ASP工藝生產Ti-IF鋼水口堵塞原因分析及改進

張 磊

（山東鋼鐵集團有限公司鋼鐵研究院，山東 濟南 250101）

試驗研究

ASP工藝生產Ti-IF鋼水口堵塞原因分析及改進

張 磊

（山東鋼鐵集團有限公司鋼鐵研究院，山東 濟南 250101）

利用光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析對超低碳Ti-IF鋼ASP連鑄過程浸入式水口結瘤物取樣分析表明，結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脫氧產物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內壁結瘤造成，Ti使水口結瘤現象嚴重。通過將RH單聯法優化為LF+RH雙聯法，優化鈣處理效果并控制過剩[Ti]＜0.02%，改善了鋼水可澆性，實現了8爐以上連續澆鑄。

Ti-IF鋼；水口堵塞；結瘤物；Al2O3；鈣鋁酸鹽

1 前言

濟鋼利用ASP中薄板坯連鑄連軋生產超低碳Ti-IF鋼初期，煉鋼采用“BOF＋CAS＋RH＋CCM”工藝流程。在實際生產過程中，由于結晶器斷面小、澆鋼時間長，經常因水口堵塞而更換甚至停機，生產不穩定。對濟鋼IF鋼生產初期的澆注情況進行統計，在某一天的生產中，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。為實現多爐連澆，提高生產效率，降低生產成本，對浸入式水口結瘤物進行分析，探討水口堵塞原因并提出工藝優化措施。

2 結瘤物結構及成分分析

在板坯連鑄過程中出現水口結瘤時，對中間包浸入式水口結瘤物取樣進行分析。將試樣用環氧樹膠固結后切割制成光片，利用光學顯微鏡由內（靠近鋼水的一側）向外（靠近水口耐火材料的一側）觀察試樣的宏觀形貌，利用掃描電鏡對主要特征點進行能譜分析。

1）最內層為金屬鐵中包裹浮士體和碳，其形貌見圖1，內層結瘤物成分及結構見表1。

圖1 內層結瘤物形貌

表1 內層結瘤物成分及結構

2）結瘤物由內向外第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尖晶石，其形貌見圖2，成分及結構見表2。

圖2 水口由內向外第2層結瘤物兩種形貌

3）結瘤物由內向外第3層也主要為金屬鐵和夾雜物，金屬鐵約40%，夾雜物約60%。夾雜物中主要為結晶細小的а-Al2O3和少部分的RO相，其形貌見圖3，成分及結構見表3。

4）結瘤物最外層主要為碳、金屬鐵、少數夾雜物，夾雜物為ZrO2及RO相，其形貌見圖4，成分及結構見表4。

表2 水口由內向外第2層結瘤物成分及結構

圖3 水口由內向外第3層結瘤物兩種形貌

圖4 水口最外層結瘤物兩種形貌

表3 水口由內向外第3層結瘤物成分及結構

表4 水口最外層結瘤物成分及結構

檢測分析表明，中間包水口結瘤物中夾雜物和金屬鐵交互存在，夾雜物主要為外來夾雜物。最外層是鋼水和耐火材料間發生化學反應的形成物，主要為碳和Al2O3混合物，ZrO2中的Zr來自于耐火材料；靠近外層夾雜物中主要為結晶細小的Al2O3和RO相，RO相中含有較多的Ti元素，應該為Ti-IF鋼液帶入；再向內由Al2O3與其他元素形成了二鋁酸鈣或少數尖晶石；最內層主要為金屬鐵，FexO和一些碳。

3 水口堵塞原因分析

近年來國內外關于連鑄水口結瘤問題的研究已有很多報道，根據浸入式水口結瘤產生的機理，一般將其分為4類：脫氧產物在水口內壁附著燒結；倒吸入水口內的空氣與鋼液反應；水口耐火材料與鋼液的反應產物；鋼液在水口內的凝固[1]。中間包浸入式水口結瘤物的主要物相為高熔點細小的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，同時現場檢測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。可以判斷，浸入式水口堵塞是鋼液中高熔點脫氧產物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內壁結瘤造成。

在生產超低碳Ti-IF鋼時，一般加入0.05%～0.07%的[Ti]以固化C、N等間隙原子。實際生產中，這個范圍內的Ti不會和Al2O3發生化學反應，但Ti是表面活性元素，在Al2O3表面Ti的濃度比在鋼液內大很多，所以在氧化鋁顆粒附近Al2O3和Ti會發生化學反應，在水口結瘤物中，發現RO相中含有較多的Ti，說明化學反應的存在。

相關研究認為[2]，鋼中的鈦在反應中生成的氧化物TiOx或Al2O3-TiOx復合氧化物，將使鋼液與夾雜物接觸角減小，因此對于超低碳Ti-IF鋼，Ti增加了鋼液和氧化鋁夾雜物的潤濕，使氧化鋁夾雜的上浮變的相對困難，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瘤。也有研究認為[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，而當夾雜物的直徑＜15 μm時，其吸附到水口內壁上產生結瘤的概率顯著增加。這也是澆注Ti-IF鋼比普通鋁鎮靜鋼（比如SPCC）更容易產生水口結瘤堵塞的原因。

4 工藝優化措施

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

4.1 優化精煉工藝

將精煉工藝由RH單聯法改為“LF+RH”雙聯法，Ti-IF鋼在煉鋼工序工藝流程優化為“BOF＋CAS＋RH＋CCM”。利用LF爐升溫，為RH提供穩定到站溫度，避免RH吹氧升溫和轉爐冶煉過程中減少“點吹”次數，防止鋼水過氧化，從源頭減少鋼水夾雜物生成量。LF爐采用頂渣改質造白渣，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”雙聯法后，雖然增加LF精煉工序成本，但降低轉爐出鋼溫度，轉爐爐襯侵蝕情況明顯改善，同時實現Ti-IF鋼連續生產，整體生產成本明顯降低。

4.2 優化鈣處理工藝

Ti-IF鋼本質上仍然是鋁鎮靜鋼，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線對鋼液進行鈣處理，將鋁脫氧產生的高熔點Al2O3夾雜物（熔點為2 020℃）變性為含鈣量較高的低熔點鈣鋁酸鹽夾雜，在煉鋼溫度下呈液態，可以迅速浮出鋼液去除，避免水口堵塞現象。依據CaO—Al2O3二元相圖[4]，隨著金屬鈣的加入，鋼中Al2O3逐漸轉變為鈣鋁酸鈣，而且鈣鋁酸鹽有不同的結構。不同的鈣鋁酸鹽的順序為：Al2O3→CA6→CA2→CA→C12A7→C3A（C代表CaO，A代表Al2O3），其中前兩個的熔點均＞1 700℃，在煉鋼溫度下呈固態，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，鋼中[Ca]含量需要＞17 μg/g才能形成CA或C12A7類低熔點復合夾雜物。也有研究認為[5]，加Ca量主要取決于鋼液中wca/wAl比值，當其值在0.09%～0.13%時，生產的夾雜物主要是C12A7（熔點1 415℃），能極大改善鋼液流動性，避免水口堵塞，前提是鋼水中硫含量wS≤0.015%，否則鈣處理過程中將生產高熔點CaS（1 723℃）。

圖5 1873 K下形成不同夾雜物時Ca/Al關系

Ti-IF鋼經過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CaS生成。因此實際生產過程中，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剩[Ti]：

過剩[Ti]太多，不但會造成合金成本的浪費，還會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瘤，實際生成過程中，一般將過剩[Ti]控制在＜0.02%。

5 結語

濟鋼ASP中薄板坯鑄機生產Ti-IF鋼時，浸入式水口堵塞主要是由于鋼液中高熔點脫氧產物Al2O3和鈣鋁酸鹽沉積粘附在水口內壁結瘤造成；Ti含量的增加使水口結瘤現象嚴重，水口堵塞概率增大。通過將RH單聯法優化為“LF+RH”雙聯法，LF精煉造還原渣、RH工序合理喂Ca-Fe線、合理控制鋼液中過剩鈦含量等一系列工藝措施，濟鋼在ASP流程上成功實現超低碳Ti-IF鋼8爐以上連續澆鑄。

[1]C Bernhard,G Xia,A Karasangabo，等.超低碳鋼連鑄過程中Ti和P對水口結瘤的影響[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，等.CSP低碳鋁鎮靜鋼水中間包水口結瘤原因分析及預防措施[J].甘肅科技，2014，30（7）：62-63.

[5]王曉峰，陳偉慶，裴鳳娟，等.鑄坯連鑄水口結瘤機理研究[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年畢業于山東大學材料加工工程專業。現為山東鋼鐵集團有限公司鋼鐵研究院工程師，從汽車家電用鋼新產品開發工作。