16MnD-R 鋼板坯保護(hù)渣成分與性能

華江峰楊 軍操瑞宏付振坡李廣生丁暢越

（1.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西新余 336500）

16MnD-R 鋼板坯保護(hù)渣成分與性能

華江峰1楊 軍1操瑞宏2付振坡1李廣生1丁暢越1

（1.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西新余 336500）

根據(jù)新余鋼鐵集團(tuán)第一煉鋼廠部分鑄坯（16MnD-R）在一段時間內(nèi)產(chǎn)生的表面缺陷問題，分析目標(biāo)鋼種的凝固特性和所使用保護(hù)渣的熔點、結(jié)晶溫度、黏度等物化指標(biāo)。并研究熔劑成分（Na2O、CaF2、MgO）對保護(hù)渣熔點、結(jié)晶溫度及黏度的影響。對原渣樣分別進(jìn)行降低Na2O含量，降低Na2O、CaF2含量，降低Na2O、CaF2、MgO含量三種成分調(diào)節(jié)。結(jié)果表明：Na2O含量提高0.1%對保護(hù)渣熔化溫度的影響大于CaF2提高0.61%的作用；熔劑含量的降低會增強(qiáng)堿度對保護(hù)渣結(jié)晶能力的影響；對原渣樣同時降低Na2O、CaF2、MgO含量可以提高渣的熔化溫度，降低結(jié)晶率，使之更適合用于澆注目標(biāo)鋼種，且優(yōu)化后的保護(hù)渣成分受多因子制約從而減小其物化性能的波動。

16MnD-R鋼 保護(hù)渣 凝固特性 熔化溫度 結(jié)晶溫度 黏度

16MnD-R（屈服強(qiáng)度為390 MPa）屬于裂紋敏感性的低合金高強(qiáng)度鋼，在板坯生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生表面縱裂、夾渣等質(zhì)量缺陷。新余鋼鐵集團(tuán)第一煉鋼廠澆注16MnD-R鋼時，在其他澆注參數(shù)都不變的情況下，由于保護(hù)渣選擇不當(dāng)，導(dǎo)致后期鑄坯存在嚴(yán)重的表面裂紋。根據(jù)16MnD-R鋼的凝固特性設(shè)計合理的保護(hù)渣成分可以有效控制鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生。

當(dāng)保護(hù)渣熔化溫度稍低于或等于結(jié)晶器下口處坯殼表面溫度（約1 180℃）時，在結(jié)晶器長度方向便始終存在一定厚度的液渣膜，即實現(xiàn)“全程液態(tài)潤滑”［1］。研究表明［2-3］，高的熔化溫度有利于固態(tài)渣膜增厚、熱阻提高、冷卻緩慢，尤其是在冶煉Q345這類低合金高強(qiáng)度鋼時，保護(hù)渣熔化溫度升高有利于減少鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生。因此，對于16MnD-R鋼用保護(hù)渣應(yīng)該在保證全程液態(tài)潤滑的前提下，提高渣熔化溫度，但不能高于1 180℃。

在澆注低合金高強(qiáng)度鋼板時保護(hù)渣的主要性能是保證潤滑、適當(dāng)降低傳熱強(qiáng)度。研究表明［4-6］，保護(hù)渣堿度升高會促使渣膜結(jié)晶從而降低傳熱速率，渣中的Na2O、K2O、CaF2、LiO2等熔劑含量升高會促使渣膜的結(jié)晶率升高，而適量的Al2O3、MnO、MgO、BaO可以促進(jìn)渣的玻璃化傾向從而降低結(jié)晶率。有研究認(rèn)為［7］，當(dāng)渣的熔速過大、熔化后黏度低、熔化時間長、流入不均渣膜厚度不均以及渣中熔劑成分種類過多和在渣膜中易形成氣泡等現(xiàn)象，都容易導(dǎo)致連鑄坯裂紋的產(chǎn)生尤其是縱裂。因此，對所使用的保護(hù)渣性能要求是：在各項性能指標(biāo)（如熔化速度、堆積密度、表面張力等）合格的情況下，保證鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)具有良好的潤滑；適當(dāng)降低坯殼與結(jié)晶器銅板的傳熱。根據(jù)對保護(hù)渣性能的要求，對目標(biāo)鋼種所使用的保護(hù)渣原渣作出調(diào)整，即在保證鑄坯潤滑的前提下，適當(dāng)提高保護(hù)渣的熔化溫度和黏度，以增加渣膜厚度，達(dá)到減小傳熱的作用，從而減小熱應(yīng)力，降低連鑄坯裂紋的發(fā)生率。

連鑄生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鋼種、斷面、拉速、振動參數(shù)等因素綜合考慮，選用合適的保護(hù)渣［8］。

因此，對16MnD-R這類低合金高強(qiáng)度鋼所使用的保護(hù)渣性能要求是：提高結(jié)晶能力，降低結(jié)晶率，并在保證鑄坯全程液態(tài)潤滑的情況下盡量提高熔化溫度。對保護(hù)渣成分設(shè)計要求是：提高保護(hù)渣堿度（R：1.26→1.31）的同時降低Na2O、CaF2含量以使結(jié)晶率降低；為防止Na2O、CaF2降低導(dǎo)致的結(jié)晶率劇烈下降，需要繼續(xù)降低MgO含量使結(jié)晶率小幅回升，同時防止保護(hù)渣因單一成分波動而引起的物化性能的大幅度變化。

1 試驗材料與方法

原渣樣細(xì)磨至200目以下，配入成分為化學(xué)純?nèi)蹌?。?所示是國內(nèi)某鋼廠原渣化學(xué)成分，其熔化溫度為（1 135±50）℃。

表1 原渣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of original slag（mass fraction）%

根據(jù)保護(hù)渣各組分對其熔化溫度及黏度的影響大小順序［9］（熔化溫度：Li2O＞Na2O＞R＞F－＞Al2O3＞MgO，黏度：Li2O＞F－＞R＞Al2O3＞Na2O＞MgO），對原渣的堿度及渣中Na2O、CaF2、MgO三種成分進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的方式是：先將原渣樣磨細(xì)至200目以下，再將堿度調(diào)至1.31不變，分成三組，對第一組分3次降低Na2O含量（%Na2O：6.43%→5.93%→5.43%），其他熔劑按原始比例增加從而得到第一組的3個渣樣，分別記為1號、2號、3號；第二組按第一組的加入質(zhì)量停止加入CaF2，得到了同時降低Na2O、CaF2的3個渣樣，分別記為4號、5號、6號；第三組按第二組的加入質(zhì)量停止加入MgO，得到了同時降低Na2O、CaF2、MgO的3個渣樣，分別記為7號、8號、9號。根據(jù)這一渣樣調(diào)配制度得出Na2O、F－（將%CaF2按%F－進(jìn)行折算）、MgO各渣樣成分含量及其變化趨勢如圖1所示。這種渣樣調(diào)配制度，在降低（Na2O）、（Na2O＋F－）、（Na2O＋F－＋MgO）過程中，會導(dǎo)致其他未降低的熔劑成分略微升高，除Na2O和F－，其他熔劑成分的改變量在0.10%以下，可忽略不計，而堿度（CaO／SiO2）不變，因此CaO和SiO2含量的變化對渣系的物化性能無影響。

采用全自動爐渣熔點熔速測定儀測定保護(hù)渣的熔化溫度，試樣加熱用鉑銠絲高溫電爐，爐溫用程序溫度控制儀控制。用無水酒精將粉渣壓成φ3 mm×3 mm的柱狀，采用剛玉墊片，升溫速度設(shè)定為10℃／min，一個試樣測完后，降低爐溫，移開爐體，取出墊片。更換渣樣重復(fù)測定。在測定粘度與結(jié)晶溫度時，測定前先將渣樣在800℃加熱一段時間脫碳，試驗采用立式管式爐，爐管恒溫帶長度與熔體深度之差不小于20 mm，1 300℃時，恒溫帶溫度波動≤3℃，加熱爐使用溫度為1 500℃，爐管內(nèi)部取氮氣作為保護(hù)氣氛。采用高純石墨坩堝、鉬質(zhì)測頭。

圖1 各渣樣Na2O、F－、MgO成分含量及其變化趨勢Fig.1 Mass fraction of Na2O，F(xiàn)－，MgO and its change trend in slag sample

圖2 9號渣樣熔化過程中高度變化圖Fig.2 Height variation of slag sample No 9 during themelting process

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 保護(hù)渣Na2O、F－、MgO含量與熔化溫度的關(guān)系

熔點熔速試驗測得的9號渣樣熔化過程中高度變化情況見圖2。

三組渣樣熔化溫度之間的關(guān)系見圖3。根據(jù)圖3（a）可以看出，三組渣樣的熔化溫度均呈上升趨勢，這是由于（Na2O）、（Na2O＋F－）、（Na2O＋F－＋MgO）含量逐步降低，導(dǎo)致渣系內(nèi)高熔點的硅酸鹽鏈狀體相對含量升高所致。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，在%Na2O≤10%時，Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與渣系熔化溫度成反比；當(dāng)%Na2O＞10%時，會促進(jìn)高熔點物霞石（Na2O·2SiO2·CaF2）的析出，使熔化溫度回升。而%F－＞4%時，F(xiàn)－含量的增加對降低保護(hù)渣熔化溫度的能力大大減弱，繼續(xù)增加F－含量會促進(jìn)高熔點物槍晶石（3CaO·2SiO2·CaF2）的析出。本實驗中的Na2O、F－、MgO都在降低熔化溫度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，因此Na2O、F－、MgO的含量降低都會促使渣熔化溫度升高。

按照降低Na2O到同時降低Na2O、F－、MgO的調(diào)整制度，理論上會使得保護(hù)渣熔化溫度呈單調(diào)遞增的狀態(tài)。但從圖3（b）中可以看出，第一組到第二組，各渣樣熔化溫度呈下降趨勢，第二組到第三組開始回升，這是由于Na2O、F－、MgO對渣樣熔化溫度的影響存在強(qiáng)弱之差所致。前文提到，熔劑對保護(hù)渣熔化溫度的影響強(qiáng)弱順序為：Na2O＞F－＞MgO。從第一組到第二組，由于在調(diào)節(jié)成分過程中停止加入CaF2，從而間接提高了Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（6.43%→6.53%），△%Na2O＝0.1%。因此，%Na2O的回升（△%Na2O＝0.1%）成了第一組到第二組調(diào)渣的主導(dǎo)過程，該過程沒有受到%F－降低0.61%的影響，因此從宏觀上來看熔化溫度降低。第二組到第三組，%Na2O的增加量△%Na2O＝0.01%。此時%Na2O的增加量已不足以抵消F－、MgO同時降低而導(dǎo)致的熔化溫度的升高，使得熔化溫度開始回升。另外，同一組三個渣樣的斜率的絕對值｜k｜逐漸增大，其原因是從1號到3號渣樣各成分含量的改變量逐步增大，對應(yīng)于第一組到第三組熔點的變化也隨之被放大。

根據(jù)熔化溫度的數(shù)據(jù)分析，可以得出第三組成分調(diào)配方案既滿足了提高渣熔化溫度的要求，又緩沖了Na2O、CaF2對保護(hù)渣物化性能的強(qiáng)烈影響，使得保護(hù)渣在多熔劑因子的共同作用下穩(wěn)定了其物化性能的波動。因此進(jìn)一步對第三組渣樣的黏度及結(jié)晶溫度進(jìn)行分析。

2.2 保護(hù)渣Na2O、F－、MgO含量與黏度、結(jié)晶溫度的關(guān)系

圖4為第三組（7號、8號、9號）渣樣黏度測試結(jié)果。從圖4可以看出，隨著Na2O、F－、MgO含量的逐漸降低，其黏度轉(zhuǎn)折溫度Tbr逐漸升高，即結(jié)晶溫度呈升高趨勢（1 240℃→1 237℃→1 266℃），究其原因，是在提高堿度后，結(jié)晶能力變強(qiáng)［8］，同時又降低了熔劑含量，突出了堿度對保護(hù)渣結(jié)晶能力的促進(jìn)作用，其中8號、9號渣樣的黏度轉(zhuǎn)折溫度變化比較明顯，從1 237℃升高到1 266℃。結(jié)晶溫度的升高，固態(tài)渣膜厚度增加，在保證鑄坯潤滑的前提下，增加固態(tài)渣膜厚度可有效抑制傳熱。1 300℃下的黏度變化情況為：0.301 Pa·s→0.278 Pa·s→0.327 Pa·s。由于熔劑成分逐級降低（Na2O含量變化過程：6.54%→6.14%→5.72%，F(xiàn)－含量變化過程：8.71%→8.17%→7.62%，MgO含量變化過程：2.19%→2.05%→1.91%），因此，從總體上看渣樣在1 300℃的黏度趨于升高。另外，在1 220～1 240℃這一溫度區(qū)間內(nèi)可以看出圖4（c）曲線的斜率｜k｜最小，說明9號渣樣在這一溫度區(qū)間的結(jié)晶率較低，符合對澆注16MnD-R鋼用保護(hù)渣的理論要求。

3 結(jié)論

圖3 不同渣樣熔點變化關(guān)系Fig.3 Slagmelting point relationship between different samples

圖4 第三組渣樣的黏度-溫度曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of the third groups of slag sample

（1）保護(hù)渣堿度由1.26提高到1.31后，9組渣樣的熔化溫度提高了13.1～48.2℃，且隨著Na2O、F－、MgO熔劑含量的變化呈規(guī)律性波動。

（2）通過逐級改變保護(hù)渣熔劑成分，半定量化地說明了Na2O對保護(hù)渣熔化溫度的影響大于F－。即%Na2O提高0.1%遠(yuǎn)大于%F－提高0.61%對熔化溫度的影響。在同時降低Na2O、F－、MgO含量時，保護(hù)渣的黏度（η1300℃）和黏度轉(zhuǎn)折溫度（Tbr）的變化規(guī)律一致，并呈升高趨勢。

［1］李殿明，邵明天，楊憲禮，等.連鑄保護(hù)渣應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］巴鈞濤，文光華，唐平，等.寬厚板包晶鋼的保護(hù)渣［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31（6）：696-700.

［3］劉磊，劉麗娜，韓秀麗，等.Q235B板坯連鑄保護(hù)渣性能及渣膜結(jié)構(gòu)研究［J］.煉鋼，2014，30（3）：60-63.

［4］朱傳運，劉承軍，史培陽，等.保護(hù)渣成分對結(jié)晶礦相的影響［J］.東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，25（6）：559-561.

［5］舒俊，金山同，張麗，等.連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣溫度［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2000，22（6）：508-511.

［6］杜芳，王雨，梁小平，等.連鑄保護(hù)渣渣膜模擬實驗研究［J］.過程工程學(xué)報，2009，9（1）：197-199.

［7］江見俊彥，中戸參，鈴木康治，等.厚板用連続鋳造スラブの表面欠陥に及ぼすパウダ一の性狀［J］.鉄と鋼，1974，60（7）：981-989.

［8］饒?zhí)順s.連鑄保護(hù)渣的特性及其選用［J］.上海金屬，2004，26（2）：50-53.

［9］杜恒科.寬板坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣理化性能研究及應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006.

［10］SCHEEL R，KORTE W.Effect of different flux powder composition on continuous casting slags and casting practice［J］.MPT，1987（6）：22-33.

收修改稿日期：2016-03-14

Study on Com positions and Properties of the Mold Powder for 16MnD-R Steel Slab

Hua Jiangfeng1Yang Jun1Cao Ruihong2Fu Zhenpo1Li Guangsheng1Ding Changyue1
（1.School of Metallurgical Engineering，Xi＇an University of Architecture and Technology，Xi＇an Shanxi710055，China；2.Xinyu Iron and Steel Co.Ltd，Xinyu Jiangxi336500，China）

This paper aimed to improve the quality of casting billet and to solve the problem of surface defects produced over a length of time by optimizing the composition ofmold powder for 16MnD-R steel produced in Xinyu steel company.The solidification characteristics of the target steel，themelting temperatupe，crystal temperature，viscosity and other physical and chemical indicators of used flux powder were analysed，to investigate the influence of flux composition（Na2O，CaF2，MgO style）on the themelting temperature，the crystal temperature and the viscosity.The Na2O content，the Na2O，CaF2content，the Na2O，CaF2，MgO style were separately reduced on the original slag sample to adjust the three compositions.The results showed that the influence of Na2O increased by 0.1%for flux powder on melting temperature was greater than that of CaF2increased by 0.61%.The flux content reduction could improve the influence of alkalinity on the crystallization ability of slag.So the optimized slag composition was conditioned bymany factors as to reduce the change of its physical and chemical properties.

16MnD-R steel，mold powder，solidification characteristics，melting temperature，crystal temperature，viscosity

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.U1460104）；西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室開放課題基金（No.20131314）

華江峰，碩士研究生，主要從事連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣性能研究，Email：137628741＠qq.com

楊軍，男，博士，教授，Email：6292yangjun＠163.com