徐子勤，吳治林，王新江，尹小冬，亓豐源

（咸陽非金屬礦研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712021）

隨著冶金工業(yè)的快速發(fā)展，冶金連鑄技術(shù)以其高效、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動化和智能化等優(yōu)點，受到高度重視和發(fā)展，與之相配套的連鑄保護渣的研究也得到了快速的發(fā)展，其主要原材料是非金屬礦及其產(chǎn)品，因此，非金屬礦的綜合應(yīng)用研究也越來越重要，已成為不可或缺的冶金輔助材料。

1 保護渣中的非金屬礦物組成及作用

連鑄保護渣主要由基料、熔劑材料和骨架材料組成，由多種非金屬礦經(jīng)過原料破碎、磨粉、制漿、研磨、噴霧造粒，制成的空心顆粒。它具有無粉塵、堆密度小、流動性好、成分均勻、不吸水及有利于自動加料等優(yōu)點，是非金屬礦在冶金工業(yè)中綜合應(yīng)用的重要體現(xiàn)。

連鑄保護渣主要作用是減少通過渣膜的紅外輻射傳熱量，同時不增加保護渣的結(jié)晶率和結(jié)晶溫度，降低鑄坯表面縱裂紋的發(fā)生機率，保證連鑄工藝順行和提高生產(chǎn)效率[1]。保護渣具有良好的潤滑鑄坯特性，能夠顯著降低裂紋敏感性鋼連鑄時鑄坯表面的縱裂紋和皮下微裂紋，根據(jù)冶煉中鋼的種類來調(diào)整各成分的配比。

1.1 基料中的非金屬礦組分

連鑄保護渣主要由硅灰石、石灰石、石英砂、螢石、鋰輝石、石墨等幾種非金屬礦和工業(yè)用蘇打等組成。其化學(xué)成分含量(%)為：CaO 28～42、SiO226～40、CaF210～20、Na2O 4～10、MnO22～8、Al2O3<6、C 2～10，CaO與SiO2的質(zhì)量比為1.0～1.2，其中主要的化學(xué)成分是SiO2、CaO、Al2O3，在保護渣中占的比例是50%～80%(基料)[2-3]。

1.2 熔劑材料的組分及性能

主要組分為Na2O、Li2O、K2O、Na2CO3、CaF2、Li2CO3等，具有控制保護渣粘度和熔化行為的能力。

(1)堿度。

堿度是反映保護渣吸收鋼液中夾雜物能力的重要指標，同時也反映了保護渣潤滑性能的優(yōu)劣，一般定義為組分中R(CaO/SiO2)的比值。通常堿度大，吸收夾雜物的能力也大，但隨著它的析晶溫度變大，將導(dǎo)致傳熱和潤滑性能惡化[4]。

(2)粘度。

粘度是衡量保護渣潤滑性能的重要指標。目前通常采用旋轉(zhuǎn)法測定或根據(jù)經(jīng)驗公式計算。大多是測量其在1300℃條件下的值，常用保護渣的粘度為0.05～0.15Pa·s。粘度受化學(xué)成分和溫度的控制，生產(chǎn)中主要靠助熔劑來調(diào)節(jié)。要想得到高質(zhì)量鑄坯且不發(fā)生粘結(jié)漏鋼，必須要選擇合適粘度的保護渣。保護渣粘度過低，渣液大量流入縫隙，造成渣膜不均勻，局部凝固變緩，導(dǎo)致凝固坯殼變形，引起縱裂和拉漏事故；粘度過大，會使鑄坯表面粗糙[5]。

(3)熔化溫度。

熔化溫度是指以一定的升溫速度使試樣加熱到由圓柱形變?yōu)榘肭蛐螘r的溫度，包括燒結(jié)起始溫度、軟化溫度(變形溫度)、半球點溫度和流動溫度。實際應(yīng)用中是將渣料制成錐形3mm×3mm的標準試樣，在顯微鏡中測定。由于受保護渣的成分、堿度以及Al2O3含量等因素的影響，連鑄生產(chǎn)中通常將保護渣的熔化溫度控制在1200℃以下。熔化溫度過高，潤滑作用差且不均勻。

(4)結(jié)晶溫度(析晶溫度)。

結(jié)晶溫度通?？梢栽跍y保護渣粘度時測得，在保護渣降溫過程中，熔渣出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，將這一點的溫度稱為結(jié)晶溫度。它是影響凝固坯殼導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，主要受化學(xué)成分的影響，尤其是堿度。對裂紋敏感性特強的包晶類鋼種應(yīng)使用結(jié)晶溫度高的保護渣。

(5)熔化速度。

通常以一定質(zhì)量試樣在測定溫度下完全熔化所需的時間來表示。保護渣在結(jié)晶器中的熔化速度與渣料的組成及熔化溫度有關(guān)。它是實現(xiàn)保護渣在結(jié)晶器中形成合理的三層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。為改善保護渣的熔化均勻性，一般通過調(diào)整渣料組成及改進加工粉料工藝以及采用預(yù)熔渣等方法加以解決。

(6)表面張力和界面張力。

保護渣的表面張力是影響鋼渣分離、渣液吸收夾雜物并使之從鋼液中排除的重要參數(shù)。為了更好地將鋼中夾雜物分離，鋼液的表面張力應(yīng)盡可能大，熔渣的界面張力應(yīng)盡可能小。這取決于渣的化學(xué)成分，一般采用渣中的活性成分Na2O和CaF2來調(diào)整熔渣的表面張力。測定方法有靜滴法、氣泡最大壓力法、懸滴法等[6]。

(7)密度。

密度大小直接影響到保護渣在結(jié)晶器中的保溫性，同時也是防止鋼水二次氧化的重要參數(shù)。測定時可取50g渣料經(jīng)漏斗流入250mL的玻璃量筒內(nèi)，測出體積后，可計算其密度。保護渣的堆密度一般為500～900kg/m3。

(8)粒度及顆粒尺寸分布。

粒度組成是最重要的參數(shù)之一，它對保護渣的熔化速度和鋼液面上未熔化部分的絕熱性能有重要影響。大多數(shù)保護渣基本組成部分的粒度在0.1mm左右，最小約為0.06mm，最大約為0.3mm。某些保護渣的最大粒度在0.32mm以上，但其比例不超過5%。

(9)鋪展性。

理想的保護渣應(yīng)具有良好的鋪展性。它可均勻覆蓋在結(jié)晶器中的鋼水表面，利于形成均勻的熔渣層結(jié)構(gòu)。它取決于保護渣的配方、粒度和水分等因素，一般可用一定容積內(nèi)的保護渣從規(guī)定高度下漏到平板上鋪散的面積來衡量。

(10)水分。

水分是供應(yīng)商必須滿足用戶的一個最基本且十分重要的指標，當水分超標后不能使用。因為它直接影響到保護渣的熔化和使用特性，造成鑄坯的皮下氣孔等質(zhì)量問題,嚴重時可使鋼中增氫，導(dǎo)致漏鋼的發(fā)生。通常要求在105℃條件下測得的含水量不大于0.5%。

(11)渣耗量。

渣耗量是衡量保護渣潤滑狀況優(yōu)劣的重要指標。如果渣耗量偏低，則潤滑不良，往往會導(dǎo)致漏鋼。渣耗量取決于澆鑄的鋼種、鑄坯尺寸、結(jié)晶器振幅和頻率、拉速及保護渣自身的性能等[6]。

1.3 骨架材料(碳質(zhì)材料)

碳(炭黑、焦炭、石墨等)具有控制保護渣熔速的能力，不同的鋼種選用不同的保護渣，其成分的變化將影響保護渣的物理化學(xué)性能，詳見下表。

不同成分對保護渣物理化學(xué)性能的影響

1.4 保護渣在連鑄過程中主要功能

(1)阻隔功能。

阻隔功能主要由渣液層完成，它可以隔絕空氣和鋼水的接觸，阻隔了鋼水的二次氧化，阻隔了富碳層和鋼水的接觸，避免鑄坯表面增碳(低碳鋼和超低碳鋼表面增碳會產(chǎn)生脆坯)，提高了鑄坯表面質(zhì)量，降低了鋼的損耗。

(2)絕熱保溫。

絕熱保溫主要由固態(tài)渣完成，它可以大大改善工廠操作環(huán)境(熱輻射)，便于連鑄操作。足夠厚的固態(tài)渣層能更好的發(fā)揮保護渣的保溫性能，防止結(jié)晶器鋼液面上凝結(jié)成冷鋼和浮鋼。結(jié)晶器彎月面區(qū)域溫度的提高將避免很多的問題和事故。如裂紋、鑄坯表面氣孔等。

(3)吸收、熔解雜物。

吸收、熔解雜物主要由液渣層完成，它能夠有效吸收熔解夾雜物(系統(tǒng)耐火材料，脫氧產(chǎn)物等金屬夾雜物)，并且保護自身的性能不發(fā)生改變、凈化鋼水、提高鑄坯表面的純凈度。保護渣的粘度低和某些成分控制適當對吸渣有利。

(4)潤滑功能。

保護渣優(yōu)良的潤滑功能，能大大降低鑄坯與銅壁之間的摩擦力，從而保證鑄坯的順利，為控制鑄坯的速度不斷提高提供保證。提高控制鑄坯速度與工藝有關(guān)。此外與優(yōu)良的保護渣也有關(guān)系。

(5)控制及均勻傳熱。

均勻傳熱：渣膜不能均勻的流入銅壁和坯殼之間，將造成傳熱的不均勻，所有裂紋的產(chǎn)生都是傳熱不均勻?qū)е碌摹?/p>

控制傳熱：對于金包晶鋼，應(yīng)控制傳熱速度以降低包晶反應(yīng)的程度，否則鑄坯表面可能產(chǎn)生嚴重的裂紋[1]。

2 非金屬礦物制備保護渣的應(yīng)用

制備連鑄保護渣將用到多種非金屬礦原料，按其構(gòu)成材料的功能可分成基料(水泥熟料、硅灰石、石英粉、長石、電廠灰、高爐渣、鎂砂、玻璃粉等)，熔劑(純堿、冰晶石、螢石及含氟化合物等)，熔速控制劑(炭黑、石墨和焦炭等)。保護渣必須有良好的物理及化學(xué)性能、合理的熔融特性及層狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定均勻的熔渣層，三者缺一不可。

咸陽非金屬礦研究設(shè)計院有限公司研制的噴霧造粒生產(chǎn)保護渣流程為：原料破碎—配料—混合—制漿—研磨—干燥、造?！Y分—成品包裝。工藝配置如右圖所示。

非金屬礦原料經(jīng)破碎、配料，高速攪拌制漿機、濕法攪拌球磨機研磨處理后，通過泥漿篩過濾，由柱塞泵送至干燥塔中部的壓力式霧化器，壓力式霧化器(壓力噴槍)將料液均勻地霧化為60～80μm左右的霧滴群；在熱風爐內(nèi)混合燃燒后產(chǎn)生的熱空氣沿熱風管道進入干燥塔頂部的分配器，呈螺旋狀，均勻地在干燥塔內(nèi)自上而上運動，熱風與料漿霧滴群接觸使水分迅速蒸發(fā)，干燥、造粒；顆粒大小與柱塞泵的霧化壓力、噴孔板孔徑的大小、噴霧角等因素有關(guān)，也與產(chǎn)品工藝、配方、料漿所添加的粘合劑等因素有關(guān)。干燥后的顆粒產(chǎn)品由干燥塔底部下料器輸出；干燥后的尾氣攜帶部分細粉進入袋式除塵器、濕法除塵器分離、收集，廢氣經(jīng)煙囪排空。

3 噴霧造粒采取的節(jié)能措施

3.1 提高熱風的進塔溫度

在出塔溫度恒定的條件下，熱風的進塔溫度(又稱進風溫度)越高，帶入的總熱量就越高，單位質(zhì)量的熱風傳遞給泥漿霧滴的熱量就越多，單位熱風所蒸發(fā)的水分也越多。在生產(chǎn)能力恒定不變的情況下，所需熱風風量減少，降低了噴霧干燥制粉的熱量消耗，提高了熱風的利用率及熱效率。但進塔熱風溫度不可過高(≤750℃)，溫度太高，就會燒壞塔頂分風器。

3.2 保持熱風的出塔溫度

在進塔熱風溫度一定的情況下，出塔熱風溫度越低，進出塔溫差就越大，熱風傳遞給泥漿用于干燥的熱能就越大，所以熱風利用率就越高。但排風溫度也不可過低，低于150℃時粉料含水率達不到產(chǎn)品要求，影響正常干燥。

3.3 塔體密閉型控制

系統(tǒng)采用負壓操作，若有漏風就會增加能耗，所以設(shè)備各部位及連接法蘭處，熱風爐、熱風管道、排風管道的熱電偶插孔，塔體上的負壓測量孔，以及塔體下錐翻板下料器出料口，旋風除塵下料口等部位必須密封好，不能漏風。

3.4 熱風爐的控制

熱風爐是噴霧塔干燥造粒的熱風源，其燃料消耗直接影響干燥成本的高低，是噴霧干燥塔節(jié)能的關(guān)鍵部分。熱風爐效率主要取決于燃料是否完全充分燃燒，燃燒充分時，熱效率最高。

3.5 泥漿的質(zhì)量控制

(1)降低泥漿的含水率，干燥所需熱量就少，但是含水率低的泥漿流動性又不好，流動性差霧化效果就差。為解決這一矛盾，加入合適的減水劑或電解質(zhì)，來調(diào)節(jié)泥漿的流動性，同時降低泥漿的含水率。提高泥漿溫度可有效降低泥漿粘度，改善泥漿霧化性能，防止因泥漿結(jié)晶而堵塞霧化噴嘴。

(2)泥漿霧化噴嘴的霧化角、噴射高度、噴槍角度都應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。一般霧化噴嘴的霧化角α為90～120°[7]，噴射高度為4～4.5m，噴槍角度保持在110～120°之間，以保證噴霧料與熱風可以進行充分的熱交換。

4 結(jié)論

非金屬礦原料用于生產(chǎn)連鑄保護渣工藝技術(shù)是近幾年才出現(xiàn)的。目前，我院已經(jīng)將該工藝技術(shù)成功地應(yīng)用在河南和江蘇等地的高新材料公司連鑄保護渣生產(chǎn)線上，不僅擴大了非金屬礦的應(yīng)用領(lǐng)域和價值，而且明顯地提高企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展的和諧社會具有現(xiàn)實意義。

[1]劉承軍,姜茂發(fā).連鑄保護渣的絕熱保溫性能[J].鋼鐵研究學(xué)報,2002,14(3):1-4.

[2]國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.YB/T 185-2001連鑄保護渣粘度試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2004.

[3]國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.YB/T 186-2001連鑄保護渣熔化溫度試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2004.

[4]曾建華,李桂軍,楊素波,等.低堿度高結(jié)晶率連鑄保護渣的應(yīng)用與研究[J].鋼鐵,2004,39(6):17-21.

[5]章耿,劉承軍.高拉速連鑄保護渣粘度特性的研究[J].煉鋼,2002,18(3):33-36.

[6]蔡開科,程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:361-375.

[7]金國淼.干燥器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:202-203.