H型钢Q235B连铸保护渣的优化

·４０·２０１０年４月　第３１卷第２期　特殊钢　ＳＰＥＣＩＡＬ　ＳＴＥＥＬ　Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．２　Ａｐｒｉｌ　２０１０　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ连铸保护渣的优化　尹娜景财良张炯明　韩毅华王伟　（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３）　摘要针对津西钢铁厂Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ（０．１４％～０．１８％Ｃ）铸坯（宽面５５０　ｍｍ，窄面４４０　ｍｍ，腹板９０　ｍｍ）经　常出现纵裂等缺陷，基于原有保护渣（％：２９～３０ＳｉＯ２、２５—２６ＣＡＯ、１０—１１Ａ１２Ｏ３、３．０—３．５Ｆｅ２Ｏ３、１５～１７Ｃ、≤　０．５Ｈ２０），通过正交实验和优化设计，开发出一种高性能保护渣（％：３７．５０ＳｉＯ２、３７．５０ＣａＯ、６ＡＩ２Ｏ３、７ＣａＦ２、１２Ｎａ２Ｏ、７　石墨、１．５炭黑）。与原保护渣相比，优化渣的半球点温度、粘度和熔化时间分别从１　１６７℃，０．７７　Ｐａ·ｓ和５７　Ｓ下降　至１　ｏ９２℃，０．２７　Ｐａ·ｓ和３２．５　Ｓ。优化渣应用表明，当拉速由０．９８　ｍ／ｍｉｎ提高到１．２　ｍ／ｍｉｎ时，铸坯质量良好。　关键词Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ连铸正交试验保护渣优化　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｏｌｄ　Ｐｏｗｄｅｒ　ｆｏｒ　Ｈ—Ｓｈａｐｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｑ２３５Ｂ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｙｉｎ　Ｎａ，Ｊｉｎｇ　Ｃａｉｌｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｏｎｇｍｉｎｇ，Ｈａｎ　Ｙｉｈｕａ　ａｎｄ　Ｗａｎｇ　Ｗｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｏ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋ　ｄｅｆｅｃｔ　ｕｓｕａｌｌｙ　ＯＣＣＵ１ＴＣ￣ｏｎ　ｂｌｏｏｍ（ｗｉｄｅ　ｓｉｄｅ　５５０　ｍｍ，ｕａｉ＇ＴＯＷ　ｓｉｄｅ　４０　ｍｍ．ｗａｉｓｔ　９０　ｍｍ）ｉｎ　Ｈ．ｓｈａｐｅ　ｓｔｅｅｌ　Ｑ２３５Ｂ（０．１４％一０．１８％Ｃ）ｃａｓｔｉｎｇ　ａｔ　Ｊｉｎｘｉ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　ｗｏｒｋｓ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ（％：２９～３０ＳｉＯ２，２５—２６ＣＡＯ，１０～１１Ａ１２Ｏ３，３．０～３．５Ｆｅ２Ｏ３，１５～１７Ｃ，≤０．５Ｈ２Ｏ），ａ　ｈｉｇｈ　ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ（％：３７．５０ＳｉＯ２，３７．５０ＣａＯ，６Ａ１２Ｏ３，７ＣａＦ２，１２Ｎａ２Ｏ，７　ｇｒａｐｈｉｔｅ，１．５　ｃＢｙｂｏｎ　ｂｌａｃｋ）ｉｓ　ｄｅ—　ｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｏ￣ｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｄｅｓｉｇｎ．Ａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ，ｔｈｅ　ｓｅｍｉ－ｓｐｈｅｒｅ　ｐｏｉｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｔｏ　１　０９２℃，０．２７　Ｐａ·Ｓ　ａｎｄ　３２．５　Ｓ　ｆｒｏｍ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　１　１６７　ｏＣ．０．７７　Ｐａ·Ｓ　ａｎｄ　５７　Ｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ａｓ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｆｒｏｍ　０．９８　ｍ／ｍｉｎ　ｔｏ　１．２　ｍ／ｍｉｎ，ｔｈｅ　ｂｌｏｏｍ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ．　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｉｎｄｅｘ　Ｈ—Ｓｈａｐｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｑ２３５Ｂ，Ｃａｓｔｉｎｇ，Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｏｌｄ　Ｐｏｗｄｅｒ　连铸异型坯表面缺陷主要是在结晶器内产生　的，并在二冷区和空冷区进一步扩展形成，这些表面　缺陷的成因是多方面的，但是最主要的共同影响因　素是结晶器保护渣，保护渣理化性能的合适与否直　接影响到异型坯的纵裂纹、表面针孔和翼缘端部凹　使铸坯传热均匀，防止裂纹的产生；（４）对于裂纹敏　感性钢种，渣膜应具有较高的热阻，防止热流过大，　造成应力集中；（５）稳定合理的熔融结构，不会由于　拉速的较大波动影响液渣层厚度。　津西钢铁厂连铸工艺参数见表１。Ｈ型钢　Ｑ２３５Ｂ化学成分为（％）：０．１４～０．１８Ｃ、０．４５—　０．５５Ｍｎ、０．１８—０．２６Ｓｉ、≤０．０２５Ｐ、≤０．０３０Ｓ。图１　陷等表面缺陷的产生和加剧　ｊ。河北津西钢铁股　份有限公司于２００６年６月投产大Ｈ型钢异型坯连　铸生产线，自投产以来，其表面纵裂纹、针孔、夹渣、　划伤等问题时有发生。本文以该厂生产的Ｈ型钢　为浇铸的异型铸坯断面图；Ｈ型钢生产所用的原渣　和优化渣的化学成分、碱度等参数见表２。　采用试样变形法测定原渣样的熔化温度和熔化　Ｑ２３５Ｂ保护渣为研究对象，根据现行设备和工艺条　件，基于Ｑ２３５Ｂ钢种的凝固特性分析，对此钢种保　护渣的性能进行优化研究。　１　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ现行保护渣的性能分析　速度，应用经验式　计算熔渣粘度：原渣样的半球　点温度（即熔化温度）为１　１６７℃，熔化速度为５７　Ｓ，　异型坯连铸结晶器保护渣必须满足如　下要求　：（１）适当的熔化速度，能够及时　补充液渣的快速消耗；（２）高的液渣流人　表１　Ｈ－型钢Ｑ２３５Ｂ连铸工艺参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｈ－ｓｈａｐｅ　ｓｔｅｅｌ　Ｑ２３５Ｂ　能力，获得较大的渣耗量，以满足结晶器润　滑的要求；（３）结晶器与铸坯问渣膜均匀，　通讯作者：张炯明，教授，北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３　第２期　尹娜等：Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ连铸保护渣的优化　粘度为０．７７　Ｐａ·Ｓ。　·４１·　从表２可以看出，原渣样ＨＤＫ－２的熔点较高，　熔化速度较慢，粘度较大。　从现场统计数据来看，浇铸Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ钢种　癃　面　时，平均表面纵裂纹发生率为２％。表面纵裂纹主　要发生在腹板区域，且内弧发生率高于外弧。　２　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护渣性能的优化　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ为中碳钢，此钢处于包晶区附　近，具有强的裂纹敏感性，凝固时８—　相变伴随有　０．３８％的体积收缩，造成凝固坯壳和结晶器壁间的　图１　Ｈ一型铸坯断面图　气隙厚度不均匀，传热也变得不均匀。如果沿铸坯　Ｆｉｇ．１　Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　Ｈ—ｓｈａｐｅ　ｃａｓｔ　ｂｌｏｏｍ　横截面温度梯度过大，便会产生较强的热应力，使铸　表２原渣和优化渣的化学成分、碱度和性能　Ｔａｂｌｅ　２　Ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔ，ｂａｓｉｅｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ　坯表面产生纵裂。这就需要限制结晶器的热通量，　点稍低于或等于结晶器下口处坯壳表面温度，保证　要求保护渣具有较大热阻，实现结晶器的“弱冷　在结晶器长度方向始终存在一定厚度的液渣膜，即　却”。其保护渣应设计成具有较低的熔化温度、粘　实现“全程液态润滑”。经过建立铸坯传热模型，得　度，适当的熔化速度的特点。　知结晶器出口铸坯腹板中心表面温度为１　０９６　ｃ（＝。　２．１　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护渣熔化温度和熔渣粘度的　因此，Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护渣的熔化温度≤１　０９６℃，　优化　即保证了结晶器内的全程液态润滑。　实验所用原料均为化学纯试剂，自行配方；保护　纵裂产生与熔渣粘度（　）和拉坯速度（　）有　渣基料为ＣａＯ、ＳｉＯ２和Ａ１：Ｏ３，助熔剂为Ｎａ　Ｏ（以无　关　，对大断面宽扁型铸坯，’７…∞℃）　值应控制在　水Ｎａ：ＣＯ　代替），ＭｇＯ和ＣａＦ：。采用正交实验设计　０．２０～０．３５　Ｐａ·Ｓ·ｍ／ｍｉｎ，对小断面方坯，　控制　法，５个因素为０．８～１．２Ｒ（ＣａＯ／ＳｉＯ２）、（％）：３～　值为０．５０　Ｐａ·Ｓ·ｍ／ｒａｉｎ；而津西钢铁厂实际生产　７Ａ１２Ｏ　０—７ＭｇＯ、５—９ＣａＦ２和８～１２Ｎａ２Ｏ，每个因　的拉速（　）为０．９８　ｍ／ｍｉｎ，可知，Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ用保　素取５个水平，其中碱度尺依次取０．８、０．９、１．０、　护渣的粘度应该控制在０．２０—０．３６　Ｐａ·Ｓ。　１．１和１．２，因此选用Ｌ　（５。）正交实验表　进行方　综合分析，从上述２５组中选出１组满足设计要　案设计。仍采用试样变形法测定保护渣熔化温度，　求的保护渣，其化学成分为（％）３７．５０ＣａＯ、　应用Ｋｏｙａｍａ等人＿３　提出的经验式计算上述正交表　３７．５０ＳｉＯ２、６Ａ１２Ｏ３、７ＣａＦ２、１２Ｎａ２Ｏ，碱度尺为１．０，熔　中各组（共２５组）实验保护渣的粘度。　化温度（半球点）１　０９２℃，粘度０．２７　Ｐａ·Ｓ。　通过实验测定和公式计算，测得的２５组温度值　２．２　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护渣熔化速度的优化　在１　０８４—１　２７９℃，其中只有１组超过１　２００℃，占　在碱度Ｒ＝１．０，成分为（％）３７：５０ＣａＯ、　４％；１　１５０～１　２００　ｏＣ有２组，占８％；１　０５０—１　１５０　３７．５０ＳｉＯ２、６Ａ１２Ｏ３、７ＣａＦ２、１２Ｎａ２Ｏ基料条件下，测定　℃有２２组，占８８％；可见大部分温度值处于１　１００　不同石墨含量（％：１、４、７、１０、１３、１６、２０）、炭黑含量　℃附近，其中低于１　０９０　ｏＣ的只有３组；２５组粘度值　（％：１、２、３、４、５、６、７）以及７％石墨与不同含量炭黑　中，在０．１７～０．３５　Ｐａ·Ｓ有ｌ７组，占６８％；而在　混合（７％石墨＋０．５％炭黑、７％石墨＋１％炭黑、７％　０．３５～０．６６　Ｐａ·ｓＴ　８组，占３２％。　石墨＋１．５％炭黑、７％石墨＋２％炭黑、７％石墨＋　设计合适的熔化温度，首先要保证在结晶器长　２．５％炭黑）试样的熔化速度（即１　３５０　ｑＣ恒温下渣　度内全程液态摩擦，即实现“全程液态润滑”。使熔　样完全熔化所需的时间），对比它们对熔化速度的　·４２·　特殊钢　２．３最终优化方案和现场应用　第３１卷　影响效果。　碳质材料能有效的控制保护渣的熔化速　度　Ｊ。从图２实验所测结果看出，保护渣的熔化　速度随着加入的碳质材料的含量增加而降低。同　时，实验结果还表明石墨的控温能力很强，当石墨含　最后得到最优的保护渣配方成分见表２。对比　此优化渣与津西钢铁厂Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ现行保护渣　（原渣）的性能参数（表２）可以看出，优化渣熔点低　于原渣，下降７５℃；优化渣粘度明显低于原渣，下降　了２／３左右；优化渣熔化速度较原渣也在一定程度上　量为１％，熔化速度仅仅是２６　Ｓ，而当含量增大到　２０％时，熔化速度已经达到８６　Ｓ；而炭黑的控温能力　不是很强，因其着火点比较低，在５９０℃左右，所以　当炭黑含量从１％变化到７％时，熔化速度从１５　Ｓ变　增加。说明该优化方案实现了降低熔点、粘度和提　高熔化速度的目标，达到了优化Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护　渣性能的设计要求。　化到２３．５　Ｓ。　图２保护渣中碳质材料含量对熔化速度的影响　Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ（ｇｒａｐｈｉｔｅ　ａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｌａｃｋ）ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｉ１　ｍｅｈｉｎｇ　ｒａｔｅ　由图３可见，复合配碳的渣样熔化速度在３２　Ｓ　左右，说明复合配碳能有效控制保护渣的熔融特性，　在相对较宽的范围内保持较稳定的熔融特性。Ｈ型　钢Ｑ２３５Ｂ用保护渣的熔化速度为３Ｏ～４０　Ｓ时，铸坯　传热条件较好，表面裂纹率较少＿９　Ｊ。因此，复合配　碳的效果优于单一配碳，它满足了Ｈ型钢连铸坯用　保护渣的要求。　图３复合配碳（７％石墨＋炭黑）材料中炭黑含量对保护渣　Ｆｉ熔化速度的影响　ｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅａｒｂｏｎ　ｂｌａｃｋ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｃａｒｂＯｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　（７％ｇｒａｐｈｉｔｅ＋ｃａｒｂｏｎ　ｂｌａｃｋ）ｉｎ　ｍｏｌｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｎ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　现场应用优化保护渣的结果表明，浇铸钢种　Ｑ２３５Ｂ，铸坯断面５５０　ｎｌｍ×４４０　ｍｌｎ×９０　ｍｍ，拉速　为１．２　ｍ／ｍｉｎ，液渣层厚度为１０—１３　ｍｍ，结晶器内　保护渣消耗量为０．８～０．９　ｋｇ／ｔ，铸坯表面无夹渣、　无裂纹、表面质量良好，并且连铸过程中保护渣铺展　性好、熔化均匀、无渣圈，基本无漏钢现象。　３结论　（１）优化后的保护渣熔点低于原渣，下降７５　ｏＣ；粘度明显低于原渣，下降了２／３左右；熔化速度较　原渣也在一定程度上增加。该优化方案达到了优化　Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ保护渣性能的设计要求。　（２）经初步应用证明，当拉速由０．９８　ｍ／ｒａｉｎ提　高到１．２　ｍ／ｍｉｎ时，使用此优化渣浇铸，铸坯质量保　持良好，并且浇铸过程中保护渣铺展性好、熔化均　匀、无渣圈，基本无漏钢现象。因此，该优化渣满足　浇铸Ｈ型钢Ｑ２３５Ｂ钢种的要求。　国家自然科学基金与宝钢联合资助项目（５０７７４１０９）　参考文献　ｌ　乌力平，李建中，汤寅波，等．保护渣对连铸异型坯表面质量的影　响．炼钢，２００４，２０（６）：４０　２朱立光．高速连铸保护渣性能优化及基于神经网络的连铸保护渣　设计专家系统的研究［学位论文］　北京：北京科技大学，１９９７　３　Ｋｏｙａｍａ　Ｋ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｎｉｐｐｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ，１９８７，３４（８）：４１　４何少华，文竹青．试验设计与数据处理．长沙：国防科技大学出版　社，２００２　５蔡开科，程士富．连续铸钢原理与工艺．北京：冶金工业出版社，　１９９９　６茆勇，鲁怀敏，汪开忠．近终形连铸异型坯的质量问题及对策．　钢铁，２００１，３６（６）：２２　７　Ｍａｓａｙｕｋｉ　Ｋａｗａｍｏｔｏ．Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｍｏｌｄ　Ｐｏｗｄｅｒ　ｆｏｒ　Ｈｉ吐　Ｓｐｅｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃａｓｔｉｎｇ．ＩＳＩＪ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９４，３４（７）：５９５　８　Ｉｖｅｒｓｏｎ　Ｆ　Ｋ．Ｂｕｓｓｅ　Ｋ．Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｆｉｒｓｔ　Ｙｅａｒ　ＣＳＰ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ａｔ　Ｎｕ—　ｃｏｔ　Ｓｔｅｅｌ’Ｓ　Ｎｅｗ　Ｔｈｉｎ—Ｓ１ａｂ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ．Ｓｔａｈｌ　Ｅｉｓｅｎ．１９９１．１１１　（１）：３７　９王升，孙维，汪开忠，等．Ｎｂ微合金化钢异型坯连铸工艺的优　化．安徽工业大学学报，２００２，１９（３）：２１４　尹　＂￣（１／９８６一），…女，。。　硕士研究生，‘　’　…连铸工艺研究。…。＿＿。　…　　收稿日期：２００９—１０．１６