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根据钢水凝固特性，国际上通常将钢中[C]≈～％的钢种称为中碳钢，而在我国，则将[C] ≈～％的钢种划入中碳钢之列，但不管如何划分，中碳钢在我国目前连铸生产品种中所占比例最高，此外，不少中碳低合金钢亦归入此列。由于中碳钢特殊的凝固特性，铸坯表面容易产生纵裂纹、星状裂纹等典型缺陷，针对这类问题，结晶器保护渣必须采用不同于低碳和超低碳钢的特殊对策，才干保证无缺陷铸坯的工业化生产。
裂纹敏感性包晶钢板坯连铸保护渣
对于[C]=～%的钢种，凝固过程中发生包晶反映，结晶器弯月面以下50mm区域初生坯壳收缩大，晶粒粗大（如图24，图25），初生坯壳生长不均匀，易产生裂纹，这是包晶钢裂纹敏感的重要因素。 为此，许多研究者通过模型计算和实验检测分析了结晶器
热流量与铸坯纵裂纹的关系，指出在弯月面下部45mm处，对于低碳钢，×106W/m2, 对于中碳钢，×106W/m2时，铸坯表面裂纹指数急剧增大，
铸坯易出现表面纵裂纹（见图26）。因此，在实际生产中一方面减弱结晶器水冷强度，另一方面重要通过采用结晶体状态的保护渣。
国内外目前倾向于采用高碱度保护渣，通过：①减少透明玻璃体达成减少辐射传热；②结晶体内的微孔和界面极大地削弱晶格振动，从而减弱传导传热，达成减缓传热和减少裂纹的目的。但是，当保护渣碱度过高，析晶温度过高时易严重恶化铸坯润滑状况，导致铸坯粘结和漏钢，连铸生产被迫采用减少拉坯速度的技术路线，这使得连铸机生产率和产能减少20%～30%；如何协调好玻璃体和结晶体的比例，这在国内外许多连铸生产中都还没有得到妥善解决。
为了开发出对中碳钢连铸工艺适应性强的结晶器保护渣，必须针对上述问题，综合分析保护渣重要组份对结晶性能和玻璃化特性的综合影响情况，在此基础上，才干设计保护渣配方。
保护渣组成与结晶性能和玻璃化特性的基本关系
为了弄清和明保证护渣组份对其结晶行为的影响规律，本研究一方面采用化学纯试剂配制渣样（见表16），采用旋转粘度计测试保护渣在1300℃下的粘度，并在降温条件下测试保护渣粘度－－温度曲线关系。根据粘度－－温度曲线，采用回归方法拟定保护渣冷却过程中最大粘流活化能变化值maxDE及其相应的转折温度Tc, 测试粘度后的熔渣注入金属模内自然冷却（所有渣样重量和冷却条件相同），冷凝后的渣样用显微镜观测其断口形貌，测试结晶体和玻璃体比例，并用半球点法测试保护渣熔化温度。
表16 实验研究用渣样基本组成（重量比）
渣号
CaO
SiO2
CaF2
Al2O3
MgO
Na2O
R(CaO/SiO2)
7
5
6
6
36
40
7
5
6
6
36
40
10
5
6
6
36
40
13
5
6
6
36
40
16
5
6
6
36
40
19
5
6
6
38
38
7
5
6
6
37
7
5
6
6
7
5
6
6
7
5
6
6
7
5
6
6
7
5
6
6
表16中各渣样半球点熔化温度为1112～1180℃，1300℃～ , 该参数与许多实际生产中使用的保护渣的熔化温度、粘度值相近， 说明在表16所示组成范围内，研究保护渣结晶性能，其结果对实际生产具有参考价值。
（1）连铸保护渣玻璃化特性和结晶性能的概念
填充于铸坯坯壳与结晶器壁间隙内的保护渣，重要作为拉坯过程的润滑剂和铸坯向结晶器的传热介质。为了充足发挥保护渣的润滑功能以减低拉坯阻力, 除采用合理的结晶器振动参数，还规定与铸坯接触的渣膜处在液体状态，通过液体润滑以最大限度地减小铸坯受到的摩擦力。这不仅规定保护渣在1300℃下具有较低的粘度，并且规定保护渣在冷凝过程中粘度变化缓慢，避免高熔点固相质点析出而使粘度急剧升高。即希望保护渣粘度随温度的变化关系与玻璃的粘度随温度变化关系相似，这类保护渣冷凝后具有与玻璃相似的非晶态结构。鉴于此，粘度－－温度曲线关系特性和凝固渣样中玻璃体比例，
（a）玻璃化特性良好的保护渣() （b）结晶性能良好的保护渣()
图27 保护渣粘度－－温度关系曲线
即保护渣的玻璃化特性，来表征保护渣的润滑能力。玻璃性好，意味着保护渣的润滑功能强。
如图22所示，对不同渣样的粘度－－温度曲线用阿伦尼乌斯公式进行回归，可得出粘流活化能变化最大值maxDE 及其相应的粘度－－温度曲线转折温度Tc。运用maxDE和Tc及凝固渣样中玻璃体比例可分析比较保护渣的玻璃化特性。
与玻璃化过程相反的结构变化行为就是结晶或析出晶体。结晶性能是保护渣冷凝过程中析出晶体的能力，涉及结晶温度和结晶比例。由于通过保护渣渣膜的传热重要有辐射和导热两种方式，渣膜中结晶体比例增多，不仅透明度减少而减少辐射传热，并且结晶层由于温度梯度而出现微裂纹，可进一步减少传导传热。因此，通过提高保护渣的结晶性能，可控制或削弱结晶器内初生坯壳的凝固传热强度。这种功效有助于减少某些钢种的铸坯裂纹缺陷。
显然，通过提高结晶温度虽可提高保护渣的结晶性能，但玻璃性能恶化，不利于高拉速下的铸坯润滑。只有协调好玻璃化特性和结晶性能之间的矛盾关系，才干满足中碳钢等裂纹敏感类钢种的高速连铸工艺对保护渣的基本规定。
（2）碱度对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响
根据化学成分的不同表述形式，通常将连铸保护渣碱度分别表达为二元碱度和综合碱度。从图28可知，随着碱度升高，保护渣冷凝过程中最大粘流活化能变化值不断增大，表白保护渣玻璃化特性减弱，图29结果进一步表白，保护渣冷凝后玻璃体减少，结晶率增大。，保护渣中开始析出晶体；～，， 保护渣结晶率达成30～60%，最大粘流活化能变化值升高趋势减缓，说明在这种碱度值下保护渣已基本丧失玻璃化特性，从图30可看出，，保护渣粘度－温度曲线的转折温度超过1200℃，这将出现图2(b)所示的现象，易导致液态渣膜急剧减薄，铸坯得不到充足的润滑，易发生漏钢事故，这在国内外的许多连铸生产中已得到证实。因此，片面强调提高保护渣碱度以加强结晶能力而控制铸坯凝固传热的方法并不可取。为协调保证铸坯的润滑和控制传热，
(a) 碱度R=CaO/SiO2 (b) 综合碱度 SR=[CaO+(56/78)*CaF2]/SiO2
图28 保护渣碱度与最大粘流活化能变化值的关系
(a) 碱度R=CaO/SiO2 (b) 综合碱度 SR=[CaO+(56/78)*CaF2]/SiO2
图29 保护渣碱度与结晶率的关系
图30 碱度与保护渣粘度－温度曲线转折温度的关系
在表16所示的组成范围内， ～，～，这种条件下保护渣粘度－—温度曲线的转折温度约1130～1160℃，结晶体比例约30～70%； 根据该结果，规定保护渣碱度变化范围较窄，针对具体的连铸工艺条件所，碱度值允许波动的范围也许更窄，这就规定提高保护渣原材料的稳定性和加强生产工艺的可控性。
（3） CaF2对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响
，分别外加不同含量的CaF2，测试结果表白，随CaF2含量增长，保护渣最大粘流活化能变化值增大（见图31），玻璃化特性减弱。当CaF2含量大于13%，渣样冷凝过程中析出晶体（见图32），当CaF2含量超过15%，粘度－温度曲线转折温度超过1200℃。因此，，为了协调保护渣玻璃化特
图31 CaF2含量与保护渣最大粘流活化能变化值的关系
图32 CaF2含量与保护渣结晶率的关系 图33 CaF2含量与转折温度的关系
性和结晶性能，CaF2含量只能在13～15%这一较窄的区间内进行调节。 CaF2含量过高，不仅使Tc超过1200℃而导致保护渣丧失润滑功能，并且在结晶器钢液面上熔渣层对水口的侵蚀加剧，不利于多炉连浇和连铸生产的顺行。
(4) 特殊组份对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响
从前述实验结果可知, 仅调节保护渣碱度和CaF2含量, 还不能充足协调保护渣玻璃化特性和结晶性能之间的矛盾以有效发挥保护渣的润滑和控制传热功能。随着碱度升高和
CaF2含量增长, 保护渣结晶性能增强, 玻璃化特性恶化，因此，碱度和CaF2含量只能在一较窄的范围内折中调节，这种限制无疑给保护渣的成分控制和生产增长了难度。为解决上述弊端，只有在增长保护渣结晶率的同时减少析晶温度和转折温度，才干在保证润滑的前提下加强对铸坯凝固传热的控制。
根据协调保护渣玻璃化特性和结晶性能的上述规定，采用合成方法制得了特殊组分（简称comp）。 随组分comp含量的增长，保护渣结晶体比例增长， 粘度—温度曲线的转折温度减少（见图34和图35）， 当comp含量超过4％后， 结晶体比例的增长趋势和转折温度Tc的减少趋势均趋于平缓，由于该组分价格较高， 实际应用中可控制保护渣中comp含量为2～4％。
图34 com含量与保护渣结晶率的关系 图35 com含量与转折温度的关系
保护渣组成与传热特性的关系
为了通过保护渣有效控制中碳钢凝固过程中的冷却强度，不仅要了解渣样组成与结晶性能和玻璃化特性的关系，还应综合考虑组成与渣膜传热特性的作用规律，才干对的地设计这类钢种的保护渣。
由于测试保护渣凝固过程中传热特性这一工作在国内其他单位尚无先例，无现成方法和设备装置，因此，本项目结合重庆大学进行的一些前期工作，采用图36所示装置检测保护渣冷凝过程中的导温系数，在此基础上，分析和协调保护渣组份与传热特性的关系。
图 36 保护渣导温系数测定装置示意图
实验研究除考察了前述碱度、CaF2、comp组份对传热的影响情况外，还进一步分析了TiO2、SiC、CaSi这些外加组份对导温系数的作用规律。
图37和图38表白，在650～1000℃温度范围内，增长碱度和CaF2均使渣膜导温系数缓慢减少，对渣样作矿相分析发现，在碱度和CaF2含量较高时，渣膜中析出Ca4F2Si2O7 Ca2SiO2F2晶体，结晶态渣膜在减弱热传导方面发挥了重要作用。但如前所述，过高的CaF2含量会使析晶温度急剧升高，恶化铸坯润滑条件。
而综合分析图34、图35和图39可发现，在增长合成组份comp的情况下，渣膜润滑特性在得到改善的条件下，导温系数不仅没有增长，反而大幅度减小，说明采用合成组份comp使渣膜润滑与传热功能得到较好的协调。显然这种模式在裂纹敏感性包晶钢保护渣中具有极大的应用价值。研究还发现TiO2、SiC只有在促进渣膜析晶能力的情况下才干减缓结晶器内的传热，CaSi与氧化性组份反映放热也可减弱渣膜的传热能力，但其相关机理和控制模式尚需进一步研究。
保护渣的工业性实验
根据实验室研究结果，采用不同保护渣浇铸Q215、Q235，A船、B船、D船等[C]～％的钢种(化学成分见表17)，跟踪调查，在连铸工艺条件基本一致的情况下，记录和分析铸坯表面清理情况与保护渣特性的关系，发现铸坯表面纵裂纹指数与保护渣析晶比例之间呈现图40所示规律，当保护渣析晶比例大于60%，铸坯表面纵裂纹大幅度减少，在析晶比例大于80% 后，长度超过150～200mm的表面纵裂纹基本消除，部分微小裂纹与浇铸操作和铸机设备状况相关。但是，当采用以提高析晶温度来提高析晶比例的传统方法时，为维持70％ 以上的析晶比例，析晶温度往往超过
1190℃，浇铸过程中结晶器内粘结现象频繁发生，易诱发漏钢事故。将析晶温度控制在1140～1170℃，析晶比例在85～95％ 范围内时，可获得良好的铸坯质量和顺行的浇铸工艺。
通过初试、中试，拟定出表18所列的LMBB-1保护渣作为扩大实验用渣，达成了较好水平。但由于钢水条件较差易导致浇铸操作不稳定，铸机设备状况不佳等因素，对于上述裂纹敏感性包晶钢，要生产无缺陷铸坯还需从工艺和设备方面作进一步改善提高。另一方面，从表18可看出，LMBB-1各成分允许波动范围比前述低碳钢和超低碳钢保护渣成分波动范围小得多，这就规定严格控制保护渣生产工艺，提高保护渣生产设备的装备和监控水平。
表17 裂纹敏感性包晶钢典型钢种化学成分
钢号
C
Si
Mn
P
S
Alt
As
Q215
-
-
-
≤
≤
Q235
-
-
-
≤
≤
A
-
-
-
≤
≤
B
-
-
-
≤
≤
-
D
-
-
-
≤
≤
-
图40 保护渣析晶比例对铸坯表面裂纹缺陷的影响
表18 裂纹敏感性包晶钢板坯连铸