鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制工藝應用研究

魏春新，蘇建銘，孫濤，喬冠男，趙晨光

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鑄坯潔凈度是影響鑄坯質量的重要因素，直接影響到鋼材產品的力學性能和工藝性能。因此，控制鑄坯潔凈度應作為潔凈鋼生產的首要任務［1-2］。首鋼研究院鄭小旋等對比分析了CAS和LF精煉工藝冶煉SPA-H鋼的夾雜物特征，結果表明，CAS工藝精煉渣中TFe質量分數(shù)較高，導致喂鈣吸收率較低，從而產生了硫化物夾雜［3］。酒鋼馬明勝等從連鑄工藝出發(fā)，分析了夾雜物的成分，認為夾雜物來源是結晶器卷渣［4］。山東鋼鐵股份有限公司王鍵等從精煉和連鑄兩個角度出發(fā)，采用液態(tài)低熔點夾雜物控制、矩形坯連鑄機無氧化澆鑄、穩(wěn)態(tài)無氧化澆鑄系統(tǒng)潔凈度集成等控制技術以及彌散型氣泡幕墻技術獲得了較好的處理效果，使得夾雜物控制在50 μm以內［5］。由于單一工藝流程難以全面控制鑄坯潔凈度，鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠（以下簡稱“三分廠”）結合實際生產工藝，提出了全流程系統(tǒng)控制鑄坯潔凈度的工藝路線，具體控制技術應用于生產后取得了較好的效果。

1 鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制工藝原理與路線

1.1 工藝原理

鋼水中的夾雜物主要分為內生夾雜和外來夾雜，其中內生夾雜主要來源于冶煉過程中脫氧劑和脫硫劑的添加，外來夾雜主要來源于冶煉過程中各個工藝環(huán)節(jié)的耐火材料。因此，控制鋼材產品的夾雜應從兩個方面著手，首先優(yōu)化冶煉工藝，控制冶煉過程中鋼水的氧化性，從而控制內生夾雜的產生；其次是提高耐火材料品質，在操作中增強對耐火材料的保護意識，從而控制外來夾雜的產生。內生夾雜在鋼水中主要經歷形核、長大和排除三個階段，控制鋼水中內生夾雜，即控制其長大過程。夾雜物的長大主要分為擴散長大、碰撞長大和擴散聚合。研究表明，擴散長大和擴散聚合過程較為緩慢，只有碰撞長大會引起夾雜物尺寸的顯著變化［6-8］。因此，促進或抑制夾雜物的長大，可以促進夾雜物在一定尺寸范圍內。

1.2 工藝路線

三分廠現(xiàn)有KR鐵水預處理設備兩座，180 t復吹轉爐兩座，RH真空爐兩座，LF鋼包爐一座，雙工位ANS-OB精煉爐一座，板坯連鑄機兩臺?；趭A雜物生長原理，三分廠提出了鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制的思路，其工藝路線見圖1。

圖1 鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制工藝路線Fig.1 System Control Process Route for Cleanliness of Casting Blanks

首先，控制轉爐的碳氧積，控制鋼水中游離氧的質量分數(shù)，降低鋼水的氧化性；其次，通過優(yōu)化RH真空系統(tǒng)減少精煉過程中OB升溫幅度，抑制氧化物夾雜的生成；第三，通過滑板擋渣工藝、大罐下渣檢測工藝以及鋼包密封結構優(yōu)化可以減少轉爐和精煉產生的熔渣對連鑄過程的影響；第四，采用結晶器電磁攪拌工藝促進結晶器內夾雜物的碰撞長大，使得結晶器內的夾雜物順利排出并被保護渣吸收；最后，采用四面火焰清理機對鑄坯表面進行清理，以保證穩(wěn)定的鑄坯質量。

2 系統(tǒng)控制技術實施及效果

2.1 優(yōu)化碳氧積的控制

碳氧積是衡量轉爐技術經濟水平的重要指標，通過控制轉爐碳氧積能夠控制轉爐終點熔渣氧化性，從而降低氧化物夾雜對精煉和連鑄過程的影響。鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制前，轉爐碳氧積約為0.002 4，轉爐終點熔渣氧化性較高，導致了后工序氧化物夾雜的增加，故亟需控制轉爐碳氧積以降低終渣氧化性。研究表明，碳氧積主要受底吹氣體流量、底槍的數(shù)量與布置形式、轉爐出鋼溫度等因素影響。

（1）優(yōu)化底吹供氣流量的控制

三分廠采用DN15管徑的底吹閥門系統(tǒng)代替原有的DN20管徑，通過流量計和調節(jié)閥的控制，可以將底吹流量精度控制在0.5～1.0 m3/min，最大流量可達6.5 m3/min，全量程調節(jié)時間約10 s。實現(xiàn)了底吹系統(tǒng)高壓力、大幅變流量控制，降低底吹系統(tǒng)故障率，節(jié)約生產成本，增強了爐底厚度控制的穩(wěn)定性。

（2）優(yōu)化底吹元件設計及布置

三分廠將底槍數(shù)量由8支提高至12支，布置由原來的圓周形設計調整為橢圓形，轉爐底槍布置如圖2所示。將裝料側與出鋼側的兩支底槍向爐底內環(huán)縮進，減少廢鋼沖擊與出鋼過程侵蝕，提高底槍壽命，促進冶煉過程中碳氧充分反應。

圖2 優(yōu)化前后轉爐底槍布置對比Fig.2 Comparison of Oxygen Lance Distribution at Bottom of Converter before and after Improvement

（3）優(yōu)化轉爐出鋼溫度的控制

通過轉爐合金化及吹氬工藝調整、減少鋼包周轉個數(shù)提高鋼包熱效率，完善生產用列車時刻表縮短鋼水傳擱時間，優(yōu)化鋼水進站成分、提高溫度合格率縮短精煉處理時間等措施，全鋼種平均出鋼溫度由1 675.4℃降低至1 664.2℃，降低幅度11.2℃，為降低轉爐碳氧積提供了有利保障。

圖3 所示為優(yōu)化前后轉爐碳氧積控制效果對比。由圖3可知，通過對底吹氣體流量、底槍的數(shù)量與布置形式、轉爐出鋼溫度等因素的優(yōu)化控制，轉爐碳氧積由優(yōu)化前的0.002 4降低至0.001 7，從而保證了鋼水的低氧化性，降低內生夾雜的生成概率。

圖3 優(yōu)化前后轉爐碳氧積控制效果對比Fig.3 Comparison of Control Effects for Product of Carbon Content and Oxygen Content before and after Improvement

2.2 優(yōu)化RH真空系統(tǒng)

RH精煉能夠有效降低鋼水中氧的質量分數(shù)，從而較少鋼水中的內生夾雜［9-10］。三分廠兩座RH精煉爐分別于1999年、2003年建造投產，運行至今，整體設備老化，生產效率低下，已經不能適應當前生產和質量要求。對RH優(yōu)化主要從兩個方面進行：（1）優(yōu)化抽氣系統(tǒng)，真空泵抽氣能力提高至850 kg/h；（2）優(yōu)化氣體流量，環(huán)流管直徑在原有基礎上增加60 mm，氣體流量由原來0～150 m3提升到0～250 m3。真空系統(tǒng)優(yōu)化后，RH精煉脫碳時間由原來的20 min縮短至13～15 min，超低碳汽車鋼精煉處理周期由原來的30～35 min縮短至25～30 min。脫碳用剩余氧量平均降低0.005%/罐，降低了鋁脫氧夾雜的數(shù)量；氣體流量的提升縮短了RH精煉處理周期，減少了耐材與鋼水的接觸時間，降低了外來夾雜的數(shù)量。RH真空系統(tǒng)優(yōu)化后，提高了真空室、鋼包的熱周轉頻率，系統(tǒng)溫度可控性更高，降低OB率30%以上，提高了鋼水的潔凈度。

2.3 采用大罐下渣檢測工藝

在連鑄工藝流程中，從鋼包帶入到中間包以及結晶器中的爐渣是連鑄結晶器外來夾雜的主要來源。傳統(tǒng)工藝常因操作人員判斷經驗不足導致下渣，從而使外來夾雜進入中間包。為有效避免此類問題，采用大罐下渣檢測技術監(jiān)控每個澆次下渣量。測量每罐停澆前后中間包渣厚，計算得到平均每罐下渣量。平均下渣量的計算方法如下：

式中，M為平均下渣量，kg；L為中間包擋渣墻之間距離，取3.6 m；D為中間包寬度，取1.4 m；da為停澆后渣層厚度，m；db為停澆前渣層厚度，m；ρ為熔渣密度，kg/m3；n為每澆次罐數(shù)。

停澆前后熔渣厚度對比見表1。熔渣主要成分及密度見表2，計算可知熔渣密度為3.702 g/cm3，按密度最大原則，熔渣密度取4 g/cm3。計算過程中，所用參數(shù)以下渣量最大為原則取值，若計算結果小于45 kg，則認為此時中間包中的渣量控制在合理范圍，即對結晶過程產生影響較小。共檢測5個澆次，檢測靈敏度設定為15%。

表1 各澆次停澆前后熔渣厚度對比Table 1 Comparison of Molten Slag Thickness before and after Each Casting m

表2 熔渣主要成分及密度Table 2 Main Compositions in Molten Slag and Its Density

根據式（1）計算可以獲得每個澆次每罐平均下渣量，優(yōu)化后平均下渣量如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后平均下渣量Fig.4 Average Roughing Slag Amount after Improvement

由圖4可知，采用大罐下渣檢測工藝后，各澆次平均下渣量由74 kg降低至約29 kg，且每罐平均下渣量均小于45 kg，有效控制了中間包的全氧量。

2.4 優(yōu)化鋼包澆鑄密封結構

連鑄澆鑄過程中，鋼包下水口與澆鑄用長水口之間的密封是控制鋼水中夾雜、保護澆鑄的重要環(huán)節(jié)。結構優(yōu)化前，密封效果不好，存在嚴重的吸氣現(xiàn)象，不僅造成鋼水的二次氧化，同時空氣被抽進鋼水流股內，其中的氧還會對耐材產生嚴重的氧化作用，造成耐材的脫落，從而產生外來大顆粒夾雜，這都嚴重影響鋼水的潔凈度。三分廠對原有的鋼包下水口、澆鑄用長水口以及二者之間的密封墊進行結構優(yōu)化改進，優(yōu)化后的密封結構如圖5所示。首先，將鋼包下水口下沿向內側倒角傾斜角度加大，同時整體加厚密封墊并倒角以迎合新鋼包下水口的倒角傾斜角度進行設計，增加其與密封墊的接觸面積，提升密封效果；其次，將密封墊側面高度適當降低，保證長水口腕部氬氣通過氣道排出后，能夠對結合部位起到密封作用；第三，采用長水口全程浸入式澆鑄，減少鋼水的二次氧化，同時減少鋼水注流對中間包液面的攪動，也就減少了卷渣的影響。

圖5 優(yōu)化后的密封結構Fig.5 Sealing Structure after Improvement

圖6 所示為鋼包澆鑄密封優(yōu)化前后鋁損合格率對比，由圖6可知，優(yōu)化前鋁損合格率為60%左右，優(yōu)化后鋁損合格率可達80%以上，其主要原因在于，優(yōu)化后密封效果顯著提升，抑制了澆鑄過程中的吸氣現(xiàn)象，有效防止了鋼水的二次氧化，減少了因空氣進入鋼水導致的耐材嚴重氧化以及脫落，從而提高了鋼水的潔凈度。

圖6 鋼包澆鑄密封優(yōu)化前后鋁損合格率對比Fig.6 Comparison of Qualified Rates of Aluminum Loss before and after Sealing Improvement for Ladle Casting

2.5 采用結晶器電磁攪拌工藝

結晶器電磁攪拌可以促進鋼中氣泡和夾雜物上浮排出、均勻鋼水成分和溫度、提高鑄坯等軸晶率，使鑄坯表面的氣泡、非金屬夾雜物得到控制，改善鑄坯潔凈度［11-12］。由于投入結晶器EMS后結晶器內液位波動顯著降低，降低結晶器卷渣量，使得冷軋缺陷率下降。圖7為電磁攪拌應用前后冷軋缺陷率的變化。如圖7所示，結晶器EMS顯著影響鑄坯的冷軋缺陷率，冷軋缺陷率降低約11%。

2.6 采用四面火焰清理

制造業(yè)的發(fā)展對板材提出了零缺陷的要求，而鑄坯生產過程中，連鑄坯不可避免會出現(xiàn)橫縱裂紋、皮下針孔、夾雜、凹陷等各種表面缺陷，且傳統(tǒng)人工清理工藝已難以保證鑄坯表面清理深度和清理質量。火焰清理是保證鋼坯質量穩(wěn)定的重要工藝，四面火焰清理機具有清理速度快以及節(jié)約能源的優(yōu)點?；鹧媲謇頇C基本結構見圖8。板坯通過輥道運輸?shù)交鹧媲懈顧C清理位之后停止，然后通過清理機本體上的兩條軌道將燒嘴移動到板坯四周，打開能源介質利用火焰對板坯四個面進行熔融清理。在火焰清理機燒嘴的后方安裝有噴嘴，主要用來對清理過程中產生飛濺的熔渣進行快速冷卻，防止熔渣在鑄坯表面及輥道表面富集，再通過高壓水將熔渣沖到旋流井中?；鹧媲謇頇C主要參數(shù)見表3。采用火焰清理工藝可穩(wěn)定控制鑄坯的清理深度，對鑄坯表面缺陷的改善起到至關重要的作用。經過跟蹤評價，火焰清理機的清理鑄坯比以往人工清理鑄坯的冷軋缺陷率降低28%。

圖8 火焰清理機基本結構Fig.8 Basic Structure of Flame Cleaning Machine

表3 火焰清理機主要參數(shù)Table 3 Main Parameters for Flame Cleaning Machine

2.7 冷軋缺陷率的控制

采用鑄坯潔凈度系統(tǒng)控制后，冷軋缺陷率的控制情況如圖9所示，冷軋缺陷率由系統(tǒng)控制前平均1.96%降低至平均1.30%。因此，鑄坯潔凈度全流程系統(tǒng)控制工藝路線實施效果明顯。

圖9 優(yōu)化前后冷軋缺陷率對比Fig.9 Comparison of Defect Rates in Cold Rolling before and after Improvement

3 結論

通過采取轉爐碳氧積控制、滑板擋渣工藝、RH真空系統(tǒng)、大罐下渣檢測、鋼包澆鑄密封、結晶器電磁攪拌以及火焰清理等工藝控制技術后，得出以下結論：

（1）降低了轉爐碳氧積以及RH真空系統(tǒng)優(yōu)化能控制冶煉過程中的內生夾雜；

（2）采用滑板擋渣工藝、大罐下渣檢測工藝以及鋼包澆鑄密封優(yōu)化措施控制外來夾雜，能夠有效降低前道工序帶入的渣量，從而減輕了后道工序對夾雜物處理的壓力；

（3）采用結晶器電磁攪拌工藝對鑄坯的冷軋缺陷率影響顯著，冷軋缺陷率降低約11%；

（4）火焰清理機能夠有效控制鑄坯的清理深度與清理質量，相比于人工清理鑄坯，火焰清理后鑄坯的冷軋缺陷率降低28%；

（5）鑄坯潔凈度全流程系統(tǒng)控制的工藝路線實施能夠有效控制鑄坯缺陷率，冷軋缺陷率由1.96%降至1.30%。