¹武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉

²武汉钢铁有限公司炼钢厂，湖北 武汉

³宝钢中央研究院(青山)，湖北 武汉

⁴武汉钢铁有限公司制造管理部，湖北 武汉

收稿日期：2020年10月6日；录用日期：2020年10月21日；发布日期：2020年10月28日

摘要

通过理论分析、夹杂物含量分析、气体含量监测分析等手段，研究了不同成分中间包覆盖剂对于中合金钢液纯净度的影响规律，结果表明，二元碱度5.0左右的超高碱度覆盖剂应用时，中间包冶金过程夹杂物总量下降最多，[N]含量保持稳定，纯净度最优，是最适合中合金钢的覆盖剂类型。

关键词

中间包，碱度，覆盖剂，纯净度

Research and Application of Basic Tudish Covering Flux

Sheng Zhang^1,2, Zhizheng Yang³, Xia Hong⁴, Guozhi Zhao³

¹Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan Hubei

²Steel Making Plant of Wuhan Iron & Steel Co., Ltd., Wuhan Hubei

³Baosteel Central Research Institute (Qingshan), Wuhan Hubei

⁴Manufacturing Management Department of Wuhan Iron & Steel Co., Ltd., Wuhan Hubei

Received: Oct. 6^th, 2020; accepted: Oct. 21^st, 2020; published: Oct. 28^th, 2020

ABSTRACT

With methods of theoretical analysis, inclusion content analysis and gas content monitoring analysis, the influence of tundish covering flux with different compositions on the purity of medium alloy steel was studied. The results show that when the ultra-high basicity covering flux with basicity of about 5.0 is applied, the total amount of inclusions in molten steel decreases most, the [N] content keeps stable, and the cleanness is the best type of covering flux for alloy steel.

Keywords:Tundish, Basicity, Covering Flux, Cleanness

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1. 前言

中间包是连铸过程的核心冶金容器之一。对钢水进行保温，防止钢水的二次污染，并进一步去除夹杂物，就成为中间包冶金过程的必要功能，而覆盖剂即为这些功能实现最重要的材料 [1] [2] [3] [4] [5]。中间包覆盖剂主要有酸性覆盖剂、镁质覆盖剂和碱性覆盖剂等，其中碱性覆盖剂的冶金性能一直是冶金工作者研究的核心内容之一。覆盖剂的碱度越高，渣中FeO、SiO₂活度系数越低，越能减少其对钢水的二次氧化，但碱度高的覆盖剂可能产生结壳现象，使覆盖功能失效。为此，针对不同钢种的特征，需针对性地研发覆盖剂，以达到最优的中间包冶金效果。本文针对中合金铝镇静钢进行了专用覆盖剂的研发和应用研究。

2. 作用机理和设计思路

基于板坯连铸中间包常用的CaO-SiO₂-Al₂O₃体系的覆盖剂，铝镇静钢在钢渣界面可能发生以下反应 [1]：

3(SiO₂) + 4[Al] = 2(Al₂O₃) + 3[Si] (1)

3(FeO) + 2[Al] = (Al₂O₃) + 3[Fe] (2)

mCaO + nAl₂O₃ = (CaO)_m(Al₂O₃)_n (3)

如果渣中存在活度较高的SiO₂和一定量的FeO，将通过(1)和(2)的反应产生大量的Al₂O₃的夹杂物，如果反应(3)吸收夹杂物的反应进行不彻底，将造成钢液的二次污染。因此，控制覆盖剂中FeO、MnO含量，降低SiO₂的活度，对洁净度控制十分关键。

SiO₂在CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系中的活度如图1所示。

由图1看出，在CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系中，SiO₂活度随着碱度升高而明显减小，因此，碱性覆盖剂在控制反应(1)进行程度、减少钢液二次污染方面具有较为明显优势。

W炼钢厂主要产品为低碳钢和低合金钢，均为铝镇静钢，中包覆盖剂一直以CaO-SiO₂-Al₂O₃系为基础、中性为主，某中合金钢成分如表1所示，由于钢液中有Cr、Ti、Al的存在，如果发生二次氧化，则钢液中夹杂物含量将会明显增加，如果最终残留于铸坯中，将对成品性能造成严重不良影响因此，中包覆盖剂的设计同样要兼顾保温、减少二次氧化和吸收夹杂的作用。

设计的基本方向包括：1) 熔点适中，使用中保持熔渣层、保温层稳定；2) 结合图1，新设计覆盖剂应具备一定碱性特征，减少钢液二次污染；3) 减小使用中的体积密度，优化保温效果。4) 降低覆盖剂中的C含量，控制增碳。结合图2中CaO-SiO₂-Al₂O₃三元相图中的低熔点区域，设计的中合金钢专用覆盖剂与W炼钢厂现用两类覆盖剂基本成分和熔点见表2。

图1. 1823 K条件下SiO₂在CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系中的等活度线 [3]

表1. 10CrNi₃MoV成品目标成分范围

图2. 不同覆盖剂在CaO-SiO₂-Al₂O₃相图中对应区域(Y、J1、J2分别对应A、C和B区域)

表2. 试验用中包覆盖剂特性

注：成分余量包括C、R₂O类助熔剂等。

在表2和图2中看出，低合金钢现用覆盖剂Y处于相图中的低熔点区域，超高碱度覆盖剂J1，处于另一个低熔点区，由于碱度大理论上吸收夹杂物的能力也更强，但是，超高碱度渣面易形成渣壳，液面升降或波动时，渣壳断裂，且与下层熔渣或钢液面之间形成气隙 [5]，即为二次污染的通道，J2碱度处于J1和Y之间，熔点有一定提高，Al₂O₃含量比J1少，理论上更利于吸收钢液中原有的和新形成的Al₂O₃夹杂物。

3. 工业化试验及效果

使用表1中的3种覆盖剂在生产中进行了对比试验，其中每炉试验均在浇注6米铸坯后，取覆盖剂和铸坯化学成分试样3组，检测数据取均值，结果如图3~图6所示。

由图3、图4的看出，覆盖剂Y使用过程中随炉次增加成分变化明显，其中Al₂O₃含量逐渐增加，SiO₂含量逐步下降，说明持续发生着式(1)的反应，钢液中的Als将因氧化逐渐减少。而碱性的覆盖剂J2和J1使用过程中Al₂O₃和SiO₂含量均略有增加，反应(1)发生的趋势并不明显，且二者在使用过程中可吸收钢液中的Al₂O₃夹杂物。

从图5中看出，Y覆盖剂由于熔点偏低，投入中间包使用的开始阶段熔速、铺展速度快，因此浇次首炉氧含量与后期处于同一水平，但持续进行的(5-1)反应造成钢液二次氧化，生成的Al₂O₃夹杂物未能上浮且完全被熔融覆盖剂吸收，其T[O]含量一直未有效降低，中间包冶金全程一直有增氧现象。相应地，J1、J2由于熔点高、熔速相对较慢，首炉氧含量略高，但随着使用进程，T[O]含量基本处于持续减少状态，而浇注后期，J1使用过程中，单炉氧含量均表现为减少趋势，J2则有较明显的波动，所以，就全程纯净度而言，J1覆盖剂的应用稳定性和效果明显优于J2。

图3. 覆盖剂使用中Al₂O₃含量随炉次的变化图

图4. 覆盖剂使用中SiO₂含量随炉次的变化图

图5. 不同覆盖剂使用时中间包钢液T[O]及全氧增量随炉次的变化

图6. 不同覆盖剂使用过程中中间包钢液[N]含量随炉次的变化

从图6中看出，与图5的总体趋势一致，Y覆盖剂使用时全浇次钢液均处于增氮状态，平均增氮超过2 ppm。相应地，J1、J2高碱度覆盖剂首炉增氮超2 ppm，随着浇注进程，增氮量均值开始迅速减小，中期基本无增氮，但是，在浇注后期，J2覆盖剂使用条件下的钢液增氮量开始明显增加，平均超过1.5 ppm，而J1中通过加入适量的助熔剂，并未发生因局部结壳引起的二次氧化通道现象，增氮仍控制在1 ppm以下，比较而言，J1的稳定性总体明显更好。

在RH结束和硫印坯中取样，加工为指定规格圆柱试样，用酸电解法电解并通过滤网收集夹杂物并干燥称重，其中大样电解滤网直径50 μm，小样电解滤网直径0.5 μm，每种条件下3件试样均值如表3。

表3. 不同覆盖剂应用条件下的铸坯中电解夹杂物

从表3可以看出，使用覆盖剂Y，由于反应(1)的持续存在，Al₂O₃的生成量大于上浮去除量，中间包冶金过程中，夹杂物总量呈增加趋势，而J1和J2使用时，纯净度均有一定程度优化，而J1的优化效果比J2更好。

结合图3~图6和表3，覆盖剂使用过程中Al₂O₃含量的增加趋势并不直接体现为其吸收钢液中Al₂O₃夹杂物的能力，在碱度较低的情况下，覆盖剂中自由SiO₂较多，易与钢液中的Als反应，造成二次污染，夹杂物总量还可能增多，Al₂O₃含量较少的碱性覆盖剂J2在吸收钢液中Al₂O₃夹杂物方面并未显示出优势，这与钢液中该类夹杂物含量持续处于较优水平有关。

连铸坯经缓冷后送至加热炉加热，采用相同工艺进行轧制，使用Y覆盖剂的轧后钢板探伤合格率在92%~96%之间波动，J1使用后，钢板探伤合格率均达到99%以上，J2则在95%~98%之间波动，说明J1的使用效果和稳定性更优。

4. 结论

1) 碱度为5.0左右高碱度中间包覆盖剂对中合金钢液纯净度控制效果最佳，主要表现为连铸过程夹杂物总量减少明显，[N]含量总体保持稳定。

2) 覆盖剂中Al₂O₃含量的增加趋势并不直接体现为其吸收钢液中Al₂O₃夹杂物的能力，也与低碱度覆盖剂应用时钢液中的Als的氧化有关。

文章引用

张 晟,杨治争,洪 霞,赵国知. 碱性中间包覆盖剂的研究与应用
Research and Application of Basic Tudish Covering Flux[J]. 材料科学, 2020, 10(10): 813-818. https://doi.org/10.12677/MS.2020.1010097

参考文献