方坯連鑄結(jié)晶器液面波動的原因及控制措施

李 浩，李 新

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼分公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 前言

結(jié)晶器液面出現(xiàn)波動將造成鑄坯質(zhì)量的下降，較大的液面波動會破壞穩(wěn)態(tài)澆注，保護(hù)渣易卷入鑄坯內(nèi)，被凝固坯殼捕捉，鑄坯內(nèi)部夾雜物特性超標(biāo)；同時，現(xiàn)場生產(chǎn)實踐及文獻(xiàn)均表明，隨著液面波動的惡化，鑄坯非金屬氧化物夾雜含量明顯增多［1］，進(jìn)而惡化軋材質(zhì)量。液面波動劇烈時，出現(xiàn)縱裂漏鋼或渣漏生產(chǎn)事故的概率加大［2］，生產(chǎn)事故將增加非計劃停機(jī)時間，影響連鑄機(jī)生產(chǎn)效率。因此，研究結(jié)晶器液面波動的產(chǎn)生因素并采取對應(yīng)優(yōu)化方案，不僅可以提高連鑄的穩(wěn)定生產(chǎn)，而且對保證穩(wěn)態(tài)澆注，得到優(yōu)質(zhì)鑄坯有顯著意義。

某鋼廠方坯連鑄機(jī)由Danieli公司工藝總負(fù)責(zé)，主要產(chǎn)品為軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼等優(yōu)特鋼，此類鋼種對鑄坯質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，結(jié)晶器液面波動＞±3 mm，將進(jìn)行判廢處理。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)，分析了造成方坯連鑄機(jī)液面波動的各類因素，同時制定出穩(wěn)定結(jié)晶器液面波動的優(yōu)化工藝。

2 工藝流程及結(jié)晶器液面波動特征

該廠方坯連鑄機(jī)工藝流程為：UHP-LF-RHCCM-緩冷-入庫-軋制或直接熱送-軋制。方坯連鑄機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 方坯連鑄機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)

該廠定義，在澆注過程結(jié)晶器內(nèi)的鋼水實際液位大于設(shè)定液位±3 mm，維持超過20 s 以上，為結(jié)晶器液面波動?，F(xiàn)場實際跟蹤發(fā)現(xiàn)，該方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液面波動有如下特征：（1）具有偶發(fā)性，整個澆次中個別爐次存在，且液面波動產(chǎn)生的時間段也具有偶然性。（2）較大的液位波動，往往在鑄坯表面留下較嚴(yán)重的凹坑缺陷。（3）液面波動情況與塞棒吹氬量有直接關(guān)系。

3 方坯結(jié)晶器液面波動形成原因

3.1 保護(hù)渣

該廠方坯連鑄機(jī)引用達(dá)涅利設(shè)計先進(jìn)的結(jié)晶器液位自動控制技術(shù)，采用Cs137檢測結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)鋼水的位置，通過在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定液位值，然后將檢測到的鋼水液位與之進(jìn)行對比分析。根據(jù)對比得出的信號，系統(tǒng)自動控制塞棒位置動作，實現(xiàn)結(jié)晶器液位的自動控制［3］。

然而，射源液位檢測技術(shù)難以規(guī)避保護(hù)渣的干擾，實際射源檢測的液位為高溫鋼水液位和熱態(tài)保護(hù)渣厚度疊加之和。同時，加入結(jié)晶器的保護(hù)渣會干擾射源射線的傳輸與吸收，有文獻(xiàn)表明，當(dāng)保護(hù)渣加入20～30 mm 厚度時，將會給Cs137 液位檢測系統(tǒng)產(chǎn)生一定的13～19 mm 的虛假鋼液信號，即Cs137液位檢測系統(tǒng)產(chǎn)生一個較大量程的波動虛假信號，而實際鋼液面將會產(chǎn)生12.6～18.9 mm 的波動［4］。這將對連鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，甚至出現(xiàn)卷漏生產(chǎn)事故。

根據(jù)該廠現(xiàn)場操作人員推渣及生產(chǎn)的錄像調(diào)取，發(fā)現(xiàn)個別操作人員推保護(hù)渣容易引起結(jié)晶器液面波動，從第1流到第5流或從第5流至第1流順序產(chǎn)生液面波動，液面波動頻率較為固定，間隔周期與守流人員推渣周期相同。

3.2 水口結(jié)瘤物脫落

使用鋁脫氧的鋼種，鋼中鋁含量較高，澆注時極易發(fā)生如下反應(yīng)：

Al2O3為高熔點(diǎn)夾雜物，該類夾雜物會隨著連澆時間的延長而慢慢絮集在棒頭、SEN 碗部及內(nèi)壁，堵塞水口［5］，進(jìn)而發(fā)生結(jié)瘤。雖然澆注過程水口結(jié)瘤較為緩慢，但是當(dāng)結(jié)瘤物剝離附著點(diǎn)，此時水口堵塞瞬間解除，由于液位控制系統(tǒng)的閉環(huán)作用，塞棒位置自動瞬間調(diào)整，結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生較大波動。

3.3 塞棒吹氬參數(shù)

對可澆性不好的鋼種，國內(nèi)鋼廠通常使用塞棒吹氬技術(shù)。塞棒吹入氬氣，可以使SEN內(nèi)鋼液流場發(fā)生變化，杜絕Al2O3等在SEN碗部及內(nèi)壁的絮集，從而避免因水口碗部及內(nèi)壁堵塞造成的棒位上漲及結(jié)瘤物剝離而造成的結(jié)晶器液面波動。但是，若吹入的氣體量控制不合適，將會加重液面波動。氬氣流量太小，防堵效果差，容易結(jié)瘤，且氬氣管道背壓無法保證正壓，容易吸入空氣，污染鋼水，加劇結(jié)晶器液面波動；流量太大，結(jié)晶器內(nèi)上浮的氬氣泡變大，在氣泡脫離鋼液面時炸裂瞬間產(chǎn)能的動能增加，對結(jié)晶器內(nèi)液面的擾動變大，極易使鋼水因二次氧化而受到污染。

統(tǒng)計了該廠連澆58爐使用塞棒吹氬鋼種的澆注，氬氣流量對液面波動的影響如圖1所示。生產(chǎn)實際發(fā)現(xiàn)，氬氣流量控制在2.5 L/min，對液面波動影響最小。

圖1 氬氣流量對結(jié)晶器液面波動的影響

3.4 塞棒控制系統(tǒng)

特殊鋼澆注均采用塞棒控流。塞棒控制系統(tǒng)發(fā)生故障，塞棒控流效果將會受到影響，必然產(chǎn)生液面波動。生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，塞棒控制系統(tǒng)故障主要包括：塞棒機(jī)構(gòu)定位銷松動甚至斷裂、鋼帶卡殼、塞棒電機(jī)跳電等。因塞棒控制系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的液位波動，均為瞬時、大幅度的波動，故障消除后，塞棒位置恢復(fù)。

3.5 水口插入深度

國外冶金學(xué)者Teshima 等人，為了定量地研究結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場對結(jié)晶器液面波動的決定性大小，采用了以下公式來表征結(jié)晶器液面波動情況。指出，當(dāng)F位于3～5，結(jié)晶器液面比較穩(wěn)定［6］。波動函數(shù)定義為：

式中：ρ為結(jié)晶器內(nèi)鋼液密度，kg/m3；QL為拉速，m3/s；υe為鋼水流股到達(dá)窄面碰撞速度，m/s；θ為鋼水流股與結(jié)晶器窄面的碰撞角度，°；D為碰撞點(diǎn)到結(jié)晶器液面的距離，m。

由此可見，在浸入式水口的形狀、水口出口角度、拉速固定的情況下，SEN 插入深度決定了液面波動情況。中包鋼水由SEN注入結(jié)晶器內(nèi)，注流由側(cè)孔流出，到達(dá)銅管壁后，因銅管避的阻擋作用，注流將產(chǎn)生上升流股和下降流股。上升流股向上運(yùn)動，直接擾動鋼水液面，流股動能越大，越容易引起液面波動。側(cè)孔SEN插入深度，決定著結(jié)晶器內(nèi)液面擾動情況：水口插入太淺，上升流股路徑短，動能大，加大對結(jié)晶器液面的擾動，形成較大的液位波動，且易引起卷渣；水口插入深度太大，結(jié)晶器內(nèi)溫度場不均勻，表現(xiàn)為鋼水上表面熱能缺乏，影響化渣效果，結(jié)冷鋼，造成液面波動。

經(jīng)過生產(chǎn)實踐統(tǒng)計得出，液面波動隨側(cè)孔SEN插入深度變化曲線見圖2?？梢姡琒EN 插入過深或過淺都會引起液面波動的加劇，側(cè)孔SEN插入深度在100～120 mm對液面波動影響最小。

圖2 側(cè)孔水口插入深度對結(jié)晶器液面波動的影響

4 控制措施

4.1 保護(hù)渣

射源液位檢測技術(shù)難以規(guī)避保護(hù)渣的干擾，實際射源檢測的液位為高溫鋼水液位和熱態(tài)保護(hù)渣厚度疊加之和，保護(hù)渣過量加入時，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)實際鋼液位遠(yuǎn)低于射源檢測的液位值。因此，生產(chǎn)過程中，需做到：（1）標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，添加保護(hù)渣需做到每次添加量少、添加頻次多，每次添加的保護(hù)渣要均勻覆蓋結(jié)晶器，保證總渣層厚度40～50 mm，液渣層厚度7～9 mm。使用專用保護(hù)渣厚度測量工具。（2）使用自動加渣設(shè)備。

4.2 結(jié)瘤及水口堵塞

易結(jié)瘤鋼種澆注過程，容易發(fā)生結(jié)瘤物剝離和因水口碗部、內(nèi)壁堵塞造成的棒位上漲，繼而造成結(jié)晶器液面波動，為此應(yīng)做到：（1）做好全程保護(hù)澆注，杜絕鋼水的再污染，杜絕Al2O3等夾雜物在塞棒頭部、SEN 碗部和內(nèi)壁的絮集及結(jié)瘤物的脫落；做好保護(hù)渣添加工作，防止鋼水結(jié)冷鋼，造成液面波動。（2）采用吹氬塞棒澆注工藝時，需注意出吹入氣體最合適流量值，既要保證可以有效防止結(jié)瘤，也要時刻注意不能產(chǎn)生液面波動［7］。現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗，吹入的氬氣量控制在2.5 L/min 左右，對結(jié)晶器內(nèi)鋼液面影響最小。

4.3 水口插入深度

側(cè)孔SEN插入深度直接決定了結(jié)晶器內(nèi)流場，并決定著結(jié)晶器內(nèi)液面擾動情況，必須保證SEN插入深度?，F(xiàn)場實踐證明，SEN 插入深度在100～120 mm，可極大地降低液面波動的產(chǎn)生。措施：（1）生產(chǎn)準(zhǔn)備期間，在水口固定位置做好標(biāo)記，便于后續(xù)測量。（2）使用SEN 插入深度專用工具測量插入深度。（3）開澆前，中包升降編碼器清零，防止計數(shù)故障帶來的測量誤差。（4）使用自動錯水口工藝，保證水口插入深度不受人為升降中包影響。

4.4 塞棒控制系統(tǒng)

保證塞棒—液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)例行檢查電纜狀態(tài)，包括塞棒機(jī)構(gòu)電源線及信號線是否過燒、短路；檢查機(jī)構(gòu)定位銷安裝是否牢固；保證塞棒電機(jī)冷卻不過熱。

5 結(jié)語

對比統(tǒng)計了之前生產(chǎn)的410爐澆注液面曲線，波動超過±3 mm 的比例達(dá)到11.45%；采用控制措施，統(tǒng)計了500 爐的澆注液面曲線，波動超過±3 mm的比例降低至0.8%。以上優(yōu)化措施，可有效地穩(wěn)定結(jié)晶器液面，提高了鑄坯質(zhì)量，鑄坯廢次降率大大降低，為穩(wěn)態(tài)澆鑄高品質(zhì)鋼提供了有力保障。