小方坯含鋁冷鐓鋼水口結瘤分析與控制

孫振宇 ，唐雪峰 ，王洪濤 ，李葉忠 ，那廷權 ，許海亮 ，溫榮宇

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

作為生產螺栓、螺母、鐵釘、鉚釘等緊固件及冷擠壓零部件的冷墩鋼，因其采用室溫下一次或多次沖擊加載鋼材獲得，具有良好的冷成形性，對鋼的純凈度要求高［1-4］。另外，冷墩鋼中的Si在提高抗拉強度的同時降低塑性，Si含量稍高就會降低鋼的冷塑性變形性能，一般采用部分硅鎮(zhèn)靜+鋁鎮(zhèn)靜模式生產冷墩鋼以控制其成分。因此，連鑄小方坯生產冷鐓鋼時，必須嚴格控制鋼水中的夾雜物且保證鋼水連續(xù)澆鑄。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠（以下簡稱“二分廠”）從2015年起生產鑄坯規(guī)格為160 mm×160 mm和180 mm×180 mm的含鋁冷鐓鋼，生產中發(fā)現，水口結瘤，中間包連鑄不順，鑄坯合格率低。本文對水口結瘤物主要來源進行了分析，通過采取控制措施，有效地解決了含鋁冷墩鋼連鑄生產中水口結瘤問題，提高了冷鐓鋼鑄坯的合格率，保證了生產順行。

1 工藝流程

二分廠小方坯含鋁冷鐓鋼的生產工藝流程為：100 t轉爐冶煉→LF爐精煉→鈣處理→小方坯連鑄（6機6流）。其中，LF爐為單工位設計，生產過程中需要前一爐鋼水冶煉結束，后一爐鋼水才能進爐冶煉；連鑄機無大罐轉臺，連澆過程中需要兩臺吊車配合；浸入式水口的夾緊方式為外掛配重夾緊。在連續(xù)生產過程中，要求LF爐精煉過程必須在有限的時間內保證鋼水成分合格，純凈度高，否則極易造成連續(xù)生產的波動甚至中斷。

2 水口結瘤物和鑄坯中夾雜物的檢驗

2.1 水口結瘤物的形貌及檢驗

中間包水口結瘤物粘在水口壁上，取樣分析，圖1為水口結瘤物形貌。觀察發(fā)現，結瘤物為灰白色團簇狀物體。檢驗分析其成分主要為Al2O3。

圖1 水口結瘤物形貌Fig.1 Appearance of Substances Leading to Clogging at Nozzle

2.2 鑄坯中夾雜物的形貌及檢驗

對出現中間包水口結瘤現象對應的鑄坯取樣檢測，圖2為鑄坯夾雜物形貌。觀察發(fā)現，鑄坯中的夾雜物為塊狀、長條形。檢驗分析其成分主要為Al2O3。

圖2 鑄坯夾雜物形貌（1 000×）Fig.2 Appearance of Inclusions in a Casting Blank（1 000×）

3 結瘤原因分析

3.1 鋼水冶煉過程

鋁脫氧的冷鐓鋼在轉爐和LF爐脫氧冶煉過程中會形成高熔點的Al2O3，鋼液中的Al還原爐渣或耐材中的MgO生成MgO·Al2O3。如果LF爐冶煉過程中消除不了上述物質，則會直接導致連鑄過程中的水口結瘤，影響鋼材的使用性能。此類鋼中鈣處理的主要機理也是利用喂線的鈣對高熔點的Al2O3和MgO·Al2O3進行變質處理，形成液態(tài)低熔點的鈣鋁酸鹽，即穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物，這種夾雜物對連鑄澆鑄的穩(wěn)定順行和冷鐓鋼性能非常有利。圖3為穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物的形貌，由圖3看出，穩(wěn)態(tài)鑄坯為圓形或近圓形，沒有棱角，尺寸在20 μm左右，其成分為已變性的液態(tài)鈣鋁酸鹽。

圖3 穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物的形貌（4 000×）Fig.3 Appearance of Inclusions in a Casting Blank in Steady State（4 000×）

3.2 連鑄保護澆鑄過程

精煉后成分和溫度合格的潔凈鋼液從盛鋼桶注入到中間罐，再注入結晶器的傳遞過程中，與空氣、耐火材料、熔渣相接觸，會發(fā)生物理化學作用，即二次氧化。主要產物為高熔點的Al2O3或者MgO·Al2O3，也會導致連鑄過程中的水口結瘤，直接影響鋼材的使用性能。

3.2.1 盛鋼桶到中間罐過程的二次氧化

敞開澆鑄時或者中間罐表面覆蓋劑覆蓋不完全時，鋼液從盛鋼桶水口流出，在具有一定速度注流的周圍形成一個負壓區(qū)，將四周的空氣卷入中間罐熔池，造成鋼液的二次氧化。同時注流沖擊中間罐液面，使熔池表面不斷被更新。據理論計算，每1.15 s鋼水表面就會更新一次，1 min內可更新多達52次。液面裸露更新造成的二次氧化產生大量的高熔點Al2O3夾雜，導致水口結瘤非常嚴重。

長水口與盛鋼桶水口密封不嚴時，取樣檢驗鋼水中Als和N含量的變化，發(fā)現Als燒損平均可達到0.010 0%，鋼液增氮量平均可以達到0.002 5%，中間包水口結瘤現象明顯，說明此時鋼液吸入空氣發(fā)生二次氧化也非常嚴重。

3.2.2 水口安裝偏斜

小方坯中間罐到結晶器多采用外掛浸入式水口，同時鋼水加入保護渣。跟蹤浸入式水口安裝的情況發(fā)現，安裝偏斜的注流容易發(fā)生結瘤現象。取樣檢驗分析正常注流的鑄坯和偏流的鑄坯，發(fā)現偏流鑄坯中出現圖2所示形貌的夾雜物，而正常鑄流的鑄坯中夾雜物形貌與圖3中所示的相似。說明水口安裝偏斜的鑄坯流發(fā)生吸氣現象，造成鋼液二次氧化而結瘤。

4 水口結瘤的控制措施

4.1 LF爐精煉控制

4.1.1 頂渣控制

精煉過程主要起到脫硫、脫氣、升溫、去除夾雜物以提高鋼水質量、控制合金成分等重要作用。LF爐精煉過程以頂渣的冶煉尤為重要，選擇合理的堿度很關鍵。頂渣堿度過高會降低頂渣對鋼水罐熔池的熱傳導能力，不能充分利用電能，不但引起電能的增加，還會使頂渣的粘度極度升高，惡化頂渣的脫硫動力學條件，降低脫硫能力和吸附夾雜的能力。通過實際生產和檢驗結果可知，終渣堿度控制在4～6比較合理。

實際生產過程中發(fā)現，頂渣的顏色與其氧化性密切相關。按照頂渣顏色 “黑色→棕褐色→灰色→棕色→白色→黃白色或綠白色”的順序，頂渣的氧化性由強到弱。因此，裝滿鋼水的鋼水罐進入LF精煉爐后，先觀察鋼水罐頂渣的顏色和外貌，選擇加入白灰3～5 kg/t，同時按照4∶1的配比加入白灰和精煉渣或者螢石，及時造渣并有效埋弧，防止增氮。頂渣中（FeO+MnO）含量代表氧化性的強弱，頂渣顏色與氧化性的關系及對應加入渣料量見表1。

表1 頂渣顏色與氧化性的關系及對應加入渣料量Table 1 Relationship between Top Slag Color and Its Oxidation and Corresponding Quantity of Adding Slag

渣呈現黑色時，連鑄生產1罐時水口結瘤嚴重，連鑄中斷，檢驗夾雜物均為Al2O3夾雜；精煉渣為棕褐色時，連鑄生產3～5罐時水口結瘤嚴重，連鑄中斷，檢驗夾雜物均為Al2O3夾雜；當精煉渣呈現灰色、棕色，或介于兩者之間時，連鑄生產11～13罐時才出現輕微結瘤現象，檢驗水口附著物也為Al2O3夾雜，但是附著水口較少，且鑄坯中未發(fā)現大于100 μm的夾雜。上述幾種顏色的渣樣如圖4所示。如果頂渣顏色介于白色→黃白色或綠白色之間，說明頂渣已經基本造好，此種頂渣對脫硫和吸附夾雜的能力都很強。

圖4 不同顏色渣樣Fig.4 Slag Samples with Different Colors

4.1.2 脫氧劑加入量控制

LF爐精煉過程中主要采取鋁線段作為脫氧劑進行頂渣脫氧和成分調整。為了保證最終頂渣的良好特性，冶煉過程中除了造渣料的適當配比外，需要根據鋼種的成分及精煉到站鋼水的頂渣厚度情況加入鋁線段，見表2所示。

4.1.3 氬氣流量控制

整個精煉過程中要有合理的氬氣流量控制，通電升溫融化頂渣階段適當控制氬氣流量中等偏小，為150～200 L/min化渣；化渣后將氬氣調到中等強度200～250 L/min；形成白渣后調至強吹狀態(tài)脫硫，流量為250～350 L/min；上機前要調小進行弱吹，流量為100～150 L/min，使夾雜物充分上浮。

表2 精煉過程中鋁線段加入情況Table 2 State in Adding Aluminum Wires during Refining Process

對精煉處理前后的頂渣成分進行了檢驗，圖5為精煉處理前后的頂渣圖。精煉處理前堿度約為3，處理后渣含量位于圖5中劃圈處，堿度為4～6，適合含鋁冷墩鋼的冶煉。

圖5 精煉處理前后的頂渣圖Fig.5 Diagram for Top Slag before and after Refining Process

4.2 保護澆鑄控制

（1）提高盛鋼桶引流劑的質量，控制引流劑加入時機，保證含鋁冷鐓鋼生產過程的自澆性，避免敞開澆鑄。

（2）優(yōu)化連鑄換罐操作，縮短換罐時間，控制中間罐鋼水液面高度，盡量減少鋼水二次污染。

（3）長水口密封用耐火纖維厚度由3 mm增加至4 mm，保證長水口的密封性。

（4）中間罐的覆蓋劑進行精細化管理，按照澆鑄過程實際情況實時補加覆蓋劑，保證鋼水液面無裸露。

（5）浸入式水口安裝保證鉛直居中，減少結合面的吸氣，進而減少二次氧化。

5 實施效果

（1）由于LF爐冶煉過程合理配置造渣料和控制氬氣流量，LF爐冶煉末期的頂渣改質充分，顏色介于白色→黃白色或綠白色之間，檢驗堿度在4～6之間。

（2）優(yōu)化控制連鑄保護澆鑄后，大大減少了鋼水二次氧化的程度，保證了鋼水澆鑄順行。

（3）冷鐓鋼生產穩(wěn)定順行基本無結瘤現象，實現單中包平均11罐以上連澆，最大連澆罐數達到15罐，鑄坯合格率從97.78%提高到98.12%以上。

6 結語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠小方坯含鋁冷鐓鋼水口結瘤物為灰白色團簇狀物體，主要成分是Al2O3，主要來源為鋼液冶煉過程的脫氧產物未完全去除或者鋼液的二次氧化。通過采取控制頂渣顏色介于白色→黃白色或綠白色之間、調整頂渣堿度為 4～6以及優(yōu)化連鑄保護澆鑄操作等措施，減少了該鋼種水口結瘤的現象，實現小方坯單中包11罐以上的連澆順行，鑄坯合格率從97.78%提高到98.12%以上。