一种新型冷镦钢保护渣

1.本发明涉及一种新型冷镦钢保护渣，属于钢铁冶金连铸领域。


背景技术：

2.冷镦钢广泛应用于制造高强度螺杆、螺母等紧固件。冷镦钢碳含量在0.39～0.42％之间，属于中碳钢，其固液相区约为1441～1495℃，依据铁碳相图可知冷镦钢在1479～1495℃会发生包晶反应(l+δ
→
γ)；由于冷镦钢中cr含量较高，cr与fe会形成连续固溶体，cr和fe相互替代降低了奥氏体的稳定性，从而缩小奥氏体相区。此外，中、高碳钢由于钢种特性，与结晶器壁接触紧密，易出现铜模与凝固坯壳粘结的现象，因此在生产冷镦钢时常常会出现纵向大裂纹缺陷，裂纹内常常伴有保护渣，保护渣在连铸过程中起着至关重要的作用，其理化性能与铸坯质量息息相关。当保护渣粘度过高时，流入结晶器与凝固坯壳之间的保护渣渣量减少，继而导致液渣层过薄，从而使得铸坯得不到充分的润滑，产生铸坯振痕紊乱和扭曲、诱发皮下裂纹。为了解决结晶器弯月面处初生坯壳较薄，高温状态下其高温塑性和强度低、结晶器热流低，保护渣润滑差等问题，需要寻求一种改进型的保护渣。
3.申请公开号为cn114101614a公开了一种冷镦钢连铸用结晶器保护渣及其制备方法，该发明针对冷镦钢在连铸过程中易出现铸坯表面的角部缺角和非金属夹杂等质量缺陷等问题，减少了易卷渣夹杂非金属夹杂物中的na元素，同时提高保护渣的粘度，以便保证足够的液渣层，增强润滑效果从而减少卷渣。该发明保护渣的碱度为0.65～1.05，1300℃下的粘度为1.16～1.45pa
·
s，熔点为1150～1178℃，该熔点范围的连铸保护渣，保护渣不能填充凝固坯壳与结晶器间隙，导致润滑效果不好，铸坯表面纵裂缺陷问题没有很好解决，可能还会有粘结漏钢的风险。
4.申请公开号为cn109550912b公开一种含铝中碳钢用低反应性保护渣；该发明选择低反应性、熔渣物性更稳定的保护渣旨在从源头上解决渣钢反应的问题；该保护渣bao/al2o3比控制在1.2～1.8内，1300℃下的粘度为0.05～0.12pa
·
s，熔点为1140～1200℃。该保护渣虽然保证熔渣对铸坯的润滑效果，但是bao-al2o3系保护渣结晶性能偏弱，控热效果差，对于冷镦钢这种中碳钢来说，在经历包晶相变从δ-fe到γ-fe时会因为热收缩系数不匹配的问题会导致初始凝固坯壳上产生附加应力，导致相变收缩从而导致裂纹的产生；
5.工业保护渣中很少加入cr，相关研究表明cr(cr2o3)作为过渡族金属氧化物，可以提高渣膜的辐射吸收系数，减少红外线的热辐射能力，提高保护渣控热能力，总传热率随cr的增加而降低。加入cr2o3对于冷镦钢保护渣来说，刚好填补了控热效果差的缺陷。我国镁铬铁矿储量多，来源广，易获得，价格低廉。在保护渣中加入镁铬铁矿可以同时提高静电势较大的阳离子cr
3+
和mg
2+
的含量，增大保护渣的表面张力，从而解决了原有的冷镦钢与其连铸用保护渣之间界面张力过小的问题，有效的降低铸坯表面夹渣。
6.本发明除了加入适量镁铬铁矿为一大创新点之外，还在保护渣性能上做了总体的调整：拟采用提高保护渣碱度以增加结晶率，降低铝矾土、增加硼砂、萤石含量以降低熔点和粘度，并适量的降低碳酸钠，提高钢渣界面稳定性，综上调整实现对保护渣性能的综合调
控。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型冷镦钢保护渣，针对原有的冷镦钢保护渣粘度过高、控热能力差、润滑效果差等问题，创新性提出一种新型冷镦钢保护渣。本发明保护渣成分和性能稳定，本发明首次尝试用适量镁铬铁矿作为保护渣的原料之一，不仅在控热性能上起到很好的调控作用，还降低了成本。创新性用镁铬铁矿和软锰矿作为保护渣的原料，提高cr
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和mn
2+
的含量，可以提高渣膜的辐射吸收系数，降低红外线的截止波长，减少红外线的热辐射能力，提高保护渣控热能力，且cr
3+
和mn
2+
都是属于静电势较大的阳离子，能增大保护渣的表面张力，这对降低铸坯表面夹渣率大有益处；该保护渣在原有的保护渣基础上提高了碱度，降低了铝矾土占比，增加了硼砂、萤石含量，以降低熔点和粘度，适量的降低了碳酸钠，提高钢渣界面稳定性，保证了连铸的顺利进行。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
9.本发明一种新型冷镦钢保护渣，由下述质量百分含量的组分组成：
10.硅灰石30％～45％，石灰石5％～12％，铝矾土10％～18％，软锰矿1％～6％，萤石1％～8％，镁砂0％～5％，碳酸钠4％～13％，硼砂1％～6％，碳粉9％～20％，镁铬铁矿1％～4％。
11.本发明中镁铬铁矿的优选加入量为1.5％～4％，这个范围内的保护渣能在控制好结晶温度和熔化温度的条件下很好地提高控制传热的能力，镁铬铁矿含量也不宜过高，否则会导致熔化温度以及结晶温度提高，会降低保护渣的润滑性能导致铸坯得不到充分的润滑。
12.作为优选方案，本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣由下述质量百分含量的组分组成：
13.硅灰石30％～43％，石灰石5.50％～12％，铝矾土11％～18％，软锰矿1％～5％，萤石2％～7％，镁砂0％～3％，碳酸钠4％～12％，硼砂1％～5％，碳粉10％～20％，镁铬铁矿1.50％～4％。
14.作为进一步的优选方案，本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣由下述质量百分含量的组分组成：
15.硅灰石36.38％～42.98％，石灰石8.03％～11.18％，铝矾土12.34％～17.18％，软锰矿1.42％～4.78％，萤石2.81％～6.88％，镁砂0.10％～2.16％，碳酸钠5.12％～11.33％，硼砂1.16％～4.58％，碳粉10.33％～16.38％，镁铬铁矿1.62％～3.48％。
16.作为更进一步的优选方案，本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣由下述质量百分含量的组分组成：
17.硅灰石38.98％～41.83％，石灰石9.63％～10.28％，铝矾土14.34％～15.68％，软锰矿2.12％～3.18％，萤石5.81％～6.88％，镁砂0.10％～0.21％，碳酸钠6.02％～9.03％，硼砂1.16％～2.58％，碳粉11.3％～15.18％，镁铬铁矿2.02％～3.18％。
18.作为更进一步的优选方案，本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣由下述质量百分含量的组分组成：
19.硅灰石40.94％，石灰石10.19％，铝矾土14.50％，软锰矿2.50％，萤石6.64％，镁
砂0.10％，碳酸钠6.89％，硼砂1.90％，碳粉13.30％，镁铬铁矿3.03％。
20.所用镁铬铁矿中mgcr2o4的含量为80-98％。
21.本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣的熔化温度为1027℃～1131℃之间。
22.本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣1300℃下粘度为0.221～0.422pa
·
s。
23.本发明一种新型冷镦钢保护渣，所述保护渣的润湿角为36.62
°
～45.6
°
。
24.本发明一种新型冷镦钢保护渣，当所述保护渣由下述质量百分含量的组分组成：硅灰石40.94％，石灰石10.19％，铝矾土14.50％，软锰矿2.50％，萤石6.64％，镁砂0.10％，碳酸钠6.89％，硼砂1.90％，碳粉13.30％，镁铬铁矿3.03％。
25.且镁铬铁矿中mgcr2o4的含量为84-86％时，所述保护渣的熔化温度为1123-1125℃之间；所述保护渣1300℃下粘度为0.37～0.38pa
·
s；所述保护渣的润湿角为45.4
°
～45.6
°
。
26.本发明一种新型冷镦钢保护渣的应用，所述保护渣用于冷镦钢的连铸；所述冷镦钢中，mn的含量为0.50wt％～0.88wt％，cr的含量为0.90wt％～1.28wt％，铝的含量为0.01wt％～0.6wt％。
27.在本发明中冷镦钢的连铸包括采用现有工艺进行连铸。
28.本发明以传统的硅灰石和石灰石作为保护渣的主要基料，是传统的cao-sio2系保护渣，具有很好的化学成分稳定性。
29.本发明中硼砂、萤石作为保护渣的添加剂，具有控制熔化温度的作用。
30.本发明中镁铬铁矿、软锰矿作为着色剂，具有降低辐射传热的作用，同时，镁铬铁矿可以同时提高静电势较大的阳离子cr
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和mg
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的含量，能提高保护渣的表面张力，进而达到提高铸坯的表面质量，减少凹陷、裂纹等缺陷的目的。
31.本发明中c作为骨架，能调节保护渣的熔化速度，本发明将碳粉含量控制在13～20％范围。
32.本发明优势：
33.1)该冷镦钢保护渣首次创新性的选取镁铬铁矿作为保护渣原料，cr2o3提高渣膜的辐射吸收系数，提高保护渣控热能力，很好的解决了原冷镦钢保护渣润湿角过小、控热效果差导致的铸坯表面夹渣问题，不仅在控热性能上起到很好的调控作用，还降低了成本。镁铬铁矿可以同时提高静电势较大的阳离子cr
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的含量，能提高保护渣的表面张力，提高铸坯的表面质量，减少凹陷、裂纹等缺陷。本发明优势明显，具有广泛的应用前景，可以为学术科研及生产实践提供可靠的学术与理论支持。
34.2)该冷镦钢保护渣属于传统的cao-sio2系保护渣，没有渣钢反应的发生，相比传统冷镦钢保护渣，成分稳定性高，解决了渗渣不均匀的问题，其理化性能稳定，铸坯质量稳定。可为学术科研和生产实践提供可靠、稳定的学术与理论支持。尤其是为连续工业化应用提供了必要条件。
35.3)该冷镦钢保护渣熔点、黏度低，能形成稳定的液态层，很好的润滑铸坯，控热、保证连铸的顺利进行。
36.总之，本发明首次尝试用适量镁铬铁矿作为保护渣的原料之一，在控热性能上起到很好的调控作用，还降低了成本。通过提高过渡金属cr
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的含量来提高渣膜的辐射吸收系数，减少红外线的热辐射能力，进而达到提高保护渣的控热能力的目的。此外，降低
铝矾土、增加硼砂、萤石含量以降低熔点和粘度，并适量的降低碳酸钠，提高钢渣界面稳定性抑制卷渣。新型冷镦钢保护渣润滑性能好，并能很好地控制传热，保证了冷镦钢连铸过程的顺利进行，能够有效防止纵裂纹的产生，具有良好的社会效益与经济效益。
具体实施方式：
37.以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何形式来限制本发明。
38.本发明的保护渣的熔化温度、1300℃的粘度分别采用冶金行业标准yb/t186和yb/t185测定。结晶温度采用行业通用的热丝法测定。测试过程中首先将保护渣原料按目标成分称量混合，然后采用中频感应炉熔化，使其成分均匀，再将熔融态渣倒入水中急冷得到玻璃态保护渣块体，最后将保护渣将块状保护渣碾磨成粉末后进行热丝实验。热丝法测量保护渣结晶温度过程中，先将载有保护渣的热电偶升温至1500℃，在保温3分钟后以30℃/s的冷却速率降温，通过连接在光学显微镜上的摄像机观察记录保护渣中析出晶体的时间，再根据该时间查找计算机采集到的保护渣温度，从而精确获得保护渣的结晶温度。
39.制备过程：1)用石灰石、硅灰石、铝矾土、萤石等工业原料按上述保护渣组分含量称量；将称量好的原料混合进行机械搅拌，使得各成分混合均匀；2)将混合好的样品倒入石墨坩埚中一起放入中频感应炉中加热熔化，保温一段时间以除去挥发分和均匀熔渣成分；3)将熔融态渣倒入水中急冷得到玻璃态的样品；4)将玻璃态的样品破碎后，加入所需量的碳质材料和纤维素粘结剂，制成料浆；5)将得到的浆料送入喷雾颗粒干燥塔内干燥制粒，产品要求水分小于0.5％，粒度在0.01～2mm范围，密封装袋待用。
40.镁铬铁矿组分在保护渣中占比见表1，保护渣的主要物性指标见表2。
41.实施例和对比例中，镁铬铁矿以质量百分比计有下述组分组成：实施例和对比例中所用镁铬铁矿中mgcr2o4的含量为85％左右。
42.实施例1～3
43.配料：组分如表1所示。
44.制备过程：同实施例1。
45.保护渣的主要物理性能见表2。
46.表2实施例1～3和对比例1～3保护渣的化学成分(wt％)及其物理性能
[0047][0048]
由表2可知实施例1～3的熔化温度分别为1124℃、1052℃、1229℃，1300℃下粘度分别为0.373pa
·
s、0.241pa
·
s、0.472pa
·
s，保护渣的润湿角分别为45.56
°
、43.21
°
、36.62
°
。
[0049]
对比例1～3
[0050]
配料：组分如表2所示。
[0051]
制备过程：同实施例1。
[0052]
保护渣的主要物理性能见表2。
[0053]
对比例1～3为一般的冷镦钢保护渣，其中对比例1～3的硅灰石含量＞44％，其熔化温度分别为1244℃、1250℃、1280℃，1300℃粘度分别为0.477pa
·
s、0.525pa
·
s、0.508pa
·
s，润湿角分别为34.21
°
、31.24
°
、44.39
°
。
[0054]
对比例1～3的熔化温度过高，导致渣膜厚度小，不利于铸坯润滑，粘度过高，铸坯易产生裂纹。
[0055]
实施例1～3较对比例1～3的熔化温度和粘度较低，有利于形成液渣层和铸坯润滑。
[0056]
上述实施例的保护渣用于冷镦钢的连铸；所述冷镦钢中，mn的含量为0.60wt％，cr的含量为1.10wt％，铝的含量为0.02wt％。其效果如表3：
[0057]
表3实施例1～3和对比例1～3保护渣渣耗及夹渣发生率
[0058]
项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3渣耗(kg/t)0.410.420.430.470.510.48夹渣发生率低较低低较高高较高
[0059]
从夹渣发生率来看，实施例1～3相比对比例1～3的铸坯保护渣的夹渣缺陷发生率明显降低。实施例1～3相比对比例1～3提高了钢渣界面稳定性高、抑制卷渣能力强、润滑性能好，能很好地控制传热，保证了冷镦钢连铸过程的顺利进行，能够有效防止纵裂纹的产生。从原料成本角度出发，由于实施例1～3渣耗量均小于对比例1～3从一定程度上降低了保护渣成本。