连铸保护渣：高品质钢铁生产的关键功能材料全解析

连铸保护渣

连铸保护渣主要作用于连铸机结晶器内液态钢的顺利通过。别称：模渣、铸造粉、模渣渣、模渣粉。保护渣是连铸液态钢浇铸稳定性最关键、影响最大的因素之一，对液态钢平稳浇铸起决定性作用。

保护渣提升铸造工艺性能、减少表面缺陷。核心功能：(i)防止液态钢氧化；(ii)为凝固钢壳提供润滑；(iii)控制、优化、隔热液态钢向结晶器与环境的水平/垂直传热；(iv)吸收液态钢非金属夹杂物产出洁净铸坯；(v)为液态钢提供化学保护防氧化及其他非期望反应。高碱度保护渣增强非金属夹杂物同化能力。

1950s连铸启动初期，油菜籽油提供钢壳与结晶器润滑传热。早期明流浇铸用油菜籽油润滑，但因油类热绝缘不足、防钢再氧化失效、不能作氧化铝等杂质熔剂，铸坯表面质量差。浸入式水口(SEN)应用后，油类新问题显现：冻结钢片/骷髅在浸入水口周围生长至折断SEN。

保护研发旨在攻克油菜籽油痛点，被视为「试错式」演进。1968年引入粉煤灰基保护渣。早期为物理混合：粉煤灰、高炉渣、萤石、碱金属碳酸盐、冰晶石。显著降热损、可降过热度；润湿结晶器与钢壳；改善铸造参数提升质量。但粉煤灰成分波动大，需与石灰石/纯碱/氟石(CaF₂)精细配比以复现成分，催生1980s早期合成保护渣。持续迭代使多规格钢种连铸常态化。

当今多元化保护渣适配多钢种/断面：颗粒/粉末/挤出型。影响性能因子：(i)化学成分；(ii)矿物组成；(iii)粒度组成；(iv)制造工艺；(v)干燥/焙烧法；(vi)游离碳含量。各形态各有优劣：价格、健康风险、流动性、隔热性、熔化速率。选型需深谙铸造工艺、液钢成分、工艺可行性偏好、工艺产品特性。

保护渣为金属氧化物/氟化物机械混合，含少量碳调节熔融速率。熔融时氧化物/氟化物反应成液态，冷却生成复杂氧化物与氧氟化物。这些相对润滑传热性能的影响取决于原始粉末化学成分。成分复杂，难以纯成分基础上比较不同渣性能。

成分随应用/钢种/产品目标差异，但核心组分相对固定：(i)CaO+SiO₂约占70%，CaO 22-45%、SiO₂ 17-56%；(ii)CaO/SiO₂碱度通常1-1.3，部分0.8；(iii)MgO 0-10%；(iv)Fe₂O₃ 0-6%；(v)Al₂O₃ 0-13%；(vi)Na₂O 0-25%；(vii)K₂O 0-2%；(viii)氟2-15%；(ix)TiO₂/B₂O₃/ZrO₂/Li₂O/MnO按需添加量变动大；(x)C 2-20%。

氟(F)深度影响保护渣性能且有环境隐患。优势：(i)降熔点强化润滑；(ii)降粘度利稳定连续渣膜成型；(iii)促渣膜结晶。劣势：(i)挥发SiF₄/NaF排放；(ii)与冷却水反应生成HF。

粘度、凝固点、熔点、渣化速率为关键性能指标。要求低粘度、低液相线温度、匹配铸速熔化速率。特定钢种铸造需关注密度与化学成分。隔热性由堆积密度、粒度、碳型控制。化学成分对主要性能影响见表1。

钢种专用保护渣需求

• 低碳Al杀钢：需吸收Al₂O₃夹杂不劣化粘度，具良好隔热、非金属吸收、性能稳定。稳定性定义为吸收Al₂O₃不劣化粘度能力。
• 0.1-0.18%C碳素钢：易裂纹。高凝固点渣降透过结晶器热量。需低粘度保润滑。
• >0.18%C碳素钢：需低粘度、低密度、低熔点，兼具良好隔热、正确碳含量、润滑能力。
• 超低碳钢：需吸收非金属夹杂、强化隔热、良好润滑、性能稳定、最小渣夹杂，且不引起钢碳增。

现代保护渣三大类：(i)粉煤灰基——铝矾土/石灰/萤石等与粉煤灰主体机械混合；(ii)合成渣——粉末原料按比例高剪切混合，宜用熔点相近原料、最少原料种类简化质保、避健康隐患原料；(iii)预熔/熔融渣——机械混合后熔融造粒，常用于Al杀钢深冲级钢种，提升均匀性与化学成分稳定性。供货形态：粉末、颗粒、挤出、膨胀颗粒。各形态在成本、流动性、隔热、熔化速率、健康风险上各有优劣。粉末廉价但细粉有健康风险、易分层不均；颗粒/挤出粉尘少、质控好、健康风险低；膨胀颗粒含膨胀剂，受热形变降表面流动性。

起渣粉 —— 开铸初期快速形成渣池用。低熔点、高Na₂O、常含碳化硅/少量碳(<1%)等放热剂。仅必要时使用。

保护渣工作机理

连铸中液钢从中间包连续注入振动结晶器，铜结晶器水冷。为防液钢氧化粘结结晶器，持续向结晶器液面加保护渣(人工/自动)，形成100-150mm总深度渣层。液钢高温远超渣熔点，垂直向形成温度梯度。液面新加渣→粉末层；渣受热失碳(与氧反应)、脱水、烧结成烧结层；继续熔融形成烧结(糊状)层与液态层，液态池深度须大于振动冲程保润滑；液态渣首次渗入结晶器/钢液面间隙形成2-4mm玻璃态固态渣膜，后续高温区结晶；形成0.1mm液态渣膜随钢壳下拉润滑钢 strand，防钢粘结结晶器导致突裂。

液面渣层通常四层：(i)顶部未反应未熔融深色粉末层；(ii)烧结半反应层；(iii)糊状熔融带；(iv)直接接触液钢的熔融渣层。润滑几乎完全在最后一层完成，受多因子影响。通常低粘度/低熔温熔剂提供低摩擦、优润滑、防粘结。

图1示意从液钢向渣外表面移动，按聚集态/物态可定义三层，各存特定温区。反之从液钢向水冷结晶器移动，可按熔化曲线预测其他层。渣膜性能决定钢 strand润滑与结晶器传热主功能。按化学成分与物性，可发生结晶或玻璃化两大机制。结晶利于均匀可控横向传热(防表面裂纹)。但直接接触液钢的渣经历瞬时加热，远离热力学平衡，通常呈玻璃态行为。

图1 结晶器内保护渣不同层示意图

保护渣功能过程

渣下部烧结形成烧结层。最贴近液钢的渣因高温熔融形成液态渣池。结晶器窄/宽面液态渣渗入钢液面与结晶器壁窄缝。液态渣淬火于水冷结晶器壁形成固态玻璃渣层。持续加渣或预热可能形成结晶相。结晶器上部传热率高→液面上方形成边缘渣。固态渣层结构控制横向热流即钢冷却速率，直联最终钢材表面缺陷。固态钢壳表面温度全程超渣熔点→固态渣层与钢壳间存液态渣层，维持低 strand/结晶器摩擦防粘结。

贴近结晶器液钢层开始凝固。凝固壳质量表征至关重要。须通过调整铸速、振动频率、传热、渣熔化速率/成分/粘度等控制壳稳定性质量。保护渣覆盖液钢形成液态渣层，上覆富碳烧结层、再上未熔融粉末。保护渣预期功能：(i)防金属氧化；(ii)热绝缘防表面过早凝固；(iii)吸收上浮夹杂；(iv)润滑金属-结晶器接触；(v)按铸造条件实现 strand-结晶器均匀传热。

结晶器振动中，液钢面液态渣渗入 strand-结晶器间隙润滑并调节 strand向结晶器传热。散热过慢→ strand壳过薄→破裂突裂(承受不住铁静压)；散热过快→铸坯纵向裂纹。

保护渣表征

物理表征是选型与运行评价关键。通常考察化学成分、粘度(含结晶起始)、熔化行为。

粘度 —— 影响铸造中渣渗透。同工况下粘度降低→渗透增加。粘度操作窗口多基于经验法则，但粉末夹杂控制等需求也影响目标粘度设定。

熔化行为 —— 强影响液态渣池深度与边缘渣/结皮敏感性。熔化轨迹与熔化速率描述熔化行为。游离碳是主导因子。另一主参数：结晶器流动条件即液面稳定性。液池深度源于加料与渗透平衡。

熔化轨迹 —— 热台显微镜测定，给软化/熔化/流动温度值。

熔化速率 —— 软化法测定：固定温度(1400℃)下预压渣柱位移随时间变化。定性结果关联渣成分即游离碳含量。