基于過程參數調節的冷鐓鋼水口結瘤研究

徐賢東，喻正強，董小明

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部，安徽 馬鞍山 243000）

1 水口結瘤機理與現象

1.1 水口結瘤的反應理論

關于堵塞物中的氧化鋁來源機理，主要分為以下幾類：

（1）懸浮于鋼水中未去除的脫氧產物。

（2）澆鑄過程中負壓引吸氧以及與耐火材料或鋼渣中的酸性氧化物(MO})反應生成的外來夾雜。

（3）澆鑄過程鋼水流經浸入式水口由于溫度降低后打破Al-O 平衡，使鋼中[A1] ，[O]反應生成氧化鋁;

1.2 水口結瘤的原因分析

1.2.1 鋼中硫含量的影響

在高溫下，鋼中的鋁含量在0.02%，硫含量超過0.017%時，CaS 夾雜析出;鋼中的鋁含量在0.03%，硫含量超過0.011%時，CaS 夾雜析出，鋼中的鋁含量>0.OS%，硫含量超過0.009%時，CaS 夾雜將析出。溫度對CaS 夾雜的析出影響很大。隨著溫度的降低，Ca0 一Alz 03 夾雜吸收硫(CaS)的能力逐漸下降。

1.2.2 鈣處理不充分

鈣處理的目的是將鋁脫氧產生的高熔點脆性鈣處理措施的采用雖然從冶金原理上可以防止水口結瘤，但是操作不當也可能加重水口結瘤。采用鈣處理措施防止中間包水口結瘤，要求做好換包期間的保護澆鑄，尤其防止鋼包注流時吸入空氣和氧化性鋼包渣流入中間包內。

1.2.3 LF 多次處理

鑄機開澆爐次液面和塞棒發生較大幅度波動，液面平穩，塞棒提至高位。澆注后期，提高拉速，加大鋼流速度，沖刷水口結瘤物，塞棒行程先逐漸上升，然后下降至平穩。若后續為LF 多次處理的事故鋼水，澆注前期液面相對較平穩，但澆注至中后期，塞棒迅速上漲，液面波動異常，直至上限停澆。鋼水在LF 長時間停留，先后進行兩次處理，鋼中Als 和Ca 二次氧化及Ca 對鋼包耐材侵蝕而產生大量小顆粒夾雜，懸浮在鋼水中難以去除。

1.2.4 鋼包燒氧

鋼包未自動開澆而燒氧引流，為補充中間包液位，鋼水敞開澆注，造成鋼水二次氧化而產生大量夾雜物，短時間內無法充分上浮，加之鋼水本身含有的夾雜物，中間包鋼水的清潔度嚴重惡化，導致塞棒迅速上漲。

1.3 中間包水口結瘤現象

采用塞棒控流的中間包內，由于鋼水從塞棒和中間包上水口中間的縫隙流入結晶器，較大尺寸的氧化鋁夾雜容易粘附在塞棒棒頭位置或上水口內；尺寸較小的夾雜物在凹形水口底部聚集、長大，容易粘附在浸入式水口底部或上浮至結晶器內。粘附的夾雜物越來越多，逐步長大、浸入式水口內逐步向上長大，使得水口內徑縮小、通鋼量減少，為維持拉速，棒位上漲。下圖1 為連鑄結瘤現象。

圖1 連鑄結瘤現象

2 減少冷鐓鋼水口結瘤率的控制方法

2.1 工藝設備介紹

馬鋼長材事業部的主要工藝流程為鐵水預脫硫→轉爐→吹氬站→LF →方坯連鑄。主體工藝配置為：鐵水預處理設施2 套、70t 頂底復吹脫碳轉爐4 座、吹氬站設施4 套、70t LF 鋼包精煉爐2 座、在線喂線裝置2 套，采用“全三脫”冶煉工藝。 連鑄工序由1 臺六流150×150mm 方坯連鑄機，全程無氧化保護澆鑄、結晶器液面自動控制等多項保證鑄坯質量的技術。為減少結瘤率，馬鋼長材事業部從以下方面入手。

2.2 滑板控制方法

根據生產計劃，使用狀態良好的鋼包裝冷鐓鋼，歸罐之前滑板認真檢查、處理，對透氣磚進行試氣，透氣性差的鋼包嚴禁投入使用冷鐓鋼，對澆完下來的鋼包認真檢查滑板、上下水口，仔細清理水口殘渣，對鋼包內部磚體認真檢查，處理好的鋼包一定要做好控渣，控渣時間不得小于1分鐘，防止鋼渣回流進入水口，造成燒氧。

2.3 煉鋼工藝控制流程

轉爐強化出鋼擋渣操作，目標≤400 公斤/爐，出鋼過程中，確保爐帽、爐裙粘渣不掉入鋼包；出鋼過程中進行脫氧和合金化，LF 要求處理前鋼中游離氧不大于20ppm；鋼包凈控制在300～600mm，以滿足LF 爐對鋼包凈空的要求；鋼水后工序回磷不超過0.004%；保證吹氬站氬前溫度1560～1600℃。

2.4 吹氬制度

領行人員把鋼包歸到鋼包車上后，吹氬站操作人員過來接老底吹氬氣系統（自動對接吹氬系統可能回漏氣），確保底吹氬氣強度，開入罐砂工位，在罐砂之前要認真檢查上水口是否有異物，如有異物，立即通知滑板人員重新清理水口。確保水口無異物后，對水口罐高Cr 砂（自引率高），砂子一定要填滿水口且要堆起來。出鋼時氬氣流量控制400-500L/min,出完鋼以后，把鋼包車開進吹氬工位，認真觀察鋼水信息、吹氬強度，定氧，根據氧位和工藝要求的Al 含量進行喂線，喂完Al 線后強吹氬不得少于6 分鐘，保證鋼水脫氧、成分均勻。吹氬結束后，把此爐鋼的信息及時準確的反饋到LF 爐。

2.5 LF 爐精煉工藝

2.5.1 造渣材料加入

造渣材料的加入量按8～10kg/t 控制， 根據渣子情況，注意預熔渣、CaO 的配比控制。渣料的加入量根據埋弧效果及脫氧效果進行增減；爐渣流動性不好時加入預熔精煉渣Ⅰ型改善流動性；爐渣較稀時補加石灰，提高爐渣堿度。

2.5.2 埋弧加熱制度

LF 爐有3 根石墨電極，加熱時電極插入渣層中進行埋弧加熱，因而輻射熱小，減少對包襯的損壞，可減少電弧的熱輻射損失,提高熱效率，終點溫度的精確度≤±5℃。浸入渣中的石墨電極與渣中氧化物反應：C+(FeO)=[Fe]+{CO}

C+(MnO)=[Mn]+{CO}

在起弧階段采用低電壓以利于埋弧；起弧穩定提高電壓以加快渣料熔化并使鋼水溫度升高；在供電造渣后期采用低電壓，以避免電弧裸露和保持還原性氣氛。在第一次升溫時盡量把溫度升高 ，減少升溫次數，最好升溫次數不超過3 次。

2.5.3 LF 吹氬攪拌制度

在造渣材料加入過程中要進行強吹氬攪拌，以加快渣料的熔化和避免渣料結團；在供電造渣過程中采用弱吹氬攪拌，但要在保證電極不過分波動的前提下適當增加底吹氬氣量；在供電結束及測溫、取樣之前采用強吹氬攪拌，以促進鋼、渣的充分接觸加快脫硫速度。通過鋼包底吹氬氣攪拌加速鋼-渣之間的物質傳遞，利于脫氧、脫硫反應的進行，并促進夾雜物的上浮去除，特別是對Al203 類型的夾雜物上浮去除更為有利。同時加速鋼水溫度和成分的均勻，達到精確地調整鋼水的成分。

2.5.4 LF 脫氧、脫硫制度

在造渣材料加入前要先對鋼水進行鋁的脫氧和預合金化，將[Als]控制在內控上限左右。爐渣基本熔化后，分批加入鋁粒、電石造還原渣，直到頂渣轉為白色（即FeO+MnO ≤1%），并繼續分批少量加入鋁粒、電石，來持續保持白渣。[S]目標：≤0.007%，脫硫率大于65%。鋼包與爐蓋密封起到隔絕空氣的作用，加之石墨電極氧化產生C0 氣體，爐內形成了還原氣氛，鋼水在還原條件下進一步脫氧、脫硫及去除非金屬夾雜物，并避免增氮。

2.5.5 白渣精煉制度

LF 爐精煉的白渣是w(FeO)≤1%的還原渣。通過高堿度的還原渣，借助氬氣攪拌，實現有效的擴散脫氧、脫硫和去除非金屬夾雜物。（采用白渣精煉工藝。一般采用Al2O3-CaO-SiO2系爐渣,包渣堿度R≥3,以避免爐渣再氧化。吹氬攪拌時避免鋼液裸露。渣中w(FeO+MnO)<4%）。每造好一爐渣，操作者需將終渣保留，由專門人員進行評分。

2.5.6 鈣處理和軟吹制度

鋼水成分和渣子達到理想時，采用在線喂線方式喂鈣線（確保鋼液面不裸露），喂鈣線時將除塵設備關閉，防止雜質卷入鋼水；軟吹時間20～30分鐘，目標25分鐘；極小氬量（25～40 l/min，確保鋼液面不裸露，渣面微微波動）軟吹；軟吹5分鐘取鋼樣Ca1，出站前5分鐘取鋼樣Ca2。如果在軟吹過程中發現鋼水Ca損大，及時補喂鈣線，確保鋼水在澆注前ω（Ca）/ω（Al）≥1.20。

2.6 連鑄

防止二次氧化：二次氧化的來源很多[O]，但對水口結瘤影響較大的主要是鋼包吹氬期間鋼包渣與鋼水間的二次氧化和澆鑄期間的二次氧化。空氣無處不在，這些二次氧化的發生一般都很難用指標來衡量，需要操作人員精細操作，管理和技術人員很難介入，因此也難以控制。

防止二次氧化的最好辦法就是保護澆注。連鑄采用鋼包鋁碳質氬封保護套管，采用氬封全程保護澆鑄；保護套管加密封墊；浸入式水口加密封墊；鋼包氬封保護套管若連用，要利用連澆間隙對粘鋼進行小氧量清理；每爐連澆時敞開澆注時間不得大于30 秒；澆注過程沖擊區無鋼水翻；中間包采用氬氣微正壓保護；中包鋼液面≥600mm；澆鑄操作：澆鑄過程中換浸入式水口操作要迅速，敞開澆注時間不得大于10 秒；覆蓋劑：鈣質中間包覆蓋劑。

3 生產應用效果

2016 年1～9 月期間，按此工藝我們成功批量生產冷鐓鋼1335 爐，成品硫內控合格率為100%，脫硫率在≥65%占73%，達到了LF 精煉脫硫的目的，鈣鋁比≥0.12 占65%。自2016 年1月開始監控指標，下圖是按時間序列表示的水口結瘤率與平均連澆爐數月度指標。2016 年1 月起針對鋼水潔凈度控制、防止二次氧化和鈣處理工藝制訂了一系列操作優化措施。采取措施以后，到2016 年9 月，按爐次統計的水口結瘤率由月平均20. 6%降至平均4. 6 %，平均連澆爐數由8. 2 爐提高到10 爐。

4 結論

（1）鋼水化學成分、鋼包燒氧、軟吹強度過大和鑄機保護澆注效果差等因素均會造成水口結瘤，甚至澆注中斷。

（2）減少各類生產、設備事故，避免LF爐二次甚至多次處理。

（3）不恰當的鈣處理會加劇水口結瘤速度。

（4）為防止水口結瘤，需要較高的鋼水潔凈度、防止澆鑄二次氧化，鈣處理時要求ω（Ca）/ω（Ca）≥1.20。

（5）采取提高鋼水潔凈度、防止二次氧化、鈣處理措施后，水口結瘤率降至平均由20.6%降低至4.6 %，平均連澆爐數由8.2爐提高到10 爐。