CrMnTi系钢种保护渣性能研究

CrMnTi系钢种保护渣性能研究

刘泳1  刘丽娟2  高志勇3  王谦4

（1.河钢集团钢研总院工艺所，河北 石家庄050023；2.河钢集团石钢任公司 技术中心，050031；3.河钢唐钢唐银公司063010；4.重庆大学材料与工程学院，40044）

摘  要：通过模拟保护渣在浇钢过程中的受热行为，寻找合适的保护渣分析方法，研究保护渣均匀性能指标，为保护渣理化指标优化和调整的方向提供建议和指导。

关键词：CrMnTi钢种、均匀性、流动性 碱度

1 前言

结晶器保护渣对维持连铸工艺顺行和提高铸坯表面质量作用的重要性，已被越来越多的连铸生产厂工程技术人员和操作人员所认识，但随着连铸工艺的复杂化和品种的增多，保护渣品种的配置和分类也越来越复杂。在一定的浇注条件下，一定量的熔融保护渣流进结晶器与坯壳之间，如果具有较好的流动性，即可在铸坯表面维持一层均匀的的熔融态渣膜，减少拉坯阻力，均匀传热，减少因热应力集中所产生的裂纹。石钢齿轮钢生产用保护渣有三种，分别用于电炉矩形坯、转炉方坯、转炉矩形坯的生产。为了确保石钢生产的齿轮钢连铸坯有好的表面质量，就必须研究保护渣的流动性，而研究流动性也必须考察保护渣的均匀性。

2 连铸工艺条件

针对石钢炼钢厂CrMnTi系齿轮钢，连铸工艺主要包括钢种、拉速、坯型，详细参数见表1。

表1连铸工艺条件

Table1  continuous casting process conditions

不同参数对保护渣的性能要求有所差异，取三种保护渣样品展开均质性的研究。

3 保护渣均匀性研究

3.1保护渣的理化指标

保护渣的化学成分和物理指标按照保护渣厂家提供的数据

表2  保护渣厂家提供的保护渣成分、熔点

Table2The slag composition and melting point provided by the slag manufacturer

从上表看出，转炉矩坯和电炉矩坯保护渣成分、熔点相似。

3.2保护渣粒度观察

保护渣的均匀性，主要是针对其颗粒度、形状和成分的均匀性。评价保护渣的颗粒度和形状是否均匀，方法是把保护渣粒子粘在导电胶纸上，放在电子显微镜下进行观察对比。而评价保护渣颗粒的成分是否均匀，由于X射线衍射结果中有些元素没有，不能简单地以给出的结果讨论，所以必须以某些元素间的比值与化学分析结果的某些元素间的比值对比来确定，这比值不相同则可以认为其颗粒成分不均匀。

利用德国蔡司场发射电子显微镜观察了三个品种的保护渣的粒度电镜下看到的保护渣的形状如图1、3、5所示。

由上图1、图3、图5可见，三种保护渣的形状不规则，粒度不均匀，看不出是否中空，有些颗粒好像是碎了，渣颗粒的粒度都在500μm以下。对照片所示范围内的保护渣粒子进行面扫描，所得能谱分析结果如图2、图4、图6所示。图中表明三种保护渣中的主要化学元素为Si、Na、Ca、S、Al，各成分的含量表3如表所示。

表3  三种保护渣的能谱分析结果

Table 3 Energy spectrum analysis results of three kinds of mold fluxes

化学分析结果除保护渣厂家提供的之外，某大学也对三种保护渣进行了成分分析，成分如表4所示。

表4 某大学三种保护渣成分分析

Table 4 Analysis of three kinds of protective slag components in a university

将能谱分析结果、保护渣厂家分析结果和某大学分析结果中某些元素间的比值列在表5中，由表5其中的数据可见，保护渣厂家分析结果和某大学分析结果中某些元素间的比值接近，而能谱分析结果中某些元素间的比值与化学分析结果相差较大，说明保护渣颗粒成分不均匀。

表5 不同分析方法的三种保护渣几个元素间的质量比

Tab 5 Mass ratio between several elements of three kinds of mold fluxes with different analytical methods

根据以上结果可知，尽管厂家提供的保护渣成分与某大学的分析值接近，但电镜能谱分析结果与化学分析结果相比，可比Si/Al 、Ca/Si、Si/Fe、Ca/Al差别都比较大，说明三种保护渣各颗粒的化学成分不一致。这样保护渣各颗粒的熔点就有可能不同，各颗粒的熔化速度会有较大的区别。

3.3保护渣流动性研究

   研究采用了文献[1]曾提出一种测定方法来评价保护渣的流动性。这一方法测定的是同一质量的熔融保护渣在同一倾斜角度下某一段时间内的伸展长度，由此还可以计算出它的表观伸展速度。

 实验采用倾斜的卧式高温电阻炉如图7，加热熔化小瓷舟如图8内的保护渣试样，任其自由向下流动，以一定时间内熔融的保护渣向下的伸展长度，来定性地判定不同成分的保护渣在不同温度下的流动性的差别。

3.3.1三种保护渣流动性的对比

保护渣的炭质材料能有效的控制保护渣的熔化特性和层状结构。铸坯的表面和皮下质量，与保护渣的熔化特性有着密切的关系，通过调节配入保护渣中炭质材料的种类和数量，可以有效的控制保护渣的熔化特性，使之满足于各种不同浇注条件的要求，获得表面质量好的铸坯。结晶器熔渣层的理想状态是碳完全烧完时的状态，这时碳对液态渣流动性的副作用被降到最低。为了考察碳大部分烧完时保护渣流动性的变化，本实验采用炉管两端不堵塞的方法，让空气通过供氧充分，以便使碳尽快烧完。

3.3.1.1三种保护渣伸展长度对比

采用上述方法实验，当碳基本燃烧完后，即可以对A、B、C三种渣熔融后的流动性(伸展长度)在不同温度下进行测定。三种保护渣的伸展长度随保温时间的变化（见图9~11）。

上图表明，在实验温度和保温时间相同时，B型渣的伸展长度比A和C型渣的长， A和C型渣的伸展长度比较接近，因此，B型渣的流动性最好。

3.3.1.2三种保护渣伸展速度的对比

与用伸展长度描述保护渣的流动性类似，表观伸展速度可以描述保护渣的流动性在某个时间段的变化，实验结果如图(12~14)。三种熔融保护渣的表观伸展速度随着时间的延长，其起始阶段表观伸展速度不一样。随着时间的延长，三种保护渣的表观伸展速度的减少幅度也不一样，A型渣、C型渣的表观伸展速度降低的较快，B型渣的表观伸展速度降低的较为缓慢。说明B型渣的流动性较好，而A型渣、C型渣的流动性稍差，与用伸展长度描述保护渣的流动性得出的结论一致。

3.3.1.3三种保护渣中添加3%TiO2前后流动性的比较

在熔渣体系中，TiO2加入到保护渣后可能会形成离子半径大的复合阴离子，导致保护渣粘度增大，流动性下降。考虑到20CrMnTi齿轮钢中含有0.04～0.10％的Ti，在氧化性气氛中容易被氧化生TiO2，如果上浮则进入保护渣，可能会影响保护渣的流动性。针对结晶器液态渣进行分析检测如表6 所示,液渣中的TiO2含量增加了约3.7%。因此本研究设定保护渣中增加3%的TiO2，配制试样实验考察了TiO2的增加对于保护渣流动性的影响,见图15~23。

表6 保护渣使用前后化学成份的变化（wt％）

Table 6 Changes in chemical composition before and after the use of mold flux

由以上分析结果得知，在不同的温度下，A型渣试样加3%TiO2后的伸展长度与没加TiO2前的伸展长度相比有明显的下降，伸展长度最大减少幅度为5.97％。可知TiO2对保护渣流动性有坏的影响。B型渣试样加3%TiO2后的伸展长度与没加TiO2前的伸展长度相比有明显的下降，伸展长度最大减少幅度为17.07％，可以看出，TiO2对B型渣流动性的影响更大。C型渣试样加3%TiO2后的伸展长度与没加TiO2前的伸展长度相比有明显的下降，伸展长度最大减少幅度为9.59％，介于A、B型渣之间，可知TiO2对保护渣流动性有坏的影响。

4 碱度对对保护渣流动性的影响

在连铸保护渣的碱度（CaO/ SiO2）范围内，SiO2含量多，渣复合硅氧离子就多，会导致熔渣的粘度增大，使流动性变差。理论上讲，在一定范围内，适当提高碱度能使保护渣的粘度下降。实验在石钢提供的上述三种保护渣的基础上对其碱度进行调整，把A、B、C三种原始渣的碱度（分别为0.51，0.79，0.87）调整到1.0，1.2，1.4， 1160℃灼烧5min时，其伸展长度的变化如图(24~26)

上图表明，提高了碱度，其伸展长度都呈现下降趋势，甚至碱度较高时出现烧结块，保护渣没有完全熔化。其原因是加入CaO后，保护渣的熔化温度升高了，而易熔物如K2O，Na2O ，CaF2的含量有所降低，导致保护渣熔点上升，使保护渣出现未熔现象。因此，要想使保护渣在适当提高碱度的情况下保持较好的流动性，应适当提高K2O，Na2O ，CaF2等可以降低保护渣熔化温度的物质的含量。另外，三种保护渣中，当碱度（CaO/ SiO2）提高到1.0时仍然是B型渣的流动性最好，而且好于另两种渣在低碱度(A型渣为0.51和C型渣为0.87)时的流动性，因此可以考虑适当提高B型渣的碱度，以提高保护渣吸收夹杂物的能力。

5 结论

石钢用于齿轮钢生产的电炉矩形坯保护渣（A型渣）、转炉方坯保护渣（B型渣）和转炉矩形坯保护渣（C型渣）三种保护渣颗粒度不均匀，但都小于500μm易于熔化，各个颗粒的成分与平均成分有些差别，这样各个颗粒熔化时速度会有所不同。这三种保护渣熔化后B型渣流动性最好，A型渣次之，C型渣较差。

浇注20CrMnTi时结晶器里的熔化保护渣中含有3％左右的TiO2，对上述三种保护渣配加3％的TiO2后，熔化后的伸展长度都有不同程度的下降，说明TiO2有使保护渣流动性变差的作用，测试结果表明三种渣熔化后伸展长度的减少幅度不一样。

对上述三种保护渣配加CaO提高碱度（CaO/SiO2）后，流动性都变差，表明如果要提高碱度（CaO/SiO2），必须适当增加可降低保护渣熔点的K2O、Na2O、CaF2等化合物的含量。在转炉方坯保护渣（B型渣）成分基础上加入CaO，使碱度（CaO/SiO2）提高到1的话，其流动性仍然比其他保护渣在低碱度（CaO/SiO2）时的流动性要好。

参考文献

[1] 黄虹，金山同．连铸用保护渣的粘度与流动性关系的研究．炼钢，Vol.19．No.4．2003.8：43

[2] 唐萍，高速连铸过程中结晶器内的传热和润滑情况  冶金译丛，1998（2）:40-41

[3] Lee I R.Development of mold powder for high speed continuous casting Steelmaking Conference Proceedings,1999:259

[4] 张贺林，朱果灵 高速连铸用保护渣  钢铁研究学报，1993,5(7):17-23

[5] 申俊峰 戚龙水，结晶器保护渣的熔融-凝固机理 炼钢 ，2000,4（3）：23-25