27SiMn水口結(jié)瘤原因分析及工藝優(yōu)化

王曉晶

（天津鋼鐵集團有限公司煉軋廠，天津300301）

0 引言

天津鋼鐵集團有限公司煉軋廠在生產(chǎn)27SiMn時多次發(fā)生水口結(jié)瘤現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)澆注中斷被迫回爐情況，不僅嚴重影響生產(chǎn)排產(chǎn)，增加煉鋼成本，同時也嚴重產(chǎn)品質(zhì)量。為減少或避免此類事故發(fā)生，本文對此鋼種中間包水口的結(jié)瘤原因進行分析和研究，結(jié)合煉鋼實際制定了相應(yīng)措施，解決了類似問題。

1 工藝參數(shù)及流程

生產(chǎn)工藝流程：轉(zhuǎn)爐冶煉→脫氧合金化→LF精煉處理→喂線→六機六流連鑄。典型高硅硅鎮(zhèn)靜鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1 27SiMn化學(xué)成分標準 /ωt%

2 水口結(jié)瘤物及鑄坯內(nèi)夾雜物分析及討論

水口堵塞是一個復(fù)雜的熱物理過程，根據(jù)堵塞物的來源可以分為3類：溫度低引起的冷鋼、夾雜物的析出、夾雜物析出與冷鋼的混合物。堵塞機理可以概括成幾個方面[1]：（1）鋼液溫度下降引起的元素溶解度降低，從而破環(huán)原有平衡，引起新的夾雜物析出；（2）水口耐材由于烘烤不當引起的殘余氣體與鋼水中元素反應(yīng)產(chǎn)生的新的夾雜物；（3）在冶煉后期和澆鑄過程吸入氣體在高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；（4）鋼液與耐材本體反應(yīng)產(chǎn)生的夾雜等。鋼水澆鑄過程鋼液流經(jīng)水口時，根據(jù)邊界層理論，在水口壁附近流速降低并趨于零，因此夾雜物更容易沉積、附著形成結(jié)瘤。

本文將對27SiMn澆注結(jié)束時水口結(jié)瘤物和冶煉過程中間包鋼液進行取樣，利用SEM對夾雜物進行分析，查找夾雜物的來源。

2.1 水口上部結(jié)瘤物電鏡結(jié)果及分析

對異常爐次水口結(jié)瘤物進行取樣，由于此類鋼中一般在下水口結(jié)瘤不明顯，主要發(fā)生在上水口部分，因此對上水口典型結(jié)瘤物進行取樣。浸入式水口的水口上部結(jié)瘤物的宏觀和微觀形貌如圖1所示。水口的結(jié)瘤物物主要組成成分如表2所示。

圖1 水口結(jié)瘤物宏觀和微觀形貌

圖2 鋼液中典型夾雜物微觀形貌和電鏡能譜

表2 水口堵塞物主要成分組成 /ωt%

根據(jù)表 2 所示，夾雜物成分以 O、Ca、Si、Mg、Al、Na元素為主，夾雜物主要組成為鎂鋁尖晶石、硅酸鈣，以及硅鋁酸鹽夾雜物。

2.2 鋼液中夾雜物電鏡結(jié)果及分析

在連鑄中包內(nèi)對鋼液進行取樣，分析鋼液典型夾雜物形貌和組分，與水口中結(jié)瘤物進行對比分析，尋找影響連鑄澆鑄異常的根本原因。鋼液中典型夾雜物微觀形貌和電鏡能譜見圖2。

能譜分析顯示，鋼液中主要的夾雜物組成為鎂鋁尖晶石和硅酸鋁酸鹽。

根據(jù)表3結(jié)果所示，水口堵塞物主要來源于鋼中的MgO-Al2O3（尖晶石）、鋁酸鈣、硅酸鹽等夾雜物。鋼液中夾雜物類型與水口結(jié)瘤基本吻合，鋼液中夾雜物夾雜物尺寸不大，但單位面積中夾雜物個數(shù)較多。其中，MgO-Al2O3（尖晶石）組分含量比較多。MgAl2O4夾雜物具有穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)，熔點較高（2 135℃）、熱膨脹系數(shù)低、硬度大（HV:2 100～2 400 kg/mm2）、軋制時不易變形，屬 D 類點狀不變形夾雜物。MgAl2O4夾雜物形狀大多數(shù)為球形，也有不規(guī)則形狀和立方體形狀，在鋼液中尺寸較小，不易聚合、長大、上浮，鋼液中含量過多時易引起澆鑄波動[2]。

表3 鋼液中夾雜物主要成分組成 /ωt%

3 影響水口結(jié)瘤的工藝因素及措施制定

為控制澆注過程水口結(jié)瘤，在硅鎮(zhèn)靜鋼成分設(shè)計時,一般首先考慮通過Mn/Si來控制生產(chǎn)夾雜物的形態(tài)，但對于27SiMn鋼硅含量在1.11%以上時，成分設(shè)計基本固定，無法進行調(diào)整，因此無法按照一般經(jīng)驗要求的大于Mn/Si＞2.5的理想情況，以便生成液態(tài)的MnO·Si02。因此需要通過對比其他因素并尋求其他有效的解決辦法。

3.1 鋼水中AL殘余控制對于結(jié)瘤的影響理論分析

通過對水口結(jié)瘤物、中包取樣和鑄坯實物中夾雜物分析來看，控制固態(tài)Al2O3及與其有關(guān)的復(fù)合態(tài)的化合物是改善澆注狀況的有效手段。如圖3所示，鋼中Fe-Al-Si的雜質(zhì)相平衡顯示，對于澆注27SiMn鋼中時鋼中所生產(chǎn)的夾雜物形態(tài)，在硅元素一定的條件下與鋼中Al含量存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。當鋼中Si元素約為1.10%時，鋼中Al大于0.0090%時就會產(chǎn)生固態(tài)的Al2O3。因此合理控制鋼中Si和Al元素的的比例關(guān)系可以改善水口結(jié)瘤問題。

圖3 1 600℃錳鋼中Fe-Al-Si的雜質(zhì)相平衡[3]

3.2 澆注異常爐次鋼中AL殘余控制水平及過程演變規(guī)律

對澆注異常爐次鋼水中Al殘余控制水平及演變規(guī)律進行統(tǒng)計。如圖4所示，出現(xiàn)生產(chǎn)異常的爐次精煉出站和連鑄中包鋼液中Al元素的殘留平均為0.0100%以上。根據(jù)上文的理論分析，鋼液中Al元素殘留過高，不利于Al2O3系夾雜物的控制，連鑄澆注不利的狀況與理論分析的水口容易結(jié)瘤的情況吻合，因此需要從這方面進行改善。

圖4 精煉-連鑄過程鋼中Al殘余變化情況

圖4顯示了轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄過程鋼液中Al元素殘留量的變化規(guī)律，鋼液中Al增加主要發(fā)生在兩個階段轉(zhuǎn)爐出鋼合金化過程和精煉配加合金過程。由于轉(zhuǎn)爐出鋼過程采用硅-錳脫氧為加入鋁元素，精煉過程也未使用鋁質(zhì)脫氧劑，因此更多地考慮是合金中帶入的Al。鋼中加入的合金化學(xué)成分如表4所示。

表4 鋼中加入合金的化學(xué)成分 /ωt%

本次化驗合金成分主要針對常規(guī)元素，F(xiàn)eSi中含有殘余Al、Ca、Mg等元素，在低氧化性條件下容易產(chǎn)生高熔點的鋁酸鈣夾雜（如CA2、CA6）和鎂鋁尖晶石，對于水口結(jié)瘤有較大影響。同時，ScottR.Story等人研究表明[4]：在轉(zhuǎn)爐出鋼過程和精煉過程加入FeSi對中包內(nèi)鋼液夾雜物的生產(chǎn)類型有明顯的影響，精煉過程加入式樣中出現(xiàn)鋁酸鈣夾雜，而在出鋼過程一次性加入，則沒有類似夾雜物產(chǎn)生。

因此，為改善硅鎮(zhèn)靜鋼水口結(jié)瘤情況，制定以下措施：

（1）轉(zhuǎn)爐終點目標C:0.05%～0.08%，同時需要補吹一次，適當增加鋼水氧化性。

（2）轉(zhuǎn)爐出鋼過程不加入脫氧，完全采用硅-錳脫氧模式，同時保證硅鐵先加入鋼包后，等待30s后加入硅錳，在一次脫氧合金化過程減少鋼液中Al的殘留。

（3）穩(wěn)定出鋼量，并制定指導(dǎo)性的合金加入量，嚴格控制精煉FeSi合金的加入。

3.3 鋼液中MgO·Al2O3尖晶石的控制及精煉工藝優(yōu)化

連鑄的可澆性與鋼中生產(chǎn)的鎂鋁尖晶石有很大關(guān)系，此類鋼中雖然不使用鋁脫氧，但由于合金中硅鐵加入量大，因此精煉爐渣能夠快速形成白渣，而且鋼水中 a（o）一般不大于 10×10-6，在冶煉過程中爐渣或鋼包耐材中帶入Mg會形成MgO·Al2O3復(fù)合的夾雜物。

鎂碳磚耐火材料長時間處于高溫條件下時，C首先還原Mg0，生成CO與Mg蒸氣，然后分別向鋼液中擴散，與鋼液中Al2O3夾雜反應(yīng)生成尖晶石夾雜物。鋼水溫度越高，處理時間越長，越容易發(fā)生內(nèi)部反應(yīng)生成Mg，向鋼液中擴散，相應(yīng)的夾雜就越多。

在LF精煉爐還原氣氛和低[O]的條件下，精煉渣中的MgO被鋼中的Al還原釋放出Mg，與鋼液中的Al2O3形成。鋼液中的A1含量影響鋼中鎂鋁尖晶石夾雜的形成和轉(zhuǎn)化。董履仁和劉新華[5]的研究表明，可以通過夾雜物中MgO的含量來進一步判斷MgO的來源，如果MgO來源于爐渣，其夾雜物中質(zhì)量分數(shù)不超過5%；如果MgO來自耐火材料，則MgO的質(zhì)量分數(shù)會遠高于5%，有時會高于35%。

因此，本文中夾雜物的來源來自鋼水與鋼包耐材反應(yīng)的可能性更大，但無論來源如何，其產(chǎn)生共性的特點是LF爐冶煉時間越長，鎂鋁尖晶石類的夾雜物越多，同時精煉渣的堿度和Al2O3含量對于鋼液中鎂鋁尖晶石的影響有明顯對應(yīng)關(guān)系。當渣系的堿度較高時，隨著Al2O3含量的增加，MgO的濃度會增加，鋼中Mg也會相應(yīng)地增加；而在渣系堿度較低時，隨著渣中Al2O3含量的增加，MgO的有效濃度會降低，鋼中Mg會降低。

此類夾雜物較為細小，不易上浮，懸浮于鋼中，極大地影響了鋼水的流動性，從而降低澆注性能。主要從以下幾個方面減少鎂鋁尖晶石的形成：優(yōu)化精煉渣系和減少還原量，減緩白渣時間；控制合理的爐渣成分，以吸收更多的MgO和控制爐渣中a(MgO)；控制LF爐子冶煉時間一般控制在45~60 min以內(nèi)。

3.4 軟吹時間和鋼包過熱度控制工藝優(yōu)化

硅鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)物熔點低與鋼水界面張力小，因此更不容易上浮和被爐渣吸附，因此在冶煉過程中要適當提高吹氬氣強度和延長吹氬時間，以提高凈化鋼水的效果，軟吹時間由原來的8min提高到10 min，軟吹流量由50 NL/min提升至80 NL/min。

鋼水過熱度的影響主要考慮到溫度對鋼水流動性能的影響，鋼包過熱度由30℃提高至35℃以上。

4 實施效果

通過上述工藝調(diào)整，取得了良好的效果，澆注狀況得到明顯改善，優(yōu)化后的事故概率、平均連澆爐數(shù)以及最大連澆爐數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標均出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，具體對比情況如表5所示。

表5 工藝優(yōu)化前后澆注情況對比

在上述指標明顯改善的情況下，連鑄澆注的平穩(wěn)性也得到明顯改善，如圖5所示，澆注曲線明顯改善。

圖5 優(yōu)化前后塞棒開啟度對比

如圖5所示，工藝優(yōu)化前27SiMn澆鑄過程塞棒開啟度波動明顯，此澆次冶煉4爐鋼，其中第1、3、4爐均出現(xiàn)水口結(jié)瘤情況，最終澆鑄4爐鋼出現(xiàn)生產(chǎn)中斷事故。工藝優(yōu)化后的爐次澆鑄10爐鋼，整體澆鑄平穩(wěn)，未出現(xiàn)水口結(jié)瘤情況。

5 結(jié)論

27SiMn連鑄水口結(jié)瘤主要是由于鋼中鎂鋁尖晶石、硅酸鈣和硅鋁酸鹽引起的，水口中和鋼中夾雜物物均以這兩類夾雜物為主。

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐終點控制，合金化過程不加入脫氧劑，嚴格限制精煉過程FeSi加入量，F(xiàn)eSi和MnSi合金分批次逐步加入的工藝優(yōu)化，將鋼水中Al元素的殘留量控制在90×10-6以內(nèi)，從而有效抑制了鋼液中固態(tài)Al2O3夾雜物的形成以及緩解鎂鋁尖晶石的生成，提高鋼水質(zhì)量。

通過優(yōu)化精煉造渣工藝，將精煉周期控制在45～60 min，軟吹時間由8 min增加到10 min，軟吹流量由50 NL/min提升至80 NL/min，減少夾雜物生成，提高鋼水凈化效果，可以有效改善水口結(jié)瘤情況。

通過上述調(diào)整平均連澆爐數(shù)由7.5提高至10.75，最大連澆爐數(shù)由14爐提高至18爐，事故概率降低21.43%。