ASP工藝生產(chǎn)Ti-IF鋼水口堵塞原因分析及改進(jìn)

張 磊

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司鋼鐵研究院，山東 濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

ASP工藝生產(chǎn)Ti-IF鋼水口堵塞原因分析及改進(jìn)

張 磊

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司鋼鐵研究院，山東 濟(jì)南 250101）

利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析對(duì)超低碳Ti-IF鋼ASP連鑄過(guò)程浸入式水口結(jié)瘤物取樣分析表明，結(jié)瘤物中鐵和夾雜物交互存在，夾雜物包括二鋁酸鈣、Al2O3、ZrO2和RO相等。水口堵塞主要是由于鋼液中高熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內(nèi)壁結(jié)瘤造成，Ti使水口結(jié)瘤現(xiàn)象嚴(yán)重。通過(guò)將RH單聯(lián)法優(yōu)化為L(zhǎng)F+RH雙聯(lián)法，優(yōu)化鈣處理效果并控制過(guò)剩[Ti]＜0.02%，改善了鋼水可澆性，實(shí)現(xiàn)了8爐以上連續(xù)澆鑄。

Ti-IF鋼；水口堵塞；結(jié)瘤物；Al2O3；鈣鋁酸鹽

1 前言

濟(jì)鋼利用ASP中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)超低碳Ti-IF鋼初期，煉鋼采用“BOF＋CAS＋RH＋CCM”工藝流程。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于結(jié)晶器斷面小、澆鋼時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)常因水口堵塞而更換甚至停機(jī)，生產(chǎn)不穩(wěn)定。對(duì)濟(jì)鋼IF鋼生產(chǎn)初期的澆注情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在某一天的生產(chǎn)中，澆注5爐鋼水消耗了4支浸入式水口，幾乎澆注每爐鋼水都需要更換水口。為實(shí)現(xiàn)多爐連澆，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，對(duì)浸入式水口結(jié)瘤物進(jìn)行分析，探討水口堵塞原因并提出工藝優(yōu)化措施。

2 結(jié)瘤物結(jié)構(gòu)及成分分析

在板坯連鑄過(guò)程中出現(xiàn)水口結(jié)瘤時(shí)，對(duì)中間包浸入式水口結(jié)瘤物取樣進(jìn)行分析。將試樣用環(huán)氧樹(shù)膠固結(jié)后切割制成光片，利用光學(xué)顯微鏡由內(nèi)（靠近鋼水的一側(cè)）向外（靠近水口耐火材料的一側(cè)）觀察試樣的宏觀形貌，利用掃描電鏡對(duì)主要特征點(diǎn)進(jìn)行能譜分析。

1）最內(nèi)層為金屬鐵中包裹浮士體和碳，其形貌見(jiàn)圖1，內(nèi)層結(jié)瘤物成分及結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

圖1 內(nèi)層結(jié)瘤物形貌

表1 內(nèi)層結(jié)瘤物成分及結(jié)構(gòu)

2）結(jié)瘤物由內(nèi)向外第2層為金屬鐵和夾雜物，夾雜物含量較高（50%～60%），金屬鐵含量為40%～50%，金屬鐵粒度較小，多被夾雜物包裹。夾雜物中主要為二鋁酸鈣晶粒和少數(shù)尖晶石，其形貌見(jiàn)圖2，成分及結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

圖2 水口由內(nèi)向外第2層結(jié)瘤物兩種形貌

3）結(jié)瘤物由內(nèi)向外第3層也主要為金屬鐵和夾雜物，金屬鐵約40%，夾雜物約60%。夾雜物中主要為結(jié)晶細(xì)小的а-Al2O3和少部分的RO相，其形貌見(jiàn)圖3，成分及結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。

4）結(jié)瘤物最外層主要為碳、金屬鐵、少數(shù)夾雜物，夾雜物為ZrO2及RO相，其形貌見(jiàn)圖4，成分及結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4。

表2 水口由內(nèi)向外第2層結(jié)瘤物成分及結(jié)構(gòu)

圖3 水口由內(nèi)向外第3層結(jié)瘤物兩種形貌

圖4 水口最外層結(jié)瘤物兩種形貌

表3 水口由內(nèi)向外第3層結(jié)瘤物成分及結(jié)構(gòu)

表4 水口最外層結(jié)瘤物成分及結(jié)構(gòu)

檢測(cè)分析表明，中間包水口結(jié)瘤物中夾雜物和金屬鐵交互存在，夾雜物主要為外來(lái)夾雜物。最外層是鋼水和耐火材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的形成物，主要為碳和Al2O3混合物，ZrO2中的Zr來(lái)自于耐火材料；靠近外層夾雜物中主要為結(jié)晶細(xì)小的Al2O3和RO相，RO相中含有較多的Ti元素，應(yīng)該為T(mén)i-IF鋼液帶入；再向內(nèi)由Al2O3與其他元素形成了二鋁酸鈣或少數(shù)尖晶石；最內(nèi)層主要為金屬鐵，F(xiàn)exO和一些碳。

3 水口堵塞原因分析

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于連鑄水口結(jié)瘤問(wèn)題的研究已有很多報(bào)道，根據(jù)浸入式水口結(jié)瘤產(chǎn)生的機(jī)理，一般將其分為4類：脫氧產(chǎn)物在水口內(nèi)壁附著燒結(jié)；倒吸入水口內(nèi)的空氣與鋼液反應(yīng)；水口耐火材料與鋼液的反應(yīng)產(chǎn)物；鋼液在水口內(nèi)的凝固[1]。中間包浸入式水口結(jié)瘤物的主要物相為高熔點(diǎn)細(xì)小的Al2O3和二鋁酸鈣（0.83CaO·2Al2O3），金屬Fe與其交互存在。同爐次鑄坯夾雜物主要為氧化鋁和鋁酸鹽，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)該爐鋼在中間包和成品[N]含量基本一致，排除空氣倒吸入水口的可能性?？梢耘袛啵胧剿诙氯卿撘褐懈呷埸c(diǎn)脫氧產(chǎn)物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內(nèi)壁結(jié)瘤造成。

在生產(chǎn)超低碳Ti-IF鋼時(shí)，一般加入0.05%～0.07%的[Ti]以固化C、N等間隙原子。實(shí)際生產(chǎn)中，這個(gè)范圍內(nèi)的Ti不會(huì)和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但Ti是表面活性元素，在Al2O3表面Ti的濃度比在鋼液內(nèi)大很多，所以在氧化鋁顆粒附近Al2O3和Ti會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在水口結(jié)瘤物中，發(fā)現(xiàn)RO相中含有較多的Ti，說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的存在。

相關(guān)研究認(rèn)為[2]，鋼中的鈦在反應(yīng)中生成的氧化物TiOx或Al2O3-TiOx復(fù)合氧化物，將使鋼液與夾雜物接觸角減小，因此對(duì)于超低碳Ti-IF鋼，Ti增加了鋼液和氧化鋁夾雜物的潤(rùn)濕，使氧化鋁夾雜的上浮變的相對(duì)困難，夾雜物更容易被凝固前沿捕獲，聚集粘附在耐材表面形成結(jié)瘤。也有研究認(rèn)為[3]，隨著鋼中鈦鋁比或者鈦含量的增加，Al2O3夾雜物的體積變小，而當(dāng)夾雜物的直徑＜15 μm時(shí)，其吸附到水口內(nèi)壁上產(chǎn)生結(jié)瘤的概率顯著增加。這也是澆注Ti-IF鋼比普通鋁鎮(zhèn)靜鋼（比如SPCC）更容易產(chǎn)生水口結(jié)瘤堵塞的原因。

4 工藝優(yōu)化措施

只要鋼水中高熔點(diǎn)氧化夾雜物特別是氧化鋁含量降低，水口結(jié)瘤堵塞概率就能大大降低。因此，可從兩個(gè)方向控制水口結(jié)瘤堵塞：一是提高鋼液潔凈度，降低鋼液中固體夾雜物總量，精煉過(guò)程中充分促使Al2O3夾雜上浮去除；二是對(duì)既存的Al2O3夾雜物充分變性，使高熔點(diǎn)固態(tài)夾雜物變成低熔點(diǎn)液態(tài)容易上浮的夾雜物，同時(shí)使Al2O3夾雜物具有較大尺寸，使夾雜物容易上浮。

4.1 優(yōu)化精煉工藝

將精煉工藝由RH單聯(lián)法改為“LF+RH”雙聯(lián)法，Ti-IF鋼在煉鋼工序工藝流程優(yōu)化為“BOF＋CAS＋RH＋CCM”。利用LF爐升溫，為RH提供穩(wěn)定到站溫度，避免RH吹氧升溫和轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中減少“點(diǎn)吹”次數(shù)，防止鋼水過(guò)氧化，從源頭減少鋼水夾雜物生成量。LF爐采用頂渣改質(zhì)造白渣，使（wFeO＋wMnO）＜1.5%，減少鋼包頂渣中的氧向鋼液中傳遞，有利于鋼水脫硫和RH真空脫碳合金化后Al2O3夾雜物的吸附。

使用“LF+RH”雙聯(lián)法后，雖然增加LF精煉工序成本，但降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕情況明顯改善，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Ti-IF鋼連續(xù)生產(chǎn)，整體生產(chǎn)成本明顯降低。

4.2 優(yōu)化鈣處理工藝

Ti-IF鋼本質(zhì)上仍然是鋁鎮(zhèn)靜鋼，一般鋼中Als含量為0.02%～0.04%，在RH工序破口吹氬后，向其喂Ca-Fe線對(duì)鋼液進(jìn)行鈣處理，將鋁脫氧產(chǎn)生的高熔點(diǎn)Al2O3夾雜物（熔點(diǎn)為2 020℃）變性為含鈣量較高的低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽夾雜，在煉鋼溫度下呈液態(tài)，可以迅速浮出鋼液去除，避免水口堵塞現(xiàn)象。依據(jù)CaO—Al2O3二元相圖[4]，隨著金屬鈣的加入，鋼中Al2O3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁酸鈣，而且鈣鋁酸鹽有不同的結(jié)構(gòu)。不同的鈣鋁酸鹽的順序?yàn)椋篈l2O3→CA6→CA2→CA→C12A7→C3A（C代表CaO，A代表Al2O3），其中前兩個(gè)的熔點(diǎn)均＞1 700℃，在煉鋼溫度下呈固態(tài)，因此，鈣處理必須確保向鋼中加入足量的鈣。

1 873 K下，不同組成的CaO—Al2O3夾雜物Al-Ca平衡如圖5所示。從圖中可看出，如鋼中酸溶鋁為0.03%時(shí)，鋼中[Ca]含量需要＞17 μg/g才能形成CA或C12A7類低熔點(diǎn)復(fù)合夾雜物。也有研究認(rèn)為[5]，加Ca量主要取決于鋼液中wca/wAl比值，當(dāng)其值在0.09%～0.13%時(shí)，生產(chǎn)的夾雜物主要是C12A7（熔點(diǎn)1 415℃），能極大改善鋼液流動(dòng)性，避免水口堵塞，前提是鋼水中硫含量wS≤0.015%，否則鈣處理過(guò)程中將生產(chǎn)高熔點(diǎn)CaS（1 723℃）。

圖5 1873 K下形成不同夾雜物時(shí)Ca/Al關(guān)系

Ti-IF鋼經(jīng)過(guò)LF造還原渣脫硫處理后，在RH喂鈣線之前一般[S]≤0.005%，可有效避免高熔點(diǎn)CaS生成。因此實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，Ca-Fe線加入量一般按照1.8～2.2 m/t并中上限控制，使Al2O3夾雜物盡量變性上浮。

4.3 控制合理的[Ti]含量

超低碳Ti-IF鋼中，為有效固定C、N間隙原子，必須使鋼液中存在一定量過(guò)剩[Ti]：

過(guò)剩[Ti]太多，不但會(huì)造成合金成本的浪費(fèi)，還會(huì)使氧化鋁夾雜物體積變小，上浮困難，易被凝固前沿捕獲，聚集粘附在耐材表面形成結(jié)瘤，實(shí)際生成過(guò)程中，一般將過(guò)剩[Ti]控制在＜0.02%。

5 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)鋼ASP中薄板坯鑄機(jī)生產(chǎn)Ti-IF鋼時(shí)，浸入式水口堵塞主要是由于鋼液中高熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內(nèi)壁結(jié)瘤造成；Ti含量的增加使水口結(jié)瘤現(xiàn)象嚴(yán)重，水口堵塞概率增大。通過(guò)將RH單聯(lián)法優(yōu)化為“LF+RH”雙聯(lián)法，LF精煉造還原渣、RH工序合理喂Ca-Fe線、合理控制鋼液中過(guò)剩鈦含量等一系列工藝措施，濟(jì)鋼在ASP流程上成功實(shí)現(xiàn)超低碳Ti-IF鋼8爐以上連續(xù)澆鑄。

[1]C Bernhard,G Xia,A Karasangabo，等.超低碳鋼連鑄過(guò)程中Ti和P對(duì)水口結(jié)瘤的影響[J].世界鋼鐵，2012（5）：19-28.

[2]Ruby-Meyer F,Lehmann J,Gaye H.Thermodynamic analysis of inclusions in Tideoxidised steels[C]//Scanmet I-1st Int.Conf.on Process Development and Steelmaking,Lulea：1999：213-228.

[3]Long M,Zuo X,Zhang L,et al.Kinetic modeling on nozzle clogging during steel billet continuous casting[J].ISIJ Int，2010，50（5）：712-720.

[4]成東全，李積鵬，阮強(qiáng)，等.CSP低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼水中間包水口結(jié)瘤原因分析及預(yù)防措施[J].甘肅科技，2014，30（7）：62-63.

[5]王曉峰，陳偉慶，裴鳳娟，等.鑄坯連鑄水口結(jié)瘤機(jī)理研究[J].煉鋼，2007，23（6）：20-23.

Cause Analysis of Nozzle Blocking in Producing Ti-IF Steel by ASP Technology and Process Optimization

ZHANG Lei
（The Iron and Steel Research Institute of Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The submerged nozzle blockages of Ti-IF steel in ASP continuous casting were sampled and analyzed by optical microscopy, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The results showed that the blockages were made of iron and inclusions which contained calcium aluminates,Al2O3,ZrO2and RO and so on.The accumulation of high melting Al2O3and calcium-aluminate on the inner wall of nozzle formed the junction tumors which was the key reason for nozzle clogging.With the increasing of Ti content,the risk of nozzle blocking increased too.By modifying LF process into LF+RH process,optimizing calcium treatment process and controlling[Ti]＜0.02%, the castability of molten steel was improved,the ULC Ti-IF steel could be produced at least 8 furnace using one submerged nozzle.

Ti-IF steel;nozzle blocking;blockage;Al2O3;calcium aluminate

TF777.1；TG249.7

A

1004-4620（2015）04-0027-03

2015-02-15

張磊，男，1981年生，2006年畢業(yè)于山東大學(xué)材料加工工程專業(yè)?，F(xiàn)為山東鋼鐵集團(tuán)有限公司鋼鐵研究院工程師，從汽車家電用鋼新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。