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结晶器保护渣是连铸过程中非常重要的材料,具有润滑铸坯、绝热保温、控制传热、吸收夹杂和防止钢液氧化等作用。由于传统保护渣中含有氟,对设备、成本、环境和人体健康均有不利的影响,因此保护渣的无氟化是连铸技术的热点。然而保护渣的低氟/无氟化具有很大的难度,尤其是对裂纹敏感性中碳钢钢种而言,低氟/无氟渣的应用非常少,其中还有很多关键的技术问题亟需解决。本文主要针对中碳钢低氟/无氟化这一应用很少的领域进行研究,致力于解决中碳钢无氟化的关键技术问题,具有重大的理论和现实意义。首先,本文采用单丝热电偶技术(SHTT)研究了低氟渣的连续冷却性能和等温结晶性能,并利用X射线衍射分析(XRD)检测了保护渣的结晶矿相,同时选取了几组典型保护渣的等温结晶过程进行了结晶动力学计算,求得了结晶活化能的相关数据。结果表明,B203能抑制保护渣的结晶,而Na2O则可以促进结晶。其中,参考渣A中的主要结晶矿相为枪晶石(Ca4Si207F2)晶体,而低氟渣中的主要晶相为钠黄长石(NaCaAlSi2O7)晶体。此外,B3渣和D2渣在低温区还分别析出了枪晶石、硅灰石(CaSiO3)晶体或硼硅酸钙(CanSi4B2O22)晶体。利用Johnson-Mehl-Avramin(JMA)等温结晶动力学模型和Arrhenius公式对渣A、B3和D2的动力学进行计算,结果表明,A渣和D2渣的结晶活化能非常接近,而且晶体的长大方式也一致。因此,低氟渣D2为本文性能最好的低氟渣。其次,采用单丝/双丝热电偶技术(SHTT/DHTT),高温红外发射技术(IET)温旋转粘度法对无氟保护渣的结晶性能、熔融性能、传热性能和粘温性能进行了全面系统的研究和测试,并采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等检测手段研究了无氟保护渣的结晶形貌特征和结晶矿相种类。总的来说,实验设计的4组无氟渣的性能均与参考渣A较为接近,但其中性能最佳的为无氟渣B。另外,SEM和EDS研究表明,无氟渣中主要析晶矿相为硼硅酸钙(Ca11Si4B2O22)晶体,该晶体在高温区和低温区均有析出,此外,还有部分Ca14Mg2(Si04)8晶体析出。而参考渣A和低氟渣的XRD物相分析结果表明,其主要矿相均为枪晶石,且在高温区和低温区都能析出,此外,还有少量的铝黄长石(Ca2Al2Si07)晶体析出。将低氟渣和无氟渣的研究结合起来分析,认为实验过程中析出的含硼晶体Ca11Si4B2O22有可能作为一种新型的氟替代物,且在本文设计的低氟/无氟渣中,低氟渣D2和无氟B渣的性能较好,为本文中获得成功的两组低氟或无氟渣。