冷鐓鋼10B21 水口結(jié)瘤原因及改進(jìn)措施

賈黎杰 賀瑞飛 劉廣超 劉 鵬

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化汽車(chē)制造、家用電器等行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)冷鐓工藝制造的高檔標(biāo)準(zhǔn)件需求逐年上升，其中高強(qiáng)度冷鐓鋼10B21 廣泛應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)，前景十分廣闊。安鋼自成功開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品后，生產(chǎn)量穩(wěn)步增加，成為公司重要?jiǎng)?chuàng)效的產(chǎn)品之一。

冷鐓鋼10B21 由6 機(jī)6 流小方坯澆鑄，斷面為150 mm×150 mm。由于10B21 主要采用Al、Ti、B 等元素微合金化處理，隨著連澆爐數(shù)增加，析出的中間包浸入式水口結(jié)瘤物會(huì)越來(lái)越多，出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞水口，常需要燒氧處理，甚至?xí)斐蛇B鑄斷澆，擾亂了正常的生產(chǎn)秩序；且水口結(jié)瘤物的脫落通過(guò)結(jié)晶器進(jìn)入鋼液后，造成鑄坯大顆粒夾雜增多，惡化鑄坯質(zhì)量。

筆者通過(guò)對(duì)10B21 生產(chǎn)跟蹤，對(duì)水口結(jié)瘤物的主要來(lái)源及形成原因進(jìn)行了分析，并采取相應(yīng)控制措施，有效地解決了該鋼種在連鑄生產(chǎn)中出現(xiàn)水口結(jié)瘤的問(wèn)題，提高了冷鐓鋼鑄坯的質(zhì)量及合格率，保證了生產(chǎn)順行。

1 生產(chǎn)工藝流程和工藝參數(shù)

1.1 生產(chǎn)工藝流程

高爐鐵水→100 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→100 tLF 爐精煉→6 機(jī)6 流方坯連鑄機(jī)。

1.2 鋼水成分

10B21 熔煉化學(xué)成分控制范圍見(jiàn)表1。

表1 熔煉化學(xué)成分

1.3 連鑄工藝參數(shù)

連鑄主要工藝設(shè)備參數(shù)與控制要求見(jiàn)表2。

表2 連鑄主要工藝參數(shù)

2 水口結(jié)瘤機(jī)理分析

停澆水口中的結(jié)瘤物外觀如圖1 所示。取結(jié)瘤物做電鏡分析，結(jié)瘤物主要是A1、Ti 的氧化物，Ca/A1 比明顯偏低，結(jié)果見(jiàn)圖2 和表3。鋁脫氧的冷鐓鋼10B21 在轉(zhuǎn)爐和LF 爐脫氧冶煉過(guò)程中會(huì)形成高熔點(diǎn)的A12O3、CaS、A12O3·TiO2等夾雜物，如果LF 末期鈣處理不好，在澆注過(guò)程中，當(dāng)鋼水經(jīng)中間包上水口流入結(jié)晶器時(shí)，高熔點(diǎn)的夾雜物就容易粘附在塞棒頭位置和上水口內(nèi)壁，在水口壁和碗部形成結(jié)瘤物質(zhì)，嚴(yán)重影響塞棒的控流作用。隨著鋼水澆注的進(jìn)行，水口結(jié)瘤物的析出、附著、聚集長(zhǎng)大越來(lái)越嚴(yán)重，水口過(guò)鋼量逐漸減小，嚴(yán)重時(shí)直至連鑄停澆。

圖1 結(jié)瘤物形貌

圖2 結(jié)瘤物電子圖像

表3 結(jié)瘤物主要成分 %

3 水口結(jié)瘤物來(lái)源分析

3.1 鋁脫氧產(chǎn)物（A12O3）的形成

澆注過(guò)程中有脫氧產(chǎn)物A12O3夾雜在水口內(nèi)壁附著沉積，引起水口堵塞，說(shuō)明鋼水在精煉、澆注過(guò)程中［Al］有氧化，生成大量尖銳狀且熔點(diǎn)較高的A12O3夾雜。

3.2 鈣處理效果不好

由于鈣處理不得當(dāng)，沒(méi)有使高熔點(diǎn)脆性的CaO-A12O3系夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)楹}量較高的低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽夾雜（如12CaO·7A12O3），以及鋼中鋁脫氧產(chǎn)物沒(méi)有很好上浮固定在精煉渣中，致使鋼水中有CaO·A12O3、CaO·2A12O3等高熔點(diǎn)的鋁酸鈣。

3.3 含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）的產(chǎn)生

鈦與鋁具有相似的活潑性，鈦在鋼水中極易被氧化成A12O3·TiO2，相比于純A12O3夾雜，含鈦氧化物與鋼液間的潤(rùn)濕性更好,且由于該類夾雜物比重大，在流經(jīng)水口時(shí)極易在水口壁停滯，形成更為嚴(yán)重的浸入式水口結(jié)瘤、堵塞問(wèn)題。

3.4 鋼水中CaS 產(chǎn)生

鋼中加入的Ca 除與A1203反應(yīng)外，還能與鋼中的S 反應(yīng)生成CaS，隨著硫含量的增加，易在鋼水中形成高熔點(diǎn)的CaS（熔點(diǎn)為2 450 ℃），從而影響鋼水的流動(dòng)性，引起水口堵塞。若鋼中S 含量過(guò)高，Ca 優(yōu)先與鋼中的S 結(jié)合生成CaS，為提高鈣處理轉(zhuǎn)變?yōu)?2CaO·7A1203的效率，使Ca與A1203結(jié)合，應(yīng)將鋼水中的S 含量控制在0.01%以內(nèi)。

3.5 操作不當(dāng)，使鋼水二次氧化

澆注過(guò)程前期準(zhǔn)備和操作不當(dāng)，導(dǎo)致鋼水發(fā)生二次氧化，從而生成高熔點(diǎn)夾雜物聚集在水口。由于鈦鋁鎮(zhèn)靜鋼對(duì)于二次氧化非常敏感，在發(fā)生二次氧化后，A1/Ti 與O 的復(fù)合夾雜物數(shù)量明顯增多，且其極易在水口耐材表面沉積。

4 控制方法和改進(jìn)措施

4.1 轉(zhuǎn)爐出鋼工藝優(yōu)化

（1）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制。轉(zhuǎn)爐鋼水終點(diǎn)含氧量過(guò)高會(huì)造成鋼中［Al、B、Ti］大量氧化，是后期產(chǎn)生大量氧化物夾雜的主要原因，因此降低鋼水初始氧含量可減少脫氧產(chǎn)物，減少初生夾雜物的數(shù)量。通過(guò)加強(qiáng)終點(diǎn)控制和管理，轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)C 含量平均值從0.076%提高至0.093%，最小值從0.057%提高至0.072%，大幅降低了鋼水初始氧含量。

（2）轉(zhuǎn)爐出鋼頂渣加入工藝的改進(jìn)。轉(zhuǎn)爐出鋼頂渣料：石灰加入量從200～300 kg 提高至500～600 kg，螢 石 從100～150 kg 提 高 至200～300 kg，鋼芯鋁200～250 kg，同時(shí)加入電石復(fù)合脫氧。出鋼過(guò)程中及時(shí)加入頂渣料，利用出鋼過(guò)程鋼水沖擊和鋼包底吹氬攪拌，促進(jìn)頂渣快速熔化，實(shí)現(xiàn)大渣量、造渣前移，從而使鋼水脫氧合金化過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物及時(shí)上浮。頂渣料結(jié)構(gòu)調(diào)整后，有效地解決了LF 進(jìn)站頂渣結(jié)殼問(wèn)題，減輕了精煉造渣造成的二次氧化，縮短了造白渣時(shí)間，鋼水Al 含量穩(wěn)定控制在0.010%～0.035%之間。

4.2 優(yōu)化LF 爐精煉工藝

LF 爐是鋼水脫氧、脫硫、純凈度保證的關(guān)鍵工序，主要從優(yōu)化白渣精煉制度、優(yōu)化鈣處理工藝、優(yōu)化氬氣攪拌控制三個(gè)方面提高鋼水潔凈度。

4.2.1 白渣精煉制度

促進(jìn)精煉鋼水夾雜物上浮吸收的前提是造好低氧化性、堿度適合的精煉渣，因此要求精煉渣具有高堿度、低氧化性、低熔點(diǎn)的特點(diǎn)，要求有良好的流動(dòng)性和適量的渣量，具有較好的脫硫和吸附脫氧夾雜物的能力。將精煉渣中的CaO/A12O3控制在1.7～1.9，精煉渣堿度R 控制在3.0 以上；爐渣中的A12O3含量穩(wěn)定控制在22%～30%，（FeO+MnO）含量控制在2%以內(nèi)。

加入鈦鐵前，先使用鋁脫氧，當(dāng)鋼水中其他化學(xué)成分調(diào)整進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)后，加入鈦鐵，且加入時(shí)避免大氬氣攪拌，盡量減少Ti 的損耗及含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）的產(chǎn)生。

4.2.2 優(yōu)化鈣處理工藝

因?yàn)?0B21 主要以鋁脫氧，脫氧產(chǎn)物主要為A12O3夾雜，如若鈣處理不當(dāng)，極易形成高熔點(diǎn)的鋁酸鈣夾雜物，在鋼水中呈固態(tài)且尖銳狀，在連鑄澆注過(guò)程中很容易附著在中間包水口壁上引起結(jié)瘤，并且殘留在鋼中的A12O3夾雜在鋼中屬于硬脆相，隨中間包、結(jié)晶器進(jìn)入到鑄坯中，在后續(xù)軋制過(guò)程中造成嚴(yán)重的缺陷。

含鋁鋼的鈣處理是將鋼中的A12O3夾雜轉(zhuǎn)變成低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽，實(shí)質(zhì)上是鋼水中氧、硫、鈣、鋁等元素和CaO、A12O3、CaS 夾雜相互作用的過(guò)程。采用鈣鐵線對(duì)鋼水脫氧產(chǎn)物進(jìn)行變性處理，可使不同類型高熔點(diǎn)的CaO-A12O3系夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)槿埸c(diǎn)1 400 ℃的12CaO·7A12O3,其在鋼中呈液態(tài)球狀而容易上浮。

鈣處理在合金化結(jié)束后進(jìn)行，應(yīng)注意幾點(diǎn)：鈣處理前，要求鋼水中的硫含量在0.010%以內(nèi)，可以防止后期形成熔點(diǎn)2 450 ℃的CaS 水口結(jié)瘤物，鈣處理“液態(tài)窗口”會(huì)變寬，便于實(shí)際操作；鈣處理時(shí)氬氣流量調(diào)到300～400 L/min 為宜，使鋼中具有較好的動(dòng)力學(xué)條件，利于鈣處理充分進(jìn)行；根據(jù)精煉渣的顏色，一次性喂入適量鈣鐵線。最終建立鋼水鈣處理評(píng)價(jià)效果標(biāo)準(zhǔn)，保證鋼水中過(guò)程成分Ca 含量在0.001 5%～0.004 0%。

4.2.3 優(yōu)化氬氣攪拌控制

在精煉過(guò)程的中前期，建議把氬氣流量調(diào)大些，以便快速化渣、造好渣，為脫氧、脫硫、合金化創(chuàng)造有利條件，鋼包氬氣流量為600～850 L/min；在精煉過(guò)程升溫中應(yīng)適當(dāng)把氬氣流量調(diào)小一些，便于保持精煉渣發(fā)泡提高埋弧送電的穩(wěn)定性，在保障鋼水脫氧、脫硫反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，減少卷渣、吸氣和鋼水的二次氧化。

后期喂線氬氣控制：精煉鈣處理后軟吹應(yīng)小流量控制，氬氣流量為150～300 L/min（應(yīng)根據(jù)鋼包透氣磚的實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以鋼液面微微波動(dòng)，鋼水不裸露為宜），如圖3 所示，時(shí)間控制在8 min 以上，便于促進(jìn)鋁脫氧產(chǎn)物（A12O3）、含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）夾雜有充分的碰撞長(zhǎng)大、上浮動(dòng)力和上浮時(shí)間。杜絕氬氣流量過(guò)大，造成的鋼中鈣和酸溶鋁的損失以及鋼水的二次氧化，確保鋼水的潔凈度和可澆性。

圖3 LF 底吹攪拌曲線

4.3 加強(qiáng)連鑄工藝控制

為了減少開(kāi)澆過(guò)程水口結(jié)瘤，主要采取以下措施：

（1）中間包烘烤前進(jìn)行氬氣吹掃，清除中間包砌筑過(guò)程殘留在包內(nèi)的耐材，減少對(duì)開(kāi)澆鋼水的污染；

（2）中間包、上水口、浸入式水口烘烤均勻，適當(dāng)提高烘烤溫度和延長(zhǎng)烘烤時(shí)間，防止水口內(nèi)壁凝結(jié)鋼液而加劇水口結(jié)瘤；

（3）中間包首爐軟攪拌時(shí)間要控制在10 min以上，精煉時(shí)間控制在35 min 以上。

為了減少澆注過(guò)程中的二次氧化，生產(chǎn)中采取了以下措施：

（1）提高保護(hù)澆注效果，采用長(zhǎng)水口加密封墊，確保鋼包下水口與長(zhǎng)水口之間密封良好；同時(shí)確保長(zhǎng)水口對(duì)中良好，保持液面穩(wěn)定，從而減少鋼水的二次氧化和卷渣；

（2）大包澆注末期剩余鋼水4～6 t 時(shí)，抬起大包觀察下渣情況，防止下渣及過(guò)早抬起造成鋼水二次氧化；

（3）澆注過(guò)程中中間包采用雙層覆蓋劑，下層為中間包專用覆蓋劑，上層為碳化稻殼。

5 改進(jìn)效果

通過(guò)采取提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制、調(diào)整頂渣料與脫氧合金配比、優(yōu)化精煉工藝、減少二次氧化等措施，鋼水T[O]%含量平均值從0.002 7%降低至0.001 8%，T[O]%含量穩(wěn)定控制在0.030%以下；連鑄過(guò)程鋁損平均降低0.002%，鋁損最大值降低0.004%；鋼水的流動(dòng)性和可澆性得到了明顯改善，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。通過(guò)一系列措施的改進(jìn)，10B21的連澆爐數(shù)得到明顯提高，如圖4 所示。

圖4 連澆爐數(shù)對(duì)比

表4 指標(biāo)改善數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

（1）冷鐓鋼10B21 連鑄水口結(jié)瘤物主要是高熔點(diǎn)的A12O3、CaS、A12O3·TiO2夾雜在澆注過(guò)程中附著在水口內(nèi)壁，并不斷地聚集長(zhǎng)大，其主要來(lái)源為：未排除鋼水的鋁脫氧產(chǎn)物、鈣處理不當(dāng)形成的A12O3高熔點(diǎn)物、CaS 夾雜、A12O3·TiO2復(fù)合夾雜以及澆注過(guò)程不當(dāng)造成的鋼水二次氧化產(chǎn)物。

（2）通過(guò)加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐操作和終點(diǎn)控制，爐后加大脫氧合金和渣料的加入量，實(shí)現(xiàn)10B21 冶煉工序脫氧、造渣前移；LF 確保白渣精煉制度、優(yōu)化鈣處理工藝以及鋼水軟吹控制，保障鋼水潔凈度；連鑄做好中間包和水口開(kāi)澆前的各項(xiàng)工作、加強(qiáng)保護(hù)澆注防止鋼水二次氧化等，有效改善了鋼水的潔凈度和可澆性，解決了冷鐓鋼10B21 在澆注過(guò)程中水口結(jié)瘤的問(wèn)題。