连铸结晶器保护渣对超低碳钢增碳的影响

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EffectofFluxinContinuousCastingMoldonCarbonPick-upofUltra-Low-CarbonSteelLinGongwen,WuJieandLiZhengbang(CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081)LiuLiangtian,QiuTongbangandChenBaoyun(WuhanIronandSteel(Group)Corp)AbstractThereasonhasbeenanalyzedthatthecarbonpick-upofcontinuouscastingslabofultra-low-carbonsteeliscausedbythefluxincontinuouscastingmold.Itisespeciallypointedthatbesidesenrichedcarbonlayer,thecontainingcarbonslaglayerisalsoanimportantfactorforthecarbonpick-upofslab.Themechanismofcarbonpick-upandthemeasuretopreventcarbonpick-upofslabarepresentedinthispaper.MaterialIndexUltra-Low-Carbon-Steel,Mouldflux,EnrichedCarbonLayer,Coutainingcarbonslaglayer1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/%Table1Chemicalcompositonofflux/%渣号SiO2Al2O3CaOMgONa2OF-B2O3Fe2O3Si-CaT.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图1铸坯或轧材增碳量Fig.1Carbonpick-upofcastslaborrolledplate2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0.3～3mm的富集碳层，其含碳量甚至高于粉渣1.5～5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。图2界面上的富集碳层(a)B渣×110(b)F渣×220Fig.2Enrichedcarbonlayeratboundary(a)SlagB×110(b)slagF×220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。2.3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1300×10-6以上。图3熔渣层、半熔层碳含量与原始配碳量的比较Fig.3Comparisonofcarboncontentinslaglayer,sinteredlayerandoriginalflux在连铸现场，当浇铸WYK-1(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Table2Carboncontentofslaglayerinmold渣号浇铸钢种熔渣层含碳量/×10-6ADWYK-1IF钢710450文献［4］得出实际浇铸碳小于0.003%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2000×10-6，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1500℃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。图4钢液增碳示意图Fig.4Schematicofcarbonpick-upinmeltsteel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+MexOy=xMe+yCO↑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0.1%～0.2%［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-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。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MnO2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MnO2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。作者简介：林功文，女，54岁，教授级高工。1967年毕业于北京钢铁学院冶金系。从事铸造、连铸保护渣、电渣研究。曾获多项国家和部级奖励及国家发明专利。作者单位：林功文吴杰李正邦钢铁研究总院，北京100081刘良田邱同榜陈宝云武汉钢铁公司参考文献1迟景灏.连铸保护渣，沈阳：东北大学出版社，1993：1262KusanoA,etal.ImprovementofMoldFluxesforStainlessandTitaniumBearingSteels,SteelmakingConferenceProceedings,1991,1473HakaruNakato等.新的低碳和超低碳钢板坯连铸结晶器保护渣的特性.连铸保护渣译文集，上海浦东钢铁集团，1996，1344TeradaS,etal.DevelopmentofMoldFluxesforUltraLowCarbonSteels,Iron&Steelmaker,1991,(9):415黄希祜.模铸保护渣性能的作用及机理。四川冶金，1987(1)：306市川健治等.发热型结晶器保护渣的开发.国外钢铁，1992(2)：287YamasakiK,etal.CarburizationbyMoldPowderinContinuousCastingSteel,CAMPISI,1990,(3):1818LeeIR,etal.OptimizationTechnologyofMoldPowderAccordingtoCastingConditions,SteelmakingConferenceProceedings,1988,1759MooreJA,etal.AnOverviewfortheRequirementsofContinuousC