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影响保护渣使用性能的工艺因素研究 时间：2015-11-23 关键词：保护渣;性能 　　
　　连铸保护渣是一种以硅酸盐为基料，并含有多种熔剂和碳质骨架材料的多功能冶金材料，是钢铁冶金连铸过程中的关键辅料之一。保护渣在结晶器钢液面上熔化，形成液渣层、烧结层和粉渣层三层结构。正常浇注条件下，液渣在弯月面处流入结晶器与铸坯坯壳的间隙中，对铸坯表面质量及连铸生产工艺的顺行有很大影响。
1 保护渣成分
　　连铸保护渣主要由基料、助熔剂和碳质材料三大部分组成，化学成分通常包括CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、MgO、MnO、Li2O、K2O、BaO、SrO、FeO、CaF2、炭粒及有害成分磷、硫。保护渣的理化性能，比如熔化温度、碱度、黏度、熔化速度、表面张力等都与化学成分密切相关，其使用性能与连铸机生产工艺条件相互影响和制约。
2 保护渣作用
　　保护渣的作用可概括为：一是，隔热保温作用：连铸浇注过程中，被高温钢水熔化的液渣层覆盖在结晶器钢水表面上。隔热保温，防止表面结壳和搭桥，提高弯月面温度，保持良好的液渣流入通道，减轻振痕，减少铸坯表面缺陷。二是，防止钢水二次氧化：保护渣覆盖在钢水液面上，其三层结构将钢水与空气隔绝开，防止空气进入钢水发生二次氧化。三是，吸附夹杂的作用：液渣具有一定的吸附、溶解夹杂物的能力，保护渣熔化成液渣后，吸附钢水中上浮的夹杂物，达到净化钢水的作用。四是，润滑作用：液渣在结晶器四周的弯月面处，由于结晶器的振动和坯壳与铜板之间缝隙的毛细管作用，液渣被吸入并充满铜板与坯壳的缝隙，形成一定厚度的渣膜，减少拉坯阻力和避免坯壳粘结问题。五是，改善结晶器传热：液渣填充到铜板与坯壳之间的气隙中，减少了热阻，改善坯壳在结晶器内的传热，使坯壳生长均匀，防止铸坯表面裂纹。
3 连铸生产工艺对保护渣性能的影响
(1)  钢水质量及温度
　　保护渣必须在合适的钢水温度下才能发挥良好的使用性能。钢水温度偏低，保护渣熔化需要的热量不足，熔化效果不好，熔化速度慢，液渣生成少，影响坯壳润滑和传热。钢水温度过高，保护渣熔化快，液渣层厚，造成下渣不均，坯壳厚度不均匀。
(2)  液面的稳定性
　　当结晶器液面发生较大的波动时，保护渣稳定的三层结构被破坏。液渣中混杂粉渣颗粒和未熔化的烧结渣，液渣熔化不均匀，形成的液渣量少。同时，液面的波动，使液渣瞬间消耗，并造成大量的渣条，造成坯壳润滑、传热不良，易发生坯壳粘结和铸坯表面缺陷问题。
　　造成结晶器液面波动的因素有：大包浇注不稳、中间包液面波动、水口结瘤、液面控制故障、拉坯阻力大、更换水口等。
(3)  中间包浸入式水口参数及使用状态
　　浸入式水口保护浇注是连铸生产工艺的关键技术之一，配合结晶器保护渣使用，形成了结晶器保护浇注方式。其作用为：隔离钢水与空气的接触，防止钢水二次氧化；改善钢水在结晶器内的流动状态，促进夹杂物上浮；避免钢流对钢水液面的直接冲击，防止卷渣。
　　水口形状及尺寸
　　水口形状和尺寸直接影响钢流的大小、流速及流动状态。不同规格和类型的结晶器、铸机拉速及生产钢种，都需要不同的水口形状和尺寸。水口形状和尺寸选择不合适，结晶器钢液面难以保证稳定，从而影响保护渣正常的熔化和稳定的三层结构。
　　水口插入深度
　　浸入式水口插入深度一般指水口插入结晶器钢水液面以下的深度。板坯连铸机浸入式水口插入深度一般指钢水出孔（侧孔）上口沿部距钢液面的高度，插入深度一般控制在100mm～150mm。异型坯连铸机一般采用漏斗浇注，漏斗插入深度指漏斗底部距钢水液面的高度，插入深度一般控制在55mm～80mm。
　　水口插入深度过深，液面不活跃，不能给保护渣熔化带来足够的热量和熔化动能，造成保护渣熔化不良，液渣变少，影响坯壳润滑和铸坯表面质量问题。同时，还易造成液面结壳，导致粘结甚至漏钢事故。深度过浅，液面过于活跃，波动大，甚至会发生液面翻钢，破坏保护渣稳定的三层结构，影响保护渣熔化和润滑，还易导致卷渣。同时，液面不稳，加剧了液渣、钢水对水口的冲刷侵蚀，降低水口使用寿命，水口冲刷侵蚀掉的耐材卷入液渣和钢液中，影响保护渣使用性能，增加钢水夹杂。
　　水口对中效果
　　连铸机工艺要求必须保证良好的水口对中效果，以保证保护渣良好的保温性能、熔化性能、液渣均匀流入性能等。板坯、方坯、矩形坯连铸机水口插入位置要求在结晶器断面几何中心，垂直插入钢液面，结晶器宽面方向对中精度一般控制在5mm～10mm，窄面方向对中精度一般控制在3mm～5mm。异型坯连铸机一般采用两个水口浇注，水口插入位置在结晶器腹板与腹板两侧的翼缘几何中心位置，要求水口距结晶器铜板侧弧和两个内圆角距离相等，对中精度一般控制在10mm之内。
　　保持水口良好的对中效果，不仅要检查液面以上水口距铜板的距离相等，还要检查中间包水平和水口的垂直度，保证水口能够垂直插入液面，以保证水口插入液面部分的对中性。  
(4)  浇注速度的稳定性
　　稳定的钢包浇注速度，能够减轻中间包液面波动，稳定中间包流场。配合合适稳定的铸坯拉速，使结晶器液面趋于稳定，减少液面波动，保持保护渣稳定的三层结构和液渣的均匀熔化、均匀流入。同时，减少中间包钢水紊流带入大量夹杂物进入结晶器内，避免保护渣液渣吸附较多的夹杂物而发生变性。
　　反之，若浇注速度不稳定，会造成中间包液面波动，浇注注流不稳，从而使结晶器液面波动，甚至发生翻钢现象。在这种情况下，保护渣难以发挥良好的使用性能，一方面，会使保护渣均匀厚度和稳定的三层结构及保温效果难以保证，液渣渣膜厚度不均，易产生铸坯表面裂纹。另一方面，结晶器钢水液面不稳定，会产生大量的渣条，阻碍液渣的流入。
(5)  保护浇注效果对保护渣性能影响
　　在浇注过程中，若保护浇注效果不好，钢水与空气接触发生二次氧化，生成Al2O3类氧化夹杂物进入钢液中，造成钢水污染，保护渣液渣与钢水接触，吸附溶解钢水中上浮的夹杂物，达到净化钢水、提高铸坯质量目的。在不断的浇注过程中，液渣不停吸附夹杂物。当吸附夹杂物达到一定含量时，会造成液渣变性，碱度和黏度等理化性能发生变化，影响保护渣均匀熔化，恶化了液渣流动性，造成坯壳润滑不良，导致铸坯表面夹杂和裂纹等问题。特别是浇铸含易氧化元素的钢种时，必须保证良好的保护浇注效果，否则二次氧化产生大量夹杂物进入渣中。导致保护渣性能发生变化，会造成大量的铸坯表面裂纹或凹陷等缺陷。
　　连铸机浇注主要保护措施和环节：一是大包长水口保护浇注，采用氩气、密封圈等措施，防止注流吸入空气。二是中间包密封措施，中间包加盖包盖，包盖与中间包包沿采用耐火棉和耐火泥密封。三是中间包内钢液面采用覆盖剂进行隔热保温，并吸附夹杂。四是采用浸入式水口浇注，在浸入式水口与中间包上水口之间缝隙内吹入氩气，防止空气被注流吸入。
(6)  振动参数
　　结晶器振幅、振频、负滑脱等参数对保护渣消耗量影响较大，保护渣熔化性能、流动性只有在合适结晶器振动参数下才能起到良好的润滑、传热效果。设计保护渣时，不仅要考虑生产钢种和拉速，还要考虑结晶器振动参数，如果振动参数设计不当，使铸坯表面产生振痕深、凹陷及裂纹等缺陷，严重时引起裂纹漏钢。
(7)  吹氩操作
　　当氩气流量过大时，钢液中大量的氩气泡上浮，结晶器液面过于活跃，甚至沸腾翻钢，造成保护渣翻渣，破坏保护渣稳定的三层结构，造成液渣不均匀，夹杂烧结渣和保护渣颗粒，影响保护渣液渣稳定熔化，还会产生大量的渣条，严重影响保护渣使用性能。
　　当氩气流量过小时，钢液中氩气泡数量少，氩气泡在钢液中上浮使钢渣界面的高温钢液少，液面不活跃，保护渣熔化的动能小，不利于液渣快速熔化。浇注过程中，调节氩气流量时，要考虑浇注的钢种、水口插入深度、铸坯拉速、浇注断面大小、钢水温度等因素。
(8)  更换水口
　　更换水口操作对保护渣性能影响较大，对于多炉连续浇注生产时，一般都需要计划快速更换浸入式水口。
　　板坯连铸机快速更换水口时，使用快换机件将新水口打入，将旧水口打出，实现快速更换，更换时间一般控制在10s～15s。在新水口插入结晶器内到旧水口取出整个更换过程中，水口对保护渣搅动非常严重，破坏了保护渣稳定的三层结构，所以在更换水口前一般要将拉速降低到一定安全范围后再进行更换操作，避免高拉速下更换水口出现液渣不足、润滑不良，而造成粘结漏钢事故。
　　异型坯连铸机一般使用漏斗浇注，漏斗更换操作相对简单，用专用工具将旧漏斗挑出，立即挂上新漏斗，更换时间一般控制在5s～10s。在旧漏斗取出、新漏斗挂入整个更换过程中，新旧漏斗都会带动、冲击保护渣及钢液面，造成保护渣卷渣、润滑不良问题。更换过程若用力过大时，会造成液面较大波动，极易造成卷渣漏钢事故。所以，更换过程中新旧漏斗要轻轻缓慢挑出、放入，尽可能减少对渣面和钢液面的搅动和冲击。同时，尽可能减少更换漏斗时间，以缩短注流对保护渣直接冲击时间。
(9)  保护渣操作
　　保护渣操作主要包括：保护渣厚度的控制、避免搅动液面、稳定的三层结构、挑渣条操作、避免保护渣受潮等。保护渣性能的优劣与保护渣操作方式有着密切的关系。良好的保护渣操作方式，是保护渣发挥正常功能的必要条件之一。
　　保护渣厚度
　　保护渣厚度均匀，能起到良好均匀的保温效果，使钢液面各个区域保护渣均匀熔化、均匀流入坯壳与结晶器铜板之间，起到良好的润滑和传热作用，坯壳厚度生长均匀，避免铸坯表面裂纹。
　　保护渣厚度不均匀，渣面各个区域的温度不均匀，导致坯壳与结晶器铜板间渣膜厚度不一。渣膜厚的地方传热慢，坯壳薄；渣膜薄的地方传热快，坯壳厚。坯壳厚度不均匀，产生应力集中，在坯壳薄弱的地方易产生裂纹。
　　所以，操作人员要始终保持保护渣厚度均匀，遵循“勤加、少加、匀加”原则，即每次加渣时间间隔不要过长，加渣频次要多，每次加渣数量要少。按照规定的保护渣上限厚度控制，均匀撒开保护渣，保证保护渣厚度均匀。
　　渣条处理
　　浇注过程中，当出现铸坯拉速不稳、水口突然堵塞、氩气流量波动、液面自控故障、更换水口等异常情况时，造成液面突然波动。这会产生大量渣条，若渣条不及时处理，会堵塞液渣流入坯壳与结晶器铜板间隙的通道，造成润滑不良，坯壳传热不均匀。
　　操作过程中经常出现渣条处理不当的问题。比如，操作工用铁丝或木条用力向前推，或向下按渣条，加剧了渣条堵塞液渣流入的通道程度。情况严重时，会造成液渣完全堵塞，坯壳粘结，甚至发生粘结漏钢事故。正确的挑渣条操作应该将渣条轻轻剥离铜板、慢慢挑出，不得用力向下按或水平方向推动渣条，避免搅动渣面和渣条堵塞液渣流入的通道。
　　保护渣受潮
　　保护渣干燥度要求比较高，含水量一般控制在0.5%以下。水分可使保护渣结团、质量变坏，影响保护渣使用性能。水分含量高将导致保护渣的铺展能力下降，保温效果差，液渣熔化不均匀，坯壳润滑及厚度不均匀，导致铸坯形成皮下针孔和裂纹。
　　保护渣要有严格的防潮措施，存放地点保持干燥，使用前需要进行烘烤处理，烘烤温度一般不低于60℃～100℃，烘烤时间一般大于30min～60min。
4 结束语
　　保护渣在浇注过程中起着重要作用。其隔热保温、防止钢液二次氧化、坯壳润滑、改善传热及吸附夹杂能等作用，提高了铸坯质量，稳定连铸生产工艺顺行。
　　保护渣通用性差，必须选择适合各自连铸机工艺条件的保护渣，设计保护渣时，充分考虑连铸机断面规格、生产钢种、脱氧制度、浇注温度、拉速等工艺条件因素。保护渣除了本身质量情况，在浇注各个环节中的不良状态和操作，也影响性能的发挥。
　　在连铸机生产工艺操作过程中，钢水质量和温度、浇注液面的稳定性、浸入式水口形状和尺寸、水口插入深度及对中精度、拉速稳定性、结晶器振动参数、保护浇注效果、氩气使用状态以及保护渣操作等因素，都是保护渣是否能发挥良好性能的重要因素。因此，在操作过程中，必须保持良好的工艺操作状态，实行标准化操作，为发挥保护渣作用创造良好的工艺条件。