連鑄機(jī)水口結(jié)瘤分析及預(yù)防措施探討

侯 葵

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)天鋼）煉鋼廠擁有兩臺(tái)六機(jī)六流方圓坯連鑄機(jī)，兩臺(tái)板坯連鑄機(jī)。生產(chǎn)的鋼種主要以石油套管、鍋爐管、壓力容器、高強(qiáng)船板、橋梁、風(fēng)塔用鋼等為主。由于冶煉鋼種的多樣化，連鑄生產(chǎn)過(guò)程中常出現(xiàn)中包水口結(jié)瘤現(xiàn)象，不僅影響了連鑄正常的生產(chǎn)秩序，且對(duì)鑄機(jī)的產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量也帶來(lái)較大影響。理論上，水口結(jié)瘤現(xiàn)象主要是鋼水流動(dòng)性差造成的水口結(jié) “冷鋼”和鋼中夾雜物析出堵塞水口，而影響鋼水流動(dòng)性和夾雜物的主要因素包括：鋼水溫度、鋼水化學(xué)成分、鋼中的氣體含量、鋼中夾雜物含量及形態(tài)等。

本文結(jié)合天鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)際，介紹了連鑄中包水口結(jié)瘤的各種特征，總結(jié)分析了水口堵塞的機(jī)理和原因，并有針對(duì)性的提出了具體解決措施。

1 水口結(jié)瘤的塞棒特征曲線分析

研究發(fā)現(xiàn)，在澆鑄過(guò)程中，一旦出現(xiàn)水口結(jié)瘤，最顯著的特點(diǎn)就是塞棒開(kāi)啟度迅速上漲，但由于導(dǎo)致水口結(jié)瘤的原因不同，塞棒開(kāi)啟度特征曲線存在明顯差別。

1.1 水口結(jié)“冷鋼”塞棒特征曲線

水口內(nèi)結(jié)“冷鋼”塞棒特征曲線如圖1 所示。由圖1 中可看出，在幾分鐘之內(nèi)，塞棒開(kāi)啟度急速上漲，直至塞棒不能再繼續(xù)打開(kāi)，導(dǎo)致澆鑄中斷。在停澆后，可清楚看到水口中鑄有大量冷鋼。

圖1 冷鋼導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

1.2 夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

因Al2O3、SiO2、鎂鋁尖晶石等夾雜物不斷聚集在水口附近導(dǎo)致水口結(jié)瘤，其塞棒特征曲線如圖2所示。由圖2 中可看出，在1 小時(shí)之內(nèi)，塞棒開(kāi)啟度是緩慢上漲的，直至澆鑄中斷，這表明水口附近的夾雜物是逐漸增多的。當(dāng)鋁鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口結(jié)瘤時(shí)，在水口中可看到聚集的白色Al2O3夾雜物；而非鋁鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口結(jié)瘤時(shí)，在水口中看不到白色Al2O3夾雜物。

圖2 夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

2 水口結(jié)瘤成因分析

2.1 “冷鋼”導(dǎo)致水口結(jié)瘤

水口內(nèi)結(jié)“冷鋼”主要原因是鋼水溫度低于正常澆鑄溫度，而澆注溫度是連鑄的基本參數(shù)之一。澆注溫度偏低會(huì)造成：鋼水發(fā)粘，夾雜物不易上??；結(jié)晶器表面鋼水凝殼，導(dǎo)致鑄坯表面缺陷；水口凍結(jié)，澆注中斷。澆注溫度過(guò)高會(huì)造成：耐火材料嚴(yán)重沖蝕，鋼中夾雜物增多；增加鋼水從空氣中吸氧和氮；出結(jié)晶器坯殼薄易漏鋼；鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，中心偏析嚴(yán)重。造成鋼水溫度低的主要原因有：

（1）鋼包包況差。主要是大、中修后頭兩次包以及包底包等造成包內(nèi)鋼水溫降大。

（2）鋼包投入過(guò)多，造成鋼包離線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)鋼包使用情況分析，得出了鋼包離線時(shí)間與鋼包到中間包溫降的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）。由圖3 看出，鋼包離線時(shí)間越長(zhǎng)，鋼包到中間包溫降越大。

圖3 離線時(shí)間與鋼包到中包溫降關(guān)系曲線

（3） 鋼包加蓋裝置故障或覆蓋劑加入量少，表面散熱大，后期鋼水溫度低。

（4）鋼包吹氬時(shí)間短，包壁吸熱不充分，造成鋼水溫度不均勻。通過(guò)對(duì)鋼包吹氬時(shí)間及中包溫降分析，得出了鋼包吹氬時(shí)間與中間包溫度散差的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖4）。由圖4 可以看出，吹氬時(shí)間對(duì)鋼包內(nèi)部鋼水溫度均勻性的影響很大，吹氬時(shí)間低于8 分鐘，鋼包內(nèi)部鋼水存在較大的溫度梯度，導(dǎo)致中包溫度散差較大。

圖4 吹氬時(shí)間與中間包溫度散差的關(guān)系圖

（5）中間包烘烤不理想，開(kāi)澆初期鋼水溫降大。

2.2 鋼水中夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤

鋼水中夾雜物來(lái)源主要有：脫氧產(chǎn)物、Ca 處理時(shí)新形成的不同產(chǎn)物聚集化合、二次氧化、耐火材料和卷渣。

2.2.1 脫氧產(chǎn)物夾雜物分析

（1）鋼中不要求酸溶鋁的鋼水脫氧產(chǎn)物。當(dāng)鋼種要求嚴(yán)格控制鋼中鋁含量時(shí)，若只采用Si 和Mn脫氧，形成的脫氧產(chǎn)物主要為純SiO2（固體）、MnO·SiO2（液體）及MnO·FeO(固溶體)，此時(shí)SiO2是造成連鑄水口結(jié)瘤的主要因素（見(jiàn)圖5）。但僅僅用Si 和Mn 脫氧，如果不采用LF 爐造白渣擴(kuò)散脫氧，鑄坯易形成皮下氣泡，為此需再配加少量鋁強(qiáng)化脫氧，此時(shí)脫氧產(chǎn)物為薔薇輝石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）、錳鋁榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）和Al2O3，熔點(diǎn)最低的錳鋁榴石在鋼水中以液體形式存在（見(jiàn)圖6 陰影區(qū)），可通過(guò)精煉吹氬、鎮(zhèn)靜上浮排除，而薔薇輝石和Al2O3的熔點(diǎn)較高，難以從鋼液中去除，在澆注過(guò)程中極易堵塞水口，因此，在硅鋁鎮(zhèn)靜鋼中造成水口結(jié)瘤的的夾雜物主要是高熔點(diǎn)的薔薇輝石和Al2O3。

圖5 FeO-MnO-SiO2 三元相圖

圖6 MnO-SiO2-Al2O3 三元相圖

（2）鋁鎮(zhèn)靜鋼脫氧產(chǎn)物。鋁在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒，固定鋼中的氮，從而提高鋼的沖擊性能，降低冷脆和時(shí)效傾向性。在冶煉含鋁鋼時(shí)，當(dāng)鋼中酸溶鋁含量大于0.006%，氧化物夾雜幾乎全部為Al2O3，Al2O3熔點(diǎn)高（2 050 ℃），在鋼水中呈固態(tài)，因此，鋼水的可澆性差，極易造成水口堵塞。另外，Al2O3可塑性差，在軋制時(shí)不變形，嚴(yán)重影響鋼材性能。

（3）鋼水中雖然含有微量的Mg，但在LF 和VD冶煉過(guò)程中可形成高熔點(diǎn)的鎂鋁尖晶石（MgO·Al2O3，熔點(diǎn)2 135 ℃），堵塞水口。鋼包渣或MgO-C磚中也可釋放出Mg 形成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF爐白渣精煉時(shí)間越長(zhǎng)，鋼包渣中的MgO 越高，精煉渣的堿度越高M(jìn)gO·Al2O3形成的越多，水口結(jié)瘤越嚴(yán)重。

2.2.2 Ca 處理時(shí)形成的夾雜物分析

在冶煉品種鋼時(shí)，鈣處理工藝是將鋼水中非金屬夾雜物去除到極低水平并對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行變性處理的重要手段。對(duì)于Al2O3類(lèi)夾雜物，主要是通過(guò)鈣處理對(duì)夾雜物改性的手段加以去除。根據(jù)圖7 可知[2]，隨著鋼水中Ca 含量的不斷增加，鋼水中夾雜物的Ca 含量也在不斷增加，形成的復(fù)合夾雜物依次 為CA6、CA2、CA、C12A7、C3A （C、A 代 表CaO、Al2O3）。表1 為CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物的化學(xué)成分及物性指標(biāo)。其中CA6、CA2的熔點(diǎn)均＞1 700 ℃，生產(chǎn)中必須加以避免。

由圖7 和表1 可以看到：當(dāng)鋼水中含有Al2O3、CA6、CA2、CA 高熔點(diǎn)夾雜物時(shí)，水口澆注不順暢；當(dāng)Ca/Al≥0.10 時(shí)，鋼水中夾雜物已轉(zhuǎn)變?yōu)镃12A7，熔點(diǎn)較低，易于澆注。此外，當(dāng)Ca 加入量過(guò)多時(shí)，鋼水中會(huì)形成高熔點(diǎn)的CaS（熔點(diǎn)為2 450 ℃）夾雜物，同樣會(huì)惡化鋼水的澆鑄性能。由圖8 可知，鋼水中[S]＞0.02%，[Ca]含量達(dá)到5～10×10-6就可生成CaS。

表1 CaO-Al2O3 類(lèi)夾雜物的化學(xué)成分及物性指標(biāo)

圖7 鋼水Ca/Al 與水口流量關(guān)系

圖8 不同溫度下[Ca]-[S]平衡圖

綜上所述，為了確保連鑄良好的澆鑄性能，要對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理，但鈣的加入量要適中，也就是說(shuō)，加入的鈣太少或太多，均得不到理想的效果。鈣含量過(guò)低時(shí)，形成的仍是高熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物，此時(shí)比不進(jìn)行鈣處理的鋼澆鑄性能還差；鈣含量過(guò)高時(shí)，又易生成CaS 高熔點(diǎn)夾雜物，澆鑄性能仍比較差。圖9 中的陰影部分就是鈣處理鋼的最佳控制區(qū)[3]，在該區(qū)域形成的夾雜物全是液態(tài)的，澆鑄性能最好。

圖9 鈣處理最佳控制區(qū)

2.2.3 二次氧化夾雜物分析

造成鋼水二次氧化的主要原因包括：鋼水處理過(guò)程中，氬氣量大，鋼水液面裸露；鋼包、中間包覆蓋劑加入量少或理化指標(biāo)較差，隔絕空氣效果差；鋼包水口保護(hù)套管氣封效果差，連接處負(fù)壓吸氧；清理保護(hù)套管時(shí)，未將套管移出中間包，氧化物及氧氣進(jìn)入；中間包液面落差大，液面上升時(shí)卷入包襯粘結(jié)的覆蓋劑；開(kāi)澆時(shí)鋼包內(nèi)鋼水沒(méi)有自動(dòng)流出，燒氧處理。

2.2.4 鋁鎮(zhèn)靜鋼水口結(jié)瘤物成分分析

對(duì)鋁鎮(zhèn)靜鋼典型水口結(jié)瘤的內(nèi)壁結(jié)瘤物取樣后分析，結(jié)瘤物成分如表2 所示。由從表2 可以看出：高熔點(diǎn)夾雜物主要為Al2O3；結(jié)瘤中MnO 含量高達(dá)1.0%，而目前工藝條件下，天鋼冶煉鋁鎮(zhèn)靜鋼精煉出站渣樣中的MnO 含量?jī)H為0.2%，根據(jù)此氧化物的特性，鋼水中MnO 的含量可以判斷為痕跡。因此，水口析出物中MnO 的來(lái)源可以判定為鋼水二次氧化造成，同時(shí)也說(shuō)明，水口析出物中的Al2O3、CaO等成分有一部分也為二次氧化造成產(chǎn)生的。另外，從該種LF 爐出站鋼中的酸不溶鋁含量一般僅為0.001%，但澆注到連鑄中間包內(nèi)，鋼水中的酸不溶鋁上升到0.01%，這以證明Al2O3的來(lái)源主要是鋼水的二次氧化。

表2 鋁鎮(zhèn)靜鋼水口結(jié)瘤物成分

3 水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

3.1 鋼水溫度低造成的水口結(jié)瘤預(yù)防措施

（1）強(qiáng)化鋼包烘烤，保證紅包出鋼，減少鋼水溫降。

（2）轉(zhuǎn)爐和精煉爐要結(jié)合鋼種、出站時(shí)間、包況和生產(chǎn)節(jié)奏等控制終點(diǎn)溫度，提高出站鋼水溫度命中率。

（3）保證鋼水上連鑄前軟吹氬時(shí)間在8 分鐘以上，并保持鋼水液面不裸露。

（4）減少鋼包的周轉(zhuǎn)數(shù)量，降低鋼包的周轉(zhuǎn)時(shí)間，保證鋼包離線時(shí)間在40 分鐘以?xún)?nèi)。

（5）保證鋼包、中間包覆蓋劑的加入量和連鑄鋼包包蓋的正常使用，減少鋼水散熱。

3.2 高熔點(diǎn)夾雜物造成的水口結(jié)瘤預(yù)防措施

3.2.1 SiO2造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

（1）脫氧采用先弱后強(qiáng)，既保證鋼水的脫氧程度達(dá)到鋼種的要求，又利于脫氧產(chǎn)物的上浮。

（2） 脫氧合金的加入順序應(yīng)采用先Fe-Mn、后Fe-Si，Mn 先氧化、Si 后氧化，利于形成2MnO·SiO2，它的熔點(diǎn)較低，液態(tài)的2MnO·SiO2彼此碰撞生成大顆粒夾雜物利于上浮。

（3）提高[Mn]/[Si]，就可以產(chǎn)生足夠的MnO 與SiO2結(jié)合而生成2MnO·SiO2，降低純SiO2的含量。3.2.2 薔薇輝石造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

對(duì)于硅鋁鎮(zhèn)靜鋼，為了防止形成薔薇輝石，同時(shí)，無(wú)單獨(dú)的Al2O3析出，應(yīng)在保證脫氧的情況下，減少鋁的用量，使鋼中[Als]≤0.006%，既保證鋼中[0]＜20 ppm，鑄坯不產(chǎn)生皮下氣孔，又可生成錳鋁榴石而非高熔點(diǎn)的薔薇輝石，也沒(méi)有單獨(dú)的A12O3析出，鋼水可澆性良好。

根據(jù)形成錳鋁榴石和薔薇輝石中MnO、Al2O3和SiO2的比例，在錳鋁榴石中Al2O3與MnO 的比值比薔薇輝石中的比值要小的多，因此，在選擇脫氧劑時(shí)不僅要減少鋁的用量，而且要優(yōu)先加入Fe-Mn，后加入Fe-Si 和鋁，以便有較多的MnO，較少的Al2O3和SiO2，為形成錳鋁榴石而非薔薇輝石、Al2O3創(chuàng)造條件。

3.2.3 Al2O3造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

為了防止Al2O3造成的水口結(jié)瘤，首先要嚴(yán)格控制鋼中和渣中的氧含量，少生成高熔點(diǎn)的Al2O3。具體措施如下：

（1）轉(zhuǎn)爐采用高拉碳操作，在有條件的情況下，不增碳或少增碳而達(dá)到成品碳的要求，使與之平衡的氧含量盡可能少；提高轉(zhuǎn)爐一次倒?fàn)t率，盡量減少補(bǔ)吹或后吹。

（2）采取盡可能低的拉碳槍位，盡可能長(zhǎng)的拉碳時(shí)間，終點(diǎn)加入調(diào)渣劑（如MgC 球），減少轉(zhuǎn)爐下渣等措施，降低包中（∑FeO）含量。

（3）轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)溫度盡可能小于1 640 ℃。

（4）確定好復(fù)吹曲線，復(fù)吹強(qiáng)度要在不同的吹煉區(qū)間有所區(qū)別，尤其要強(qiáng)化后攪。

（5）轉(zhuǎn)爐脫氧合金化過(guò)程盡可能脫掉鋼水中的游離氧，保證鋼中有脫氧剩余的[AlS]。

其次，對(duì)于已經(jīng)形成的Al2O3，要使之能夠充分上浮。具體措施如下：

（1）作為脫氧產(chǎn)物的Al2O3要盡可能早的形成，使之有充分的時(shí)間上浮并排出，也就是用鋁脫氧盡可能的前移。

（2）吹氬強(qiáng)度要適中。氬氣量過(guò)小，Al2O3沒(méi)有充分的動(dòng)能上??；氬氣量過(guò)大，鋼包卷渣使Al2O3重新污染鋼液。

（3）適當(dāng)調(diào)整渣系結(jié)構(gòu)，使渣中含有一定與脫氧產(chǎn)物相同的成分；降低精煉渣熔點(diǎn)，減小脫氧產(chǎn)物與液渣之間的界面張力，使氧產(chǎn)物更容易被精煉渣吸附。

3.2.4 鎂鋁尖晶石造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

（1）LF 白渣精煉時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)。如果遇到生產(chǎn)事故，白渣精煉時(shí)間被迫延長(zhǎng)，應(yīng)扒除鋼包頂渣重新造渣和換鋼包操作。

（2）LF 頂渣加脫氧劑（CaC2、SiFe 粉、Si-Ca 粉）不應(yīng)過(guò)量，石灰加入不要過(guò)量，保持合適堿度，以利于吸收鋼中MgO。

3.3 預(yù)防鋼水二次氧化的措施

（1）鋼包吹氬處理過(guò)程中，氬氣量要適中，以鋼水蠕動(dòng)、液面不裸露為宜。

（2）鋼包、中間包覆蓋劑理化性能和加入量要適宜，保證隔絕空氣的效果和吸附夾雜的能力。

（3）鋼包澆鑄保護(hù)套管處加密封墊并通入氬氣保護(hù)，保證與鋼包連接處微正壓。清理保護(hù)套管時(shí)，一定要將套管移出中間包，防止燒氧的氧化物及氧氣進(jìn)入中間包。

（4）提高鋼包的自開(kāi)率，保持中間包液面穩(wěn)定，中間包澆注全程吹氬密封。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的中包水口結(jié)瘤現(xiàn)象，天鋼煉鋼廠通過(guò)加強(qiáng)鋼包運(yùn)行管理、優(yōu)化吹氬制度、控制脫氧產(chǎn)物生成和形態(tài)、強(qiáng)化夾雜物變性處理、防止鋼水二次氧化等手段，有效的解決了連鑄鋼水的流動(dòng)性差、鋼中高熔點(diǎn)夾雜物的含量高的問(wèn)題，基本消除了因水口結(jié)“冷鋼”和鋼中夾雜物析出堵塞水口造成的水口結(jié)瘤現(xiàn)象。在保證了連鑄生產(chǎn)秩序的同時(shí)，提高了鑄機(jī)的產(chǎn)能和鑄坯的質(zhì)量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。