板坯浸入式水口穿鋼的原因分析與對策

王飛日 王新志 劉海強(qiáng) 高新軍 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

板坯浸入式水口穿鋼的原因分析與對策

王飛日 王新志 劉海強(qiáng) 高新軍 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

對造成板坯浸入式水口穿鋼的原因進(jìn)行了分析，從耐材材質(zhì)、水口烘烤及作業(yè)規(guī)范上提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。改進(jìn)后，水口穿鋼現(xiàn)象明顯減少，取得了良好效果。

耐火材料 連鑄 性能分析

0 前言

浸入式水口(SEN)是連接在中間包和結(jié)晶器之間的關(guān)鍵性耐火材料，對實(shí)現(xiàn)保護(hù)澆注，穩(wěn)定結(jié)晶器流場和結(jié)晶器液面，保證連續(xù)澆注的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)代高效連鑄對實(shí)現(xiàn)鋼水保護(hù)澆注，提高鑄機(jī)作業(yè)率要求嚴(yán)格，因此需要選擇熱震性良好、耐侵蝕性好的浸入式水口，以實(shí)現(xiàn)多爐連澆，保證澆注的鋼水質(zhì)量。安鋼寬板坯浸入式水口在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)水口穿鋼事故，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量及生產(chǎn)穩(wěn)定，為此對浸入式水口穿鋼的原因進(jìn)行調(diào)查分析，以期制定相應(yīng)的控制措施。

1 浸入式水口使用基本狀況及存在問題

安鋼寬板坯浸入式水口基本情況：①采用鋁碳系滑板式浸入式水口，渣線部位選用鋯質(zhì)復(fù)合層，結(jié)構(gòu)形式不吹氬，使用壽命 8～16爐；②水口在線預(yù)熱時(shí)間小于2 h，烘烤溫度在1100℃以上；③上、下水口板間采用氬氣密封；④使用過程中，推行單渣線和多渣線操作制度，連續(xù)澆鋼時(shí)間控制在320min～640min以內(nèi)。寬板坯浸入式水口結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板坯浸入式水口結(jié)構(gòu)示意圖

板坯浸入式水口在使用過程中主要存在的問題有水口穿鋼、板間吸氣、水口炸裂、渣線熔蝕，其中板間吸氣、水口炸裂、渣線熔蝕均可以從保證耐材質(zhì)量、嚴(yán)格檢查、規(guī)范安裝均可有效控制，但是造成水口穿鋼的影響因素較多，且對生產(chǎn)及鑄坯質(zhì)量影響巨大。通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析，從穿鋼的類型上基本上可分為三種：板間穿鋼、水口渣線部位穿鋼和頸部裂紋穿鋼。統(tǒng)計(jì)2009年上半年不同類型的穿鋼頻次：板間穿鋼 8次，水口渣線部位穿鋼5次，頸部裂紋穿鋼2次。由此依次對板間穿鋼、水口渣線部位穿鋼和頸部裂紋穿鋼分別進(jìn)行查找原因。

2 原因分析

2.1 板間穿鋼

板間穿鋼前期常伴有水口吸氣，結(jié)晶器液面翻鋼現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)因結(jié)晶器流場嚴(yán)重惡化造成澆注中斷，從外觀看常伴有板間裂紋、開裂及局部熔損，如圖2所示。

在開始澆鋼前期產(chǎn)生板間裂紋反映水口熱震性較差。同時(shí)，由于鋼水溫度與水口的預(yù)熱溫度溫差較大，造成水口耐材在高溫下發(fā)生部位晶型轉(zhuǎn)變及體積膨脹，加上在澆鋼過程中鋼流的沖刷及不規(guī)則震動(dòng)，從而加速了裂紋的形成。板間裂紋沿水口四周呈放射狀，裂紋一旦形成因吸氣導(dǎo)致熔損快速增加，板間穿鋼在所難免。除以上原因外，水口的預(yù)熱時(shí)間、烘烤溫度及安裝質(zhì)量同樣重要，水口預(yù)熱時(shí)板面若出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化脫 C，會(huì)使耐材的抗蝕性降低，在高溫沖刷下很快發(fā)生熔損；若烘烤的溫度偏低或時(shí)間過短，耐材的烘烤溫度不均勻，在澆鋼時(shí)易產(chǎn)生耐材裂紋；同時(shí)安裝時(shí)的板面配合、水口對中、垂直度及氬封的流量控制要求較高，快換機(jī)構(gòu)疊簧壓力不夠、壓力分布不均勻，使水口板間在開澆后逐漸產(chǎn)生縫隙或板面裂紋，造成板間吸氧，板面碳質(zhì)材料很快燒損，嚴(yán)重影響耐材的使用壽命。

圖2 板間穿鋼后出現(xiàn)

2.2 水口渣線部位穿鋼

浸入式水口渣線部位穿鋼多發(fā)生在澆次后期，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性，威脅澆鋼生產(chǎn)的安全性；同時(shí)渣線部位穿鋼后耐材會(huì)被卷入、鋼水嚴(yán)重吸氧、液面大幅波動(dòng)，對板坯質(zhì)量造成較大影響，經(jīng)濟(jì)損失較大。水口渣線部位蝕損是水口穿鋼的主要原因，侵蝕速率決定浸入式水口的使用壽命。從外觀看注流區(qū)水口形狀均保持良好，但渣線區(qū)侵蝕嚴(yán)重，水口渣線部位穿鋼形貌如圖3所示。

圖3 渣線部位穿鋼分析

由于澆鋼時(shí)結(jié)晶器內(nèi)需保持10mm～14mm的保護(hù)渣液渣層，溫度較高，流動(dòng)性較好，同時(shí)堿度在1.0～1.2，而浸入式水口目前依然多為鋁碳質(zhì)水口，故渣線部位最易受到侵蝕，發(fā)生化學(xué)熔損。影響浸入式水口渣線位穿鋼的因素主要有：連續(xù)澆鋼時(shí)間、耐材質(zhì)量、鋼種、保護(hù)渣類型及換渣線操作。澆鋼時(shí)首先應(yīng)了解水口耐材質(zhì)量情況，渣線部位是否特別選用了抗侵蝕性材料，因?yàn)檫x用了抗侵蝕性良好的耐材，在操作時(shí)可不必頻繁進(jìn)行換渣線操作；其次根據(jù)連續(xù)澆鋼時(shí)間長短，合理選擇單渣線、雙渣線或多渣線操作，以防止水口同一部位長時(shí)間受液渣層侵蝕；最后要明確鋼種是否是鈣質(zhì)處理鋼及此類型的保護(hù)渣對耐材的大致侵蝕速率，這是因?yàn)樵阝}處理鋼水中[1-2]，游離的[Ca]會(huì)對水口耐材造成化學(xué)侵蝕，形成A l2O3-CaO和 A l2O3-CaO-SiO2系低熔點(diǎn)化合物，在高溫鋼水的沖刷下會(huì)發(fā)生熔損，加快了耐材的侵蝕速率；另外，需規(guī)范操作，水口安裝后應(yīng)保證垂度和插入深度，因?yàn)榻Y(jié)晶器內(nèi)的鋼水流場不合理會(huì)造成渣線位的耐材侵蝕速率不均衡，最終導(dǎo)致侵蝕速率快的部位過早發(fā)生穿鋼形成事故。

2.3 頸部裂紋穿鋼

頸部裂紋造成的水口穿鋼主要為耐材自身材質(zhì)特性、安裝前存在破損、安裝時(shí)發(fā)生碰撞后產(chǎn)生裂紋或烘烤溫度不均勻造成的。水口縱裂多發(fā)生在澆次第一爐，裂紋產(chǎn)生具有突發(fā)性，嚴(yán)重時(shí)裂紋可從頸部直接延伸到注流出口處，此種情況往往直接導(dǎo)致澆注中斷；頸部裂紋多為烘烤不當(dāng)或安裝時(shí)發(fā)生碰撞所致。

3 控制措施

通過以上分析，造成水口穿鋼的主要因素大致可總結(jié)為耐材質(zhì)量、烘烤質(zhì)量、安裝質(zhì)量、工藝操作方式、作業(yè)規(guī)范等，故可從以下幾方面采取控制措施。

3.1 耐材材質(zhì)

從選材角度講，浸入式水口需選擇具備良好熱震性、抗高溫沖刷、耐渣蝕性能好的耐材。目前浸入式水口使用的耐材材質(zhì)主要有 A l2O3-C質(zhì)、A l2O3-ZrO2-C復(fù)合質(zhì)、ZrO2-CaO-C質(zhì)、無碳無硅尖晶石質(zhì) (低碳鋼)、CaO-M gO-A l2O3質(zhì)[3]。其中A l2O3-C質(zhì)耐材對鋼種適應(yīng)性強(qiáng)，熱震性好，價(jià)格相對便宜，被較多廠家采用，但是在澆注鈣處理鋼水時(shí)，耐蝕性相對較差，需要在表面覆蓋一層耐蝕性涂料，對增加此類耐材的使用壽命意義重大。

從使用部位講，渣線部位的侵蝕速率決定著水口的使用壽命，此處需選擇具備良好耐蝕性的耐材，可采用耐蝕涂料、鋯質(zhì)耐材環(huán)或 A l2O3-Zr O2-C復(fù)合質(zhì)以控制侵蝕速率。

從水口制做來講，主要為配料的均勻性，尤其渣線部位即使使用了耐蝕性優(yōu)良的 ZrO2-CaO-C質(zhì)耐材，若配料不均勻局部耐材易出現(xiàn) CaO的脫熔現(xiàn)象，破環(huán)耐材中 Zr O2的晶體結(jié)構(gòu)，使之易與保護(hù)渣中的B2O3及氟化物發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)不穩(wěn)定的單斜ZrO2，從而大大降低了渣線部位的耐蝕性。故生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格控制配料的均勻性，各部位耐材要選材合理、設(shè)計(jì)合理、加工細(xì)致。

3.2 優(yōu)化水口使用工藝制度

烘烤制度：烘烤時(shí)間需嚴(yán)格控制在2 h以內(nèi)，最好在1.5 h左右，嚴(yán)禁長時(shí)間烘烤，防止水口表面出現(xiàn)脫碳氧化，結(jié)構(gòu)疏松現(xiàn)象；烘烤時(shí)需按照一定的烘烤曲線進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)煤氣熱值合理選用煤氧比。在線烘烤時(shí)必須保證烘烤前中間包非常干燥，避免包襯產(chǎn)生蒸汽，造成浸入式水口表層的釉失去保護(hù)作用，從而造成水口外表面在烘烤和澆鑄過程中氧化脫碳，影響生產(chǎn)，故應(yīng)在中包溫度升到900℃以上再烤水口；浸入式水口烘烤時(shí)，在350℃～700℃之間的烘烤時(shí)間應(yīng)控制在20min以內(nèi)，因此溫度區(qū)間釉不能起到保護(hù)作用，水口易氧化。水口最終烘烤溫度控制在1100℃～1200℃，超過1200℃表面釉會(huì)脫落起不到保護(hù)作用，使水口脫碳氧化，影響使用壽命；如含鋯質(zhì)的耐材已烘烤到要求的溫度，由于生產(chǎn)安排或其它原因造成烘烤中斷的，不再使用；另外從停止烘烤到開澆的時(shí)間應(yīng)盡可能短，將水口的散熱降到最小。

連續(xù)澆注時(shí)間與渣線操作選擇制度：連續(xù)澆注時(shí)間的確定需要根據(jù)澆注鋼種、高拉速下的保護(hù)渣類型、中間包使用壽命、連鑄“三大件”使用壽命等諸多因素決定。在保證安全、質(zhì)量的前提下，盡可能的增加連續(xù)澆注時(shí)間是人們所追求的。為此需制定單渣線、雙渣線或動(dòng)態(tài)渣線操作制度。需說明因換渣線操作對結(jié)晶器內(nèi)流場會(huì)產(chǎn)生一定影響，原則上能單渣線操作的，盡量不采用換渣線操作。一般在生產(chǎn)非鈣質(zhì)處理鋼、連續(xù)澆鋼時(shí)間在300min以內(nèi)的選擇單渣線操作；對高級別管線鋼可采用動(dòng)態(tài)渣線操作。

浸入式水口的匹配性：現(xiàn)場常存在各廠家的耐材制品同時(shí)使用的狀況，如中間包上水口和浸入式水口不是同一廠家生產(chǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)板面配合性較差，水口氬封效果差，嚴(yán)重時(shí)同樣會(huì)造成板間穿鋼，需值得注意。應(yīng)要求各供應(yīng)商針對現(xiàn)場的使用特點(diǎn)做出統(tǒng)一的要求，以保證安裝時(shí)的匹配性。

浸入式水口的現(xiàn)場存放制度：應(yīng)放置規(guī)范、包裝完整、防潮防震、搬運(yùn)作業(yè)規(guī)范、輕拿輕放。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)

從現(xiàn)場作業(yè)方面，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)，①水口烘烤前、烘烤后、安裝后均應(yīng)嚴(yán)格檢查水口是否存在受潮、破損、裂紋或材質(zhì)表面疏松現(xiàn)象，重點(diǎn)檢查板面、水口頸部、渣線部位及注流區(qū)，存在裂紋、破損的產(chǎn)品嚴(yán)禁使用；②嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行烘烤作業(yè)，不得延長烘烤時(shí)間，保證按計(jì)劃開始澆注；③安裝時(shí)應(yīng)保證滑板機(jī)構(gòu)無變形，避免碰撞，保證上水口安裝平整對中；④對中包水口快換液壓缸伸縮量定期檢測，保證上、下水口出鋼孔無錯(cuò)位。

4 實(shí)施效果

針對水口穿鋼問題，2009年下半年采取了一系列的控制措施之后，根據(jù)水口不同部位的使用環(huán)境對耐材材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，提高了耐材的抗熱震穩(wěn)定性、耐蝕性；優(yōu)化板面與水口頸部的結(jié)合，有效控制了水口板間吸氧與頸部裂紋的產(chǎn)生；通過制定實(shí)施合理的渣線調(diào)整制度渣線侵蝕趨于均勻，2009年下半年杜絕了水口渣線部位的穿鋼；通過規(guī)范水口安裝烘烤作業(yè)，有效抑制了水口的表面氧化脫碳現(xiàn)象。將2009年上半年和下半年的水口穿鋼情況對比見表1。

表1 2009年上半年和下半年的水口穿鋼情況對比

2009年下半年板間穿鋼2次均為未按規(guī)定烘烤，造成板間吸氧所致；1次頸部裂紋穿鋼為水口本身頸部存在細(xì)小裂紋所致。故說明采取以上控制措施是有效可行的。

5 結(jié)語

通過對耐材質(zhì)量、烘烤制度、操作規(guī)范等進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，取得了良好效果，但要杜絕水口穿鋼事故的發(fā)生，必須抓好每一個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)，更進(jìn)一步細(xì)化管理措施，規(guī)范水口烘烤及使用。同時(shí)隨著現(xiàn)代高效連鑄的不斷發(fā)展，對浸入式水口的使用壽命、安全和澆鋼質(zhì)量會(huì)提出更高的要求，因此開發(fā)耐蝕性好、使用壽命長的浸入式水口將是今后的一個(gè)研究方向。

[1]周衛(wèi)勝，劉前芝，汪波.鋼包滑板間漏鋼原因及防范措施[J].耐火材料，2005，39(3)：225-226.

[2]沈鐘銘.寶鋼連鑄中間包滑板的使用問題研究[J].寶鋼技術(shù)，2007(6)：48-50.

[3]宋素格，王新志，王三忠，等.現(xiàn)代高效連鑄用耐火材料的選擇及應(yīng)用[J].中國冶金，2008，18(12)：28-31，37.

CAUSES ANALYSIS AND COUNTERM EASURES FOR L IQU ID STEEL LEAKAGE FROM SUBM ERGED ENTRY NO ZZLE(SEN)IN SLAB CAST

W ang Feiri W ang X inzhi L iu Haiqiang Gao X injun Yin Shuchang (Anyang Iron＆Steel Stock Co.，L td)

In the paper the causes for SEN leakage are analyzed and som e counterm easures are stipu lated according to refracto ry quality，p reheating effect，p rocess operation and p roduction norm al.ASa result，the SEN leakage tim es are simp ly reduced，and no tab le effectiveness is achieved.

refractory continue casting p roperties analysis.

：2010—2—4