連鑄機(jī)水口結(jié)瘤分析及預(yù)防措施探討

侯 葵

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱天鋼）煉鋼廠擁有兩臺(tái)六機(jī)六流方圓坯連鑄機(jī)，兩臺(tái)板坯連鑄機(jī)。生產(chǎn)的鋼種主要以石油套管、鍋爐管、壓力容器、高強(qiáng)船板、橋梁、風(fēng)塔用鋼等為主。由于冶煉鋼種的多樣化，連鑄生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)中包水口結(jié)瘤現(xiàn)象，不僅影響了連鑄正常的生產(chǎn)秩序，且對鑄機(jī)的產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量也帶來較大影響。理論上，水口結(jié)瘤現(xiàn)象主要是鋼水流動(dòng)性差造成的水口結(jié) “冷鋼”和鋼中夾雜物析出堵塞水口，而影響鋼水流動(dòng)性和夾雜物的主要因素包括：鋼水溫度、鋼水化學(xué)成分、鋼中的氣體含量、鋼中夾雜物含量及形態(tài)等。

本文結(jié)合天鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)際，介紹了連鑄中包水口結(jié)瘤的各種特征，總結(jié)分析了水口堵塞的機(jī)理和原因，并有針對性的提出了具體解決措施。

1 水口結(jié)瘤的塞棒特征曲線分析

研究發(fā)現(xiàn)，在澆鑄過程中，一旦出現(xiàn)水口結(jié)瘤，最顯著的特點(diǎn)就是塞棒開啟度迅速上漲，但由于導(dǎo)致水口結(jié)瘤的原因不同，塞棒開啟度特征曲線存在明顯差別。

1.1 水口結(jié)“冷鋼”塞棒特征曲線

水口內(nèi)結(jié)“冷鋼”塞棒特征曲線如圖1 所示。由圖1 中可看出，在幾分鐘之內(nèi)，塞棒開啟度急速上漲，直至塞棒不能再繼續(xù)打開，導(dǎo)致澆鑄中斷。在停澆后，可清楚看到水口中鑄有大量冷鋼。

圖1 冷鋼導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

1.2 夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

因Al2O3、SiO2、鎂鋁尖晶石等夾雜物不斷聚集在水口附近導(dǎo)致水口結(jié)瘤，其塞棒特征曲線如圖2所示。由圖2 中可看出，在1 小時(shí)之內(nèi)，塞棒開啟度是緩慢上漲的，直至澆鑄中斷，這表明水口附近的夾雜物是逐漸增多的。當(dāng)鋁鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口結(jié)瘤時(shí)，在水口中可看到聚集的白色Al2O3夾雜物；而非鋁鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口結(jié)瘤時(shí)，在水口中看不到白色Al2O3夾雜物。

圖2 夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤塞棒特征曲線

2 水口結(jié)瘤成因分析

2.1 “冷鋼”導(dǎo)致水口結(jié)瘤

水口內(nèi)結(jié)“冷鋼”主要原因是鋼水溫度低于正常澆鑄溫度，而澆注溫度是連鑄的基本參數(shù)之一。澆注溫度偏低會(huì)造成：鋼水發(fā)粘，夾雜物不易上浮；結(jié)晶器表面鋼水凝殼，導(dǎo)致鑄坯表面缺陷；水口凍結(jié)，澆注中斷。澆注溫度過高會(huì)造成：耐火材料嚴(yán)重沖蝕，鋼中夾雜物增多；增加鋼水從空氣中吸氧和氮；出結(jié)晶器坯殼薄易漏鋼；鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，中心偏析嚴(yán)重。造成鋼水溫度低的主要原因有：

（1）鋼包包況差。主要是大、中修后頭兩次包以及包底包等造成包內(nèi)鋼水溫降大。

（2）鋼包投入過多，造成鋼包離線時(shí)間過長。通過對鋼包使用情況分析，得出了鋼包離線時(shí)間與鋼包到中間包溫降的關(guān)系曲線（見圖3）。由圖3 看出，鋼包離線時(shí)間越長，鋼包到中間包溫降越大。

圖3 離線時(shí)間與鋼包到中包溫降關(guān)系曲線

（3） 鋼包加蓋裝置故障或覆蓋劑加入量少，表面散熱大，后期鋼水溫度低。

（4）鋼包吹氬時(shí)間短，包壁吸熱不充分，造成鋼水溫度不均勻。通過對鋼包吹氬時(shí)間及中包溫降分析，得出了鋼包吹氬時(shí)間與中間包溫度散差的關(guān)系曲線（見圖4）。由圖4 可以看出，吹氬時(shí)間對鋼包內(nèi)部鋼水溫度均勻性的影響很大，吹氬時(shí)間低于8 分鐘，鋼包內(nèi)部鋼水存在較大的溫度梯度，導(dǎo)致中包溫度散差較大。

圖4 吹氬時(shí)間與中間包溫度散差的關(guān)系圖

（5）中間包烘烤不理想，開澆初期鋼水溫降大。

2.2 鋼水中夾雜物導(dǎo)致水口結(jié)瘤

鋼水中夾雜物來源主要有：脫氧產(chǎn)物、Ca 處理時(shí)新形成的不同產(chǎn)物聚集化合、二次氧化、耐火材料和卷渣。

2.2.1 脫氧產(chǎn)物夾雜物分析

（1）鋼中不要求酸溶鋁的鋼水脫氧產(chǎn)物。當(dāng)鋼種要求嚴(yán)格控制鋼中鋁含量時(shí)，若只采用Si 和Mn脫氧，形成的脫氧產(chǎn)物主要為純SiO2（固體）、MnO·SiO2（液體）及MnO·FeO(固溶體)，此時(shí)SiO2是造成連鑄水口結(jié)瘤的主要因素（見圖5）。但僅僅用Si 和Mn 脫氧，如果不采用LF 爐造白渣擴(kuò)散脫氧，鑄坯易形成皮下氣泡，為此需再配加少量鋁強(qiáng)化脫氧，此時(shí)脫氧產(chǎn)物為薔薇輝石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）、錳鋁榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）和Al2O3，熔點(diǎn)最低的錳鋁榴石在鋼水中以液體形式存在（見圖6 陰影區(qū)），可通過精煉吹氬、鎮(zhèn)靜上浮排除，而薔薇輝石和Al2O3的熔點(diǎn)較高，難以從鋼液中去除，在澆注過程中極易堵塞水口，因此，在硅鋁鎮(zhèn)靜鋼中造成水口結(jié)瘤的的夾雜物主要是高熔點(diǎn)的薔薇輝石和Al2O3。

圖5 FeO-MnO-SiO2 三元相圖

圖6 MnO-SiO2-Al2O3 三元相圖

（2）鋁鎮(zhèn)靜鋼脫氧產(chǎn)物。鋁在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒，固定鋼中的氮，從而提高鋼的沖擊性能，降低冷脆和時(shí)效傾向性。在冶煉含鋁鋼時(shí)，當(dāng)鋼中酸溶鋁含量大于0.006%，氧化物夾雜幾乎全部為Al2O3，Al2O3熔點(diǎn)高（2 050 ℃），在鋼水中呈固態(tài)，因此，鋼水的可澆性差，極易造成水口堵塞。另外，Al2O3可塑性差，在軋制時(shí)不變形，嚴(yán)重影響鋼材性能。

（3）鋼水中雖然含有微量的Mg，但在LF 和VD冶煉過程中可形成高熔點(diǎn)的鎂鋁尖晶石（MgO·Al2O3，熔點(diǎn)2 135 ℃），堵塞水口。鋼包渣或MgO-C磚中也可釋放出Mg 形成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF爐白渣精煉時(shí)間越長，鋼包渣中的MgO 越高，精煉渣的堿度越高M(jìn)gO·Al2O3形成的越多，水口結(jié)瘤越嚴(yán)重。

2.2.2 Ca 處理時(shí)形成的夾雜物分析

在冶煉品種鋼時(shí)，鈣處理工藝是將鋼水中非金屬夾雜物去除到極低水平并對非金屬夾雜物進(jìn)行變性處理的重要手段。對于Al2O3類夾雜物，主要是通過鈣處理對夾雜物改性的手段加以去除。根據(jù)圖7 可知[2]，隨著鋼水中Ca 含量的不斷增加，鋼水中夾雜物的Ca 含量也在不斷增加，形成的復(fù)合夾雜物依次 為CA6、CA2、CA、C12A7、C3A （C、A 代 表CaO、Al2O3）。表1 為CaO-Al2O3類夾雜物的化學(xué)成分及物性指標(biāo)。其中CA6、CA2的熔點(diǎn)均＞1 700 ℃，生產(chǎn)中必須加以避免。

由圖7 和表1 可以看到：當(dāng)鋼水中含有Al2O3、CA6、CA2、CA 高熔點(diǎn)夾雜物時(shí)，水口澆注不順暢；當(dāng)Ca/Al≥0.10 時(shí)，鋼水中夾雜物已轉(zhuǎn)變?yōu)镃12A7，熔點(diǎn)較低，易于澆注。此外，當(dāng)Ca 加入量過多時(shí)，鋼水中會(huì)形成高熔點(diǎn)的CaS（熔點(diǎn)為2 450 ℃）夾雜物，同樣會(huì)惡化鋼水的澆鑄性能。由圖8 可知，鋼水中[S]＞0.02%，[Ca]含量達(dá)到5～10×10-6就可生成CaS。

表1 CaO-Al2O3 類夾雜物的化學(xué)成分及物性指標(biāo)

圖7 鋼水Ca/Al 與水口流量關(guān)系

圖8 不同溫度下[Ca]-[S]平衡圖

綜上所述，為了確保連鑄良好的澆鑄性能，要對鋼水進(jìn)行鈣處理，但鈣的加入量要適中，也就是說，加入的鈣太少或太多，均得不到理想的效果。鈣含量過低時(shí)，形成的仍是高熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物，此時(shí)比不進(jìn)行鈣處理的鋼澆鑄性能還差；鈣含量過高時(shí)，又易生成CaS 高熔點(diǎn)夾雜物，澆鑄性能仍比較差。圖9 中的陰影部分就是鈣處理鋼的最佳控制區(qū)[3]，在該區(qū)域形成的夾雜物全是液態(tài)的，澆鑄性能最好。

圖9 鈣處理最佳控制區(qū)

2.2.3 二次氧化夾雜物分析

造成鋼水二次氧化的主要原因包括：鋼水處理過程中，氬氣量大，鋼水液面裸露；鋼包、中間包覆蓋劑加入量少或理化指標(biāo)較差，隔絕空氣效果差；鋼包水口保護(hù)套管氣封效果差，連接處負(fù)壓吸氧；清理保護(hù)套管時(shí)，未將套管移出中間包，氧化物及氧氣進(jìn)入；中間包液面落差大，液面上升時(shí)卷入包襯粘結(jié)的覆蓋劑；開澆時(shí)鋼包內(nèi)鋼水沒有自動(dòng)流出，燒氧處理。

2.2.4 鋁鎮(zhèn)靜鋼水口結(jié)瘤物成分分析

對鋁鎮(zhèn)靜鋼典型水口結(jié)瘤的內(nèi)壁結(jié)瘤物取樣后分析，結(jié)瘤物成分如表2 所示。由從表2 可以看出：高熔點(diǎn)夾雜物主要為Al2O3；結(jié)瘤中MnO 含量高達(dá)1.0%，而目前工藝條件下，天鋼冶煉鋁鎮(zhèn)靜鋼精煉出站渣樣中的MnO 含量僅為0.2%，根據(jù)此氧化物的特性，鋼水中MnO 的含量可以判斷為痕跡。因此，水口析出物中MnO 的來源可以判定為鋼水二次氧化造成，同時(shí)也說明，水口析出物中的Al2O3、CaO等成分有一部分也為二次氧化造成產(chǎn)生的。另外，從該種LF 爐出站鋼中的酸不溶鋁含量一般僅為0.001%，但澆注到連鑄中間包內(nèi)，鋼水中的酸不溶鋁上升到0.01%，這以證明Al2O3的來源主要是鋼水的二次氧化。

表2 鋁鎮(zhèn)靜鋼水口結(jié)瘤物成分

3 水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

3.1 鋼水溫度低造成的水口結(jié)瘤預(yù)防措施

（1）強(qiáng)化鋼包烘烤，保證紅包出鋼，減少鋼水溫降。

（2）轉(zhuǎn)爐和精煉爐要結(jié)合鋼種、出站時(shí)間、包況和生產(chǎn)節(jié)奏等控制終點(diǎn)溫度，提高出站鋼水溫度命中率。

（3）保證鋼水上連鑄前軟吹氬時(shí)間在8 分鐘以上，并保持鋼水液面不裸露。

（4）減少鋼包的周轉(zhuǎn)數(shù)量，降低鋼包的周轉(zhuǎn)時(shí)間，保證鋼包離線時(shí)間在40 分鐘以內(nèi)。

（5）保證鋼包、中間包覆蓋劑的加入量和連鑄鋼包包蓋的正常使用，減少鋼水散熱。

3.2 高熔點(diǎn)夾雜物造成的水口結(jié)瘤預(yù)防措施

3.2.1 SiO2造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

（1）脫氧采用先弱后強(qiáng)，既保證鋼水的脫氧程度達(dá)到鋼種的要求，又利于脫氧產(chǎn)物的上浮。

（2） 脫氧合金的加入順序應(yīng)采用先Fe-Mn、后Fe-Si，Mn 先氧化、Si 后氧化，利于形成2MnO·SiO2，它的熔點(diǎn)較低，液態(tài)的2MnO·SiO2彼此碰撞生成大顆粒夾雜物利于上浮。

（3）提高[Mn]/[Si]，就可以產(chǎn)生足夠的MnO 與SiO2結(jié)合而生成2MnO·SiO2，降低純SiO2的含量。3.2.2 薔薇輝石造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

對于硅鋁鎮(zhèn)靜鋼，為了防止形成薔薇輝石，同時(shí)，無單獨(dú)的Al2O3析出，應(yīng)在保證脫氧的情況下，減少鋁的用量，使鋼中[Als]≤0.006%，既保證鋼中[0]＜20 ppm，鑄坯不產(chǎn)生皮下氣孔，又可生成錳鋁榴石而非高熔點(diǎn)的薔薇輝石，也沒有單獨(dú)的A12O3析出，鋼水可澆性良好。

根據(jù)形成錳鋁榴石和薔薇輝石中MnO、Al2O3和SiO2的比例，在錳鋁榴石中Al2O3與MnO 的比值比薔薇輝石中的比值要小的多，因此，在選擇脫氧劑時(shí)不僅要減少鋁的用量，而且要優(yōu)先加入Fe-Mn，后加入Fe-Si 和鋁，以便有較多的MnO，較少的Al2O3和SiO2，為形成錳鋁榴石而非薔薇輝石、Al2O3創(chuàng)造條件。

3.2.3 Al2O3造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

為了防止Al2O3造成的水口結(jié)瘤，首先要嚴(yán)格控制鋼中和渣中的氧含量，少生成高熔點(diǎn)的Al2O3。具體措施如下：

（1）轉(zhuǎn)爐采用高拉碳操作，在有條件的情況下，不增碳或少增碳而達(dá)到成品碳的要求，使與之平衡的氧含量盡可能少；提高轉(zhuǎn)爐一次倒?fàn)t率，盡量減少補(bǔ)吹或后吹。

（2）采取盡可能低的拉碳槍位，盡可能長的拉碳時(shí)間，終點(diǎn)加入調(diào)渣劑（如MgC 球），減少轉(zhuǎn)爐下渣等措施，降低包中（∑FeO）含量。

（3）轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)溫度盡可能小于1 640 ℃。

（4）確定好復(fù)吹曲線，復(fù)吹強(qiáng)度要在不同的吹煉區(qū)間有所區(qū)別，尤其要強(qiáng)化后攪。

（5）轉(zhuǎn)爐脫氧合金化過程盡可能脫掉鋼水中的游離氧，保證鋼中有脫氧剩余的[AlS]。

其次，對于已經(jīng)形成的Al2O3，要使之能夠充分上浮。具體措施如下：

（1）作為脫氧產(chǎn)物的Al2O3要盡可能早的形成，使之有充分的時(shí)間上浮并排出，也就是用鋁脫氧盡可能的前移。

（2）吹氬強(qiáng)度要適中。氬氣量過小，Al2O3沒有充分的動(dòng)能上浮；氬氣量過大，鋼包卷渣使Al2O3重新污染鋼液。

（3）適當(dāng)調(diào)整渣系結(jié)構(gòu)，使渣中含有一定與脫氧產(chǎn)物相同的成分；降低精煉渣熔點(diǎn)，減小脫氧產(chǎn)物與液渣之間的界面張力，使氧產(chǎn)物更容易被精煉渣吸附。

3.2.4 鎂鋁尖晶石造成水口結(jié)瘤的預(yù)防措施

（1）LF 白渣精煉時(shí)間不應(yīng)太長。如果遇到生產(chǎn)事故，白渣精煉時(shí)間被迫延長，應(yīng)扒除鋼包頂渣重新造渣和換鋼包操作。

（2）LF 頂渣加脫氧劑（CaC2、SiFe 粉、Si-Ca 粉）不應(yīng)過量，石灰加入不要過量，保持合適堿度，以利于吸收鋼中MgO。

3.3 預(yù)防鋼水二次氧化的措施

（1）鋼包吹氬處理過程中，氬氣量要適中，以鋼水蠕動(dòng)、液面不裸露為宜。

（2）鋼包、中間包覆蓋劑理化性能和加入量要適宜，保證隔絕空氣的效果和吸附夾雜的能力。

（3）鋼包澆鑄保護(hù)套管處加密封墊并通入氬氣保護(hù)，保證與鋼包連接處微正壓。清理保護(hù)套管時(shí)，一定要將套管移出中間包，防止燒氧的氧化物及氧氣進(jìn)入中間包。

（4）提高鋼包的自開率，保持中間包液面穩(wěn)定，中間包澆注全程吹氬密封。

4 結(jié)語

針對經(jīng)常出現(xiàn)的中包水口結(jié)瘤現(xiàn)象，天鋼煉鋼廠通過加強(qiáng)鋼包運(yùn)行管理、優(yōu)化吹氬制度、控制脫氧產(chǎn)物生成和形態(tài)、強(qiáng)化夾雜物變性處理、防止鋼水二次氧化等手段，有效的解決了連鑄鋼水的流動(dòng)性差、鋼中高熔點(diǎn)夾雜物的含量高的問題，基本消除了因水口結(jié)“冷鋼”和鋼中夾雜物析出堵塞水口造成的水口結(jié)瘤現(xiàn)象。在保證了連鑄生產(chǎn)秩序的同時(shí)，提高了鑄機(jī)的產(chǎn)能和鑄坯的質(zhì)量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。