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对连铸结晶器保护渣渣层的分析
作者：董福胜
来源：《中国科技博览》2013年第07期
[摘要]连铸结晶器保护渣的主要功能包括：使结晶器壁与铸坯壳之间保持润滑；控制结晶器与铸坯之间的热交换；保持结晶器顶部处于绝热状态；防止钢水二次氧化；吸收钢水中上浮到液面的夹杂物。其中两个最为重要的功能是保持结晶器壁与坯壳间的润滑和控制传热。 [关键词]连铸结晶器 保护渣 铸坯
中图分类号：TF777.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）07-0256-01 1、引言
固态结晶器保护渣的结晶比对铸坯与结晶器之间的热流量有重要影响。某些特定钢种的保护渣是根据该钢种特有的冷却条件而设计的。有鉴于此，结晶器保护渣的组织结构和凝固特性具有重要意义。结晶器保护渣中的晶体成分愈多，结晶器保护渣结构愈疏松，从而降低保护渣内的辐射传热。中碳钢结晶器保护渣具有较高的结晶比，保护渣层内的传热较为均匀，有利于降低连铸坯内的纵裂纹的形成。结晶器凝固保护渣的取样位置位于结晶器以下部位。通过分析渣样横截面可以看出沿渣膜厚度方向存在着不同的结晶形态。
对于非中碳钢结晶器保护渣而言，并不需要太高的保护渣结晶比。实际上在铸坯壳出结晶器之前要达到足够的厚度常常需要较高的传热速率。因为浇铸这些钢种时的拉坯速度较高（>1.3m／min）。现已对结晶器保护渣的结晶情况即结晶倾向进行了实验室和工厂的实验研究。
试验室的大部分试验研究，均是在对保护渣控制加热或控制冷却的试验条件下进行，然后再对凝固的保护渣进行分析研究。在对保护渣的结晶研究中广泛使用了差热分析方法
（DTA）。在本研究中，为了确定液态结晶器保护渣在冷却时的结晶温度，在实验时将保护渣的温度变化与参照试样进行了对比。采用差热分析的方法研究表明，结晶器保护渣的结晶趋势随CaO／SiO2的比值、Li2O、TiO2和ZrO2含量的增加而增强，随B2O3含量的减少而增强。
Fonseca等人对自己所采取的保护渣样进行了研究，结果表明，中碳钢保护渣结晶层厚度和保护渣层总厚度均比低碳钢保护渣高。这一点是与理论预计相一致的。通过试样的光学显微照片可观测到保护渣结晶层和玻离质层的位置以及它们的相对厚度。上述试样的取样位置均在由结晶器顶部开始的三分之一处，并且是连铸机处于非稳态操作（结晶器钢水面较低，相应的拉坯速度也较低）时进行的取样。上述取样虽有价值，但它没有能够说明连铸机在正常拉速下
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结晶器底部保护渣的结晶状况。结晶器中保护渣的传热特性沿结晶器长度方向变化很大，因此，很容易引起结晶器保护渣层厚度、结构和形态的变化。 2、试验仪表与程序
本研究中的全部凝固保护渣试样均从Kembla港BHP公司的板坯连铸机上采取。采用了各种技术对保护渣试样进行了研究，其中包括：光学显微镜法、x-射线衍射法、x-射线荧光分析法和电子显微镜法。试验研究选用了三种结晶器保护渣。低碳钢连铸选用A型保护渣；中碳钢连铸选用放热的B型保护渣；超低碳钢连铸选用C型保护渣。
结晶器保护渣取样位置选取在结晶器顶部和低于结晶器处。结晶器顶部的保护渣取样在更换中间包时进行。这时结晶器内的钢水液面比正常情况低300mm左右。停止浇注时，由于钢水面下降使得保护渣贴附在结晶器侧壁上，此时使用金属取样钳进行取样。所取渣样先进行冷却，然后破碎成较大块供试验室进行分析研究。
当连铸坯离开结晶器出口时，使用高压冷却水将保护渣强行剥离开铸坯，然后使用专门设计的保护渣收集系统将保护渣从冷却水捞出。选取厚度大于1mm的渣样使用标准金相学方法对其进行打磨、抛光处理。为了更好地辩识保护渣的结晶结构，还需用2.5％的奈他尔硝酸乙醇腐蚀液对所选的保护渣试样进行浸蚀处理。对所处理过的试样使用x—射线衍射法对其进行了分析研究。
3、各种测试设备的测试结果
由连铸二冷段中取出的保护渣外部形态，保护渣呈不透明态，表明其为结晶体；C型保护渣则具有玻璃态特性。从结晶器顶部采取的大部分保护渣试样其厚度范围在0.8～1.5mm之间。在从连铸机二冷段采取的厚度大于1mm的保护渣试样中，保护渣A的试样厚度均匀，大部分试样厚度为1.5～2mm。保护渣B的试样最厚，几乎全部都在2mm以上，有的厚度高达4.5mm。C型保护渣的厚度分布范围较宽，大部分的厚度范围为1～2mm，但也有相当一部分保护渣的厚度值超过3mm。 4、讨论
通过将结晶器保护渣的分析数据（表1）和X射线荧光分析数据（表2）相比较，可以发现结晶器保护渣在使用前后的化学成分存在着几点重要差别。其中最明显的差别就是低于结晶器位置所采取的试样FeO含量较高。这是由于试样中混有氧化铁皮，在试样制备时又没有被分离出去所致。同时令人感兴趣的是所有试样中的铝含量普遍增加。通过研究发现导致这种情况的原因是结晶器保护渣吸收了脱氧用的铝元素。视保护渣碱度和具体操作条件不同，各类保护渣吸收铝元素的能力也不同。根据本研究所获得的结果，所有保护渣试样中的氧化铝含量增加了约2％。扫描电子显微镜对结晶器保护渣试样所作的分析表明，不同的保护渣所取得的结果之间存在着某些差别。
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上述研究结果表明，从结晶器以下部位取保护渣试样，利用数学模拟沿结晶器长度方向上的温度梯度，通过实验室取样分析，即可在一定程度上预测工业结晶器保护渣可控结晶特点。本研究中对结晶器保护渣特性分析技术的发展对于实现结晶器保护渣特性可控的目标至关重要。 5、结论
通过对结晶器保护渣所作的上述研究，可以得出如下结论：
（1）从结晶器顶部采取的保护渣试样和从结晶器下部采取的保护渣试样其化学成分并未发生较大变化。虽然结晶器保护渣中的某些元素在试样的各结构相中分布并不一致，但沿试样厚度上结晶器保护渣的整体成分却没有发生变化。在所有的结晶器保护渣试样中，钙元素都富集在细晶粒相中。
（2）结晶器顶部和底部凝固态保护渣的主要矿物成分为枪晶石。
（3）结晶器中用于浇铸中碳钢的保护渣渣层厚度最厚可达用于浇铸低碳钢和超低碳钢保护渣渣层厚度的3倍。
（4）用于浇铸中碳钢的结晶器保护渣的结晶比是低碳钢结晶器保护渣结晶比的1.5倍，是超低碳钢结晶器保护渣的2倍。
（5）结晶器保护渣层在厚度方向上最多分为4层。低碳钢和超低碳钢结晶器保护渣层，由靠近结晶器壁的细晶粒层、长入液态层的树枝状晶粒层以及与铸坯壳相接触的液渣层组成。中碳钢保护渣层由细晶粒层、树枝状晶粒层、双相晶粒层和液渣层组成。所有的结晶相区都存在疏松，但树枝晶状区疏松较少。
（6）通过对采自结晶器底部保护渣渣膜结构的研究，人们对结晶器保护渣的使用性能有了更加直接的认识。
结晶器保护渣对于连铸生产的重要性已被无数事实所证明。正因为如此，连铸工作者对结晶器保护渣的研究可谓日益深入、广泛。研究的角度也随之日益多元化。以往的研究是经验型、理论推导型居多，如保护渣化学成分、用量与铸坯缺陷之间的关系，常采用统计相关数据确定其因果关系，不断的调试以取得最佳效果。所有这些都是十分必要的，并且成绩斐然。然而本文的研究则从保护渣层的结构入手，尤其是从结晶器壁与连铸坯壳之间的保护渣层结构入手，运用多种分析测试手段，如x射线衍射分析、x射线荧光分析、差热分析、电子探针分析、光学显微镜、扫描电子显微镜等，确定了结晶器保护渣层可能的结构类型，如细晶粒渣层、树枝晶渣层、双相渣层、玻璃质渣层、晶体质渣层、液渣层等。 参考文献