IF鋼浸入式水口堵塞成因及改進(jìn)措施

臧紅臣,鐘 鵬

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243011)

在連鑄IF鋼生產(chǎn)過程中，浸入式水口堵塞通常與最終產(chǎn)品軋制缺陷(夾雜和翹皮)有直接和間接的關(guān)聯(lián)性；同時嚴(yán)重堵塞問題也是限制連鑄連澆爐數(shù)的最重要因素。

為了改善堵塞的影響，目前對于板坯澆注最常見的措施是向結(jié)瘤部位和區(qū)域鋼水進(jìn)行吹氬[1]、[2]。由于氬氣在鋼水中沒有溶解度，一定流量的氬氣吹入鋼水，一方面增加了水口內(nèi)腔的慣性力而限制了固液界面的粘滯力，破壞和減小層流層，形成“氣盾”，阻礙Al2O3夾雜物向水口壁的遷移；另一方面，吹入的氬氣以微氣泡形態(tài)存在，與夾雜物碰撞過程中形成“捕獲核心”和“上浮載體”，將夾雜物帶離澆鋼通道并進(jìn)入結(jié)晶器上浮去除。這種工藝目前被國內(nèi)外眾多鋼企采用，而且有比較明顯的積極效果。但是，通過實(shí)際生產(chǎn)可以發(fā)現(xiàn)，采用“吹氬防堵”本身也會導(dǎo)致二次風(fēng)險和次生危害，尤其當(dāng)氬氣流量和吹氬方式與澆注條件不匹配時，吹氬的副作用有時會大于預(yù)防結(jié)瘤的目的。這些影響包括：氬氣泡特別是捕獲夾雜物的氬氣泡被凝固坯殼捕捉形成氣泡和夾雜物軋制缺陷，氬氣增加湍動能進(jìn)一步加劇結(jié)晶器液面波動造成卷雜風(fēng)險，以及水口渣線嚴(yán)重侵蝕污染鋼水等，這些隱患的產(chǎn)生其實(shí)也是堵塞問題的間接影響，它們往往導(dǎo)致相關(guān)的防蓄流措施陷入了矛盾和兩難之中。

通常對于同一組的澆鋼條件，保持理想澆鋼參數(shù)對氬氣吹入總量的耐受是有一定極限的，因此保證鑄坯質(zhì)量的安全，必須合理控制氬氣流量的上限。根據(jù)鋼廠生產(chǎn)實(shí)踐，IF鋼的吹氬上線最好控制在7.5 l/min以內(nèi)。

1 堵塞機(jī)理和過程

對于IF鋼生產(chǎn)，造成堵塞的機(jī)理是鋼水通過水口壁時會首先與耐材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使水口表面粗糙，然后脫氧過程產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)物和澆注過程產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物(主要以固態(tài)的小顆粒 Al2O3為主，這些小顆粒物(直徑<20 um)通常無法在鋼水存留，中間包階段大部分上浮去除)；一旦通過中間包進(jìn)入塞棒和浸入式水口，在流體動力學(xué)條件和固液界面的物理和化學(xué)作用下，會吸附和富集Al2O3在塞棒頭和水口內(nèi)腔，最終形成“結(jié)瘤”( 圖1)。具體過程包括幾個步驟：

圖1 水口結(jié)瘤部位

(1)形成的高熔點(diǎn)夾雜物隨鋼水進(jìn)入中間包控流區(qū)和浸入式水口通道內(nèi)；

(2)夾雜物向控流耐火材料壁遷移；

(3)耐材界面反應(yīng)，使固液界面“活性化”，促進(jìn)反應(yīng)層形成；

(4)遷移夾雜物抵達(dá)水口壁并附著；

(5)在表面張力驅(qū)動的作用下，夾雜物進(jìn)一步吸附和富集；

(6)過程中鋼水停留和夾雜物碰撞幾率越大，夾雜物富集越明顯。

2 水口堵塞的危害

水口堵塞的危害很大, 主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)澆注過程中，隨著堵塞物富集，會產(chǎn)生隨機(jī)性的剝落情況，會導(dǎo)致液面間歇性異常波動增加和大型夾雜進(jìn)入結(jié)晶器鋼水；

(2)堵塞嚴(yán)重情況下，甚至造成水口蓄死引起澆注中斷，非計劃停澆，使得煉鋼與連鑄之間正常的生產(chǎn)節(jié)奏失調(diào)、紊亂，從而降低了生產(chǎn)效率、金屬收得率等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，不利于生產(chǎn)成本的控制；

(3)另外，浸入式水口通道內(nèi)部和塞棒棒頭區(qū)域一旦發(fā)生蓄流和堵塞，澆注前期會導(dǎo)致塞棒棒位逐漸升高，偏流指數(shù)增加造成結(jié)晶器液面波動(圖2)。從而引發(fā)結(jié)晶器流場偏流等惡化結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場的問題，誘發(fā)產(chǎn)生諸如卷渣、皮下氣泡、表面裂紋等一系列質(zhì)量缺陷，影響連鑄坯質(zhì)量的控制。

(4)液面波動結(jié)合大型蓄流物，易引起卷渣漏鋼。

由于堵塞具有諸多危害, 必須采取措施加以控制。

圖2 蓄流引起的液面波動

3 改善和解決的方法

(1)綜合各研究成果[3]-[6], 減少堵塞發(fā)生應(yīng)從鋼水質(zhì)量、保護(hù)澆鑄、耐材選擇以及操作等方面全方位入手。

(2)控制鋼水過氧化程度，生產(chǎn)IF鋼時，要求出站，T[O]≤30 ppm；T[Fe]≤8.0%；夾雜鋁：Alt-Als≤30 ppm，上臺鎮(zhèn)靜時間不小于15 分鐘。

(3)連鑄做好全流程保護(hù)澆鑄，防止鋼水二次氧化。要求長水口密封、長水口浸入式開澆、 防止下渣，同時控制沖擊區(qū)亮圈、防止結(jié)晶器液面波動卷雜、塞棒系統(tǒng)密封、中間包氬氣保護(hù)等。

(4)安轉(zhuǎn)水口高級坐磚，中間包工作層中的MnO2、MgO、SiO2、殘余水汽等都會和與其接觸的鋼水中的Als進(jìn)行反應(yīng)，在接觸界面可產(chǎn)生自由氧很高的邊界條件，其原理的示意圖見圖3。

圖3 中間包襯與鋼水反應(yīng)示意圖

富自由氧[O] 的鋼水流入浸入式水口勢必會造成高熔點(diǎn)化合物析出，造成水口蓄流，而使用中間包水口高級座磚，能夠降低中間包底部鋼液流動產(chǎn)生負(fù)壓吸氧的風(fēng)險，從而起到避免對富氧環(huán)境的抽吸作用，減輕蓄流的效果。

水口高級坐磚的安裝圖見圖4所示。

圖4 浸入式水口高級座磚安裝圖

(5)針對水口內(nèi)部(600 mm 以下)形成以小顆粒 Al2O3富集為主的，內(nèi)孔堵塞，通過改善吹氬的方法來減少蓄流發(fā)生，選用塞棒環(huán)狀吹氬改善吹氬均勻性。

圖5 塞棒單孔和環(huán)形吹氬對比

(6)針對下部堵塞惡化，除上述方法外，對水口吐出口增大，使用大吐出孔設(shè)計，由原先的60 mm*80 mm改成現(xiàn)在的70 mm*90 mm，內(nèi)襯使用無碳內(nèi)襯,使蓄流比例大幅降低。

(7)規(guī)范操作

連鑄整個吹氬管路所工作的環(huán)境較為惡劣而且接頭多，容易發(fā)生吹氬管連接緊固不到位，連接處漏氣或吹氬管自身漏氣等問題，所以要求烘烤期間檢查管路是否漏氣。澆鑄過程根據(jù)液面情況及時補(bǔ)加中間包覆蓋劑等。

4 改進(jìn)效果

通過上述采取的措施后，統(tǒng)計了半年IF鋼種連鑄蓄流率變化情況，見表1所示。

表1 全鋼種連鑄蓄流率統(tǒng)計表

注：①蓄流定義為某爐某一流塞棒上升幅度超過10 mm，則該爐判定為蓄流；②蓄流率計算時，不含因溫度低導(dǎo)致的低溫凍死爐次。

由表1可以看出，連鑄IF鋼蓄流比例由1.80%降低至0.99%，2019年因蓄流回爐460 t，比2018年減少505 t，實(shí)際每月減少蓄流坯2600 t,效果顯著。