超低碳钢连铸保护渣的发展_姜茂发.pdf

超低碳钢连铸保护渣的发展姜茂发? 刘承军 ? 王云盛 ? 朱英雄( 东北大学)摘? 要? 分析了在连铸过程中超低碳钢铸坯表面渗碳和结晶器内钢液增碳的原因, 总结了国内外在抑制超低碳钢增碳方面所做的研究工作, 对于研究和开发超低碳钢连铸保护渣具有一定的指导意义 关键词? 增碳? 连铸保护渣? 超低碳钢Development of Mould Powder for Ultra- low Carbon SteelJiang Maofa? Liu Chengjun? Wang Yunsheng ? Zhu Yingxiong ( Northeast University)Abstract? The reasons for carbon pickup in ultra- low carbon steel during continuous casting have been analyzed in this paper. The approaches to prevent carbon pickup have been introduced, which have significance in research and development of mould powder for concastign ultra- low car - bon steel. Keywords? carbon pickup ? mould powder ? ultra- low carbon steel联系人: 刘承军, 博士, 沈阳市( 110006) 东北大学炼钢教研室1? 前? 言近几年来, 超低碳钢( 碳含量小于 0. 005 %(w) ) 由于其优质性能, 在国际范围内取得飞速发展, 逐渐取代铝镇静钢成为第三代深冲钢。

超低碳钢的成分特点主要包括: 超低碳、 微合金化、 钢质纯净[ 1]超低碳钢的生产已经成为一个国家汽车用钢板生产水平的标志我国的超低碳钢生产尚且处于起步阶段, 由于冶炼条件及连铸工艺等诸多方面的限制因素, 超低碳钢生产面临严峻挑战, 尤其是直接影响铸坯表面质量的连铸保护渣 连铸保护渣作为结晶器与铸坯之间相互作用的介质, 对于连铸工艺至关重要在超低碳钢的连铸生产过程中, 由于保护渣中含有一定数量的碳质材料, 容易引起铸坯表面渗碳和结晶器内钢液增碳, 造成铸坯精整合格率降低、 表面质量恶化等问题[2~ 6]目前, 我国钢铁企业现场使用的超低碳钢连铸保护渣完全依赖进口, 不但大大增加了连铸成本, 而且进口保护渣并未从根本上解决超低碳钢增碳这一世界性难题超低碳钢的增碳 问题, 这是国内外冶金工业亟待解决的课题所以, 研究开发超低碳钢连铸保护渣势在必行2? 超低碳钢铸坯增碳机理2. 1? 铸坯表面渗碳在超低碳钢连铸生产过程中, 保护渣中的碳质材料向铸坯表面渗透, 使铸坯表面碳含量升高图 1为不锈钢铸坯的表面渗碳情况该铸坯渗碳 深度为 2 mm, 在距离铸坯表面 0. 5 mm 处渗碳量为 0. 020 %~ 0. 040 %( w) , 在距离铸坯表面处渗碳量小于 0. 008 % (w) 。

由于铸坯表面不平及振图 1? 不锈钢铸坯的表面渗碳情况[ 7]?52?2000年 ? ? 6月 第 16 卷 第 3期?? ?? ?? ??炼 ? 钢 Steelmaking? ?? ?? ?? ?? ?? ??Jun. ? 2000 Vol. 16? No. 3痕的存在, 其表面渗碳程度各不相同, 其中振痕谷处表面渗碳最为严重竹内英磨等人[ 7]测定了碳在保护渣熔化结构 中的分布情况, 研究发现:(1) 熔渣层中碳含量为 0. 10 % ~ 0. 40 %(w) , 且在保护渣原始碳含量无关2) 在熔渣层与烧结层之间存在一个碳富集 层当富碳层进入结晶器与铸坯之间, 接触凝固坯壳时, 将会发生铸坯表面渗碳问题S.Terada 等人[8]对富碳层做了进一步的研 究, 发现富碳层的厚度和碳含量与保护渣中碳质材料的类型和含量有关, 富碳层厚度约为 0. 3 ~3. 0 mm, 碳含量比保护渣原始碳含量高 1. 5~ 5倍, 如图 2所示他们提出富碳层是渗碳、 增碳的 主要原因, 理由如下:( 1) 富碳层靠近钢液弯月面, 容易与钢液、 铸坯接触 2) 富碳层具有非烧结特性, 容易与熔渣、 钢 液混合。

3) 富碳层碳含量很高图 2? 保护渣熔化结构中各层厚度及碳含量[ 8]Araki[ 9]认为铸坯表面渗碳与结晶器内钢液面波动有关当钢液面上升时, 富碳层进入结晶器与铸坯之间产生表面渗碳, 当钢液面下降时, 铸坯 被拉出, 此时不产生表面渗碳竹内英磨等人[ 7]提出富碳层与弯月面凝固坯壳的接触导致铸坯表面渗碳当结晶器向上振动时, 若弯月面凝固坯壳挠性不良, 其随着结晶器上升到钢液面之上接 触富碳层, 则可能导致振痕谷处渗碳 2. 2? 结晶器内钢液增碳在超低碳钢连铸生产过程中, 保护渣中的碳质材料进入钢液中, 引起结晶器钢液增碳, 一般可增碳 0. 002 % ~ 0. 003 % (w)[ 10]结晶器的振动,浸入式水口流出钢流对钢液的搅拌, 尤其浇注速度不稳定造成结晶器内钢液面的波动, 使钢液与保护渣中碳质材料( 富碳层或粉渣层) 直接接触,产生钢液增碳问题[ 7, 9,10]3? 抑制超低碳钢增碳的主要研究方向3. 1? 抑制铸坯增碳措施3. 1. 1? 加入氧化剂使碳氧化保护渣中加入氧化剂二氧化锰可使熔渣层厚度增加, 富碳层中碳含量降低, 从而有效控制铸坯 增碳量在保护渣中碳含量相等的条件上, 采用含二氧化锰保护渣和不含二氧化锰保护渣相比较, 超低碳钢增碳量减少 30 % ~ 50 %[ 8]。

3. 1. 2? 采用快速燃烧型碳使碳氧化S.Terada 等人[ 8]对不同类型的碳进行差热分析, 发现活性碳的燃烧温度较炭黑、 石墨、 焦炭低实验结果表明, 采用含活性碳的保护渣可使熔渣层厚度增加, 富碳层中碳含量下降, 从而抑制铸坯增碳 3. 2? 开发低碳保护渣鉴于碳质材料在连铸保护渣中的骨架功能,单纯降低保护渣中碳含量, 虽然能够减少结晶器内钢液增碳、 铸坯表面渗碳, 但是由于连铸保护渣在熔化过程中缺少骨架粒子, 熔化速度过快, 从而引发一系列工艺问题和质量问题[ 10、 11]因此, 在降低保护渣中原始碳含量的同时, 必须采取措施 保护渣中存在足够的骨架粒子, 控制保护渣的熔化速度 3. 2. 1? 加入强还原性物质抑制碳的氧化向低碳( 碳含量小于 1 % (w) ) 保护渣中配入一定数量的强还原性物质, 如硅钙粉、 锰铁粉和铝 粉等由于其具有对氧亲和力比碳大的特性, 在保护渣熔化过程中优先与氧发生反应, 降低了碳质材料的氧化速度, 这样就可以适当降低碳质材料的加入量[ 10]强还原性物质含量应控制在 0. 5 %~ 5. 0 %(w) 范围内, 碳质材料含量应小于 1. 0 % ( w)[ 10]。

碳质材料加入量大于1. 0 %( w) 时, 很难避免增碳问题碳质材料加入量小于 1. 0 % (w) 时, 若强还?53?姜茂发等: 超低碳钢连铸保护渣的发展原性物质含量不足 0. 5 % (w) , 则保护渣熔化速度过快; 若强还原性物质含量超过5 %(w) , 则又会出现强还原性物质未完全氧化而残留于保护渣中 3. 2.2? 采用碳酸盐替代部分碳质材料在低碳保护渣中配入一定数量的碱金属和碱土金属的碳酸盐, 如碳酸钙、 碳酸镁、 碳酸钠和碳酸锂等利用结晶器内钢液的热量, 使碳酸盐分 解 时 的 吸 热 反 应 来 控 制 保 护 渣 的 熔 化 速度[ 10, 12, 13]将含碳酸盐的保护渣制成空心粒渣使用效果最佳 渣中的碳酸盐含量限定在 7 %~ 20 % ( w) 范围内[ 10,12, 13]碳酸盐含量不足 7 % (w) 时, 吸热量 很小, 起不到降低熔化速度的作用; 而碳酸盐含量超过20 % (w) 时, 吸热量过大, 造成保护渣熔化不良, 致使结晶器内钢液面冷却, 引起铸坯表面起皮 和结疤这种方法在理论可行, 但是以此来准确控制保护渣的熔化速度尚有许多实际困难, 故该方法 未能得到广泛应用。

3. 2.3? 采用碳化物替代部分碳质材料在低碳保护渣中配入一定数量的碳化物, 控制保护渣的熔化速度[10]该类碳化物主要包括: 碳化硅、 碳化钨、 碳化钛、 碳化锆以及其他碳化物之所以采用碳化物替代部分碳质材料, 是因为: ( 1) 碳化物在高温下难以与钢液发生反应, 结晶器内钢液增碳和铸坯表面渗碳都很轻微 2) 碳化物在高温下难以与基料发生反应, 可 在基料颗粒之间发挥骨架作用 3) 碳化物价格便宜常用的碳化物主要为碳化硅, 碳化硅中的碳 在钢液中的溶解速度极小, 同时在碳化硅颗粒和碳质颗粒配合使用时, 碳化硅有抑制碳溶解到钢液中去的作用 使用碳化硅应注意三点:( 1) 碳化硅粒径应小于基料粒径, 否则起不到控制熔化速度的作用 ( 2) 碳质材料和碳化硅混合使用时, 二者应有合理的比例3) 单独使用碳化硅时, 其加入量应控制在 1. 0 %~ 10. 0%( w) 范围内, 与碳质材料混合使用时, 最好使用 0. 5 % ~ 9. 0 % (w) 的碳化硅和 0. 5%~ 3. 0 % (w) 的碳质材料 3. 2. 4? 添加有机纤维调节熔化速度在保护渣基料中配入 0. 5 % ~ 5. 0 % ( w) 粒径小于 0. 074 mm 的碳质材料和 0. 1 % ~ 4. 0 %(w) 粒径小于 0. 074 mm 的有机纤维, 可以控制保护渣的熔化速度, 同时抑制铸坯增碳[ 10]。

当保护渣中含有碳质材料和有机纤维, 有机纤维先于碳质材料燃烧并放出气体, 减少了碳质材料的消耗,同时有机纤维燃烧后的残渣和碳质材料可以防止基料形成烧结块和产生渣条, 保持熔渣层厚度稳定, 改善铸坯表面质量 3. 2. 5? 采用二钙硅酸盐作基料, 调节熔化 速度以30 %~ 90 %( w) 的二钙硅酸盐作为基料,可以避免无碳保护渣或低碳保护渣的缺点, 即保 护渣在结晶器内钢液面上熔化速度过快、 熔渣层过厚[ 10]由二钙硅酸盐组成的保护渣加入钢液面后, 发生 ?、 ? ?、 ?、 ?等结晶组织的相变, 导致保护渣的熔化速度延缓该保护渣按照 1 300 ? 粘度配置碳质材料, 当粘度大于 0. 3 Pa?S 时可以不加碳质材料, 当粘度小于 0. 3 Pa?S 时加入碳质材料[ 10] 3. 3? 开发无碳保护渣作为控制熔化速度的骨架粒子, 碳质材料广泛用于各种保护渣中这是造成超低碳钢增碳、渗碳的根本原因要彻底解决这个问题, 必须采用无碳保护渣, 即寻找控制保护渣熔化速度的新型骨架粒子S.Terada 等人[ 8]研究采用新型陶瓷材料替代保护渣中的碳质材料, 如氮化物、 硼化物、 硅化物。

比较熔渣与由不同陶瓷材料制成的平板之间的接触角发现, 氮化硼板与熔渣之间的接触角最大竹内英磨等人[ 7]选择 8 种氮化物、 11 种氧化 物分别作为骨架粒子配入保护渣中, 通过坩埚试验测定各种保护渣的烧结性、 发泡性和熔化温度,研究表明含氮化硼保护渣具有较弱的烧结性和发泡性, 表现出与含碳保护渣显著的一致性T.Yamasaki 等人[ 14]比较了氮化硼与石墨的物理性能, 如表 1 所示氮化硼具有和石墨相似的结晶结构和物理性能图3 比较了氮化硼和炭黑对保护渣熔化速度?54??? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 炼 ? 钢?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 2000年第 3期表 1? 氮化硼和石墨的物理性能[14]材? 料晶体结构密度? g?cm- 3粒径? ?m熔化温度??纯度?% 氮化硼(BN) 六角形2. 260. 5~ 3. 03000> 99. 5 石墨(C)六角形2. 52?3650?的影。