改善鋼水可澆性的生產技術實踐

劉曉峰 陳文滿

（重慶鋼鐵股份有限公司）

0 前言

連鑄生產過程中，鋼水可澆性不良，輕則影響產品質量、生產效率和成本，重則導致澆注中斷，甚至危及人身和設備安全。重慶鋼鐵股份有限公司煉鋼廠（以下簡稱重慶鋼鐵煉鋼廠）歷年來對鋼水可澆性非常重視，經過多年不斷的研究及攻關，總結了不少解決問題的措施。筆者重點結合近年來生產工藝的實際變化，分析了影響鋼水可澆性的主要因素，提出了關鍵共性技術改進措施，經生產現(xiàn)場檢驗，取得了較好的實踐效果。

1 主要裝備及工藝

重慶鋼鐵煉鋼廠設計產能830 萬t/a，其中210 t轉爐生產線設計產能630 萬t/a，鋼坯供1 780 mm熱軋生產線和4 100 mm 中厚板生產線；80 t 轉爐生產線設計產能200 萬t/a，鋼坯供棒材生產線和高速線材生產線。生產的主要鋼種有：低碳低硅鋼、碳素結構鋼、低合金結構鋼、取向硅鋼、熱軋帶肋鋼筋、熱軋光圓鋼筋、硬線鋼等。重慶鋼鐵煉鋼廠的主要裝備配置見表1。

2 改善鋼水可澆性的關鍵技術

2.1 弱脫氧鋼生產技術

2.1.1 硅錳弱脫氧低合金鋼生產技術

2017 年5 月，為降低生產工序成本，重慶鋼鐵煉鋼廠80 t 轉爐生產線開始試驗推行定徑快換水口澆注工藝。試驗初期，熱軋帶肋鋼筋鋼（HRB400）的脫氧工藝依精煉路徑而變化，吹氬站采用硅+錳弱脫氧工藝，LF 采用硅+錳+鋁強脫氧+鈣處理工藝，堵水口頻繁。

表1 重慶鋼鐵煉鋼廠主要裝備配置

依據(jù)FeO-MnO-SiO2三元相圖和熱軋帶肋鋼筋鋼化學成分設計，用硅+錳合金脫氧，鋼種w[Mn]/w[Si]=6～7.5 ＞4，可獲得液態(tài)的脫氧產物，能夠保證鋼水可澆性。蔡開科等[1]研究認為，溶解在鋼液中的氧含量低于20×10-6，會導致硅鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口堵塞。對熱軋帶肋鋼筋鋼硅+錳合金脫氧的鋼水平衡氧濃度進行計算，鋼水溫度1 540～1 600 ℃時，鋼中自由氧w[O]=（40～73）×10-6，鋼水溫度降低，與硅錳平衡的w[O]要析出?？刂其撍械膚[O]在一定范圍是保證熱軋帶肋鋼筋鋼可澆性的關鍵。為此，對經吹氬站和LF 精煉處理的熱軋帶肋鋼筋鋼均采取硅+錳弱脫氧工藝，將精煉出站鋼水中的w[O]控制在（25～50）×10-6范圍內，抽查的出站鋼水中的w[O]控制情況見表2。

表2 硅錳弱脫氧鋼精煉出站鋼水中的w[O]控制情況

2.1.2 硅錳鋁弱脫氧鋼生產技術

對于硅錳鎮(zhèn)靜鋼，僅用硅+錳脫氧，鑄坯易形成皮下針孔，除采用LF 白渣精煉降低鋼中自由氧外，這類鋼種可用硅+錳+少量鋁弱脫氧的工藝。脫氧控制鋼水中w[Al]為0.002 %～0.005 %，既不堵水口，鑄坯又不產生針孔[1]。重慶鋼鐵煉鋼廠210 t 轉爐生產線板坯生產Q195、Q235 等鋼種均采用硅+錳+少量鋁（硅鈣鋇鋁+鋁錳鐵）弱脫氧工藝，將CAS 出站鋼中w[O]控制在（15～45）×10-6范圍，連鑄單中間包澆注爐數(shù)可達到18～19 爐。

2017 年12 月，80 t 轉爐生產線開始試驗定徑快換水口澆注熱軋光圓鋼筋鋼（HPB300）。參照210 t 轉爐生產線硅錳鋁弱脫氧工藝試驗生產，由于鋼水中w[O] 控制不穩(wěn)定，堵水口頻繁，單中間包連澆爐數(shù)徘徊在3～6 爐，嚴重制約生產效率的提升。隨后結合小方坯的特點，采用精煉定氧，將鋼水中的w[O]控制在（30～60）×10-6范圍內（較板坯鋼種w[O]含量高約15×10-6），堵水口頻次大幅降低。不同生產線采用硅錳鋁弱脫氧，鋼水中的w[Al]和w[O]控制情況見表3。

表3 硅錳鋁弱脫氧鋼精煉出站鋼水中的w[Al]和w[O]

2.2 強脫氧鋼生產技術

2.2.1 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼生產技術

2010 年11 月，重慶鋼鐵煉鋼廠210 t 轉爐生產線開發(fā)了BOF →RH →CC 工藝低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼（SPHC）生產技術，單中間包連澆爐數(shù)達到18 爐。2018 年2 月，開發(fā)了低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼BOF →CAS →CC 高效低成本生產工藝，取得了良好的實踐效果。

李德剛等[2]認為，氧化性頂渣與鋼水接觸，其氧勢高于鋼水中的氧勢，頂渣中的氧就進人鋼水中，造成鋼水二次氧化，且頂渣對鋼液供氧的貢獻率大于鋼包與中間包銜接的水口處吸氣對鋼液供氧的貢獻率。因此，對采用BOF →CAS →CC工藝生產SPHC 鋼，控制鋼水可澆性就是防止堵水口，重點發(fā)揮轉爐出鋼高堿度渣渣洗冶金功能，強化鋼包頂渣改質（w（FeO+MnO）＜5 %，w（CaO）/w（Al2O3）=1.5～1.7）。主要措施是利用精煉石灰、鋁粒和轉爐用稠渣劑調配高堿度精煉渣，充分發(fā)揮轉爐出鋼渣洗冶金功能。同時，采取降低轉爐終點w[O]，減少Al2O3夾雜物的生成量；優(yōu)化吹氬工藝，增大Al2O3去除量；連鑄過程保護澆注，中間包定期排渣，換水口等配套措施。隨機抽查559 爐SPHC鋼，轉爐終點w[O]=593（352～785）×10-6，CAS 吹氬攪拌時間15～18 min，軟吹氬時間≥10 min，鋼水鎮(zhèn)靜時間28 ～30 min。SPHC 鋼鋼包頂渣化學成分見表4。

表4 SPHC 鋼鋼包頂渣化學成分

2.2.2 鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理生產技術

對鋼水進行鈣處理，能有效變性高熔點氧化鋁、鎂鋁尖晶石等夾雜物，形成低熔點的液態(tài)夾雜物，促進夾雜物上浮去除，有效提高鋼液的潔凈度，減輕連鑄水口堵塞問題。鈣處理存在著一個最低加入量和最高加入量的“液態(tài)窗口”問題，鈣的最低加入量是為了保證夾雜物是液態(tài)的，鈣的最高加入量是保證不生成固體的CaS 夾雜物[3]。如果鋼中硫很少，鈣的加入量過多，雖不會生成CaS，但生成的12CaO·7Al2O3能夠浸透到塞棒或滑動水口耐火材料的氧化物晶界使其溶解剝落，導致鋼液控制失靈[4]。

重慶鋼鐵煉鋼廠鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理控制w[Al]≥0.020 %，w[S]≤0.015 %，鋼包頂渣改質，鈣處理后w[Ca]=（22～35）×10-6，堵水口和塞棒侵蝕可控，鋼水可澆性良好。

2.3 LF 分級精煉技術

對于硅鎮(zhèn)靜鋼[1]，在LF 還原精煉氣氛和低氧條件下（w[O]＜15×10-6），MgO-C 磚中C 還原MgO釋放出Mg，與鋼水中的Al2O3形成MgO·Al2O3，或者耐火材料、爐渣中的MgO 與鋼水中的Al2O3直接反應生成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF 白渣精煉時間越長，MgO·Al2O3形成得越多，堵水口越嚴重。鄧志銀等[5]研究認為，精煉渣堿度小于3～4，有利于控制鎂鋁尖晶石的生成；堿度在4 左右，精煉渣接近最大脫氧能力。對于LF 精煉，控制LF 過程精煉渣的成分、鋼渣反應強度等就是控制鋼水夾雜物尺寸、化學組成、形貌和數(shù)量，就是控制鋼渣之間的氧平衡。

重慶鋼鐵煉鋼廠針對不同的鋼種，不同的產品用途，重點從控制LF 精煉時間、精煉渣成分、升溫幅度、吹氬攪拌強度（吹氬流量和時間）和鈣處理量等方面，實施分級精煉，保證了鋼種精煉過程中鋼-渣氧平衡，避免鎂鋁尖晶石等高熔點夾雜物大量生成。從而相繼突破了經LF 精煉的硅錳脫氧低合金鋼、硅錳鋁弱脫氧鋼和低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼堵水口的難題。同時還解決了低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼在脫硫、增硅、增碳和取向硅鋼在增碳等方面存在的問題，實踐效果較好。典型的LF 精煉渣化學成分見表5。

表5 典型的LF 精煉渣化學成分

2.4 其他改進措施

鋼水過熱度太低，夾雜物不易上浮，流動性變差，易使水口堵塞甚至凍結，也容易加重連鑄板坯的半宏觀偏析[6]。把中間包鋼水過熱度范圍按15～23 ℃控制，降低了鋼包未澆完頻次。

提升鋼包及連鑄三大件等耐火材料品質，使其與鋼種、工藝、成本等匹配，防止耐火材料原因影響連鑄澆注困難。

建立鋼水可澆性異常信息反饋及應對制度，降低了生產事故發(fā)生率。

3 實踐效果

單中間包連澆爐數(shù)是評價鋼水可澆性優(yōu)劣的一個重要指標。通過采取上述改善鋼水可澆性的生產技術措施，提高了各臺鑄機的單中間包連澆爐數(shù)。2018 年1-12 月重慶鋼鐵煉鋼廠連鑄機單中間包連澆爐數(shù)情況如圖1 所示。

圖1 2018 年1-12 月重慶鋼鐵煉鋼廠連鑄機單中間包連澆爐數(shù)情況

從圖1 可以看出，5 臺連鑄機的單中間包平均連澆爐數(shù)均處于上升趨勢。2018 年，1#連鑄機月均單中間包連澆爐數(shù)最高達到15.41 爐，2#連鑄機達到了15.08 爐，3#連鑄機達到了11.73 爐，5#連鑄機達到了32.61 爐，6#連鑄機達到了34.26 爐，單中間包連澆爐數(shù)和鋼產量均創(chuàng)造了公司歷史最好水平。

4 結論

綜合采用以下措施，可以有效改進鋼水可澆性。

（1）定徑快換水口澆注的熱軋帶肋鋼筋鋼采取硅錳弱脫氧技術，控制精煉出站鋼水中的w[O]=（25～50）×10-6；澆注的光圓鋼，采用硅+錳+少量鋁弱脫氧技術，控制精煉出站鋼水中的w[O]=（30～60）×10-6，較板坯鋼種w[O]含量高約15×10-6。

（2）BOF →CAS →CC 工藝生產SPHC 鋼，重點發(fā)揮高堿度渣渣洗冶金功能，控制鋼包頂渣w（FeO+MnO）＜5 %、w（CaO）/w（Al2O3）=1.5～1.7。

（3）鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理控制w[Al]≥0.020 %，w[S]≤0.015 %，鋼包頂渣改質，鈣處理后w[Ca]=（22～35）×10-6。

（4）控制LF 精煉參數(shù)，保持鋼種精煉過程中鋼-渣氧平衡，避免鎂鋁尖晶石等高熔點夾雜物大量生成，開發(fā)LF 分級精煉技術。

（5）鋼水過熱度按18～23 ℃控制，提升耐火材料品質，建立鋼水可澆性異常信息反饋及應對措施。