保护渣行为观察与分析
结晶器保护渣行为和厚度对铸坯质量具有一定的影响，各钢厂结晶器连铸保护渣操作有所不同，目前使用机械手添加保护渣比比皆是，不仅稳定了保护渣加入的速率，而且能够较为稳定地保持保护渣厚度，对铸坯质量的提高有着重要的意义，特别是镭目公司对此作出了很多研究，为连铸自动化做出了很大的贡献。但是看到有的钢厂结晶器保护渣加入量过少，有的钢厂加入量又过大，这往往与钢厂的操作习惯有关的。向结晶器内添加保护渣偏少的厂家觉得看不见保护渣露出红的颜色，总是有所担忧。有的现场观察到职工时常捞渣圈，根据笔者的经验，生产优特钢的企业如果不断捞渣圈，其产品的表面质量很难控制的很好，而且内部裹渣现象时常出现。
1 渣圈的来源
这里回顾使用镭目公司的液面自动控制系统，在2002年的时候无锡雪丰还是使用手动控制的方式，即手动控制塞棒上下运动的杠杆来调节钢水下行流量，这种状态下捞结晶器渣圈是常态，当时笔者认识水平低下，以为渣圈的出现是必然的，加上书本和杂志文章介绍的千篇一律都是有渣圈的存在，渣圈拥挤在弯月面与铜管内腔壁之间。就是现在这种图形引用的比比皆是，究竟是谁描述这个渣圈呢，我看了很多文章，好像图形都来自一个地方，努力把原始的图形找到，见图1所示。
图1 表示保护渣和钢水界面具有渣圈的示意图
美国《钢铁冶炼、成型和处理》连铸卷第18章第一页的第一个图片，就是它。
图2 渣圈图示
连铸卷第8章专题讲述连铸保护渣，里面引用了大量的具有渣圈的图片，图2也是描述了渣圈，猜想很多专家写的文章和书籍都引用了这里面的图片，毕竟美国这本书系统阐述了黑色冶金从炼铁、炼钢、精炼、连铸和轧钢各个过程，这本书应该是当代阐述最为完善，也是最早全面阐述冶金生产的五本书籍，具有一定的权威性的，所以一些资料被反复利用，见图3。从连铸卷截取拷贝来的这些具有渣圈的图片，力图来阐述保护浇铸使用结晶器保护渣必然出现渣圈事实，果真是这样的吗？
图3 美国钢铁领域巨作
无锡雪丰在2003年开始使用镭目公司的液位自动控制系统，我在第一时间在现场观察，奇怪的事情发生了，在稳定的液面控制系统下居然没有出现渣圈，开始是这样，后来也是这样，始终保持这种状况，我顿时觉悟了，结晶器内不稳定的钢水液面是渣圈出现的根本原因，解释这个现象的春天来到了，当然我指的不仅仅是抑制渣圈的出现，还有保护渣的行为解释，液面控制系统打开了我的思路。根据使用液面控制系统的优良的经验，大家达成共识，正常生产过程中如果出现渣圈，说明某个环节或者几个环节出现不受控状态，必须马上处理，使其恢复到受控状态，那么渣圈是否出现就是一个良好的判断指标。
胡适名言表达为实践是检验真理的唯一标准，中国人经过多少年的努力才认识到这个检验真理的标准，多不容易呀！
为什么前人科学家和学者得出渣圈必然的结论，这是因为在过去的年代液面控制仅仅是依靠手动操作来控制，即人工使用塞棒控制杠杆来调节钢水下行流量，这样这种方式必然造成控制上的不平稳，钢水下行时多时少，从而引起结晶器内钢水液面忽上忽下，从而产生渣圈。现代技术的飞速发展，结晶器钢水液面控制技术越来越成熟，能够达到的精度号称达到±2mm，稳定的液面控制带来的结果就是液面波动小，渣圈产生的条件给限制住了。我们不能责怪过去的人，因为时代在前进，技术在发展。
但是遗憾的是很多学者和工程师们仍然沿用了过去老的套路，写文章和写书的时候仍然采用了这种带渣圈的老图，其实他们没有到现场认认真真看现在的操作。现场工程师们则是可以看到保护浇铸正常情况下是没有渣圈出现的。
通过对比，使用液面控制系统明显提升了铸坯的表面质量，从轧钢反映过来的信息表明轧材表面缺陷也大大减少，说明了稳定的液面控制起到非常重要的作用，从日后的铸坯表面缺陷和对应的轧钢形成的表面缺陷来看，分析原因时候，我们首先就看液面控制系统是否处于正常工作状态，是否出现渣圈现象。我看有的钢厂结晶器保护渣操作，提出来需要增加保护渣的厚度，加大保护渣对液面的压力，稳定钢水液面，减少波动，通过对比来鉴别。
2、保护渣的作用
保护浇铸真实的含义不仅仅是在结晶器内的钢水上层产生一定厚度的液态保护渣层，隔绝大气对液态金属的侵蚀。在完成这个任务之后就是要在坯壳表面包裹着一定厚度保护渣层。在结晶器内的钢渣界面上，首先形成是非金属材料的保护渣坯壳，而后液态金属附着在保护渣坯壳的内腔上形成初生的金属坯壳，逐步发展增加其厚度，离开结晶器铜管后形成具有足够安全厚度的坯壳，包裹着内部钢水连续下行。形象地说，保护渣层相当于在金属坯壳外壁穿着了一层紧身衣，这层固态和熔融状态的保护渣壳将高温金属坯壳与铜管分离开来，起到了下列的作用：
l 改善摩擦关系：将金属坯壳与铜管内表面接触摩擦改变为非金属的保护渣形成的渣壳与铜管的接触摩擦，这是一个稳定摩擦接触关系，大大降低了铜管的磨损，使得铜管寿命得到大幅度的提高。
l 减少钢水波动：从敞开浇铸来看，钢水液面波动非常大，而采用保护浇铸由于保护渣具有一定的厚度，这个自重的作用在钢水液面上，大大降低了钢水在整个液面上的的波动，当然也有浸入式水口插入的深度较大的作用，所以形成了稳定的液面，所以保护渣形成的振痕是有规律的。
l 改变铸坯传热方式和效率：保护渣形成的渣壳与金属坯壳表面紧密的结合，为整个坯壳传热的平稳性创造了条件，有利于坯壳均匀生成和发展。
l 有利于填充气隙：液态向固态转变中的坯壳产生收缩，造成坯壳局部凹陷，于是气隙形成。熔融态的保护渣在结晶器拉拔规整的作用下挤入到气隙中，将气隙填充，保持连续稳定的保护渣层传热；
l 得到良好的表面质量：正是由于产生了均匀的保护渣壳，包裹着金属坯壳的表面，得到了良好而均匀的传热，固态金属坯壳不接触铜管造成黏结缺陷，保护浇铸的表面质量远好于敞开浇铸；
l 降低坯壳形成时候过热度：液态保护渣处于结晶器钢渣界面的上层，首先是保护渣坯壳的形成，金属初生坯壳是附着在非金属的保护渣壳上面形成，金属开始凝固的过程不像敞开浇铸那样激烈，而是钢水与非金属保护渣坯壳接触，此时形成玻璃体和结晶体的保护渣坯壳温度比铜管内壁温度要高的多，这样就得到了相对平衡稳定的初生坯壳形成和生长的条件，得到了均匀和无缺陷的初生坯壳，这是高质量铸坯生产的先决条件。
3、现场观察分析
我在有的钢厂观察，看到连铸机的结晶器保护渣层厚度不足，也就是除了液渣层和烧结层外，上面的粉渣层厚度很少，一般都可见红彤彤的烧结层，处于习惯，我都忍不住来添加保护渣。粉渣层的不足造成的影响为：
保护浇铸模式下，抑制结晶器钢水液面的波动除了浸入式水口插入深度外，另一个重要的因素就是保护渣的重量，一定厚度的保护渣对应了一定的重量，从而形成一定的压力，起到抑制钢水液面波动，如同镇江的锅盖面一样，使用木质的锅盖压住沸腾的开水，从而保证了锅内的开水的平稳性。
由于保护渣重量不足造成钢水液面的波动，从而形成振痕在铸坯圆周方向上没有呈现水平状态，而是一种随波逐浪的波动，这种波动在铸坯表面的表现形式就是振痕不够整齐，振痕波动，振痕的不稳定对铸坯的表面质量是不利的。
由于液面的波动，也必然造成液态保护渣的晃动，这种晃动给更换低温钢水换流作用造成剪切作用，很有可能形成裹渣现象，平稳的钢水液面和液态保护渣层是避免裹渣有力的保证。
图4展示的是敞开浇铸的结晶器钢水液面波动的情况，钢水就是像大海的波涛汹涌澎湃，这种模式生产的铸坯表面振痕是完全没有规律性的，是一条难以用模型来表达的非连续的曲线，图5表现的是150mm方坯敞开浇铸的表面情况。当然敞开浇铸振痕的形成机理与保护浇铸振痕形成的机理完全不同，这是一个交接面的痕迹，这里就不谈振痕形成的机理。
图4 敞开浇铸钢水液面汹涌澎湃
图5 敞开浇铸铸坯表面振痕
图6表现的就是镇江锅盖面开水下面的情景，使用木质小锅盖压住沸腾的开水，保护渣自重压在钢水液面上，其工作原理是一样的，上个世纪70年代我在海南当兵，经常下山挑水走山路，往往在水桶里面放置一片薄薄的木板，目的就是防止水面晃动过大溅出来，举这个例子来说明应该是比较形象的。
图6 小的木锅盖抑制沸腾的开水
我觉得钢厂为了保证铸坯的外表质量，防止裹渣现象的发生，应该立即调整保护渣操作模式，加大粉渣层的厚度，做到加入的保护渣看不见下面红色的烧结层，即液渣层、烧结层和粉渣层总体厚度要达到50~70mm厚度，这样才能达到抑制结晶器钢水液面的波动。
加厚保护渣是否对产品表面质量将产生不利的影响？我的回答是否定的，我在外面指导有的钢厂操作，在没有使用自动加渣系统情况下人工加入，职工为了省事，将保护渣加到结晶器铜管的上口，保护渣层厚度约为80~90mm，我测算时间，可以坚持近20分钟不用管，观察铸坯的表面质量，跟踪后期的轧钢，没有发现这种加入模式对产品质量产生不利的影响。
当然我也不赞同这种保护渣加入方式，这对气体的上升会产生不利的影响。在自动加保护渣设备上来后，可以调节一次加入量，自动控制的量就是消耗量，要养成这种习惯，始终保持黑渣面操作。见图7~9所示。
图7 无锡雪丰φ310mm圆坯生产
图8 无锡雪丰φ380mm圆坯生产
图9 无锡雪丰φ250mm圆坯在生产
从上面几张结晶器液面保护渣照片可以观察到弯月面情况，虽然不是直接的钢水对铜管形成的弯月面，但是钢水与凝固后的保护渣形成的弯月面能够明显地反映出来，表现形式就是在铜管四周有一个弯弯的塌陷，这就是弯月面造成的影响。良好稳定的连铸过程就会出现这个现象，今后有机会再来给大家阐述和解释这个现象，这也是我首次提出来的假设，自己觉得是有道理的。
4 振动偏摆
结晶器的倾斜振动也是导致渣圈出现的因素，有的钢厂振动偏摆比较严重，达到0.15mm以上，估计在非正常状态下还要大。无锡雪丰采用的是亚新全板簧振动系统，这个振动装置工作非常稳定，其横向偏摆值在0.1mm以内，一般都是在0.05mm左右，长期多年的工作始终保持高精度的振动模式。全板簧振动系统的内容这里就不再介绍，大家可以看我发送的有关圆坯连铸的文章，里面就有相应的阐述和照片。
5 齐整振痕
保护渣以一定的重量压在钢水上，起到了抑制钢水波动的效果，从而平静了钢水液面，如果保护渣重量过轻，导致液面晃动，也是造成也液面不够稳定，从而出现渣圈，从振痕的整齐程度就可以反映出钢水液面和液态保护渣是否处于水平稳定的状态。我在这里放几张反映保护浇铸整齐振痕的照片，见图10~图13。
图10 矩形坯表面振痕
图11 无锡雪丰生产的φ200mm圆坯振痕
图12 螺纹钢160mm方坯表面振痕
图13 无锡雪丰φ310mm圆坯表面振痕
当然现场生产中出现的振痕并非这样整齐好看，根据不同的钢种表现出来的形式都是不一样的，我这里仅仅选择一些比较好的振痕照片，评价指标还是看轧钢实践，少的表面缺陷就是好的。
6 保护水口
正确厚度的保护渣层也同时保护了浸入式水口，不至于在高温状态下侵蚀过重，当然结晶器电磁搅拌搅拌过重也是会导致机械冲刷水口表面，形成侵蚀过重的现象。图14和图15分别表示了良好的使用水口情况和极端的使用情况。
图14 使用良好的双渣线浸入式水口