低硅鋁鋼首罐鋼水浸入水口防絮流分析

高洪濤，毛志勇，丁勇，王國慶，潘秀娟（.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山40；.鞍鋼實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧鞍山，40）

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低硅鋁鋼首罐鋼水浸入水口防絮流分析

高洪濤1，毛志勇1，丁勇2，王國慶2，潘秀娟2
（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧鞍山，114021）

摘要：分析了低硅鋁鋼澆次首罐浸入水口出現(xiàn)絮流現(xiàn)象的原因，提出了鋼水冶煉和澆注期間的預(yù)防措施，包括降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量，優(yōu)化出鋼過程鋼水的脫氧方式；提高LF爐處理期間頂渣的還原性；合理控制鋼水中的Ca含量等。采取上述措施之后，低硅鋁鋼澆次首罐浸入水口的絮流現(xiàn)象減少近50％。

關(guān)鍵詞：低硅鋁鋼；浸入水口；澆次首罐；絮流

高洪濤，工程師，2007年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)冶金工程專業(yè)。E-mail：gaohongtao83123@163.com

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠第四分廠冶煉低硅鋁鋼采用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF爐精煉—2150mm板坯連鑄的工藝路線。由于連鑄機(jī)結(jié)晶器斷面尺寸較小，中間包浸入水口內(nèi)徑及吐出口尺寸均比常規(guī)鑄機(jī)小，因此在澆鑄低硅鋁鋼時(shí)易造成絮流物在浸入水口通道內(nèi)聚集，導(dǎo)致鋼水流經(jīng)的通道逐漸變小，嚴(yán)重時(shí)澆鑄中斷。由于首罐鋼水開澆時(shí)存在很多不穩(wěn)定的因素，對(duì)鋼水的純凈度造成了一定的影響，因此澆次首罐更容易發(fā)生絮流。針對(duì)澆次首罐鋼水轉(zhuǎn)爐冶煉、LF爐精煉過程的控制，特別是連鑄工藝的調(diào)整開展了研究，以減少低硅鋁鋼澆次首罐鋼水浸入水口的絮流現(xiàn)象。

1　首罐鋼水浸入水口絮流的原因

1.1易絮流鋼種成分

易發(fā)生絮流的典型鋼種（ABRY1A）成分如表1所示。該鋼種的成分要求采用強(qiáng)脫氧元素鋁進(jìn)行鋼水完全脫氧，如果操作不當(dāng)會(huì)使大量的Al2O3夾雜殘留在鋼水中，給后續(xù)的鋼水澆注帶來極大的絮流風(fēng)險(xiǎn)。

表1　易發(fā)生絮流的典型鋼種化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

1.2首罐鋼水絮流現(xiàn)象

鋼水開始澆注階段，塞棒位置出現(xiàn)了一定的上漲，同時(shí)結(jié)晶器液面明顯波動(dòng)。隨著澆注過程的進(jìn)行，塞棒位置逐漸平穩(wěn)降低，結(jié)晶器液位也逐漸穩(wěn)定，一直到澆注過程結(jié)束。手動(dòng)測量發(fā)生首罐絮流的鋼水溫度，結(jié)果排除了鋼水溫度低結(jié)冷鋼的原因。留樣檢查絮流嚴(yán)重的中間包浸入式水口，水口殘留的堵塞物形態(tài)如圖1所示。浸入式水口絮流物及侵蝕層形貌如圖2所示。能譜分析儀分析絮流物的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）結(jié)果見表2。

圖1　浸入式水口殘留的堵塞物形態(tài)

圖2　浸入式水口絮流物及侵蝕層形貌

表2　絮流物的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　％

通過表2可以看出，浸入水口絮流的主要原因是Al2O3夾雜物在鋼水流經(jīng)通道內(nèi)逐漸聚集，使得鋼水通道變窄導(dǎo)致。

1.3首罐和過程澆注工藝的差異

澆次首罐絮流定義為塞棒開口度最高漲至90mm以上。與過程罐次鋼水的穩(wěn)定控制狀態(tài)不同，首罐鋼水在剛開始澆注時(shí)存在著拉速變化、中間包內(nèi)液面波動(dòng)、鋼水溫降較大等非穩(wěn)態(tài)條件，因此在外界干擾較大的情況下，存在澆注絮流的風(fēng)險(xiǎn)也最大?？偨Y(jié)首罐鋼水絮流發(fā)生的原因如下：

（1）鋼水中殘留的Al2O3夾雜物未充分上浮，在澆注過程中聚集在塞棒頭、透氣上水口、浸入式水口內(nèi)壁、吐出孔等位置造成絮流，這是鋼水絮流最直接的原因。

（2）首罐鋼水進(jìn)入中間包后勢必和中間包內(nèi)的空氣及耐材發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生絮流物。

（3）首罐鋼水流經(jīng)長水口和中間包內(nèi)壁時(shí)溫度降低，使Al—O平衡遭到破壞，析出的［O］與鋼水中的［Al］繼續(xù)反應(yīng)，生成A12O3。

（4）澆注速度的變化不利于鋼水中殘留的夾雜物上浮去除。

（5）加覆蓋劑之前中間包表面裸露被氧化。

由于首罐鋼水在實(shí)際澆注過程中不可避免的存在上述（2）～（5）中提到的絮流原因，因此，鋼水澆注前后必須采取有針對(duì)性的措施，例如適當(dāng)提高中間包烘烤溫度，增加透氣上水口吹氬流量，提高保護(hù)澆注效果，加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐及精煉工序鋼水的脫氧和夾雜物變性等操作，最大程度提高上機(jī)澆注鋼水的可澆性，減少鋼水中殘留的高熔點(diǎn)Al2O3夾雜物的數(shù)量。

2　提高首罐鋼水純凈度

2.1優(yōu)化轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)和脫氧工藝

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量越高，出鋼后加入的脫氧鋁越多，由此產(chǎn)生的Al2O3夾雜物也就越多，殘留在鋼水中的Al2O3含量也就越高［1］。通過對(duì)比分析大量澆次的首罐鋼水認(rèn)為，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)合理的氧含量應(yīng)該控制在0.05％～0.07％。

轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)應(yīng)根據(jù)終點(diǎn)鋼水氧含量合理調(diào)整脫氧鋁的加入量，完成鋼水的初步脫氧，并在轉(zhuǎn)爐出鋼后合理喂入Al線，規(guī)范吹氬流量控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，首先要求進(jìn)LF爐的Als含量控制在0.010％～0.040％，其次最大程度減少轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量，為LF爐精煉處理創(chuàng)造條件。

2.2提高LF爐處理鋼水的可澆性

針對(duì)首罐鋼水在澆注過程中存在高絮流風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)律，研究后認(rèn)為，最重要的控制手段是提高LF爐處理結(jié)束時(shí)鋼水的純凈度，即保證頂渣具有較強(qiáng)的吸附鋼水中夾雜物的能力，且殘留在鋼水中的夾雜物要球化、液態(tài)化［2］。

2.2.1LF爐造強(qiáng)還原渣

LF爐必須確保頂渣具有較強(qiáng)的吸附夾雜物能力，使鋼水具有較高的純凈度。實(shí)際生產(chǎn)中，通過對(duì)比鋼水處理前后的脫硫率來判斷頂渣的還原性。一般認(rèn)為，鋼水脫硫率越高，頂渣還原性越好，頂渣吸附夾雜物的能力越強(qiáng)。LF爐脫硫率與首罐發(fā)生絮流現(xiàn)象的關(guān)系見圖3。由圖3可見，隨著LF爐處理期間脫硫率的提高，絮流現(xiàn)象明顯減少。

圖3　LF爐脫硫率與首罐絮流的關(guān)系

2.2.2Ca處理

LF爐采用造強(qiáng)還原渣工藝后，頂渣具有一定的吸附高熔點(diǎn)Al2O3夾雜物的能力，但是部分殘留在鋼水內(nèi)部未上浮的小尺寸的Al2O3仍然會(huì)導(dǎo)致絮流的發(fā)生，因此需要對(duì)該夾雜物變性處理。煉鋼總廠四分廠采用喂Al-Ca線的方式進(jìn)行變性處理。眾所周知，鋼水中常見的夾雜物中，12CaO· 7Al2O3的熔點(diǎn)最低，如果喂入合適數(shù)量的Al-Ca線，使得鋼水中的Al2O3轉(zhuǎn)變成12CaO·7Al2O3，就可以達(dá)到夾雜物液態(tài)化的目的，可有效減少絮流現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)然，鋼水中鈣的加入量太少，不足以將固態(tài)的Al2O3夾雜全部轉(zhuǎn)化為液態(tài)；鈣的加入量過多則會(huì)產(chǎn)生新的CaS夾雜物，也會(huì)造成一定的絮流風(fēng)險(xiǎn)［3］。同時(shí)，鈣加入后能否只形成熔點(diǎn)最低的12CaO·7Al2O3夾雜還取決于鋼水溫度、鋁和硫的含量。圖4是在1550℃和1500℃平衡時(shí)，CA 和C12A7的形成與鋁含量和硫含量的關(guān)系。

圖4　CA和C12A7的形成與鋁含量和硫含量的關(guān)系

由圖4可見，1550℃時(shí)，Al含量達(dá)0.040％，硫含量必須低于0.007％，加入的鈣才能將Al2O3全都轉(zhuǎn)化為12CaO·7Al2O3；Al含量為0.015％時(shí)，硫含量只要低于0.013％，加入的鈣就能將Al2O3全都轉(zhuǎn)化為12CaO·7Al2O3。也就是說，溫度一定時(shí)，要隨著鋼水中硫含量的增加適當(dāng)減少Als含量才能保證Al2O3全都轉(zhuǎn)化為12CaO·7Al2O3［4］。

由于生產(chǎn)低硅鋁鋼時(shí)造強(qiáng)還原渣，LF爐處理結(jié)束的硫含量基本能夠控制在0.008％以內(nèi)；鋼水的實(shí)際Als含量控制范圍為0.025％～0.045％，鋼水溫度控制在1570～1600℃。綜上所述，現(xiàn)有的鋼水條件下喂入的Ca線完全可以保證加入的鈣全都轉(zhuǎn)化為12CaO·7Al2O3。比較大量首罐鋼水的澆注狀態(tài)認(rèn)為，鋼水中的Ca含量控制在0.002 0％ ～0.004 0％的澆注效果最理想。

2.2.3軟吹時(shí)間及流量

鋼水的軟吹操作能明顯提高夾雜物碰撞上浮的概率，有利于減少鋼中夾雜物。由于夾雜物的去除效率最終取決于吹入鋼液的氣泡總量，因此進(jìn)行鋼水的軟吹操作時(shí)必須適當(dāng)延長吹氬時(shí)間［5］。實(shí)踐表明，鋼水喂入Al-Ca線之后的軟吹時(shí)間控制在5～10 min，軟吹流量控制在20～30m3/h（鋼液面微動(dòng)不裸露），能夠明顯提高鋼水可澆性。

3　加強(qiáng)連鑄工藝的控制

3.1鋼水開澆前的準(zhǔn)備

（1）中間包氬氣系統(tǒng)

生產(chǎn)前將上線中間包的所有氬氣接頭用生料帶纏好，并嚴(yán)格檢查中間包氬氣密封系統(tǒng)，確認(rèn)吹氬流量和壓力在正常的控制范圍內(nèi)。

（2）中間包潔凈度

中間包烘烤之前，加強(qiáng)檢查中間包內(nèi)的清潔程度，發(fā)現(xiàn)異物、脫落的耐火材料等要及時(shí)清理。烤包時(shí)，將溢渣孔用中間包高鋁纖維毯封堵嚴(yán)密，避免異物堵塞鋼水通道，加劇澆注絮流風(fēng)險(xiǎn)。

（3）中間包氬氣吹掃及烘烤

由于澆次首罐鋼水直接和中間包內(nèi)壁及空氣接觸，增加了Al2O3的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。為了降低中間包內(nèi)的氧化氣氛，在開澆前向中間包內(nèi)吹氬氣，降低中間包內(nèi)的氧化氣氛。并優(yōu)化中間包烘烤制度，烘烤時(shí)間至少保證2h以上，而且中間包溫度要達(dá)到1050℃才允許連鑄開澆。這樣，可以在降低鋼水被氧化的同時(shí)，也能減少由于鋼水溫度明顯降低產(chǎn)生的Al2O3夾雜物的數(shù)量。

3.2鋼水開澆后的控制

3.2.1各系統(tǒng)吹氬流量的控制

連鑄塞棒和透氣上水口吹氬對(duì)鋼水在通道內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生較大影響，合理控制吹氬流量能夠明顯提高鋼水可澆性。但是由于低硅鋁鋼一般都是冷軋產(chǎn)品，對(duì)冷軋板的表面質(zhì)量要求較嚴(yán)，如果吹氬過大無疑會(huì)增加夾雜缺陷，因此，必須嚴(yán)格控制塞棒和透氣上水口的氬氣流量。表3是優(yōu)化之后的吹氬流量控制情況。生產(chǎn)實(shí)踐表明，澆次首罐透氣上水口氬氣流量提高至2～3 L/min后，絮流現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，冷軋缺陷控制穩(wěn)定。

表3　優(yōu)化后吹氬流量控制情況　L/min

3.2.2加入鈣鐵粉

針對(duì)首罐鋼水澆注時(shí)存在的絮流隱患，建議在連鑄機(jī)開澆后立即向中間包內(nèi)加入50 kg鈣鐵粉，以進(jìn)一步減少鋼水中殘留的Al2O3夾雜物，提高鋼水可澆性。統(tǒng)計(jì)50個(gè)澆次首罐鋼水的數(shù)據(jù)得出，澆次首罐不加50 kg鈣鐵粉出現(xiàn)的絮流次數(shù)是42罐，加入50 kg鈣鐵粉出現(xiàn)的絮流次數(shù)是26罐，由此看出，加入鈣鐵粉后，澆次首罐鋼水的絮流現(xiàn)象得到明顯好轉(zhuǎn)。

3.2.3保護(hù)澆注

為降低澆次首罐鋼水被氧化再次產(chǎn)生Al2O3夾雜物的程度，在鋼水罐長水口、中間包板間等位置上進(jìn)行吹氬密封，保證澆注系統(tǒng)的正壓狀態(tài)，避免因吸氣造成鋼水氧化。其次，中間包使用緩沖器，減少注流引起沖擊區(qū)鋼液面波動(dòng)和開澆時(shí)鋼水飛賤，盡快形成保護(hù)澆注。鋼水罐開澆后，立即加入足量的覆蓋劑完全覆蓋鋼水表面，并保證覆蓋劑的快速熔化，達(dá)到隔絕空氣、防止鋼水裸露導(dǎo)致二次氧化的目的。此外，在中間包包蓋上鋪設(shè)石棉以隔絕空氣。

4　其它措施

在正常的生產(chǎn)工藝條件下，通過控制鋼水罐滑板開關(guān)實(shí)現(xiàn)鋼水自澆，避免鋼水和空氣接觸以防止二次氧化的發(fā)生。而一旦鋼水未實(shí)現(xiàn)自澆必須進(jìn)行燒氧操作，而經(jīng)過燒氧之后的鋼水會(huì)被大量氧化，產(chǎn)生大量的Al2O3夾雜物，嚴(yán)重污染鋼水。實(shí)踐證明，凡是經(jīng)過燒氧之后澆注的鋼水肯定會(huì)出現(xiàn)非常明顯的絮流現(xiàn)象。因此，鋼水罐在整備時(shí)必須保證水口周圍無殘?jiān)?、加入的引流劑?shù)量、效果和材質(zhì)符合要求，確保首罐鋼水實(shí)現(xiàn)自澆。

5　工業(yè)應(yīng)用效果

轉(zhuǎn)爐、LF爐、連鑄工序采取上述方案后，浸入水口澆次首罐絮流現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。工序優(yōu)化前后鋼水絮流情況對(duì)比情況見表5。

表5　工序優(yōu)化前后澆次首罐鋼水絮流情況對(duì)比次

從表5看出，采取措施后鋼水可澆性明顯提高，發(fā)生絮流的次數(shù)減少50％左右。

6　結(jié)論

（1）對(duì)浸入水口澆次首罐鋼水的絮流物取樣檢驗(yàn)分析結(jié)果認(rèn)為，絮流物的主要成分是Al2O3。

（2）采取優(yōu)化轉(zhuǎn)爐鋼水脫氧方式，將進(jìn)LF爐Als含量控制在0.010％～0.040％；提高LF爐頂渣還原性，加強(qiáng)喂Ca線操作，鋼水中Ca含量達(dá)0.002 0％～0.004 0％，澆注前鋼水軟吹5～10 min；開澆前中間包吹氬且烘烤溫度達(dá)1050℃，開澆后將透氣上水口氬氣流量提高至2～3 L/min等措施后，低硅鋁鋼澆次首罐的絮流現(xiàn)象減少近50％。

參考文獻(xiàn)

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（編輯許營）

修回日期：2015-12-26

Analysis of Anti-flocculating Flow at Submerged Nozzle during the First Ladle of Low Silicon Aluminum Molten Steel Casted

Gao Hongtao1，Mao Zhiyong1，Ding Yong2，Wang Guoqing2，Pan Xiujuan2
（1.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.Angang Industry Group Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China）

Abstract：The causes leading to the flocculating flow at submerged nozzle during the first ladle of low silicon aluminum molten steel casted were analyzed.Preventive measures in smelting molten steel and subsequent casting were taken，consisting of weakening the oxygen activity at blowing end point of converter steelmaking，optimizing the mode of deoxidation in tapping molten steel from converter，improving the reductibility of surface slag during steelmaking by ladle furnace as well as suitably controlling calcium content in molten steel.The probability of flocculating flow occurred at submerged nozzle during the first ladle of low silicon aluminum molten steel casted was cut down by about 50％.

Key words：low silicon aluminum steel；submerged nozzle；the first ladle of casting；flocculating flow

中圖分類號(hào)：TF748

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）03-0050-05