连铸结晶器保护渣对超低碳钢增碳的影响_林功文.pdf

连铸结晶器保护渣对超低碳钢增碳的影响林功文 吴 杰 李正邦 刘良田 邱同榜 陈宝云(钢铁研究总院,北京100081) (武汉钢铁公司) 摘 要 分析了连铸结晶器保护渣引起超低碳钢铸坯增碳的原因强调指出,除了富集碳层外,含有碳的熔渣层也是引起铸坯增碳不可忽视的原因并阐述了铸坯增碳的机理,提出了防止铸坯增碳的措施关键词 超低碳钢 保护渣 富集碳层 含碳熔渣层Effect of Flux in Continuous CastingM old on Carbon Pick-up of Ultra-Low-Carbon SteelL in Gongwen, W u Jie and L i Zhengbang(Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081)L iu L iangtian, Q iu Tongbang and Chen Baoyun(W uhan Iron and Steel(Group)Corp)Abstract The reason has been analyzed that the carbon pick2up of continuous casting slab of ultra2low2 carbon steel is caused by the flux in continuous casting mold.It is especially pointed that besides enriched carbon layer, the containing carbon slag layer is also an i mportant factor for the carbon pick2up of slab. The mechanism of carbon pick2up and the measure to prevent carbon pick2up of slab are presented in this paper. Material Index U ltra2Low2Carbon2Steel,M ould flux, Enriched Carbon L ayer, Coutaining carbon slag layer1 增碳现象随着超低碳钢越来越广泛的应用,超低碳钢 在连铸过程中的增碳问题得到人们的重视。

超低 碳钢碳含量通常小于50×10- 6,在浇注过程中, 由于使用含碳的保护渣,钢液或多或少都有增碳现象,一般可增加20×10- 6～30×10- 6的碳[1],最好的水平为1×10- 6[2] 表1和图1示出了在连铸 机上浇注超低碳钢使用进口渣D、E、C以及国产 渣A、B、F的化学成分及铸坯或轧材增碳量的情 况 尽管几种保护渣中原始自由碳很低(一般小于2% )因保护渣引起钢的平均增碳量大部分在5×10- 6～20×10- 6之间波动表1 保护渣的化学成分?%Table 1 Chem ical compositon of flux?%渣 号SiO2A l2O3CaOM gONa2OF-B2O3Fe2O3Si2CaT·CCfCaO?SiO2ABCDEF35. 2434. 8740. 0035. 5035. 3032. 253. 124. 944. 504. 501. 306. 0028. 9835. 0232. 1030. 0033. 1032. 751. 366. 700. 70-4. 20-10. 545. 6712. 1011. 258. 808. 508. 846. 576. 706. 756. 604. 50---2. 451. 221. 29-1. 500. 56--3. 61------2. 304. 502. 70-1. 421. 301. 901. 001. 145. 250. 821. 000. 800. 850. 931. 01·31·第20卷第4期 特殊钢 Vol . 20. No. 4 1999年8月 SPEC I AL STEEL A ugust 1999 图1 铸坯或轧材增碳量Fig. 1 Carbon pick2up of cast slab or rolled plate2 增碳原因分析2. 1 开浇引起增碳 从浇铸[C ]≤28×10- 6超低碳钢板坯长度方 向上表面碳含量的变化可得[3],开浇增碳是很严 重的,这主要是由于开浇时结晶器内钢液面不稳, 钢液温度较低,熔渣层尚未形成或熔渣层厚度不足,钢液直接与保护渣中的碳接触的缘故。

2. 2 富集碳层引起增碳 从实际浇铸的结晶器内取渣样分析碳含量分 布,可见在结晶器熔渣层和过渡 层之间有一层013～3 mm的富集碳层,其含碳量甚至高于粉渣115～5倍[4]在实验室,通过熔化模型制作的岩相照片,亦 可充分观察到富集碳层的存在图2左侧照片显 示了超低碳钢结晶器保护渣B(a)和F(b)熔化模 型熔渣层与半熔层界面的状况,在界面处和熔珠 周边有大量的亮白色的圆珠,用扫描电镜检测这些亮白色的圆珠,主要成分为Fe、Si、Ca等金属 相;另外在F渣的半熔层靠近界面处还可以看到 大片分布的碳这些从熔渣中上浮的碳或半熔层 未能燃烧的碳在熔渣层上界面聚合而形成富集碳 层,这些金属相主要是富集在界面上的碳在高温下将渣中的金属氧化物如Fe2O3、SiO2、CaO等还 原的结果 如果碳质材料和数量选择不当,造成熔渣层 偏薄,一旦出现铸流扰动、 液面不稳的情况,钢液 就有可能同富集碳层接触,造成铸坯增碳图2 界面上的富集碳层 (a)B渣 ×110 (b)F渣 ×220Fig. 2 Enriched carbon layer at boundary (a)Slag B ×110 (b)slag F ×2202. 3 熔渣层含碳引起增碳 将实验室所测熔化模型的熔渣层和半熔层分 别取样分析其碳含量,结果如图3所示。

从结果可 以看出,大部分渣半熔层的含碳量均高于原始渣的含碳量,这也说明了碳在半熔层富集,有富集碳 层存在另外,特别值得注意的是熔渣层均含有 碳,以E渣最低,也已达600×10- 6,其余均在1 300×10- 6以上 在连铸现场,当浇铸W YK21 (框架阴罩钢)使用国产A渣,浇铸IF钢使用进口D渣时,分别 取结晶器的熔渣层,并分析熔渣层的含碳量,结果如表2所示,熔渣层碳含量至少达450×10- 6表2 结晶器中熔渣层的含碳量Table 2 Carbon content of slag layer in mold渣号浇铸钢种熔渣层含碳量? ×10- 6A DW YK21 IF钢710 450·41·特殊钢 第20卷图3 熔渣层、 半熔层碳含量与原始配碳量的比较Fig. 3 Comparison of carbon content in slag layer,sintered layer and original flux文献[4 ]得出实际浇铸碳小于01003%的ULC钢时结晶器内渣圈上的碳含量,熔渣层中的 碳含量高达2 000×10- 6,约为原始配碳量的6%。

因此,无论是从实验室熔化模型取样或是现 场结晶器取样分析结果都说明,保护渣的熔渣层 含有碳,而且含碳量比钢液含碳量高出一个数量 级熔渣层直接与钢液接触,这么高的碳含量,对于含碳量小于50×10- 6、 温度在1 500℃左右的 超低碳钢来说,无疑是引起铸坯增碳的主要原因 之一 通常人们认为碳在熔渣中的溶解度很小,通 过熔渣层进入钢液的碳是微乎其微的,超低碳钢 液增碳主要是富集碳层造成的,上述结果表明,熔渣层的含碳量对钢液增碳的影响是不可忽视的3 增碳机理配入保护渣的碳在加入结晶器中后的去向如 图4所示大部分的碳在控制保护渣成渣过程中与氧反 应燃烧生成CO2进入大气,这部分碳对钢液增碳 没什么影响 一部分未燃烧的碳被固液并存的半熔层带动 着下沉,由于接触空气的机会减少,更不易氧化,随着渣温的升高、 液渣数量的增多,这部分碳由于 不易与液渣浸润而从液渣中分离出来,分布在液 珠周边界面上,其中一部分在缺氧的情况下与渣 中金属氧化物发生反应:yC+ M exOy= xM e+ yCO↑图4 钢液增碳示意图Fig. 4 Schematic of carbon pick2up in melt steel这部分碳对钢液增碳亦没有什么影响。

那些未能参与反应的碳随着液珠的聚合因其 比重比液渣小而不断上浮,聚集在熔渣层与半熔层的界面上方,从而形成了含碳量很高的富集碳 层富集碳层是否引起铸坯增碳与熔渣层厚度及 其稳定性有密切的关系,如果熔渣层厚度不足,只 要结晶器液面稍有波动,钢液就极易与富集碳层 接触,碳是高温下极易溶于钢液的元素,因而必然引起铸坯增碳保护渣中碳的含量、 碳的形式、 碳 的粒度、 保护渣的熔化温度、 粘度等影响熔化速率 的诸因素以及浇钢温度、 拉坯速度、 保护渣的添加 频率、 添加量等均能影响熔渣层的厚度及其稳定 性也就是说,钢液是否与富集碳层接触、 是否增碳均与这些因素有关 另外,在高温下,碳在熔渣层中有一定的溶解 度,约为011%～012%[5],在保护渣熔化过程中, 随着液渣的出现和不断增加,渣中很少一部分碳 将被熔渣吸收,熔渣层的碳含量对于浇注普碳钢可能影响不大,但对于浇注超低碳钢来说,将对铸 坯有明显的增碳影响熔渣层的碳是通过熔渣层 及熔渣2钢液的界面扩散进入钢液中的,其扩散系 数与熔渣的性能(如粘度)、 钢液的紊流强度、 钢液 与熔渣碳的浓度梯度等有关4 防止增碳措施4. 1 使用发热型开浇渣[6] 开浇渣在开浇初期能够迅速熔化,并向弯月 面区域提供热量,同后续加入的超低碳钢保护渣一起形成足够厚的液渣层,从而可以大幅度降低 开浇引起的超低碳钢液增碳。

·51·第4期 林功文等:连铸结晶器保护渣对超低碳钢增碳的影响4. 2 降低保护渣中游离碳的含量 这是避免超低碳钢钢液增碳最简单、 最有效 的办法通常超低碳钢结晶器保护渣的原始配碳 量大都控制在2%以下4. 3 采用碳黑类碳质材料碳黑类碳质材料燃烧温度低、 燃烧速度快,有 利于增加液渣层厚度,减少富集碳层和熔渣层中 碳的含量另外,碳黑类碳质材料的粒径很小,对 基料的分隔能力和对熔体的流动、 汇聚的阻滞作 用都很强,当原始配碳量很低时,这有利于延缓保护渣的熔化速率,避免熔渣层过厚 使用快速燃烧 型活性碳,铸坯的增碳量明显降低[7]4. 4 适当地提高保护渣的粘度 超低碳钢因导热性能较差,一般拉坯速度比 较慢,熔渣层厚度减薄[8],一旦操作不稳,钢液易与富集碳层接触而增碳,适当提高保护渣粘度,渣 耗降低,液渣层将增厚[9],同时,因熔渣粘度的增 加,熔渣层中的碳向钢液的扩散速度将大大降低4. 5 向保护渣中添加氧化剂 向保护渣中添加适量的氧化剂如M nO2等,可以促使渣中的碳氧化,有效抑制富集碳层和熔 渣层碳含量,而且M nO2等的助熔作用可使熔渣层增厚[4]4. 6 采用无碳保护渣 采用与石墨有相似结晶结构的氮化物如BN、SiN3、Cr2N等代替碳质材料,使用无碳保护 渣[10],可以从根本上防止超低碳钢液增碳。

通常使用BN ,但是BN成本比较高,由于生成B2O3放 出N2,渣面常常发生鼓泡、 膨胀现象4. 7 连铸操作工艺保持稳定 控制中包注流、 拉坯速度、 结晶器振动频率等 工艺因素稳定,可以防止钢液面波动,采用勤加、每次少加的保护渣制度,可以改善保护渣的绝热 保温效果,以保持稳定的液渣层厚度,为防止铸坯 增碳这些都是不可忽视的参考文献1 迟景灏.连铸保护渣,沈阳:东北大学出版社, 1993: 1262 Kusano A , et al . I mprovement ofM old Fluxes for Stainless and TitaniumBearing S。