小方坯全整体式水口的研究及推广应用

时间：2024-10-19

刘喜锚

小方坯连铸机在生产含铝冷镦钢时连铸中间包水口堵塞是一个长期存在的问题。为了改善钢水可浇性，提高钢水质量，湘钢炼钢厂通过对过程的研究分析，认为钢水精炼效果的不稳定以及连铸中间包上下水口间易发生二次氧化，使得钢水中三氧化二铝夹杂物数量较多是造成钢水可浇性差的主要原因。

该厂通过引用炉后“渣洗技术”快速合成精炼渣,通过水模拟实验采用双氩砖吹氩技术确保过程吹氩效果，运用钢包全程加盖技术降低系统温降，经过结晶器内钢水流场数值模拟研究优化设计了含铝冷墩钢专用整体式水口，有效改善了钢水可浇性，提高了钢水质量，并在小方坯铸机上实现全整体式水口的推广应用。

1 设备及工艺路线

湘钢炼钢厂的工艺路线及主要生产装备为：三座80 吨转炉→三座90 吨LF 炉→（一座90 吨VD 炉）→四台连铸机（1#、3#和4#连铸机为150 方小方坯连铸机，2#铸机为240 方大方坯连铸机）→铸坯热送或堆冷。

2 设备及工艺操作的改进

整体式水口是将中间包上下水口合二为一，从根本上杜绝了钢水在通过中间包水口时的二次氧化，有利于提高钢水可浇性，避免了在使用分体式水口时烧氧产生的夹杂物进入钢水的情况发生，同时降低了钢水中气体含量，提高了钢坯表面质量。但使用整体式水口在钢水可浇性差、中包过热度波动时，容易出现生产中断。为了全面推广小方坯全整体式水口的应用，在保证生产稳定的同时不断改善铸坯实物质量，炼钢厂从设备及工艺方面不断改进，取得了良好的效果。

2.1 炉后渣洗技术

2.1.1 渣洗工艺

根据国内外一些较大型转炉钢厂采用转炉出钢过程“渣洗”脱硫的经验，炼钢厂在转炉出钢过程根据钢种情况加入适量的石灰及合成渣，利用高温钢水强大搅拌动能，把石灰及合成渣与钢水快速混匀互溶。使之发生液—液反应，获得良好的“渣洗”脱硫效果，降低了进LF 炉钢水硫含量，加快LF 成渣，提高了钢水在LF 的精炼效率和效果，提高了钢水纯净度。

2.1.2 渣洗结果分析

由于石灰及合成渣在渣洗过程中扩散脱氧的作用，炉渣中ω（FeO）有一定下降,因此钢水到达LF 炉后，熔渣颜色基本呈墨绿色如图1 所示，这表明渣中氧化铁已经不会很高，从表1 可以看出试验炉次与非试验炉次对比渣中TFe 明显下降，这为精炼快速成白渣奠定了基础。

表1 进LF 炉渣系对比

图1 实验前后熔渣对比

精炼渣系的变化。

2.2 精炼快速成白渣

转炉在出钢渣洗过程中，根据终点碳加入适量的脱氧剂，确保进站钢水中含有一定量的Al，将钢水中氧含量降低到一定程度，为LF 炉精炼过程脱氧创造了有利条件。同时经过转炉的渣洗，钢水在进入LF 炉时已经初步造渣，再通过撒入铝丸等脱氧剂，使得渣中的FeO 及MnO 快速降低，目前可以稳定控制冶炼开始20min 内形成白渣，使得钢渣拥有良好的脱氧、脱硫及吸附夹杂能力。在后续冶炼过程根据钢渣颜色及粘稠度适当脱氧，确保保持白渣15min 以上，使钢水能持续保持良好的精炼效果。

2.3 钢包吹氩技术的改进

吹氩通常是在钢包底部砌一块或数块透气砖，出钢后通过透气砖吹入氩气使钢包中钢液搅动。吹氩可促进钢液中夹杂的上浮，去除部分溶解在钢中的气体，均匀钢液成份和温度。但是在生产的过程中，由于单透气砖吹氩存在死区较多，不利于夹杂物的上浮及钢水温度和成分的均匀性，致使钢水精炼效果差，可浇性差，在浇注过程中造成水口结瘤，给生产组织和安全顺行带来困难。因此，炼钢厂将单氩砖设计改造为双氩砖。

2.3.1 钢包吹氩模拟对比

从图2 对比可以看出，双氩砖模式吹氩基本没有死角，吹氩效果较好。

图2 单透气砖及双透气砖水模拟实验

2.3.2 钢包吹氩实际应用对比

炼钢厂采用单透气砖吹氩效果（如图3 左），双氩砖模式吹氩效果（如图3 右），新的吹氩技术使钢水涌动面积增大，钢水流场基本不存在死区，对钢水成分的调整、温度的均匀、钢水脱氧、夹杂物上浮、真空脱气都十分有利，同时减少了大氩气搅拌时间。

图3 单透气砖及双透气砖吹氩对比

2.4 钢包全程加盖保温技术

由于整体式水口在连铸生产过程中，不能更换水口，也不能对水口实施烧氧引流，所以要求每炉钢水从开浇到停浇比使用分体式水口时的温降更小，每炉钢水浇注末期钢水过热度必须大于15℃，否则，钢水很容易在水口中冻结而导致浇次中断。

为了稳定中包过热度，炼钢厂在目前通常采用的提高钢包热周效率转、钢水运输过程加保温剂和连铸过程加盖保温等方法的基础上，采用了钢包全程加盖技术，除了转炉出钢和钢水精炼过程以外，钢包盖在钢包运转的整个过程中始终盖在钢包上，通过提高钢包保温性显著降低了钢水的热量损失，确保连铸中包钢水温降小且前后炉温降稳定，保证连铸顺利使用整体水口进行生产。

2.4.1 钢包周转对比

炼钢厂原有的钢包周转流程示意图如图4 所示。

图4 原有钢包周转示意图

采用钢包全程加盖工艺后钢包周转流程示意图如图5 所示。

图5 钢包全程加盖周转示意图

钢包全程加盖技术的应用，改变了原有的钢包周转流程，出钢后加盖保温，降低了钢水温降；取消了二次精炼后的保温剂加入; 取消了原连铸过程中的加盖保温装置；带盖清渣，改善厂区环境；钢水浇铸后钢包不必烘烤，直接吊运至出钢区域带盖保温。

2.4.2 钢包全程加盖的应用效果

钢包全程加盖技术在炼钢厂投入使用后，设备运行良好，并取得了理想的应用效果：转炉出钢过程温度损失减少约5℃，运输、吊运至LF 炉过程温度损失减少约10℃～15℃，精炼后钢水上台温度降低5℃～10℃；降低了连铸浇注过程温降（连铸中包温降数据如图6 所示）。

图6 改造前后中包温降

3 4#铸机整体水口的设计和应用

3.1 4#铸机产品结构及质量要求

炼钢厂4#铸机主要生产钢种为：中碳合金冷镦钢、低碳含铝冷镦钢及铬钼钢等。

目前含铝冷镦钢一般要求钢坯：全氧≤20ppm，氮≤50ppm。

3.2 4#铸机中间包水口使用现状

炼钢厂4#铸机从建成开始，一直使用分体式水口生产含铝类型钢种，且一直沿用了下来，针对4#铸机中间包改用全整体式水口存在几个难点：

（1）全钢种适用：4#铸机可生产多个类型钢种，如全部钢种使用整体水口，设计的整体水口必须适应所有钢种的生产要求。

（2）碗口尺寸：4#铸机由分体水口改为整体式，碗口形状和尺寸需优化，整体水口碗口形状和尺寸必须确保塞棒能稳定控流。

（3）渣线寿命：原生产钢种使用分体水口，生产过程中可以更换下水口，如使用整体水口，必须确保水口渣线寿命满足生产要求。

3.3 4#铸机全整体水口的设计方案

（1）碗口形状及尺寸：根据原分体水口，设计整体水口采用尖头塞棒配开口Φ80 的碗口，碗口侧面母线半径R70。

（2）喉口内径：考虑需用于生产含铝钢，为了防止钢中夹杂物堵塞水口，喉口内径由Φ32 扩大为Φ42。

（3）碗口材质：原分体水口使用镶嵌锆碗，整体水口继续保留锆碗。

（4）下口内径：考虑拉速与水口流量，参考原分体水口，下口内径仍然保持为Φ32。

（5）下口外径：从提高使用寿命来讲，增大水口外径是有利的，但4#铸机为150 方坯铸机，水口外径过大将影响结晶器钢水的流动及保护渣的熔化，兼顾此两方面，设计整体水口外径确定为Φ81。

（6）整体水口长度：综合考虑中间包车的升降极限、水口在中间包内的伸出长度、水口的浸入深度、浇钢操作的需要以及与供方互利等因素，将水口长度确定为945mm。

新设计的4#铸机整体水口如图7。

图7 新型整体水口尺寸图

3.4 结晶器内钢水流场数值模拟

在4#铸机生产ML40Cr 拉速为2.8m/min，浇注温度为1517℃，浸入深度为100mm 时，结晶器内钢水流场数学模拟矢量图如图8，钢水经整体水口进入结晶器内，中心流股集中且不分散，冲击到一定深度后趋近于拉坯速度，同时与周围钢水混匀的过程中有一较大的回流，与周围钢水速度趋于均匀一致；两侧流速均匀且速度小，越靠近自由液面速度越平缓，不会造成卷渣。

图8 结晶器内钢水流场数值模拟

3.5 应用效果

4#铸机全部使用新设计的整体水口后，水口与塞棒配合控流精准，可以满足结晶器液面波动≤±4%的要求（下图9 为整体水口含铝冷镦钢浇次结晶器液面曲线），生产的连铸坯表面质量好，没有深振痕和表面结疤等缺陷。钢中O、N 含量由原来的总体大于20PPM 和大于60PPM 降低到小于20PPM 和小于50PPM。

图9 4#铸机含铝冷镦钢浇次结晶器液面曲线

同时通过与整体水口生产厂家联合技术攻关和采用双渣线，新设计的整体水口可达到全钢种连浇15h 的寿命要求，达到了设计目标。4#铸机从此只需准备一种水口的中间包，减少了备用中间包的数量，简化了中间包周转管理，提高劳动生产效率，降低了成本。