，初期由于保护渣性能不合适，造成连铸过程中大量铸坯表面出现纵向裂纹和横向凹坑等表面缺陷，占到总量的25%，给后道工序和产品质量带来不良影响，也给公司带来较大的经济损失。出现纵裂和凹坑钢种成分见表1~2。

表1  A钢化学成分

表2  B钢化学成分

为减少铸坯表面纵向裂纹和横向凹坑的发生，通过提高保护渣碱度，延缓保护渣熔化速度，改善坯壳与结晶器壁间的渣膜传热，使铸坯的表面缺陷得到有效控制。本文分析两个钢种铸坯不同表面缺陷产生的机理和特征，重点讨论钢种成分与保护渣物化性能对铸坯表面质量的影响。

1 FRK-45 型和改进 FRK-45 型保护渣性能对中碳表面质量的影响

1.1 使用FRK-45型保护渣典型钢种的表面缺陷

A和B钢采用相同的连铸工艺：二冷采用0.98L/kg比水量，结晶器电磁搅拌：电流350A，频率5Hz，拉速按照1.65m/min的恒拉速控制。A钢在正常操作条件下，铸坯的内弧侧中间部位发生严重的纵向凹陷，长度贯穿整个铸坯。并且在凹坑中间伴随纵裂纹，裂纹深度达10~12mm，其形貌如图1所示。

B钢铸坯表面出现横向凹坑，凹坑的中间有一道横向浅沟。浅沟发展较深时就成为横向裂纹，而且振痕底部常常伴有卷渣，其形貌如图2所示：凹坑中间部位振痕最深，经现场测量铸坯振痕最深处达5～6mm。经酸洗后横向浅沟底部出现了横向裂纹[1]。

A钢和B钢的铸坯的低倍结果如表3所示。由于A钢和B成分差异，A钢含有较高的S，低倍检验结果有所差别：A钢非金属夹杂物评级出现几率小于B钢；A钢角部裂纹、皮下裂纹和中心裂纹的评级几率要高于B钢。

表3  铸坯低倍检验结果

1.2 改进FRK-45型保护渣对改善中碳钢表面质量的效果

二炼钢160mm×160mm断面方坯铸机生产钢中高碳钢原来均采用FRK-45型结晶器保护渣。生产的SWRH82B、GCr15及60Si2Mn等高碳钢钢种，铸坯表面质量良好。浇注含碳量0.35~0.50%区间的中碳钢时，出现上述缺陷。

为此，改进了原来保护渣的理化性能，提高保护渣的碱度、调整保护渣熔化速度，提高渣膜传热均匀性。为试验两种保护渣的使用效果，在铸机1~4流使用原来保护渣，5~8流使用改进后的保护渣，现场对比铸坯的表面质量。试验结果表明：使用原来保护渣，部分铸坯表面仍有凹坑和裂纹；采用改进后的保护渣，浇注的铸坯渣膜均匀，铸坯表面质量良好，没有凹坑和纵裂。图3为铸坯酸洗后铸坯的形貌，铸坯表面质量良好。

更换保护渣后，铸坯的低倍各项评级都有所降低，特别是角部裂纹、皮下裂纹、和中心裂纹评级大大降低，非金属夹杂物评级也有所降低。

表4  铸坯低倍检验结果

2 分析与讨论

连铸保护渣对铸坯表面和皮下质量有着重要的影响。在连铸机设备及工艺操作正常的情况下，铸坯表面和皮下质量取决于保护渣的性能。也就是说，铸坯表面和皮下的各种缺陷都与保护渣性能密切相关。如果选择性能合适的保护渣，可以获得表面无缺陷的铸坯；如果选择不当，则易使铸坯表面产生大量缺陷。总的来说，保护渣必须具有良好的润滑性能，减少结晶器内坯壳与结晶器之间的摩擦力，从而减少裂纹的产生。保护渣应具有均匀传热的作用，尤其在结晶器的上部横断面方向上更为重要，要做到这一点，必须使结晶器上部铜板与坯壳之间的渣膜保持均匀一致[2]。

2.1 保护渣性能与结晶器热流和保护渣消耗的变化

在连铸机拉速一定时，使用原保护渣和改进后的保护渣，从结晶器导出热流有明显的差别。从图4可以看出：在 1.4m/min拉速下，两种保护渣结晶器导出热量差别不是太大；拉速在1.60m/min和1.80m/min的拉速下，使用改进FRK-45型保护渣后，结晶器导出的热量比原来导出的热量少29000KJ/min和27000KJ/min。图5是两种保护渣在不同拉速情况下，铸坯单位表面积保护渣的消耗量：在1.4m/min拉速下，改进FRK-45保护渣消耗量为0.32kg/m2 ，FRK-45保护渣消耗量为0.28kg/m2；随拉速增加到1.65m/min，两种保护渣的消耗量分别降低到0.24 kg/m2和0.21 kg/m2，；拉速增大到1.85m/min时，（与拉速1.65m/min时）两种保护渣的消耗量几乎没有变化。

在相同拉速下使用改进后的保护渣，结晶器导出热量相应地减少；使用改进后的保护渣，铸坯单位面积的消耗量增加，结晶器内液渣膜厚度相应变厚，这使得结晶器导热缓慢，结晶器内初生坯壳厚度均匀并略微减薄，减少结晶器内坯壳形成裂纹的发生率。

2.2 保护渣成分与理化指标

从表5和表6保护渣的成分和理化指标变化来看，FRK-45型保护渣属于低熔点、低粘度、快熔速型保护渣。浇注A钢和B钢时，浇注温度比高碳钢高，保护渣熔速过快，熔渣过早裸露在大气中，热量损失大，造成结晶器上部横断面上局部钢液过冷，液面处坯壳收缩离开结晶器壁形成横向凹坑。提高渣中的CaO、MgO的含量后，随CaO/SiO2由0.62提高到0.87，保护渣的半球熔点提高了90～140℃。渣中的Na2O的含量由11.05%降低到1.72%，延迟了保护渣的熔化速度，由原来的29～34秒延长为59～70秒。同时，把渣中的Al2O3含量由原来的3.80%提高到11.98%，提高了熔渣的粘度。Horst Abatis研究认为[3]，渣中Al2O3的含量在2%以前时，熔渣粘度几乎没有变化，但含量大于10%时，粘度急剧升高。改进后的保护渣粘度发生明显的变化，由原来的0.47 Pa•s提高到0.89 Pa•s。把保护渣中Al2O3的含量控制10%以上，可以得到较高粘度保护渣。渣中Al2O3的含量升高，对吸收和通化钢液中上浮非金属夹杂物的能力有所降低，特别是Al2O3夹杂及复合类型的高熔点夹杂物。

表5 保护渣成分对比

表6 保护渣理化指标对比

2.3钢的凝固机理分析

从A钢和B钢凝固特性来看，含碳量为0.09%~0.17%的碳钢从液相冷却到1495℃时发生包晶反应，δFe(固体)+L(液体)→γFe(固体)。发生δFe+L→γFe转变时，线收缩系数为9.8×10-5/℃，含碳量大于0.53％钢液凝固时未发生包晶反应δFe→γF线收缩系数为2×10-5/℃。含碳量介于0.17%~0.53%的钢种在发生过包晶反应时如图6所示：以含碳量为0.45%钢为例，在钢液凝固的过程1~2当中，δFe相的含量少于J点δFe的含量（79.5%），而是(0.53-0.45)/( 0.53-0.09)×100%=20.9%。

设定凝固区间钢液线收缩系数与δFe百分含量成线性关系，则此时线收缩系数为4.6×10-5/℃（见图7）。钢液中各种合金元素相互发生作用，A钢和B钢中的V和Cr元素在1600℃对C相互作用系数为-13和-34，这两种元素都是强烈降低钢中碳活度元素，导致钢液在凝固1~2过程中析出的δFe量要大于相对的碳质量百分比数。实际线收缩量落在图7所示意的圈内，是导致铸坯凹坑和纵裂缺陷的发生率较高的主要原因之一[4]。

结晶器采用弱冷对含碳量在0.09%～0.17%的包晶钢的表面质量有很大的改善效果。对于含碳量在0.17%～0.53％的过包晶钢，钢液凝固过程收缩量相对较大的钢种，通过提高原来保护渣的碱度、熔点、粘度后，保护渣的溶化速度时间变长，把保护渣的熔化温度提高到1100～1250℃之间。这样，保护渣的熔速变慢，在钢液面上形成适当厚度的熔渣层和粉渣层，防止钢水氧化和热量损失，与结晶器弱冷有相同的效果。同样，保护渣粘度提高，保护渣的消耗量相对变大，坯壳与熔渣层之间的热阻相对变大，导出热量相对少些。这也就是使用改进后保护渣，会引起结晶器内导出热量减少，对凝固收缩量严重的钢种铸坯表明质量有很大的改善[5]。  

3 结论

（1）小方坯浇注含碳量在0.35~0.50％之间，含有碳活性弱化元素较高（Cr和V）的中碳钢时，钢液凝固时发生过包晶反应，其线收缩量大于相对应碳含量的线收缩量。采用低熔点、低粘度、快熔速的保护渣，结晶器四壁导热不均匀和钢液凝固时线收缩量较大两者综合因素，是导致铸坯表面出现纵裂纹和横向凹坑的主要原因。

（2）采用高熔点、高粘度、低熔速的保护渣，使铸坯单位表面积保护渣消耗量增加，结晶器内导热热阻变大，结晶器弱冷导热均匀性得到改善，降低了铸坯凹坑和纵裂纹的发生几率。

参考文献

[1] 王文学，王雨，迟景灏等．不锈钢铸坯表面缺陷与保护渣性能的选择．连铸保护渣技术讲座及研讨会，重庆，2006：71-74

[2] 蔡开科．连铸结晶器．北京：冶金工业出版社2008：344-347

[3] Samyon Royzmen．Coninuous Casting of Peritectic Steel．Steel Technology International：80

[4] 黄希祜．钢铁冶金原理．北京：冶金工业出版社1997：52-54

[5] 卢盛意．连铸坯质量．北京：冶金工业出版社2005：170-178