CrMnTi系鋼種保護(hù)渣性能研究

劉泳1  劉麗娟2  高志勇3  王謙4

（1.河鋼集團(tuán)鋼研總院工藝所，河北 石家莊050023；2.河鋼集團(tuán)石鋼任公司 技術(shù)中心，050031；3.河鋼唐鋼唐銀公司063010；4.重慶大學(xué)材料與工程學(xué)院，40044）

摘  要：通過(guò)模擬保護(hù)渣在澆鋼過(guò)程中的受熱行為，尋找合適的保護(hù)渣分析方法，研究保護(hù)渣均勻性能指標(biāo)，為保護(hù)渣理化指標(biāo)優(yōu)化和調(diào)整的方向提供建議和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：CrMnTi鋼種、均勻性、流動(dòng)性 堿度

1 前言

結(jié)晶器保護(hù)渣對(duì)維持連鑄工藝順行和提高鑄坯表面質(zhì)量作用的重要性，已被越來(lái)越多的連鑄生產(chǎn)廠工程技術(shù)人員和操作人員所認(rèn)識(shí)，但隨著連鑄工藝的復(fù)雜化和品種的增多，保護(hù)渣品種的配置和分類也越來(lái)越復(fù)雜。在一定的澆注條件下，一定量的熔融保護(hù)渣流進(jìn)結(jié)晶器與坯殼之間，如果具有較好的流動(dòng)性，即可在鑄坯表面維持一層均勻的的熔融態(tài)渣膜，減少拉坯阻力，均勻傳熱，減少因熱應(yīng)力集中所產(chǎn)生的裂紋。石鋼齒輪鋼生產(chǎn)用保護(hù)渣有三種，分別用于電爐矩形坯、轉(zhuǎn)爐方坯、轉(zhuǎn)爐矩形坯的生產(chǎn)。為了確保石鋼生產(chǎn)的齒輪鋼連鑄坯有好的表面質(zhì)量，就必須研究保護(hù)渣的流動(dòng)性，而研究流動(dòng)性也必須考察保護(hù)渣的均勻性。

2 連鑄工藝條件

針對(duì)石鋼煉鋼廠CrMnTi系齒輪鋼，連鑄工藝主要包括鋼種、拉速、坯型，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1連鑄工藝條件

Table1  continuous casting process conditions

不同參數(shù)對(duì)保護(hù)渣的性能要求有所差異，取三種保護(hù)渣樣品展開(kāi)均質(zhì)性的研究。

3 保護(hù)渣均勻性研究

3.1保護(hù)渣的理化指標(biāo)

保護(hù)渣的化學(xué)成分和物理指標(biāo)按照保護(hù)渣廠家提供的數(shù)據(jù)

表2  保護(hù)渣廠家提供的保護(hù)渣成分、熔點(diǎn)

Table2The slag composition and melting point provided by the slag manufacturer

從上表看出，轉(zhuǎn)爐矩坯和電爐矩坯保護(hù)渣成分、熔點(diǎn)相似。

3.2保護(hù)渣粒度觀察

保護(hù)渣的均勻性，主要是針對(duì)其顆粒度、形狀和成分的均勻性。評(píng)價(jià)保護(hù)渣的顆粒度和形狀是否均勻，方法是把保護(hù)渣粒子粘在導(dǎo)電膠紙上，放在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察對(duì)比。而評(píng)價(jià)保護(hù)渣顆粒的成分是否均勻，由于X射線衍射結(jié)果中有些元素沒(méi)有，不能簡(jiǎn)單地以給出的結(jié)果討論，所以必須以某些元素間的比值與化學(xué)分析結(jié)果的某些元素間的比值對(duì)比來(lái)確定，這比值不相同則可以認(rèn)為其顆粒成分不均勻。

利用德國(guó)蔡司場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡觀察了三個(gè)品種的保護(hù)渣的粒度電鏡下看到的保護(hù)渣的形狀如圖1、3、5所示。

由上圖1、圖3、圖5可見(jiàn)，三種保護(hù)渣的形狀不規(guī)則，粒度不均勻，看不出是否中空，有些顆粒好像是碎了，渣顆粒的粒度都在500μm以下。對(duì)照片所示范圍內(nèi)的保護(hù)渣粒子進(jìn)行面掃描，所得能譜分析結(jié)果如圖2、圖4、圖6所示。圖中表明三種保護(hù)渣中的主要化學(xué)元素為Si、Na、Ca、S、Al，各成分的含量表3如表所示。

表3  三種保護(hù)渣的能譜分析結(jié)果

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

化學(xué)分析結(jié)果除保護(hù)渣廠家提供的之外，某大學(xué)也對(duì)三種保護(hù)渣進(jìn)行了成分分析，成分如表4所示。

表4 某大學(xué)三種保護(hù)渣成分分析

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

將能譜分析結(jié)果、保護(hù)渣廠家分析結(jié)果和某大學(xué)分析結(jié)果中某些元素間的比值列在表5中，由表5其中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，保護(hù)渣廠家分析結(jié)果和某大學(xué)分析結(jié)果中某些元素間的比值接近，而能譜分析結(jié)果中某些元素間的比值與化學(xué)分析結(jié)果相差較大，說(shuō)明保護(hù)渣顆粒成分不均勻。

表5 不同分析方法的三種保護(hù)渣幾個(gè)元素間的質(zhì)量比

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

根據(jù)以上結(jié)果可知，盡管廠家提供的保護(hù)渣成分與某大學(xué)的分析值接近，但電鏡能譜分析結(jié)果與化學(xué)分析結(jié)果相比，可比Si/Al 、Ca/Si、Si/Fe、Ca/Al差別都比較大，說(shuō)明三種保護(hù)渣各顆粒的化學(xué)成分不一致。這樣保護(hù)渣各顆粒的熔點(diǎn)就有可能不同，各顆粒的熔化速度會(huì)有較大的區(qū)別。

3.3保護(hù)渣流動(dòng)性研究

    研究采用了文獻(xiàn)[1]曾提出一種測(cè)定方法來(lái)評(píng)價(jià)保護(hù)渣的流動(dòng)性。這一方法測(cè)定的是同一質(zhì)量的熔融保護(hù)渣在同一傾斜角度下某一段時(shí)間內(nèi)的伸展長(zhǎng)度，由此還可以計(jì)算出它的表觀伸展速度。

  實(shí)驗(yàn)采用傾斜的臥式高溫電阻爐如圖7，加熱熔化小瓷舟如圖8內(nèi)的保護(hù)渣試樣，任其自由向下流動(dòng)，以一定時(shí)間內(nèi)熔融的保護(hù)渣向下的伸展長(zhǎng)度，來(lái)定性地判定不同成分的保護(hù)渣在不同溫度下的流動(dòng)性的差別。

3.3.1三種保護(hù)渣流動(dòng)性的對(duì)比

保護(hù)渣的炭質(zhì)材料能有效的控制保護(hù)渣的熔化特性和層狀結(jié)構(gòu)。鑄坯的表面和皮下質(zhì)量，與保護(hù)渣的熔化特性有著密切的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)配入保護(hù)渣中炭質(zhì)材料的種類和數(shù)量，可以有效的控制保護(hù)渣的熔化特性，使之滿足于各種不同澆注條件的要求，獲得表面質(zhì)量好的鑄坯。結(jié)晶器熔渣層的理想狀態(tài)是碳完全燒完時(shí)的狀態(tài)，這時(shí)碳對(duì)液態(tài)渣流動(dòng)性的副作用被降到最低。為了考察碳大部分燒完時(shí)保護(hù)渣流動(dòng)性的變化，本實(shí)驗(yàn)采用爐管兩端不堵塞的方法，讓空氣通過(guò)供氧充分，以便使碳盡快燒完。

3.3.1.1三種保護(hù)渣伸展長(zhǎng)度對(duì)比

采用上述方法實(shí)驗(yàn)，當(dāng)碳基本燃燒完后，即可以對(duì)A、B、C三種渣熔融后的流動(dòng)性(伸展長(zhǎng)度)在不同溫度下進(jìn)行測(cè)定。三種保護(hù)渣的伸展長(zhǎng)度隨保溫時(shí)間的變化（見(jiàn)圖9~11）。

上圖表明，在實(shí)驗(yàn)溫度和保溫時(shí)間相同時(shí)，B型渣的伸展長(zhǎng)度比A和C型渣的長(zhǎng)， A和C型渣的伸展長(zhǎng)度比較接近，因此，B型渣的流動(dòng)性最好。

3.3.1.2三種保護(hù)渣伸展速度的對(duì)比

與用伸展長(zhǎng)度描述保護(hù)渣的流動(dòng)性類似，表觀伸展速度可以描述保護(hù)渣的流動(dòng)性在某個(gè)時(shí)間段的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖(12~14)。三種熔融保護(hù)渣的表觀伸展速度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其起始階段表觀伸展速度不一樣。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，三種保護(hù)渣的表觀伸展速度的減少幅度也不一樣，A型渣、C型渣的表觀伸展速度降低的較快，B型渣的表觀伸展速度降低的較為緩慢。說(shuō)明B型渣的流動(dòng)性較好，而A型渣、C型渣的流動(dòng)性稍差，與用伸展長(zhǎng)度描述保護(hù)渣的流動(dòng)性得出的結(jié)論一致。

3.3.1.3三種保護(hù)渣中添加3%TiO2前后流動(dòng)性的比較

在熔渣體系中，TiO2加入到保護(hù)渣后可能會(huì)形成離子半徑大的復(fù)合陰離子，導(dǎo)致保護(hù)渣粘度增大，流動(dòng)性下降。考慮到20CrMnTi齒輪鋼中含有0.04～0.10％的Ti，在氧化性氣氛中容易被氧化生TiO2，如果上浮則進(jìn)入保護(hù)渣，可能會(huì)影響保護(hù)渣的流動(dòng)性。針對(duì)結(jié)晶器液態(tài)渣進(jìn)行分析檢測(cè)如表6 所示,液渣中的TiO2含量增加了約3.7%。因此本研究設(shè)定保護(hù)渣中增加3%的TiO2，配制試樣實(shí)驗(yàn)考察了TiO2的增加對(duì)于保護(hù)渣流動(dòng)性的影響,見(jiàn)圖15~23。

表6 保護(hù)渣使用前后化學(xué)成份的變化（wt％）

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

由以上分析結(jié)果得知，在不同的溫度下，A型渣試樣加3%TiO2后的伸展長(zhǎng)度與沒(méi)加TiO2前的伸展長(zhǎng)度相比有明顯的下降，伸展長(zhǎng)度最大減少幅度為5.97％�？芍猅iO2對(duì)保護(hù)渣流動(dòng)性有壞的影響。B型渣試樣加3%TiO2后的伸展長(zhǎng)度與沒(méi)加TiO2前的伸展長(zhǎng)度相比有明顯的下降，伸展長(zhǎng)度最大減少幅度為17.07％，可以看出，TiO2對(duì)B型渣流動(dòng)性的影響更大。C型渣試樣加3%TiO2后的伸展長(zhǎng)度與沒(méi)加TiO2前的伸展長(zhǎng)度相比有明顯的下降，伸展長(zhǎng)度最大減少幅度為9.59％，介于A、B型渣之間，可知TiO2對(duì)保護(hù)渣流動(dòng)性有壞的影響。

4 堿度對(duì)對(duì)保護(hù)渣流動(dòng)性的影響

在連鑄保護(hù)渣的堿度（CaO/ SiO2）范圍內(nèi)，SiO2含量多，渣復(fù)合硅氧離子就多，會(huì)導(dǎo)致熔渣的粘度增大，使流動(dòng)性變差。理論上講，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高堿度能使保護(hù)渣的粘度下降。實(shí)驗(yàn)在石鋼提供的上述三種保護(hù)渣的基礎(chǔ)上對(duì)其堿度進(jìn)行調(diào)整，把A、B、C三種原始渣的堿度（分別為0.51，0.79，0.87）調(diào)整到1.0，1.2，1.4， 1160℃灼燒5min時(shí)，其伸展長(zhǎng)度的變化如圖(24~26)

上圖表明，提高了堿度，其伸展長(zhǎng)度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，甚至堿度較高時(shí)出現(xiàn)燒結(jié)塊，保護(hù)渣沒(méi)有完全熔化。其原因是加入CaO后，保護(hù)渣的熔化溫度升高了，而易熔物如K2O，Na2O ，CaF2的含量有所降低，導(dǎo)致保護(hù)渣熔點(diǎn)上升，使保護(hù)渣出現(xiàn)未熔現(xiàn)象。因此，要想使保護(hù)渣在適當(dāng)提高堿度的情況下保持較好的流動(dòng)性，應(yīng)適當(dāng)提高K2O，Na2O ，CaF2等可以降低保護(hù)渣熔化溫度的物質(zhì)的含量。另外，三種保護(hù)渣中，當(dāng)堿度（CaO/ SiO2）提高到1.0時(shí)仍然是B型渣的流動(dòng)性最好，而且好于另兩種渣在低堿度(A型渣為0.51和C型渣為0.87)時(shí)的流動(dòng)性，因此可以考慮適當(dāng)提高B型渣的堿度，以提高保護(hù)渣吸收夾雜物的能力。

5 結(jié)論

石鋼用于齒輪鋼生產(chǎn)的電爐矩形坯保護(hù)渣（A型渣）、轉(zhuǎn)爐方坯保護(hù)渣（B型渣）和轉(zhuǎn)爐矩形坯保護(hù)渣（C型渣）三種保護(hù)渣顆粒度不均勻，但都小于500μm易于熔化，各個(gè)顆粒的成分與平均成分有些差別，這樣各個(gè)顆粒熔化時(shí)速度會(huì)有所不同。這三種保護(hù)渣熔化后B型渣流動(dòng)性最好，A型渣次之，C型渣較差。

澆注20CrMnTi時(shí)結(jié)晶器里的熔化保護(hù)渣中含有3％左右的TiO2，對(duì)上述三種保護(hù)渣配加3％的TiO2后，熔化后的伸展長(zhǎng)度都有不同程度的下降，說(shuō)明TiO2有使保護(hù)渣流動(dòng)性變差的作用，測(cè)試結(jié)果表明三種渣熔化后伸展長(zhǎng)度的減少幅度不一樣。

對(duì)上述三種保護(hù)渣配加CaO提高堿度（CaO/SiO2）后，流動(dòng)性都變差，表明如果要提高堿度（CaO/SiO2），必須適當(dāng)增加可降低保護(hù)渣熔點(diǎn)的K2O、Na2O、CaF2等化合物的含量。在轉(zhuǎn)爐方坯保護(hù)渣（B型渣）成分基礎(chǔ)上加入CaO，使堿度（CaO/SiO2）提高到1的話，其流動(dòng)性仍然比其他保護(hù)渣在低堿度（CaO/SiO2）時(shí)的流動(dòng)性要好。

參考文獻(xiàn)

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