易切削鋼用高黏度連鑄保護渣的研究與應(yīng)用

朱立光 袁志鵬 王杏娟 韓毅華 劉增勛

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院、河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室和河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北唐山 063009)

易切削鋼用高黏度連鑄保護渣的研究與應(yīng)用

朱立光 袁志鵬 王杏娟 韓毅華 劉增勛

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院、河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室和河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北唐山 063009)

針對國內(nèi)某鋼廠澆注易切削鋼時鑄坯表面出現(xiàn)夾渣、振痕較深等缺陷，建議采用高黏度保護渣。從振痕形成機制和保護渣作用機制的角度出發(fā)，并結(jié)合熱力學(xué)和ANSYS模擬軟件分析，對保護渣應(yīng)具有的高黏度特性進行了系統(tǒng)研究。最后根據(jù)生產(chǎn)實際，對專用保護渣的理化性能進行了優(yōu)化，工業(yè)試驗效果較好，消除了鑄坯缺陷，獲得了質(zhì)量合格的鑄坯。

連鑄 易切削鋼 保護渣 黏度

易切削鋼具有良好的切削加工性能，主要用于生產(chǎn)打印機、傳真機等辦公用的軸類產(chǎn)品，用途廣泛。該鋼種鋼液中氧、硫含量高，尤其是鋼液表面氧、硫濃度極高，從而使鋼水表面張力大大降低，造成鋼渣分離困難，導(dǎo)致鋼渣混卷，形成大量表面及皮下缺陷、絮狀結(jié)團，甚至漏鋼，對連鑄生產(chǎn)工藝以及鑄坯質(zhì)量造成不利的影響。

國內(nèi)某鋼廠在生產(chǎn)易切削鋼時，為進一步降低成本，采用了小方坯連鑄，鑄坯斷面尺寸為160 mm×160 mm。但生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鑄坯表面普遍存在著夾渣、凹陷、深振痕、氣孔等質(zhì)量缺陷，考慮到該廠的煉鋼工藝和結(jié)晶器管理水平，其中夾渣與深振痕等質(zhì)量問題很可能與保護渣性能不合格有關(guān)。

針對上述問題，本研究系統(tǒng)分析了該廠澆鑄易切削鋼現(xiàn)行保護渣的關(guān)鍵理化性能參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上針對鑄坯表面出現(xiàn)深振痕、夾渣等缺陷，建議采用高黏度保護渣。在結(jié)晶器鋼液面表面區(qū)域，由于結(jié)晶器上下振動，導(dǎo)致鋼液面浮動較為劇烈。當(dāng)保護渣黏度較高時，保護渣三層結(jié)構(gòu)中的液渣層更不易被卷入到鋼水中，從而減少了鑄坯表面夾渣。同時由于保護渣黏度較高，能更好地吸附在鑄坯表面，改善傳熱，減少深振痕的形成。結(jié)合生產(chǎn)實際，對保護渣的理化性能進行了優(yōu)化，建議采用高堿度還原性渣[1]。工業(yè)試驗效果較好，鑄坯質(zhì)量得到明顯改善。

1 現(xiàn)行保護渣性能分析

國內(nèi)某鋼廠采用連鑄生產(chǎn)易切削鋼時，結(jié)晶器斷面尺寸為160 mm×160 mm，拉速為1.9 m/min，采用ICP法對易切削鋼連鑄用保護渣的成分進行分析，其結(jié)果如表1所示。

生產(chǎn)實踐表明，該保護渣使用效果并不理想，鑄坯表面時常出現(xiàn)夾渣、深振痕等缺陷(如圖1所示)，約90%集中在鑄坯外弧表面。

表1 優(yōu)化前檢測得到的保護渣化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of mold flux obtained before optimization(mass fraction) %

為了精確分析該保護渣的理化性能，分別采用全自動熔點熔速測定儀、Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計、HF- 201型結(jié)晶器渣膜熱流模擬測試儀和SHTT- II型熔化結(jié)晶溫度測定儀對優(yōu)化前保護渣進行理化性能檢測，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前檢測得到的保護渣理化性能Table 2 Physical and chemical properties of mold flux obtained before optimization

檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該保護渣的黏度為0.625 Pa·s，黏度較低。為減輕振痕和夾渣，減少鑄坯缺陷，在此基礎(chǔ)上通過對保護渣化學(xué)成分的調(diào)整以提高黏度，并對保護渣的高黏度特性進行系統(tǒng)分析。

2 保護渣的高黏度特性分析

為論證該鋼廠需要采用高黏度保護渣的觀點，筆者從振痕形成機制和保護渣作用機制的角度出發(fā)，并結(jié)合熱力學(xué)軟件和凝固傳熱模擬分析，對此高黏度保護渣進行了分析說明。

2.1 熱力學(xué)軟件分析

以該保護渣的化學(xué)成分為基礎(chǔ)，采用FactSage熱力學(xué)軟件繪制CaO- SiO2- Al2O3三元相圖，如圖2所示。

圖2 CaO- SiO2- Al2O3三元相圖Fig.2 Ternary phase diagram of CaO- SiO2- Al2O3

由于Al2O3屬于網(wǎng)絡(luò)形成體，所以為了提高黏度，將其質(zhì)量分數(shù)增加到15.24%，同時適當(dāng)降低SiO2的含量，提高保護渣的堿度。優(yōu)化后的保護渣化學(xué)成分如表3所示。

表3優(yōu)化后檢測得到的保護渣化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))
Table 3 Chemical composition of mold flux obtained after optimization(mass fraction)

%

分別以表3中的CaO、SiO2、Al2O3三種化學(xué)成分含量為界，畫出AC、BC、AB三條直線，并構(gòu)成三角形ABC，在該三角形中圈出的生成物即為該保護渣系中產(chǎn)生的主要礦相。從圖2中可以看出，保護渣中主要生成鈣長石(CaAl2Si2O8)和黃長石(Ca2AlSi2O7)，其比例約為鈣長石∶黃長石=3∶1，反應(yīng)溫度為1 280～1 350 ℃。其中Ca2AlSi2O7的熔點為1 593 ℃，CaAl2Si2O8的熔點為1 550 ℃，屬于高熔點化合物，故其在結(jié)晶器中未完全融化，易形成絮狀團簇，所以其黏度較高。但是鈣長石(CaAl2Si2O8)屬于玻璃質(zhì)晶體，且熔融溫度低、熔融范圍寬，有利于降低保護渣的熔化溫度(凝固點)，提高堿度，同時不易結(jié)晶，有利于提高渣膜對鑄坯的潤滑能力[2]。

2.2 保護渣作用機制分析

在連鑄過程中，保護渣起到絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收非金屬夾雜物、均勻傳熱和改善鑄坯潤滑條件的作用，對連鑄工藝的順行和鑄坯質(zhì)量的提高具有十分重要的意義[3]。易切削鋼的高氧、高硫含量顯著降低了鋼水的表面張力，使鋼渣分離困難，易卷渣，對鑄坯質(zhì)量造成危害。結(jié)晶器中熔融保護渣卷入與液面波動引起的渣-鋼界面紊流有關(guān)。結(jié)晶器上部窄而附近形成對液渣層的剪切力。如果鋼液流速大，而渣-鋼界面張力較小或保護渣黏度較小時，液渣就會被鋼流卷入鋼液。因此，要降低保護渣卷入傾向，可以通過采用高黏度保護渣或增大渣-鋼界面張力來實現(xiàn)。而相比之下采用高黏度保護渣比提高界面張力更有效也更容易控制。同時黏度的增加在降低卷渣傾向的同時，也有助于改善鑄坯表面深振痕等其他表面缺陷[4- 5]。

2.3 振痕形成機制分析

保護渣的液渣層在結(jié)晶器的冷卻作用下形成固態(tài)渣圈，并附著在結(jié)晶器壁上，隨結(jié)晶器上下運動。當(dāng)渣圈壓迫到鋼液彎月面時，使初生坯殼產(chǎn)生形變；渣圈脫離彎月面后，生成的坯殼又在保護渣及鋼水靜壓力作用下推回到結(jié)晶器壁，完成振痕的生成過程[3]。該鋼廠采用連鑄生產(chǎn)易切削鋼時，澆注溫度為1 535～1 550 ℃，拉速為1.9 m/min。澆注溫度高，在結(jié)晶器彎月面及以下不易形成固態(tài)渣圈，減少了對初生坯殼的壓迫，振痕減輕；同時增加兩振痕之間的距離也可有效減輕振痕深度。兩振痕間的距離(即振痕寬度)可由式(1)表示[6]：

(1)

式中：lOM為振痕寬度，vc為拉坯速度，F(xiàn)為結(jié)晶器振頻。

在提高結(jié)晶器振動頻率的同時采用高黏度保護渣，使得保護渣的渣耗降低，流動性變差，振痕寬度變大。同時保護渣渣道寬度變寬，在結(jié)晶器振動周期內(nèi)保護渣渣道內(nèi)的壓力減小，振痕減輕[7- 8]。

2.4 結(jié)晶器出口處鑄坯溫度場分析

根據(jù)表4中該鋼廠所采用的小方坯連鑄結(jié)晶器設(shè)備及工藝參數(shù)，利用ANSYS有限元分析軟件，模擬結(jié)晶器出口鑄坯溫度場分布情況。

表4 連鑄結(jié)晶器設(shè)備及工藝參數(shù)Table 4 Continuous casting crystallizer equipment and process parameters

基于小方坯的對稱性原理，取1/4橫截面為研究對象。

圖3為結(jié)晶器出口處鑄坯溫度場的分布云圖。從圖中可以看出，白色區(qū)域為兩相區(qū)，黑色區(qū)域為液相，其他區(qū)域為固相區(qū)域。結(jié)晶器出口處鑄坯表面溫度較均勻，無明顯熱點存在。說明該保護渣并沒有由于高黏度而造成局部溫度分布不均，傳熱均勻，潤滑效果良好，基本滿足易切削鋼的澆鑄要求。

圖3 結(jié)晶器出口鑄坯溫度場分布云圖Fig.3 Distribution cloud picture of temperature field in slab at mold exit

3 保護渣理化性能的優(yōu)化

結(jié)合易切削鋼的特點及其對保護渣的要求和保護渣分析結(jié)果，可以看出現(xiàn)行保護渣并不能滿足生產(chǎn)需求。為了提高鑄坯質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整保護渣的理化性能，具體如下。

3.1 黏度

鑄坯表面出現(xiàn)較深振痕的問題，與連鑄保護渣性能和結(jié)晶器振動參數(shù)密切相關(guān)。從振痕的形成機制來看，保護渣黏度增加，鑄坯的振痕減輕。因此，采用高黏度、低渣耗、保溫性好的保護渣，以減小振痕深度。現(xiàn)行保護渣黏度為0.625 Pa·s，通過調(diào)節(jié)其化學(xué)成分以提高黏度，反復(fù)試驗，最終確定保護渣的適宜黏度為(3.0±0.05) Pa·s。

3.2 熔點

采用結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固傳熱模型，模擬分析了澆注1215鋼種過程中結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固狀況。由圖4可知，由于結(jié)晶器寬面中心和窄面中心緊貼結(jié)晶器壁，傳熱情況基本相同，結(jié)晶器寬面和窄面溫度一致；由于角部二維傳熱的原因，鑄坯角部溫度明顯低于鑄坯寬面和窄面中心。根據(jù)保護渣的熔點測試結(jié)果(1 235 ℃)，坯殼與結(jié)晶器間液態(tài)渣膜僅延伸到距彎月面550 mm處，沒有實現(xiàn)全程潤滑。說明該保護渣的熔化溫度較高，影響了結(jié)晶器的傳熱。

圖4 沿拉坯方向坯殼表面溫度分布Fig.4 Surface temperature distribution along the direction of casting billet

因此結(jié)合圖4，適宜的保護渣熔點應(yīng)為(1 200±20) ℃，此時，坯殼與結(jié)晶器間液態(tài)渣膜能延伸到距彎月面650 mm部位，從而實現(xiàn)全程潤滑。

3.3 熔化速度

現(xiàn)行保護渣的熔速為80 s，熔速較慢，不能很好地保證連鑄拉速對化渣速度的要求，不能在彎月面上形成足夠厚度的熔渣層，易出現(xiàn)潤滑不良。保護渣熔速的控制主要是通過調(diào)節(jié)渣中碳質(zhì)元素含量來實現(xiàn)的。隨著碳質(zhì)元素含量的增加，保護渣的熔速降低[9]。因此，減少保護渣中碳質(zhì)材料的含量能有效提高熔速。現(xiàn)行保護渣中采用的是復(fù)合碳質(zhì)材料(石墨∶炭黑=3∶1)，通過試驗，反復(fù)調(diào)節(jié)，最終確定適宜的熔化速度為(60±5) s。

3.4 堿度及還原性

提高保護渣堿度、采用還原性保護渣，增強保護渣吸收鋼- 渣界面的FeS與FeO的能力，降低彎月面鋼液及初生凝固殼中[S]、[O]含量，增大鋼液表面張力，從而增大鋼- 渣界面張力，以利于鋼- 渣分離，減少鑄坯夾渣缺陷[10]。因此，通過調(diào)節(jié)其化學(xué)成分，反復(fù)試驗，確定適宜的保護渣堿度為0.85±0.05。

提高保護渣的還原性可以通過增加渣中碳質(zhì)材料的含量來實現(xiàn)，也可以通過向渣中加入特殊的還原劑來實現(xiàn)。為了保證保護渣熔速在合理范圍內(nèi)，同時具有一定的保溫性能，本試驗采用向保護渣中添加一定量的還原劑(Si- Ca合金粉)的方式提高保護渣的還原性能[11]。

綜上所述，為了澆注出質(zhì)量良好的易切削鋼鑄坯，根據(jù)易切削鋼的特點及其對保護渣的性能要求，提出所用保護渣的理化性能推薦值，具體見表5。

4 保護渣優(yōu)化后鑄坯質(zhì)量

表5 連鑄保護渣理化性能指標(biāo)推薦值Table 5 Recommended value of physical and chemical properties of continuous casting mold flux

保護渣優(yōu)化后進行工業(yè)試驗，對生產(chǎn)出的鑄坯加工，采用熱酸對鑄坯表面進行酸洗，酸洗后的表面形貌如圖5所示。從圖5可以看出，與原小方坯相比，鑄坯表面質(zhì)量有了顯著提高，主要表現(xiàn)在鑄坯表面的振痕變淺且均勻，密集孔洞明顯減少。說明優(yōu)化后的保護渣提高了鑄坯表面質(zhì)量，減少了表面缺陷。

5 結(jié)論

圖5 保護渣優(yōu)化后鑄坯表面形貌Fig.5 Morphologies of billet surface after after optimization of mold flux

(1) 針對國內(nèi)某鋼廠澆注易切削鋼時出現(xiàn)鑄坯表面深振痕、夾渣等問題，提出采用高黏度保護渣的觀點。從振痕生成機制和保護渣作用機制的角度出發(fā)，并結(jié)合熱力學(xué)軟件和凝固傳熱模擬分析，對現(xiàn)行保護渣應(yīng)具有的高黏度特性進行了系統(tǒng)研究。最終得出保護渣黏度在3.0 Pa·s左右能明顯減輕振痕，同時又不影響保護渣的冶金性能。

(2) 在斷面尺寸為160 mm×160 mm，拉速為1.9 m/min的條件下，該廠易切削鋼連鑄保護渣理化性能的推薦值為：黏度增加到(3.00±0.05)Pa·s，熔化溫度降至(1 200±20) ℃，堿度提高到0.85±0.05，熔速縮短為(60±5) s。

(3) 對保護渣理化性能進行優(yōu)化后，現(xiàn)場取樣，對鑄坯表面進行酸洗處理，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面的夾渣、振痕較深等問題得到了有效解決，鑄坯質(zhì)量明顯改善，保護渣優(yōu)化思路和方向正確，為企業(yè)生產(chǎn)贏得了利潤。

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收修改稿日期：2016- 08- 18

ResearchandApplicationofHighViscosityContinuousCastingMoldFluxforFreeCuttingSteel

Zhu LiguangYuan Zhipeng Wang Xingjuan Han Yihua Liu Zengxun

(College of Metallurgy & Energy, Key Laboratory for Advanced Metallurgy Technology, Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center, North China University of Science and Technology University, Tangshan Hebei 063009, China)

In view of the defects of slag inclusions and deeper osciallation marks that occurred on the surface of free- cutting steel slab in a domestic steel plant. The use of the high viscosity mold flux was suggested. In the term of the osciallation marks formation mechanism and the mold flux mechanism, and combining with thermodynamic analysis and ANSYS software, the high viscosity characteristics of mold flux were systematically studied. Combined with the actual production conditions, physical and chemical properties of the special mold flux was optimized, industrial test result was good, the casting defect was eliminated, so that qualified casting quality could be obtained.

continuous casting，free cutting steel，mold flux，viscosity

國家自然科學(xué)青年基金(No.51404088)，河北省自然科學(xué)基金(No.E2015209217)

朱立光，男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事煉鋼連鑄及凝固理論研究，電話：15031570559，Email: zhulg@ncst.edu.cn