基于过程参数调节的冷镦钢水口结瘤研究

时间：2024-10-25

徐贤东，喻正强，董小明

（马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽马鞍山 243000）

1 水口结瘤机理与现象

1.1 水口结瘤的反应理论

关于堵塞物中的氧化铝来源机理，主要分为以下几类：

（1）悬浮于钢水中未去除的脱氧产物。

（2）浇铸过程中负压引吸氧以及与耐火材料或钢渣中的酸性氧化物(MO})反应生成的外来夹杂。

（3）浇铸过程钢水流经浸入式水口由于温度降低后打破Al-O 平衡，使钢中[A1] ，[O]反应生成氧化铝;

1.2 水口结瘤的原因分析

1.2.1 钢中硫含量的影响

在高温下，钢中的铝含量在0.02%，硫含量超过0.017%时，CaS 夹杂析出;钢中的铝含量在0.03%，硫含量超过0.011%时，CaS 夹杂析出，钢中的铝含量>0.OS%，硫含量超过0.009%时，CaS 夹杂将析出。温度对CaS 夹杂的析出影响很大。随着温度的降低，Ca0 一Alz 03 夹杂吸收硫(CaS)的能力逐渐下降。

1.2.2 钙处理不充分

钙处理的目的是将铝脱氧产生的高熔点脆性钙处理措施的采用虽然从冶金原理上可以防止水口结瘤，但是操作不当也可能加重水口结瘤。采用钙处理措施防止中间包水口结瘤，要求做好换包期间的保护浇铸，尤其防止钢包注流时吸入空气和氧化性钢包渣流入中间包内。

1.2.3 LF 多次处理

铸机开浇炉次液面和塞棒发生较大幅度波动，液面平稳，塞棒提至高位。浇注后期，提高拉速，加大钢流速度，冲刷水口结瘤物，塞棒行程先逐渐上升，然后下降至平稳。若后续为LF 多次处理的事故钢水，浇注前期液面相对较平稳，但浇注至中后期，塞棒迅速上涨，液面波动异常，直至上限停浇。钢水在LF 长时间停留，先后进行两次处理，钢中Als 和Ca 二次氧化及Ca 对钢包耐材侵蚀而产生大量小颗粒夹杂，悬浮在钢水中难以去除。

1.2.4 钢包烧氧

钢包未自动开浇而烧氧引流，为补充中间包液位，钢水敞开浇注，造成钢水二次氧化而产生大量夹杂物，短时间内无法充分上浮，加之钢水本身含有的夹杂物，中间包钢水的清洁度严重恶化，导致塞棒迅速上涨。

1.3 中间包水口结瘤现象

采用塞棒控流的中间包内，由于钢水从塞棒和中间包上水口中间的缝隙流入结晶器，较大尺寸的氧化铝夹杂容易粘附在塞棒棒头位置或上水口内；尺寸较小的夹杂物在凹形水口底部聚集、长大，容易粘附在浸入式水口底部或上浮至结晶器内。粘附的夹杂物越来越多，逐步长大、浸入式水口内逐步向上长大，使得水口内径缩小、通钢量减少，为维持拉速，棒位上涨。下图1 为连铸结瘤现象。

图1 连铸结瘤现象

2 减少冷镦钢水口结瘤率的控制方法

2.1 工艺设备介绍

马钢长材事业部的主要工艺流程为铁水预脱硫→转炉→吹氩站→LF →方坯连铸。主体工艺配置为：铁水预处理设施2 套、70t 顶底复吹脱碳转炉4 座、吹氩站设施4 套、70t LF 钢包精炼炉2 座、在线喂线装置2 套，采用“全三脱”冶炼工艺。连铸工序由1 台六流150×150mm 方坯连铸机，全程无氧化保护浇铸、结晶器液面自动控制等多项保证铸坯质量的技术。为减少结瘤率，马钢长材事业部从以下方面入手。

2.2 滑板控制方法

根据生产计划，使用状态良好的钢包装冷镦钢，归罐之前滑板认真检查、处理，对透气砖进行试气，透气性差的钢包严禁投入使用冷镦钢，对浇完下来的钢包认真检查滑板、上下水口，仔细清理水口残渣，对钢包内部砖体认真检查，处理好的钢包一定要做好控渣，控渣时间不得小于1分钟，防止钢渣回流进入水口，造成烧氧。

2.3 炼钢工艺控制流程

转炉强化出钢挡渣操作，目标≤400 公斤/炉，出钢过程中，确保炉帽、炉裙粘渣不掉入钢包；出钢过程中进行脱氧和合金化，LF 要求处理前钢中游离氧不大于20ppm；钢包净控制在300～600mm，以满足LF 炉对钢包净空的要求；钢水后工序回磷不超过0.004%；保证吹氩站氩前温度1560～1600℃。

2.4 吹氩制度

领行人员把钢包归到钢包车上后，吹氩站操作人员过来接老底吹氩气系统（自动对接吹氩系统可能回漏气），确保底吹氩气强度，开入罐砂工位，在罐砂之前要认真检查上水口是否有异物，如有异物，立即通知滑板人员重新清理水口。确保水口无异物后，对水口罐高Cr 砂（自引率高），砂子一定要填满水口且要堆起来。出钢时氩气流量控制400-500L/min,出完钢以后，把钢包车开进吹氩工位，认真观察钢水信息、吹氩强度，定氧，根据氧位和工艺要求的Al 含量进行喂线，喂完Al 线后强吹氩不得少于6 分钟，保证钢水脱氧、成分均匀。吹氩结束后，把此炉钢的信息及时准确的反馈到LF 炉。

2.5 LF 炉精炼工艺

2.5.1 造渣材料加入

造渣材料的加入量按8～10kg/t 控制，根据渣子情况，注意预熔渣、CaO 的配比控制。渣料的加入量根据埋弧效果及脱氧效果进行增减；炉渣流动性不好时加入预熔精炼渣Ⅰ型改善流动性；炉渣较稀时补加石灰，提高炉渣碱度。

2.5.2 埋弧加热制度

LF 炉有3 根石墨电极，加热时电极插入渣层中进行埋弧加热，因而辐射热小，减少对包衬的损坏，可减少电弧的热辐射损失,提高热效率，终点温度的精确度≤±5℃。浸入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应：C+(FeO)=[Fe]+{CO}

C+(MnO)=[Mn]+{CO}

在起弧阶段采用低电压以利于埋弧；起弧稳定提高电压以加快渣料熔化并使钢水温度升高；在供电造渣后期采用低电压，以避免电弧裸露和保持还原性气氛。在第一次升温时尽量把温度升高，减少升温次数，最好升温次数不超过3 次。

2.5.3 LF 吹氩搅拌制度

在造渣材料加入过程中要进行强吹氩搅拌，以加快渣料的熔化和避免渣料结团；在供电造渣过程中采用弱吹氩搅拌，但要在保证电极不过分波动的前提下适当增加底吹氩气量；在供电结束及测温、取样之前采用强吹氩搅拌，以促进钢、渣的充分接触加快脱硫速度。通过钢包底吹氩气搅拌加速钢-渣之间的物质传递，利于脱氧、脱硫反应的进行，并促进夹杂物的上浮去除，特别是对Al203 类型的夹杂物上浮去除更为有利。同时加速钢水温度和成分的均匀，达到精确地调整钢水的成分。

2.5.4 LF 脱氧、脱硫制度

在造渣材料加入前要先对钢水进行铝的脱氧和预合金化，将[Als]控制在内控上限左右。炉渣基本熔化后，分批加入铝粒、电石造还原渣，直到顶渣转为白色（即FeO+MnO ≤1%），并继续分批少量加入铝粒、电石，来持续保持白渣。[S]目标：≤0.007%，脱硫率大于65%。钢包与炉盖密封起到隔绝空气的作用，加之石墨电极氧化产生C0 气体，炉内形成了还原气氛，钢水在还原条件下进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物，并避免增氮。

2.5.5 白渣精炼制度

LF 炉精炼的白渣是w(FeO)≤1%的还原渣。通过高碱度的还原渣，借助氩气搅拌，实现有效的扩散脱氧、脱硫和去除非金属夹杂物。（采用白渣精炼工艺。一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。渣中w(FeO+MnO)<4%）。每造好一炉渣，操作者需将终渣保留，由专门人员进行评分。

2.5.6 钙处理和软吹制度

钢水成分和渣子达到理想时，采用在线喂线方式喂钙线（确保钢液面不裸露），喂钙线时将除尘设备关闭，防止杂质卷入钢水；软吹时间20～30分钟，目标25分钟；极小氩量（25～40 l/min，确保钢液面不裸露，渣面微微波动）软吹；软吹5分钟取钢样Ca1，出站前5分钟取钢样Ca2。如果在软吹过程中发现钢水Ca损大，及时补喂钙线，确保钢水在浇注前ω（Ca）/ω（Al）≥1.20。

2.6 连铸

防止二次氧化：二次氧化的来源很多[O]，但对水口结瘤影响较大的主要是钢包吹氩期间钢包渣与钢水间的二次氧化和浇铸期间的二次氧化。空气无处不在，这些二次氧化的发生一般都很难用指标来衡量，需要操作人员精细操作，管理和技术人员很难介入，因此也难以控制。

防止二次氧化的最好办法就是保护浇注。连铸采用钢包铝碳质氩封保护套管，采用氩封全程保护浇铸；保护套管加密封垫；浸入式水口加密封垫；钢包氩封保护套管若连用，要利用连浇间隙对粘钢进行小氧量清理；每炉连浇时敞开浇注时间不得大于30 秒；浇注过程冲击区无钢水翻；中间包采用氩气微正压保护；中包钢液面≥600mm；浇铸操作：浇铸过程中换浸入式水口操作要迅速，敞开浇注时间不得大于10 秒；覆盖剂：钙质中间包覆盖剂。

3 生产应用效果

2016 年1～9 月期间，按此工艺我们成功批量生产冷镦钢1335 炉，成品硫内控合格率为100%，脱硫率在≥65%占73%，达到了LF 精炼脱硫的目的，钙铝比≥0.12 占65%。自2016 年1月开始监控指标，下图是按时间序列表示的水口结瘤率与平均连浇炉数月度指标。2016 年1 月起针对钢水洁净度控制、防止二次氧化和钙处理工艺制订了一系列操作优化措施。采取措施以后，到2016 年9 月，按炉次统计的水口结瘤率由月平均20. 6%降至平均4. 6 %，平均连浇炉数由8. 2 炉提高到10 炉。