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定以及連鑄中間包上下水口間易發生二次氧化，使得鋼水中三氧化二鋁夾雜物數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”快速合成精煉渣,通過水模擬實驗采用雙氬磚吹氬技術確保過程吹氬效果，運用鋼包全程加蓋技術降低系統溫降，經過結晶器內鋼水流場數值模擬研究優化設計了含鋁冷墩鋼專用整體式水口，有效改善了鋼水可澆性，提高了鋼水質量，并在小方坯鑄機上實現全整體式水口的推廣應用。

1 設備及工藝路線

湘鋼煉鋼廠的工藝路線及主要生產裝備為：三座80 噸轉爐→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生的夾雜物進入鋼水的情況發生，同時降低了鋼水中氣體含量，提高了鋼坯表面質量。但使用整體式水口在鋼水可澆性差、中包過熱度波動時，容易出現生產中斷。為了全面推廣小方坯全整體式水口的應用，在保證生產穩定的同時不斷改善鑄坯實物質量，煉鋼廠從設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

2.1.1 渣洗工藝

根據國內外一些較大型轉爐鋼廠采用轉爐出鋼過程“渣洗”脫硫的經驗，煉鋼廠在轉爐出鋼過程根據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。

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

轉爐在出鋼渣洗過程中，根據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 爐精煉過程脫氧創造了有利條件。同時經過轉爐的渣洗，鋼水在進入LF 爐時已經初步造渣，再通過撒入鋁丸等脫氧劑，使得渣中的FeO 及MnO 快速降低，目前可以穩定控制冶煉開始20min 內形成白渣，使得鋼渣擁有良好的脫氧、脫硫及吸附夾雜能力。在后續冶煉過程根據鋼渣顏色及粘稠度適當脫氧，確保保持白渣15min 以上，使鋼水能持續保持良好的精煉效果。

2.3 鋼包吹氬技術的改進

吹氬通常是在鋼包底部砌一塊或數塊透氣磚，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。但是在生產的過程中，由于單透氣磚吹氬存在死區較多，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瘤，給生產組織和安全順行帶來困難。因此，煉鋼廠將單氬磚設計改造為雙氬磚。

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），新的吹氬技術使鋼水涌動面積增大，鋼水流場基本不存在死區，對鋼水成分的調整、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

由于整體式水口在連鑄生產過程中，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而導致澆次中斷。

為了穩定中包過熱度，煉鋼廠在目前通常采用的提高鋼包熱周效率轉、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上，采用了鋼包全程加蓋技術，除了轉爐出鋼和鋼水精煉過程以外，鋼包蓋在鋼包運轉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定，保證連鑄順利使用整體水口進行生產。

2.4.1 鋼包周轉對比

煉鋼廠原有的鋼包周轉流程示意圖如圖4 所示。

圖4 原有鋼包周轉示意圖

采用鋼包全程加蓋工藝后鋼包周轉流程示意圖如圖5 所示。

圖5 鋼包全程加蓋周轉示意圖

鋼包全程加蓋技術的應用，改變了原有的鋼包周轉流程，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，改善廠區環境；鋼水澆鑄后鋼包不必烘烤，直接吊運至出鋼區域帶蓋保溫。

2.4.2 鋼包全程加蓋的應用效果

鋼包全程加蓋技術在煉鋼廠投入使用后，設備運行良好，并取得了理想的應用效果：轉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（連鑄中包溫降數據如圖6 所示）。

圖6 改造前后中包溫降

3 4#鑄機整體水口的設計和應用

3.1 4#鑄機產品結構及質量要求

煉鋼廠4#鑄機主要生產鋼種為：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狀

煉鋼廠4#鑄機從建成開始，一直使用分體式水口生產含鋁類型鋼種，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#鑄機可生產多個類型鋼種，如全部鋼種使用整體水口，設計的整體水口必須適應所有鋼種的生產要求。

（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化，整體水口碗口形狀和尺寸必須確保塞棒能穩定控流。

（3）渣線壽命：原生產鋼種使用分體水口，生產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要求。

3.3 4#鑄機全整體水口的設計方案

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

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

（3）碗口材質：原分體水口使用鑲嵌鋯碗，整體水口繼續保留鋯碗。

（4）下口內徑：考慮拉速與水口流量，參考原分體水口，下口內徑仍然保持為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晶器鋼水的流動及保護渣的熔化，兼顧此兩方面，設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 結晶器內鋼水流場數值模擬

在4#鑄機生產ML40Cr 拉速為2.8m/min，澆注溫度為1517℃，浸入深度為100mm 時，結晶器內鋼水流場數學模擬矢量圖如圖8，鋼水經整體水口進入結晶器內，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 結晶器內鋼水流場數值模擬

3.5 應用效果

4#鑄機全部使用新設計的整體水口后，水口與塞棒配合控流精準，可以滿足結晶器液面波動≤±4%的要求（下圖9 為整體水口含鋁冷鐓鋼澆次結晶器液面曲線），生產的連鑄坯表面質量好，沒有深振痕和表面結疤等缺陷。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晶器液面曲線

同時通過與整體水口生產廠家聯合技術攻關和采用雙渣線，新設計的整體水口可達到全鋼種連澆15h 的壽命要求，達到了設計目標。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量，簡化了中間包周轉管理，提高勞動生產效率，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，生產穩定性及鋼坯氣體含量控制水平明顯提升，在此基礎上，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#鑄機生產過程穩定，可以滿足品種鋼結晶器液面波動≤±5%的要求，生產的連鑄坯表面質量較好，深振痕和表面裂紋等缺陷降低明顯。

圖10 1#鑄機ML40Cr 澆次結晶器液面曲線

圖11 3#鑄機XSWRCH6A 澆次結晶器液面曲線

5 經濟指標及效益

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

表2 經濟技術指標對比

6 結論

（1）通過爐后渣洗技術、精煉快速成白渣以及改進后的吹氬技術的實施，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，為實現整體水口澆注的開澆成功率及澆注過程的穩定順行提供了條件。

（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量、各項技術經濟指標明顯改善，為公司線棒材由優鋼向特鋼轉變奠定了堅實的基礎。