高Al含量钢种连铸保护渣研究综述
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高Al含量钢种连铸保护渣研究综述范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要： 高al含量钢种连铸过程中，由于钢液中的Al易与常规保护渣中的重要组份SiO2发生反应导致保护渣w（Al2O3）/w（SiO2）及Al2O3含量增加，从而引起保护渣性质的改变，影响连铸工艺顺行。因此，设计性能优良的结晶器保护渣是高铝钢连铸工艺顺行的关键。本文综述了最近高铝钢连铸保护渣研究现状，并指出了其中存在的不足，对未来的研究进行了展望。
关键词： 高铝钢；保护渣；粘度；渣膜
0 引言
随着汽车、电气等工业技术的不断发展，对于钢材质量、性能等提出新的要求。
在这种情况下，为了适应市场需求、满足生产需要，通常情况下需要在钢中加入Al等合金元素，通过相应轧制工艺进行处理，进一步形成高性能的高铝含量钢种，实现高铝钢种的不同需求。
目前，专家学者对于高铝钢连铸保护渣的研究，低碱度的CaO-SiO2渣系保护渣是其研究的集中点，通常情况下这些钢渣的碱度为0.6，通过钢渣界面反应，可以进一步提高保护渣中Al2O3含量与碱度，使得高铝钢连铸要求在一定程度得到充分的满足。
在处理过程中，为了降低钢渣间的相互反应，有的学者提出低SiO2的CaO-Al2O3保护渣，通过低SiO2的CaO-Al2O3保护渣降低渣中SiO2活度，提高Al2O3的活度，通过合理的设计，进一步使保护渣性能，满足高铝钢连铸的要求。
1 低碱度CaO-SiO2渣系高铝钢保护渣的研究
1.1 低碳高铝钢保护渣
对于连铸中低碳钢来说，通常情况下是指碳含量低于0.08%的钢种。低碳钢的优点主要表现为具有较低的裂纹敏感性，利用保护渣解决问题，进一步防止发生粘结漏钢。
Omoto[1]研究低碳电工钢（含铝量0.8-1.2%的低碳钢）保护渣，采用粘度为0.20Pas的低粘度保护渣增加保护渣的消耗量；降低保护渣的初始碱度；添加一定量的其他组成Li2O，以抑制保护渣结晶性能；利用特殊碳，降低保护渣的烧结性。
为此，笔者[2-3]研究了该组分对高铝钢保护渣流变特性和传热特性的影响，结果表明，Li2O有利于平稳浇铸过程中熔渣粘度和传热能力的波动。
针对含铝量高达5%的20Cr-5Al低碳钢种，Itoh[4]设计了低熔点保护渣，试图实现保护渣液渣膜铸坯；对于低碳E2钢，在保护渣中，迟景灏[5-6]加入5-8%的MnO。
通过以上分析，降低保护渣的结晶性能，弱化渣圈形成条件，控制液渣层厚度，有助于保护渣的性能与低碳钢钢种之间的良好匹配，保持保护渣消耗量正常，改善了保护渣对铸坯的，所生产的铸坯质量良好。
1.2 中碳高铝钢保护渣
对于中碳高铝钢而言，由于在弯月面处存在包晶相变反应，容易导致裂纹的产生，因此，除了关注保护渣的功能，还必须综合分析其渣膜传热特性。高铝钢浇铸过程的组成发生明显改变，其渣膜结构及结晶性能也随之改变[7]，因此，必须协调保护渣的变性、液渣膜与固渣膜传热特性的问题。
Jeffrey[8]的研究表明高Al含量TRIP钢浇铸过程中CaO-SiO2渣系变化为CaO-SiO2-A12O3的渣系，随之其固渣膜传热特性及液渣膜特性发生了改变，导致铸坯表面出现大量的纵向裂纹。
Stuart[9]通过对高铝含量TRIP钢的连铸过程进行研究分析，共浇铸245吨，铸坯合计11块。在浇铸过程中，熔渣碱度与w（Al2O3）增加，w（SiO2）降低，导致渣膜传热不稳定。对于保护渣的变性问题，Stuart认为解决高铝钢浇铸的根本途径，就是开发一种不与[Al]反应的非反应性保护渣。
Wang[10]通过对高Al含量TRIP钢保护渣的凝固结晶行为进行研究，同时对低碳钢保护渣的凝固结晶行为进行对比，根据研究结果显示：在高铝钢保护渣中，无论低碱度的初始渣，还是高碱度的平衡态渣，在固态渣膜中，都会含有一定量的圆点状CaF2晶体，而低碱度的低碳钢保护渣凝固后为玻璃体，渣膜中无晶体相析出。
对于高Al含量TRIP钢保护渣的传热行为[11]笔者进行了模拟研究，渣膜热流密度随着w（Al2O3）/w（SiO2）比值的增大而逐渐降低，并且在保护渣中析出CaF2晶体。
在保障保护渣流入[12-15]、形成厚度均匀的渣膜[16-18]方面，保护渣粘度具有重要的意义。高铝钢浇铸过程中，Zhang[19]通过对保护渣熔渣成分的改变过程进行模拟，并且认为该渣系熔体中网络形成体的数量与w（Al2O3）/w（SiO2）有关。
对于奥氏体钢无磁钢来说，由于碳含量在0.14-0.20%，并且热膨胀系数比较大，坯壳在结晶器内凝固时存在严重的收缩现象，使得坯壳厚度不均，导致表面出现凹陷、裂纹等。因此，需要保护渣顺利流入结晶器与铸坯之间，对铸坯进行，同时对传热进行控制[20]。
在高铝无磁钢连铸方面，施威[21]做了深入的研究和探索。笔者[22]也进行了相关的生产性研究，保护渣中适当增加B2O3（wt%：4-6%），延长结晶孕育时间，降低保护渣融化温度，弱化保护渣渣圈的形成。
通过热力学计算，何生平[23]指出，当渣中MnO含量超过3%时，MnO能抑制渣中SiO2被高铝钢中的[Al]还原。
所谓高级氮化钢就是碳含量在0.35-0.42%的38CrMoAl，赵克文[24]按照多组分、各组分含量相当的配渣原则，在浇铸该钢的过程中，在钢渣反应和吸收Al2O3夹杂后，保护渣熔渣性能相对稳定。
为了使浇铸工艺能顺利进行，改善保护渣组成是一个切实可行的思路，Al2O3是一种两性氧化物，在不同的渣系中表示出不同的性能，在酸性环境中表现出一定的碱性特征，可以利用该特性，通过合理配方，降低熔渣的粘度，稳定熔渣粘度，保持保护渣正常的消耗量。
1.3 高碳高铝钢保护渣
Kinoshita[25]在浇铸631不锈钢的过程中，利用碱度为0.8的低碱度保护渣，该保护渣能够铸坯。
1.4 CaO-SiO2渣系高铝钢保护渣研究的启发
通过对前述文献的总结，不难看出，通过控制初始渣的低碱度，优化熔渣配方，主要通过添加适量的Li2O、B2O3、MnO等熔剂及配碳，减少钢-渣反应带来的不良影响，从而提高连铸坯产品质量。
2 CaO-Al2O3渣系高铝钢保护渣研究
Sahaii[26]认为：对于中间包覆盖剂来说，如果其中SiO2含量低于5.7%，在这种情况下，适合浇铸洁净的铝镇静钢；在保护渣领域，根据日本高铝钢保护渣专利文献显示[27]，在渣中，高铝钢钢液中[Al]与保护渣中（SiO2），当SiO2含量低于7%时，两者之间不发生反应或者反应比较轻微；在专利中，宝钢[28]提出：高铝钢保护渣中SiO2含量低于2%，其中（Al2O3+CaO）>50%。
在前人研究基础上，于雄[29-33]研究了F-、B2O3等熔剂对CaO-Al2O3保护渣冶金性能的影响，结果表明熔剂对该系列保护渣性能影响较为复杂，且该种保护渣渣膜中均析出了CaF2晶体，不同于普通连铸保护渣渣膜中常出现的枪晶石晶体，从而导致CaO-Al2O3保护渣渣膜传热特性明显异于普通连铸保护渣渣膜的传热特性。
通过选择合理的保护渣熔剂，同时对保护渣性能进行优化，进而在一定程度上可以得到性能良好的低SiO2含量的CaO-Al2O3保护渣，重点是保护渣熔融特性及渣膜传热特性等，进一步使CaO-Al2O3保护渣具备冶金性能。
3 高铝钢保护渣研究存在的不足
专家学者对高铝钢保护渣进行了大量的研究，同时取得一定的成果，但是，在这些研究中依然存在一些不足，主要表现为：
3.1 低碱度CaO-SiO2渣系保护渣研究存在的不足
对于高铝钢来说，通过低碱度CaO-SiO2渣系保护渣进行浇铸处理后，在铸坯表面依然存在纵裂、凹陷等。
通常情况下，保护渣渣条粗大、液渣不能稳定流入及渣膜传热不均等在一定程度上导致这些铸坯表面出现质量问题；这些现象涉及保护渣熔剂的选择、保护渣熔融特性、流变特性等方面。
3.1.1 CaO-SiO2渣系保护渣组成
在初始保护渣中，由于大量消耗酸性氧化物SiO2，进而明显增加熔渣碱性，对于熔渣中的碱性，通过采用酸性氧化物进行平衡，进而在一定程度上防止形成粗大的渣条。
3.1.2 CaO-SiO2渣系保护渣熔融特性
根据SiO2-CaO-Al2O3相图，保护渣的熔化温度随着钢渣反应的进行呈现出增加的趋势，因此，在保护渣变性过程中，需要选择合理的熔剂，在较小范围升高熔化温度。
3.1.3 CaO-SiO2渣系保护渣流变特性
为了提高高铝钢熔渣变性过程中流变特性稳定性，需研究具有不同熔剂特征的保护渣，进而适应流变特性的变化。
3.2 CaO-Al2O3渣系保护渣研究存在的不足
3.2.1 CaO-Al2O3渣系保护渣熔融特性
与CaO-SiO2渣系保护渣相比，CaO-Al2O3渣系保护渣组成存在明显的差别，并且在熔融特性方面也有所不同。
3.2.2 CaO-Al2O3渣系保护渣渣膜传热特性
对于高铝钢CaO-Al2O3渣系保护渣来说，需要具备控制铸坯向结晶器传热的功能。
4 展望
①与常规钢种保护渣相比，高铝钢保护渣具有显著的区别，在使用过程中，高铝钢保护渣中的Al2O3含量明显偏高，由于Al2O3属于两性氧化物，一方面可以保护渣流变，另一方面影响结晶性能等，在这种情况下，需要进一步研究Al2O3在渣中的两性特征。
②不管是CaO-SiO2渣系还是CaO-Al2O3渣系，在凝固过程中均易析出CaF2晶体，未来可系统研究保护渣中不同F-原料类型对晶体析出的影响。
③CaO-Al2O3渣系保护渣配碳方式对控制保护渣熔化速度，保持结晶器上部熔渣层厚度及稳定有重要影响，未来可系统进行该渣系的配碳研究。
参考文献：
[1]T. Omoto， T. Suzuki H. Ogata. Development of “SIPS series” mold powder for high Al electromagnetic steel[J]. Shinagawa Technology Report， 2007，50：57-62.
[2]Xiong Yu， Guanghua Wen， Ping Tang，Huan Wang. Investigation on Viscosity of the Mold Fluxes during Continuous Casting of Aluminum-containing TRIP Steels[J]. Ironmaking and Steelmaking，2009，36（9）：623-630.
[3]Yu Xiong， Wen Guang-hua， Tang Ping， Yang Bo. Characteristics of Heat Flux through Slag Film of Mold slag used for High Al-TRIP Steel Casting[J]. Journal of Iron and Steel Research， international. 2010，17（5）：11-16.
[4]I. Itoh， K. Ohmura， M. Fukaya. Development of ferritic stainless steel foil as metal support for automotive catalytic converter[J]. Nippon Steel Technical Rep， 1995， 64：69-73.
[5]王谦，迟景灏.E2钢连铸结晶器保护渣理化性能的研究[J]. 四川冶金，1991（3）：40-46.
[6]王家荫，迟景灏.含铝钢连铸保护渣的研究[J]. 重庆大学学报，1988（4）：6-13.
[7]Y Vermeulen， E Divry， M Rigaud. The influence of chemical composition on the crystallization and the heat transfer of synthetic mould fluxes[J]. Canadian Metallurgical Quarterly， 2004， 43（4）： 527-534.
[8]J. B. Jeffrey， A. M. Maureen， T. N. Thinium. Liquid/solid interactions during continuous casting of high-Al high-strength steels[C]. Aistech 2005 proceeding， （11）：99-106.
[9]S. Stuart， J. Keegan， M. Nicole. Production of high-aluminum steel slabs[J]. Iron & Steel technology，2008，5（7）：38-49.
[10]W. Wang， K. Blazek， A. Cramb. A study of the crystallization behavior of a new mold flux used in the casting of TRansformation-Induced -Plasticity Steels[J]. Metallurgical and materials transactions B， 2007，39B（2）：66-74.
[11]杨波，唐萍，文光华，于雄.Al2O3对高铝TRIP钢结晶器保护渣传热的影响[C].2009年全国连铸保护渣与铸坯质量年会，中国：重庆.
[12]M Kawamoto， T Murakami， M Hanao. Mould powder consumption of continuous casting operations[J]. Ironmaking & steelmaking， 2002， 29（3）：199-202.
[13]T Nakano， T Kishi， K Koyama. Mold powder technology for continuous casting of Aluminum-killed steel[J]. ISIJ International，1984， 12（11）：950-956.
[14]F Shahbazian， D Sichen， K C Mills. Experimental studies of viscosities of some CaO-CaF2-SiO2 slags[J]. Ironmaking & steelmaking， 1999， 26（3）：193-199.
[15]Y Kashiwaya， C E Cicutti， A W Cramb. An investigation of the crystallization of a continuous casting mold slag using the single hot thermocouple technique [J]. ISIJ Int.， 1998， 38 （4）： 357-365.
[16]Y Kashiwaya， T Nanauchi， K S Pham. Crystllization behaviors concerned with TTT and CCT diagrams of blast furnace slag using hot Thermocouple technique[J]. ISIJ International， 2007，47（1）： 44-52.
[17]H Liu， G Wen， P Tang. Crystallization behaviors of mold fluxes containing Li2O using single hot thermocouple technique[J]. ISIJ International， 2009，49（6）：843-850.
[18]C Orring， A W Cramb. The effect of water vapor on mold slag crystallization[J]. Metallurgical and materials transactions B， 2000， 31B：403-406.
[19]Z. Zhang， G. Wen， P. Tang. The influence of Al2O3/SiO2 ratio on the viscosity of mold fluxes[J]. ISIJ International， 2008， 6（48）：739-746.
[20]闫威，陈伟庆.Carsten Lippold.无磁钢20Mn23AlV保护渣液渣和渣圈性能变化对连铸的影响[J].特殊钢，2013，2（34）：45-49.
[21]施威.20Mn23AlV高锰低磁钢的连铸生产[J].上海金属， 2006，2（28）：57-60.
[22]张宇斌，文光华，于雄，唐萍.高铝奥氏体无磁钢20Mn23Al2V板坯连铸结晶器保护渣的研究[J].特殊钢，2013（06）.
[23]何生平，王谦，曾建华.高铝钢连铸保护渣性能的控制[J].钢铁研究学报， 2009，21（12）：59-62.
[24]赵克文，何生平，曾建华.BOF-LF-RH-CC流程生产38CrMoAl钢关键技术研究[J].钢铁，2009，44（12）：38-41.
[25]K. Kinoshita， Y. Yoshii， H. Kitaoka. Continuous casting of high-alloy steels[J]. Journal of Metals， 1984，3（36）：38-43.
[26]Y. Sahai， T. Emi.洁净钢生产的中间包技术[M].朱苗勇，译.北京：冶金工业出版社，2009：138.
[27]川崎u株式会社.BA造における面被覆用パウダ：日本，57-184563[P].1982-11-13.
[28]宝山钢铁股份有限公司.一种高铝钢用连铸保护渣及其制造方法：200710042540[P]. 2008-12-31.
[29]于雄，唐萍，文光华，王欢.F-对高铝钢连铸保护渣理化性能的影响[J].过程工程学报，2010，10（6）：1153-1157.
[30]于雄，文光华，唐萍，王欢. B2O3对高铝钢连铸保护渣理化性能的影响[J].重庆大学学报，2011，34（1）：66-71.
[31]王欢，唐萍，文光华，于雄.Li2O对高铝钢保护渣结晶行为及渣膜传热的影响[J].北京科技大学学报，2011，33（5）：544-549.
[32]王欢，唐萍，文光华，于雄.MgO对高铝钢非反应性保护渣理化性质的影响[J].过程工程学报，2010，10（5）：905-910.
[33]于雄.高铝钢连铸结晶器保护渣的基础研究[D].重庆大学博士毕业论文，2011：73-90.