提高不銹鋼單中包最大連澆爐數的工藝實踐

陳法濤，孫仁寶，蔣朝暉，邢繼彬，蘆效增

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西 太原 030003）

在澆鋼作業中，一個中間包可以連續澆鑄的大包鋼水爐數，叫做連澆爐數。連澆爐數是煉鋼廠連鑄車間的重要技術指標，它是連鑄設備、工藝和管理水平的綜合體現[1]。提高連澆爐數對提升連鑄生產效率、提高連鑄金屬收得率和降低全線生產成本具有重要意義。但受生產組織、鋼種特性及中包耐材質量的影響，提升不銹鋼連澆爐數具有很大難度。

為此，山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠（全文簡稱煉鋼二廠）北區不銹鋼連鑄工序通過優化和改進中間包耐火材料質量、連鑄三大件耐材料質量和相關連鑄生產工藝參數等措施，有效提高了北區不銹鋼單中包最大連澆爐數，極大提升了不銹鋼連鑄生產效率。

1 工藝設備狀況

煉鋼二廠北區不銹鋼共有3臺連鑄機，2019年生產不銹鋼約314萬t，連鑄機設備參數見表1。

表1 連鑄機基本參數

2 提高連澆爐數采取的工藝技術措施

影響提升連澆爐數的限制環節主要為中間包工作層耐火材料壽命低、連鑄塞棒侵蝕導致控流不穩定及中間包上水口滲鋼等問題，給生產穩定及質量控制帶來較大隱患。針對以上問題，煉鋼二廠北區主要采取了以下改進措施。

2.1 優化中間包耐火材料和砌筑工藝

針對中間包工作層耐火材料壽命低問題，主要從優化、改進涂抹料材質方面入手，以提高工作層抗渣侵蝕性能。通過將中間包涂抹料骨料由制磚鎂砂提升為中檔鎂砂，涂抹料基質由高純鎂砂提升為電熔鎂砂，有效提升了中間包工作層的耐侵蝕能力。下頁表2為中間包涂抹料材質改進前、后的性能指標。由表2可知，中間包涂抹料中w(MgO)由≥80%提升至≥83%，w(SiO2)由≤6%降低至≤5.0%，體積密度由1.8～2.0 g/cm3提升至1.9～2.1 g/cm3。

表2 中間包涂抹料改進前、后的性能指標

除改進中間包涂抹料材質外，在不影響中間包鋼水容量的前提下，根據中間包耐材的侵蝕程度，適當增加中間包工作層的砌筑厚度；其中，塞棒區工作層厚度由60 mm提高至80 mm，沖擊區工作層厚度由60 mm提高至100 mm。另外，針對大連澆爐數澆鑄過程中擋墻存在局部穿孔問題，將擋墻厚度由80 mm提高至110 mm，提高擋墻耐渣侵蝕性能。

優化中間包涂抹料材質和砌筑工藝后，有效提高了中間包的耐侵蝕能力。下頁圖1為生產15爐430對應改進前、后的中間包耐材侵蝕情況，圖2為改進后中包包壁溫度變化趨勢圖。由表3可知，改進前，中間包塞棒區和沖擊區工作層殘厚均為10 mm；改進后，中間包塞棒區工作層殘厚為45 mm，沖擊區工作層殘厚為55 mm。由圖1可知，連澆15爐后，優化后中間包包壁溫度最高為325℃，較改進前中間包包壁最高溫度下降約75℃。

圖1 改進前、后中間包耐材侵蝕情況

圖2 中間包包壁溫度變化趨勢圖

2.2 優化塞棒材質和結構

塞棒棒頭是塞棒的關鍵部位，棒頭與上水口配合起到控流作用，因此棒頭需要優良的耐沖刷性能[2]。在澆鑄過程中，塞棒的棒頭部位承受的化學侵蝕和物理沖刷都比較嚴重，嚴重時控流失敗導致發生停、斷澆等生產事故，造成嚴重的安全事故或者巨大的經濟損失。

為提高塞棒棒頭的耐沖刷性能，2019年6月，北區不銹鋼塞棒頭部材質由Al2O3-C質改進為尖晶石材質，有效提高了塞棒棒頭的耐高溫力學性能、抗渣性能和抗熱震性能等，基本上解決了小爐數（≤12爐）封頂過程中塞棒關不住問題。

2020年9月份起，隨著不銹鋼單中包連澆爐數由12爐提升至15爐，澆鑄過程中須進行一次更換下水口操作。隨著連澆爐數增加，塞棒侵蝕量較前期加大，更換下水口操作和封頂階段的塞棒控流問題較為突出，部分換下水口過程中出現塞棒關不住導致鋼水糊換管器滑道、滑板處夾鋼問題（見表3）。與耐材廠家對下線塞棒侵蝕情況進行分析，發現下線塞棒頭部變尖（見表3），換水口、封頂階段塞棒頭部和上水口碗口處的契合度較差是塞棒控流失敗的主要原因。為此，通過將現有塞棒棒頭位置加粗（見表3），澆鑄15爐后，塞棒棒頭仍較飽滿（見表3），這表明塞棒棒頭的抗侵蝕、抗沖刷性能得到有效提升。通過優化塞棒棒頭結構，有效保證了塞棒棒頭和上水口碗口的契合度，提高了連鑄非穩態階段控流的穩定性，解決了更換下水口過程中塞棒關不住導致鋼水糊換管器滑道、滑板處夾鋼和封頂階段塞棒關不住等問題，杜絕生產隱患。

表3 改進前、后塞棒使用情況及控流效果

2.3 優化保護渣性能，提高單支水口使用壽命

下頁表4為當前單支不銹鋼下水口最大連澆爐數的控制情況。若將不銹鋼單中包連澆爐數提升至15爐至16爐，304系和0Cr13系只需在線更換一次下水口，430系需要在線更換2次下水口。若澆鑄過程中更換2次下水口，不僅導致切廢量增大，而且還具有一定的安全隱患。

表4 北區典型鋼種對應單支下水口最大連澆爐數

為提升430系單支下水口的連澆爐數，對430系現用保護渣進行優化。表5為改進前、后保護渣的理化性質；其中，改進型保護渣的F-含量（質量分數）由原保護渣的9.05%降低至5.69%。受低F-含量（質量分數）特征影響（具體關系見下圖3）[3]，保護渣對ZrO2_C質渣線層的水口的侵蝕能力相對變弱，可實現單水口連續澆鑄12爐的要求。

表5 保護渣的化學指標

圖3 F-含量對ZrO2_C渣線層的侵蝕關系

2.4 優化中間包座磚結構

不銹鋼中間包滲鋼現象由來已久，尤其是300系不銹鋼，滲鋼現象由小爐數（≤5爐）的滲到座磚與上水口之間到大爐數（＞5爐）的滲到搗打料與上水口之間，嚴重者滲透到上水口鐵殼上方位置，給正常生產帶來隱患（見圖4）。

圖4 中包滲鋼情況

改善前期，因滲鋼機理研究不透徹，現場改善重心主要放到操作方式、方法以及搗打料干濕程度上，但上述措施實施后并未有效改善滲鋼現象。通過引用改進型座磚，即在現座磚基礎上，上口內徑部位開環形槽，槽高度30 mm，寬度40 mm，安裝時在槽內填充引流砂。采取措施后，從下線座磚與上水口破開檢查的情況看（見圖5），鋼流均在引流砂部位被截止，未再出現一起鋼液滲透到座磚與上水口之間現象，降低了生產隱患，為穩定、安全生產奠定了基礎。

圖5 改進后上水口滲鋼情況

2.5 優化鉻鋼換中間包渣線和換水口制度

根據中包耐材及連鑄三大件的實際侵蝕情況，對北區提高單中包連澆爐數后中包下水口及中間包渣線的更換要求進行規范。其中，不銹鋼更換下水口時間固化在連澆第8爐120 t附近（根據鋼水溫度進行微調）；中間包渣線更換制度嚴格執行“8+5+X”（即第8爐澆鑄結束和第13爐澆鑄結束分別更換一次中間包渣線）。圖6為近期排產15爐430系澆鑄過程曲線圖。由圖6可知，第8爐澆鑄中期更換一次下水口，第8爐和第13爐大包澆鑄結束后分別更換一次中間包渣線。

圖6 15爐430澆鑄過程曲線圖

2.6 優化中間包溢流口結構

除提高中間包耐材和連鑄三大件耐侵蝕能力外，提高不銹鋼連澆爐數后，應嚴格控制大包下渣，減少大包渣對中包耐材的侵蝕和對中間包鋼水的污染。提高大包下渣檢測合格率是控制大包渣下入中間包的有效途徑；對于控制不當導致大包渣下入中間包等異常情況，應及時組織排渣操作。為便于中間包排渣操作，中間包帶有專用排渣的溢流口結構，但溢流口結構設計為“平口（方形）斜坡式”（見下頁圖7），排渣過程中存在排渣散、鋼渣流速慢及效率低等問題；通過將中間包溢流口結構優化為“喇叭口（倒梯形）斜坡式”（見圖7），可以確保排渣過程中鋼渣聚集、流速快，提高了排渣效率。另外，為避免排渣過程中沖擊區鋼渣從擋墻上沿倒流至塞棒區，在現有擋墻高度的基礎上（850 mm）再增加30 mm（見圖7），確保排渣過程中沖擊區鋼渣無法流入塞棒區。

圖7 中間包溢流口改進情況及改進效果

3 改進效果

通過以上措施的實施，不銹鋼單中間包最大連澆爐數得到明顯提高。其中，304系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由8爐提升至15爐，澆鑄時間由668 min提高至1201 min；0Cr13系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由12爐提升至17爐，澆鑄時間由962 min提高至1379 min；430系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由12爐提升至15爐，澆鑄時間由1125 min提高至1375 min（見圖8）。

圖8 不銹鋼單中包連澆爐數變化趨勢圖

4 結論

1）通過改進中間包涂抹料材質、連鑄塞棒質量、保護渣、座磚結構及相關連鑄工藝參數，重點解決了中間包耐材侵蝕、座磚滲鋼及連鑄非穩態塞棒控流不穩定問題，確保了生產穩定。

2）實施改進措施后，不銹鋼單中包連澆爐數得到明顯提升，有效提升了不銹鋼生產效率；其中，304系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由8爐提升至15爐，0Cr13系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由12爐提升至17爐，430系不銹鋼單中間包最大連澆爐數由12爐提升至15爐。