小方坯全整體式水口的研究及推廣應用

劉喜錨

小方坯連鑄機在生產(chǎn)含鋁冷鐓鋼時連鑄中間包水口堵塞是一個長期存在的問題。為了改善鋼水可澆性，提高鋼水質(zhì)量，湘鋼煉鋼廠通過對過程的研究分析，認為鋼水精煉效果的不穩(wěn)定以及連鑄中間包上下水口間易發(fā)生二次氧化，使得鋼水中三氧化二鋁夾雜物數(shù)量較多是造成鋼水可澆性差的主要原因。

該廠通過引用爐后“渣洗技術(shù)”快速合成精煉渣,通過水模擬實驗采用雙氬磚吹氬技術(shù)確保過程吹氬效果，運用鋼包全程加蓋技術(shù)降低系統(tǒng)溫降，經(jīng)過結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場數(shù)值模擬研究優(yōu)化設(shè)計了含鋁冷墩鋼專用整體式水口，有效改善了鋼水可澆性，提高了鋼水質(zhì)量，并在小方坯鑄機上實現(xiàn)全整體式水口的推廣應用。

1 設(shè)備及工藝路線

湘鋼煉鋼廠的工藝路線及主要生產(chǎn)裝備為：三座80 噸轉(zhuǎn)爐→三座90 噸LF 爐→（一座90 噸VD 爐）→四臺連鑄機（1#、3#和4#連鑄機為150 方小方坯連鑄機，2#鑄機為240 方大方坯連鑄機）→鑄坯熱送或堆冷。

2 設(shè)備及工藝操作的改進

整體式水口是將中間包上下水口合二為一，從根本上杜絕了鋼水在通過中間包水口時的二次氧化，有利于提高鋼水可澆性，避免了在使用分體式水口時燒氧產(chǎn)生的夾雜物進入鋼水的情況發(fā)生，同時降低了鋼水中氣體含量，提高了鋼坯表面質(zhì)量。但使用整體式水口在鋼水可澆性差、中包過熱度波動時，容易出現(xiàn)生產(chǎn)中斷。為了全面推廣小方坯全整體式水口的應用，在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的同時不斷改善鑄坯實物質(zhì)量，煉鋼廠從設(shè)備及工藝方面不斷改進，取得了良好的效果。

2.1 爐后渣洗技術(shù)

2.1.1 渣洗工藝

根據(jù)國內(nèi)外一些較大型轉(zhuǎn)爐鋼廠采用轉(zhuǎn)爐出鋼過程“渣洗”脫硫的經(jīng)驗，煉鋼廠在轉(zhuǎn)爐出鋼過程根據(jù)鋼種情況加入適量的石灰及合成渣，利用高溫鋼水強大攪拌動能，把石灰及合成渣與鋼水快速混勻互溶。使之發(fā)生液—液反應，獲得良好的“渣洗”脫硫效果，降低了進LF 爐鋼水硫含量，加快LF 成渣，提高了鋼水在LF 的精煉效率和效果，提高了鋼水純凈度。

2.1.2 渣洗結(jié)果分析

由于石灰及合成渣在渣洗過程中擴散脫氧的作用，爐渣中ω（FeO）有一定下降,因此鋼水到達LF 爐后，熔渣顏色基本呈墨綠色如圖1 所示，這表明渣中氧化鐵已經(jīng)不會很高，從表1 可以看出試驗爐次與非試驗爐次對比渣中TFe 明顯下降，這為精煉快速成白渣奠定了基礎(chǔ)。

表1 進LF 爐渣系對比

圖1 實驗前后熔渣對比

精煉渣系的變化。

2.2 精煉快速成白渣

轉(zhuǎn)爐在出鋼渣洗過程中，根據(jù)終點碳加入適量的脫氧劑，確保進站鋼水中含有一定量的Al，將鋼水中氧含量降低到一定程度，為LF 爐精煉過程脫氧創(chuàng)造了有利條件。同時經(jīng)過轉(zhuǎn)爐的渣洗，鋼水在進入LF 爐時已經(jīng)初步造渣，再通過撒入鋁丸等脫氧劑，使得渣中的FeO 及MnO 快速降低，目前可以穩(wěn)定控制冶煉開始20min 內(nèi)形成白渣，使得鋼渣擁有良好的脫氧、脫硫及吸附夾雜能力。在后續(xù)冶煉過程根據(jù)鋼渣顏色及粘稠度適當脫氧，確保保持白渣15min 以上，使鋼水能持續(xù)保持良好的精煉效果。

2.3 鋼包吹氬技術(shù)的改進

吹氬通常是在鋼包底部砌一塊或數(shù)塊透氣磚，出鋼后通過透氣磚吹入氬氣使鋼包中鋼液攪動。吹氬可促進鋼液中夾雜的上浮，去除部分溶解在鋼中的氣體，均勻鋼液成份和溫度。但是在生產(chǎn)的過程中，由于單透氣磚吹氬存在死區(qū)較多，不利于夾雜物的上浮及鋼水溫度和成分的均勻性，致使鋼水精煉效果差，可澆性差，在澆注過程中造成水口結(jié)瘤，給生產(chǎn)組織和安全順行帶來困難。因此，煉鋼廠將單氬磚設(shè)計改造為雙氬磚。

2.3.1 鋼包吹氬模擬對比

從圖2 對比可以看出，雙氬磚模式吹氬基本沒有死角，吹氬效果較好。

圖2 單透氣磚及雙透氣磚水模擬實驗

2.3.2 鋼包吹氬實際應用對比

煉鋼廠采用單透氣磚吹氬效果（如圖3 左），雙氬磚模式吹氬效果（如圖3 右），新的吹氬技術(shù)使鋼水涌動面積增大，鋼水流場基本不存在死區(qū)，對鋼水成分的調(diào)整、溫度的均勻、鋼水脫氧、夾雜物上浮、真空脫氣都十分有利，同時減少了大氬氣攪拌時間。

圖3 單透氣磚及雙透氣磚吹氬對比

2.4 鋼包全程加蓋保溫技術(shù)

由于整體式水口在連鑄生產(chǎn)過程中，不能更換水口，也不能對水口實施燒氧引流，所以要求每爐鋼水從開澆到停澆比使用分體式水口時的溫降更小，每爐鋼水澆注末期鋼水過熱度必須大于15℃，否則，鋼水很容易在水口中凍結(jié)而導致澆次中斷。

為了穩(wěn)定中包過熱度，煉鋼廠在目前通常采用的提高鋼包熱周效率轉(zhuǎn)、鋼水運輸過程加保溫劑和連鑄過程加蓋保溫等方法的基礎(chǔ)上，采用了鋼包全程加蓋技術(shù)，除了轉(zhuǎn)爐出鋼和鋼水精煉過程以外，鋼包蓋在鋼包運轉(zhuǎn)的整個過程中始終蓋在鋼包上，通過提高鋼包保溫性顯著降低了鋼水的熱量損失，確保連鑄中包鋼水溫降小且前后爐溫降穩(wěn)定，保證連鑄順利使用整體水口進行生產(chǎn)。

2.4.1 鋼包周轉(zhuǎn)對比

煉鋼廠原有的鋼包周轉(zhuǎn)流程示意圖如圖4 所示。

圖4 原有鋼包周轉(zhuǎn)示意圖

采用鋼包全程加蓋工藝后鋼包周轉(zhuǎn)流程示意圖如圖5 所示。

圖5 鋼包全程加蓋周轉(zhuǎn)示意圖

鋼包全程加蓋技術(shù)的應用，改變了原有的鋼包周轉(zhuǎn)流程，出鋼后加蓋保溫，降低了鋼水溫降；取消了二次精煉后的保溫劑加入; 取消了原連鑄過程中的加蓋保溫裝置；帶蓋清渣，改善廠區(qū)環(huán)境；鋼水澆鑄后鋼包不必烘烤，直接吊運至出鋼區(qū)域帶蓋保溫。

2.4.2 鋼包全程加蓋的應用效果

鋼包全程加蓋技術(shù)在煉鋼廠投入使用后，設(shè)備運行良好，并取得了理想的應用效果：轉(zhuǎn)爐出鋼過程溫度損失減少約5℃，運輸、吊運至LF 爐過程溫度損失減少約10℃～15℃，精煉后鋼水上臺溫度降低5℃～10℃；降低了連鑄澆注過程溫降（連鑄中包溫降數(shù)據(jù)如圖6 所示）。

圖6 改造前后中包溫降

3 4#鑄機整體水口的設(shè)計和應用

3.1 4#鑄機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求

煉鋼廠4#鑄機主要生產(chǎn)鋼種為：中碳合金冷鐓鋼、低碳含鋁冷鐓鋼及鉻鉬鋼等。

目前含鋁冷鐓鋼一般要求鋼坯：全氧≤20ppm，氮≤50ppm。

3.2 4#鑄機中間包水口使用現(xiàn)狀

煉鋼廠4#鑄機從建成開始，一直使用分體式水口生產(chǎn)含鋁類型鋼種，且一直沿用了下來，針對4#鑄機中間包改用全整體式水口存在幾個難點：

（1）全鋼種適用：4#鑄機可生產(chǎn)多個類型鋼種，如全部鋼種使用整體水口，設(shè)計的整體水口必須適應所有鋼種的生產(chǎn)要求。

（2）碗口尺寸：4#鑄機由分體水口改為整體式，碗口形狀和尺寸需優(yōu)化，整體水口碗口形狀和尺寸必須確保塞棒能穩(wěn)定控流。

（3）渣線壽命：原生產(chǎn)鋼種使用分體水口，生產(chǎn)過程中可以更換下水口，如使用整體水口，必須確保水口渣線壽命滿足生產(chǎn)要求。

3.3 4#鑄機全整體水口的設(shè)計方案

（1）碗口形狀及尺寸：根據(jù)原分體水口，設(shè)計整體水口采用尖頭塞棒配開口Φ80 的碗口，碗口側(cè)面母線半徑R70。

（2）喉口內(nèi)徑：考慮需用于生產(chǎn)含鋁鋼，為了防止鋼中夾雜物堵塞水口，喉口內(nèi)徑由Φ32 擴大為Φ42。

（3）碗口材質(zhì)：原分體水口使用鑲嵌鋯碗，整體水口繼續(xù)保留鋯碗。

（4）下口內(nèi)徑：考慮拉速與水口流量，參考原分體水口，下口內(nèi)徑仍然保持為Φ32。

（5）下口外徑：從提高使用壽命來講，增大水口外徑是有利的，但4#鑄機為150 方坯鑄機，水口外徑過大將影響結(jié)晶器鋼水的流動及保護渣的熔化，兼顧此兩方面，設(shè)計整體水口外徑確定為Φ81。

（6）整體水口長度：綜合考慮中間包車的升降極限、水口在中間包內(nèi)的伸出長度、水口的浸入深度、澆鋼操作的需要以及與供方互利等因素，將水口長度確定為945mm。

新設(shè)計的4#鑄機整體水口如圖7。

圖7 新型整體水口尺寸圖

3.4 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場數(shù)值模擬

在4#鑄機生產(chǎn)ML40Cr 拉速為2.8m/min，澆注溫度為1517℃，浸入深度為100mm 時，結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場數(shù)學模擬矢量圖如圖8，鋼水經(jīng)整體水口進入結(jié)晶器內(nèi)，中心流股集中且不分散，沖擊到一定深度后趨近于拉坯速度，同時與周圍鋼水混勻的過程中有一較大的回流，與周圍鋼水速度趨于均勻一致；兩側(cè)流速均勻且速度小，越靠近自由液面速度越平緩，不會造成卷渣。

圖8 結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場數(shù)值模擬

3.5 應用效果

4#鑄機全部使用新設(shè)計的整體水口后，水口與塞棒配合控流精準，可以滿足結(jié)晶器液面波動≤±4%的要求（下圖9 為整體水口含鋁冷鐓鋼澆次結(jié)晶器液面曲線），生產(chǎn)的連鑄坯表面質(zhì)量好，沒有深振痕和表面結(jié)疤等缺陷。鋼中O、N 含量由原來的總體大于20PPM 和大于60PPM 降低到小于20PPM 和小于50PPM。

圖9 4#鑄機含鋁冷鐓鋼澆次結(jié)晶器液面曲線

同時通過與整體水口生產(chǎn)廠家聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)和采用雙渣線，新設(shè)計的整體水口可達到全鋼種連澆15h 的壽命要求，達到了設(shè)計目標。4#鑄機從此只需準備一種水口的中間包，減少了備用中間包的數(shù)量，簡化了中間包周轉(zhuǎn)管理，提高勞動生產(chǎn)效率，降低了成本。

4 整體水口向其它鑄機的推廣應用

在4#鑄機全整體式水口改造后，生產(chǎn)穩(wěn)定性及鋼坯氣體含量控制水平明顯提升，在此基礎(chǔ)上，煉鋼廠逐步將其它鑄機全部改為整體式水口，并取得了良好的效果。如圖9 與圖10，1#/3#鑄機生產(chǎn)過程穩(wěn)定，可以滿足品種鋼結(jié)晶器液面波動≤±5%的要求，生產(chǎn)的連鑄坯表面質(zhì)量較好，深振痕和表面裂紋等缺陷降低明顯。

圖10 1#鑄機ML40Cr 澆次結(jié)晶器液面曲線

圖11 3#鑄機XSWRCH6A 澆次結(jié)晶器液面曲線

5 經(jīng)濟指標及效益

經(jīng)過小方坯全整體式水口的全面推廣與應用，煉鋼廠經(jīng)濟指標（表2）明顯提升，并產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約841 萬元。

表2 經(jīng)濟技術(shù)指標對比

6 結(jié)論

（1）通過爐后渣洗技術(shù)、精煉快速成白渣以及改進后的吹氬技術(shù)的實施，提高了鋼水的純凈度及鋼水的成分，溫度均勻性，降低了鋼水在連鑄澆注過程中蓄流風險，為小方坯連鑄機實施整體水口提供了支撐。

（2）大包加蓋的實施，減少了運行過程的溫度損失，降低了連鑄過程中的中包溫降，為實現(xiàn)整體水口澆注的開澆成功率及澆注過程的穩(wěn)定順行提供了條件。

（3）小方坯全整體式水口的研究及推廣應用，減少了澆注過程二次氧化、提高了連鑄坯表面質(zhì)量、各項技術(shù)經(jīng)濟指標明顯改善，為公司線棒材由優(yōu)鋼向特鋼轉(zhuǎn)變奠定了堅實的基礎(chǔ)。