包晶鋼Q195方坯連鑄結(jié)晶器液面波動(dòng)原因分析與控制

郭勤宇 李海 張洪彪 劉志勇 鄧齊根 姚軍

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司煉鋼廠 安徽蕪湖 241002）

1 前言

連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水自由液面的波動(dòng)行為對(duì)連鑄坯質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)自由液面發(fā)生劇烈的波動(dòng)時(shí)，其保護(hù)渣的厚度分布將會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致鋼液發(fā)生二次氧化以及保護(hù)渣發(fā)生卷渣現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量下降。另外，鋼液自由液面處的波動(dòng)也是影響連鑄坯的高拉速順行和高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。如何合理的控制結(jié)晶器內(nèi)鋼／渣界面處的自由液面波動(dòng)已越來(lái)越受到人們的重視［1］。包晶鋼連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)對(duì)生產(chǎn)的影響主要體現(xiàn)在［2］：（1）影響安全生產(chǎn)，使包晶鋼連澆爐數(shù)降低，并且?guī)?lái)滑板漏鋼的風(fēng)險(xiǎn)［3］；（2）帶來(lái)鑄坯質(zhì)量問(wèn)題。在液面大幅波動(dòng)的過(guò)程中易產(chǎn)生夾渣［4］，在鑄坯大幅降速的過(guò)程中易產(chǎn)生橫裂，給鑄坯質(zhì)量控制帶來(lái)嚴(yán)重的影響［5］。

在澆鑄包晶鋼Q195時(shí)，連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)情況時(shí)有發(fā)生，液面波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，波動(dòng)幅度高達(dá)±20mm，給澆注順行帶來(lái)很大的影響。某廠平均每月因液面波動(dòng)造成甩廢774m，約182.3t。因此，分析包晶鋼連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)的影響因素并且采取相應(yīng)措施加以控制，對(duì)于保證連鑄現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)和提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。

2 鑄機(jī)及生產(chǎn)情況介紹

2.1 Q195成分及生產(chǎn)工藝條件

本研究選取的包晶鋼Q195鋼種其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q195鋼中主要成分／%

某煉鋼廠2＃連鑄機(jī)（見(jiàn)表2）生產(chǎn)包晶鋼Q195工藝流程為：120t LD轉(zhuǎn)爐煉鋼→120t LF爐精煉→CC（180mm×180mm）→CR。轉(zhuǎn)爐采用高拉補(bǔ)吹，控制出鋼成分：C≤0.06%、P≤0.030%，出鋼加鋁錠60kg／爐，白灰400kg；精煉采用電石脫氧，化渣劑適量及時(shí)調(diào)整渣況并保證精煉渣良好的流動(dòng)性，精煉周期時(shí)間≤25min，精煉渣二元堿度R：2.5，（FeO）+（MnO）＜1.2%，軟吹時(shí)間≥5min。十機(jī)十流直弧形連鑄機(jī)生產(chǎn)180mm×180mm方坯。

表2 連鑄主要工藝技術(shù)參數(shù)

120t轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐與連鑄機(jī)生產(chǎn)周期相匹配，在40min～50min內(nèi)，連澆爐數(shù)約為20～25爐。

2.2 包晶鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本研究針對(duì)研究現(xiàn)場(chǎng)2＃連鑄機(jī)的連鑄生產(chǎn)進(jìn)行。研究現(xiàn)場(chǎng)2＃連鑄機(jī)2019年－2020年4月份共澆鑄鋼水7588爐，其中包晶鋼有1345爐，本文的分析基于此1345爐包晶鋼。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)的判定方法為，液面波動(dòng)幅度大于5mm就算作發(fā)生了液面波動(dòng)。在研究現(xiàn)場(chǎng)2號(hào)連鑄機(jī)2019年－2020年4月份澆鑄的1345爐包晶鋼中，發(fā)生連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)的有252爐，下文中將連鑄結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)簡(jiǎn)稱(chēng)為液面波動(dòng)。

3 影響結(jié)晶器液面波動(dòng)因素

3.1 鋼液成分

不同鋼種對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的敏感性不同，這是由于鋼中有些化學(xué)成分在一定條件下會(huì)發(fā)生反應(yīng)，并且不同鋼種的膨脹系數(shù)［6］和傳熱系數(shù)［7］區(qū)別也很大，都會(huì)影響液面的穩(wěn)定性。鋼水［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)液面波動(dòng)的影響可通過(guò)鐵－碳相圖（圖1）所示包晶反應(yīng)得到解釋?zhuān)?］。圖1表明，包晶鋼鋼水在凝固過(guò)程中將發(fā)生包晶反應(yīng)δ+L→γ，包晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要特點(diǎn)就是發(fā)生收縮，包括體積收縮和線收縮。δ鐵的密度比γ鐵小，δ→γ的轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生體積收縮，使得連鑄過(guò)程中初生坯殼在靠近彎月面區(qū)域和角部區(qū)域的收縮不規(guī)則［9］，造成坯殼生長(zhǎng)不均勻，使進(jìn)入二冷區(qū)扇形段的坯殼厚薄不均。在內(nèi)部鋼水靜壓力的作用下，坯殼于導(dǎo)輥間向外鼓出變形，即“鼓肚”，此時(shí)結(jié)晶器液面會(huì)下降，鼓肚的坯殼到達(dá)下一導(dǎo)輥時(shí)又被擠壓回去，使液面上升，如此反復(fù)就形成了液面波動(dòng)。

圖1 鐵－碳相圖包晶反應(yīng)區(qū)

鋼水［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.09%～0.17%的區(qū)間內(nèi)時(shí)，由圖1所示，鋼水凝固過(guò)程為：L→L+δ→L+δ+γ→δ+γ→γ，研究表明，當(dāng)鋼水［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.09%左右時(shí)，鋼水由液體到固體的凝固收縮系數(shù)最大［10］，坯殼生長(zhǎng)的不均勻程度最大［11］。

3.2 鋼水純凈度

鋼水質(zhì)量對(duì)液面波動(dòng)的影響因素主要是鋼水流動(dòng)性，鋼水流動(dòng)性的主要影響因素為鋼水純潔度、溫度；其中鋼水純潔度的影響較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易解決，對(duì)鑄坯質(zhì)量造成較大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大量的廢品。通過(guò)調(diào)整合理的精煉渣組分、充分的精煉時(shí)間、合理的吹氬制度使夾雜充分上浮提高鋼的潔凈度。防止鋼水二次氧化主要是指鋼水在澆鑄的過(guò)程中保護(hù)澆鑄保護(hù)不好，鋼水中的易氧化元素被氧化，造成鋼水中的夾雜物增多，夾雜物在水口內(nèi)壁聚集，導(dǎo)致鋼流偏流，結(jié)晶器液面波動(dòng)。另外，澆鑄過(guò)程中，鋼包轉(zhuǎn)換時(shí)，前一包的鋼包渣和后一包的引流砂會(huì)直接進(jìn)入中包，開(kāi)澆時(shí)鋼流對(duì)中包覆蓋劑的沖擊造成卷渣，鋼包在轉(zhuǎn)換時(shí)中包液位會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，易造成注流區(qū)漩渦和結(jié)晶器液面波動(dòng)。

3.3 中包覆蓋劑

中間包覆蓋劑結(jié)殼后，會(huì)使塞棒和融化的中包覆蓋劑粘合在一起，當(dāng)塞棒根據(jù)液面情況自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)度時(shí)因粘合導(dǎo)致塞棒無(wú)法正常調(diào)整或調(diào)整時(shí)阻力大，調(diào)整不靈活，造成液面忽上忽下，從而導(dǎo)致液面波動(dòng)增大。該類(lèi)波動(dòng)多數(shù)發(fā)生在連鑄機(jī)存在溢流槽位置的流數(shù)，因其與大氣直接接觸，造成該流塞棒位置中包覆蓋劑表面溫度低，覆蓋劑表面易結(jié)殼。

3.4 塞棒影響

塞棒對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響主要有兩個(gè)方面：一是塞棒安裝精度，包括塞棒與水口的垂直對(duì)中情況、塞棒絲杠等連接部位的緊固情況；二是塞棒的耐侵蝕情況。在塞棒安裝精度控制方面，通過(guò)塞棒絲杠上的球面墊進(jìn)行調(diào)平，確保塞棒垂直對(duì)中水口，制定嚴(yán)格的驗(yàn)收制度和考核制度，定期檢查，以確保塞棒的安裝精度。另外，必須嚴(yán)格控制塞棒耐材質(zhì)量，針對(duì)不同鋼種采用不同材質(zhì)的塞棒，確保塞棒有足夠的耐侵蝕性和抗熱振性。

Q195因碳含量低而鋼水氧性強(qiáng)，塞棒材質(zhì)組成為：頭部MgO：58%，ZrO：5%，C：10%，鋼水中氧與棒頭中碳反應(yīng)，使棒頭侵蝕嚴(yán)重或不圓整造成液面波動(dòng)。

3.5 結(jié)晶器流場(chǎng)

Teshima等人［12］引入了結(jié)晶器液面波動(dòng)函數(shù)F，認(rèn)為波高同F(xiàn)之間呈線性關(guān)系，當(dāng)F值處于3～5范圍時(shí)可得到較為理想的液面波動(dòng)狀態(tài)。波動(dòng)函數(shù)F的定義如公式。

式中 ρ－鋼液密度，kg／m3；

QL－澆鑄速度，m3／s；

Ve－鋼液流股到達(dá)窄面碰撞速度，m／s；

θ－鋼水流股與結(jié)晶器窄面的碰撞角度，°；

D－碰撞點(diǎn)到結(jié)晶器液面的距離，m。

從式（1）可以看出，液面波動(dòng)的大小與水口的尺寸形狀、水口出口角度、水口浸入深度和水口出口流速（或拉速）密切相關(guān)。水口不對(duì)中、水口蓄流、水口兩側(cè)通鋼量不均衡等現(xiàn)象均會(huì)影響結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)，從而導(dǎo)致結(jié)晶器液面出現(xiàn)波動(dòng)。圖2、3為Ansys Fluent模擬Q195水口內(nèi)徑40mm、出口角度0°、插入深度120mm、拉速1.4m／min時(shí)結(jié)晶器液面流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況。

圖2 結(jié)晶器液面流場(chǎng)分布圖

3.6 冷卻制度

一般鋼廠澆鑄的鋼種很多，若鋼種冷卻參數(shù)選擇不當(dāng)，坯殼在結(jié)晶器和扇形段中生長(zhǎng)不均勻，鑄坯產(chǎn)生鼓肚或者凝固末端位于矯直段，就會(huì)造成結(jié)晶器液面波動(dòng)。如圖4所示，由于坯殼內(nèi)部鋼液靜壓力的作用會(huì)在兩對(duì)導(dǎo)輥間產(chǎn)生向外鼓出的變形，即所謂的“鼓肚”。當(dāng)扇形段內(nèi)坯殼出現(xiàn)鼓肚時(shí)結(jié)晶器液面會(huì)下降，有鼓肚的坯殼到達(dá)支撐輥時(shí)又被擠壓回去，導(dǎo)致液面又會(huì)上升，如此反復(fù)就形成了液面波動(dòng)。通過(guò)ProCAST軟件，建立Q195連鑄坯的凝固傳熱模型并導(dǎo)出鑄坯的坯殼厚度變化曲線，經(jīng)過(guò)處理，得到1.4m／min拉速下的液芯形貌如下圖4所示。

圖4 拉速1.4m／min時(shí)液芯形貌

4 結(jié)晶器液面波動(dòng)控制措施

針對(duì)以上可能引起結(jié)晶器液面波動(dòng)的原因，主要采取以下措施控制液面波動(dòng)。

Q195因鋼種特性存在包晶區(qū)，此類(lèi)鋼材易于在澆鑄的時(shí)候出現(xiàn)液面波動(dòng)的現(xiàn)象。［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間為0.075%～0.095%時(shí)液面波動(dòng)最為嚴(yán)重［2］，因此需控制Q195碳成分，盡量避開(kāi)此區(qū)間。

轉(zhuǎn)爐出鋼采用0.5kg／t鋁錠脫氧；LF精煉電石、碳化硅脫氧造黃白渣，控制精煉周期≥30min，軟吹時(shí)間≥10min保證夾雜物充分上??；在澆鑄的過(guò)程中必須做好全程保護(hù)澆鑄，確保澆鑄過(guò)程中鋼水的流動(dòng)性。采用長(zhǎng)水口澆鑄，長(zhǎng)水口碗用氬氣保護(hù)。在連鑄澆鑄大包轉(zhuǎn)換時(shí)，中包液位保持一定的液位高度對(duì)結(jié)晶器液位穩(wěn)定具有很重要的影響。

圖3 結(jié)晶器液面溫度場(chǎng)分布圖

中包渣面采用酸性覆蓋劑+碳化稻殼雙層覆蓋，同時(shí)中包包蓋抹泥，溢渣口巖棉覆蓋，防止鋼水溫降大渣面結(jié)殼。中包采用鋁碳質(zhì)高氧抗侵蝕塞棒，結(jié)晶器采用包晶鋼專(zhuān)用保護(hù)渣。控制注入結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流量，使結(jié)晶器內(nèi)鋼水量保持穩(wěn)定；降低鋼水的過(guò)熱度，以減小鋼水與結(jié)晶器銅板的溫差，并降低鑄坯殼層的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力，增加凝固速率，緩解液面波動(dòng)，中間包加熱技術(shù)可有效降低和穩(wěn)定鋼水的過(guò)熱度；對(duì)浸入式水口的形狀、插入深度、位置等進(jìn)行優(yōu)化后，改善了結(jié)晶器流場(chǎng)。

二冷強(qiáng)度對(duì)與包晶鋼結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)密切相關(guān)的坯殼的非穩(wěn)定鼓肚有重要影響，重點(diǎn)加強(qiáng)坯殼較薄的初期冷卻強(qiáng)度有助于增加坯殼厚度，減弱坯殼的非穩(wěn)定鼓肚［9－10］。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，澆鑄包晶鋼時(shí)，結(jié)晶器采用弱冷，水量為115m3／L～120m3／L；二冷水量為0.9L／kg，以減小液面波動(dòng)比例。具體工藝控制參數(shù)如表3所示。

表3 覆蓋劑成分含量對(duì)比%

采取優(yōu)化措施后，結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)量逐漸恢復(fù)到±3mm以?xún)?nèi)，鑄坯降級(jí)改判率和廢品大幅度下降，缺陷率從3.16%控制到0.65%以下。

表4 工藝控制參數(shù)

5 結(jié)論

1）包晶鋼Q195鋼水［C］成分、鋼水純凈度、中包覆蓋劑、塞棒材質(zhì)、結(jié)晶器流場(chǎng)以及二冷制度均影響結(jié)晶器液面波動(dòng)。

2）鋼水［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)避開(kāi)0.09%，提高鋼水純凈度，使用FGJ－10中包覆蓋劑、高氧塞棒，穩(wěn)定結(jié)晶器流場(chǎng)，采用弱冷制度可降低液面波動(dòng)。

3）采取優(yōu)化措施后，結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)量逐漸恢復(fù)到±3mm以?xún)?nèi)，鑄坯降級(jí)改判率和廢品率大幅度下降，缺陷率從3.16%控制到0.65%以下。