低硅铝钢首罐钢水浸入水口防絮流分析

高洪涛，毛志勇，丁勇，王国庆，潘秀娟（.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁鞍山40；.鞍钢实业集团有限公司，辽宁鞍山，40）



低硅铝钢首罐钢水浸入水口防絮流分析

高洪涛1，毛志勇1，丁勇2，王国庆2，潘秀娟2
（1.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁鞍山114021；2.鞍钢实业集团有限公司，辽宁鞍山，114021）

摘要：分析了低硅铝钢浇次首罐浸入水口出现絮流现象的原因，提出了钢水冶炼和浇注期间的预防措施，包括降低转炉终点氧含量，优化出钢过程钢水的脱氧方式；提高LF炉处理期间顶渣的还原性；合理控制钢水中的Ca含量等。采取上述措施之后，低硅铝钢浇次首罐浸入水口的絮流现象减少近50％。

关键词：低硅铝钢；浸入水口；浇次首罐；絮流

高洪涛，工程师，2007年毕业于辽宁科技大学冶金工程专业。E-mail：gaohongtao83123@163.com

鞍钢股份有限公司炼钢总厂第四分厂冶炼低硅铝钢采用复吹转炉—LF炉精炼—2150mm板坯连铸的工艺路线。由于连铸机结晶器断面尺寸较小，中间包浸入水口内径及吐出口尺寸均比常规铸机小，因此在浇铸低硅铝钢时易造成絮流物在浸入水口通道内聚集，导致钢水流经的通道逐渐变小，严重时浇铸中断。由于首罐钢水开浇时存在很多不稳定的因素，对钢水的纯净度造成了一定的影响，因此浇次首罐更容易发生絮流。针对浇次首罐钢水转炉冶炼、LF炉精炼过程的控制，特别是连铸工艺的调整开展了研究，以减少低硅铝钢浇次首罐钢水浸入水口的絮流现象。

1　首罐钢水浸入水口絮流的原因

1.1易絮流钢种成分

易发生絮流的典型钢种（ABRY1A）成分如表1所示。该钢种的成分要求采用强脱氧元素铝进行钢水完全脱氧，如果操作不当会使大量的Al2O3夹杂残留在钢水中，给后续的钢水浇注带来极大的絮流风险。

表1　易发生絮流的典型钢种化学成分（质量分数）％

1.2首罐钢水絮流现象

钢水开始浇注阶段，塞棒位置出现了一定的上涨，同时结晶器液面明显波动。随着浇注过程的进行，塞棒位置逐渐平稳降低，结晶器液位也逐渐稳定，一直到浇注过程结束。手动测量发生首罐絮流的钢水温度，结果排除了钢水温度低结冷钢的原因。留样检查絮流严重的中间包浸入式水口，水口残留的堵塞物形态如图1所示。浸入式水口絮流物及侵蚀层形貌如图2所示。能谱分析仪分析絮流物的化学成分（质量分数）结果见表2。

图1　浸入式水口残留的堵塞物形态

图2　浸入式水口絮流物及侵蚀层形貌

表2　絮流物的化学成分（质量分数）　％

通过表2可以看出，浸入水口絮流的主要原因是Al2O3夹杂物在钢水流经通道内逐渐聚集，使得钢水通道变窄导致。

1.3首罐和过程浇注工艺的差异

浇次首罐絮流定义为塞棒开口度最高涨至90mm以上。与过程罐次钢水的稳定控制状态不同，首罐钢水在刚开始浇注时存在着拉速变化、中间包内液面波动、钢水温降较大等非稳态条件，因此在外界干扰较大的情况下，存在浇注絮流的风险也最大。总结首罐钢水絮流发生的原因如下：

（1）钢水中残留的Al2O3夹杂物未充分上浮，在浇注过程中聚集在塞棒头、透气上水口、浸入式水口内壁、吐出孔等位置造成絮流，这是钢水絮流最直接的原因。

（2）首罐钢水进入中间包后势必和中间包内的空气及耐材发生反应，产生絮流物。

（3）首罐钢水流经长水口和中间包内壁时温度降低，使Al—O平衡遭到破坏，析出的［O］与钢水中的［Al］继续反应，生成A12O3。

（4）浇注速度的变化不利于钢水中残留的夹杂物上浮去除。

（5）加覆盖剂之前中间包表面裸露被氧化。

由于首罐钢水在实际浇注过程中不可避免的存在上述（2）～（5）中提到的絮流原因，因此，钢水浇注前后必须采取有针对性的措施，例如适当提高中间包烘烤温度，增加透气上水口吹氩流量，提高保护浇注效果，加强转炉及精炼工序钢水的脱氧和夹杂物变性等操作，最大程度提高上机浇注钢水的可浇性，减少钢水中残留的高熔点Al2O3夹杂物的数量。

2　提高首罐钢水纯净度

2.1优化转炉终点和脱氧工艺

转炉终点氧含量越高，出钢后加入的脱氧铝越多，由此产生的Al2O3夹杂物也就越多，残留在钢水中的Al2O3含量也就越高［1］。通过对比分析大量浇次的首罐钢水认为，转炉终点合理的氧含量应该控制在0.05％～0.07％。

转炉出钢时应根据终点钢水氧含量合理调整脱氧铝的加入量，完成钢水的初步脱氧，并在转炉出钢后合理喂入Al线，规范吹氩流量控制。在实际生产中，首先要求进LF炉的Als含量控制在0.010％～0.040％，其次最大程度减少转炉出钢下渣量，为LF炉精炼处理创造条件。

2.2提高LF炉处理钢水的可浇性

针对首罐钢水在浇注过程中存在高絮流风险的规律，研究后认为，最重要的控制手段是提高LF炉处理结束时钢水的纯净度，即保证顶渣具有较强的吸附钢水中夹杂物的能力，且残留在钢水中的夹杂物要球化、液态化［2］。

2.2.1LF炉造强还原渣

LF炉必须确保顶渣具有较强的吸附夹杂物能力，使钢水具有较高的纯净度。实际生产中，通过对比钢水处理前后的脱硫率来判断顶渣的还原性。一般认为，钢水脱硫率越高，顶渣还原性越好，顶渣吸附夹杂物的能力越强。LF炉脱硫率与首罐发生絮流现象的关系见图3。由图3可见，随着LF炉处理期间脱硫率的提高，絮流现象明显减少。

图3　LF炉脱硫率与首罐絮流的关系

2.2.2Ca处理

LF炉采用造强还原渣工艺后，顶渣具有一定的吸附高熔点Al2O3夹杂物的能力，但是部分残留在钢水内部未上浮的小尺寸的Al2O3仍然会导致絮流的发生，因此需要对该夹杂物变性处理。炼钢总厂四分厂采用喂Al-Ca线的方式进行变性处理。众所周知，钢水中常见的夹杂物中，12CaO· 7Al2O3的熔点最低，如果喂入合适数量的Al-Ca线，使得钢水中的Al2O3转变成12CaO·7Al2O3，就可以达到夹杂物液态化的目的，可有效减少絮流现象的发生。当然，钢水中钙的加入量太少，不足以将固态的Al2O3夹杂全部转化为液态；钙的加入量过多则会产生新的CaS夹杂物，也会造成一定的絮流风险［3］。同时，钙加入后能否只形成熔点最低的12CaO·7Al2O3夹杂还取决于钢水温度、铝和硫的含量。图4是在1550℃和1500℃平衡时，CA 和C12A7的形成与铝含量和硫含量的关系。

图4　CA和C12A7的形成与铝含量和硫含量的关系

由图4可见，1550℃时，Al含量达0.040％，硫含量必须低于0.007％，加入的钙才能将Al2O3全都转化为12CaO·7Al2O3；Al含量为0.015％时，硫含量只要低于0.013％，加入的钙就能将Al2O3全都转化为12CaO·7Al2O3。也就是说，温度一定时，要随着钢水中硫含量的增加适当减少Als含量才能保证Al2O3全都转化为12CaO·7Al2O3［4］。

由于生产低硅铝钢时造强还原渣，LF炉处理结束的硫含量基本能够控制在0.008％以内；钢水的实际Als含量控制范围为0.025％～0.045％，钢水温度控制在1570～1600℃。综上所述，现有的钢水条件下喂入的Ca线完全可以保证加入的钙全都转化为12CaO·7Al2O3。比较大量首罐钢水的浇注状态认为，钢水中的Ca含量控制在0.002 0％ ～0.004 0％的浇注效果最理想。

2.2.3软吹时间及流量

钢水的软吹操作能明显提高夹杂物碰撞上浮的概率，有利于减少钢中夹杂物。由于夹杂物的去除效率最终取决于吹入钢液的气泡总量，因此进行钢水的软吹操作时必须适当延长吹氩时间［5］。实践表明，钢水喂入Al-Ca线之后的软吹时间控制在5～10 min，软吹流量控制在20～30m3/h（钢液面微动不裸露），能够明显提高钢水可浇性。

3　加强连铸工艺的控制

3.1钢水开浇前的准备

（1）中间包氩气系统

生产前将上线中间包的所有氩气接头用生料带缠好，并严格检查中间包氩气密封系统，确认吹氩流量和压力在正常的控制范围内。

（2）中间包洁净度

中间包烘烤之前，加强检查中间包内的清洁程度，发现异物、脱落的耐火材料等要及时清理。烤包时，将溢渣孔用中间包高铝纤维毯封堵严密，避免异物堵塞钢水通道，加剧浇注絮流风险。

（3）中间包氩气吹扫及烘烤

由于浇次首罐钢水直接和中间包内壁及空气接触，增加了Al2O3的产生风险。为了降低中间包内的氧化气氛，在开浇前向中间包内吹氩气，降低中间包内的氧化气氛。并优化中间包烘烤制度，烘烤时间至少保证2h以上，而且中间包温度要达到1050℃才允许连铸开浇。这样，可以在降低钢水被氧化的同时，也能减少由于钢水温度明显降低产生的Al2O3夹杂物的数量。

3.2钢水开浇后的控制

3.2.1各系统吹氩流量的控制

连铸塞棒和透气上水口吹氩对钢水在通道内的流动产生较大影响，合理控制吹氩流量能够明显提高钢水可浇性。但是由于低硅铝钢一般都是冷轧产品，对冷轧板的表面质量要求较严，如果吹氩过大无疑会增加夹杂缺陷，因此，必须严格控制塞棒和透气上水口的氩气流量。表3是优化之后的吹氩流量控制情况。生产实践表明，浇次首罐透气上水口氩气流量提高至2～3 L/min后，絮流现象明显好转，冷轧缺陷控制稳定。

表3　优化后吹氩流量控制情况　L/min

3.2.2加入钙铁粉

针对首罐钢水浇注时存在的絮流隐患，建议在连铸机开浇后立即向中间包内加入50 kg钙铁粉，以进一步减少钢水中残留的Al2O3夹杂物，提高钢水可浇性。统计50个浇次首罐钢水的数据得出，浇次首罐不加50 kg钙铁粉出现的絮流次数是42罐，加入50 kg钙铁粉出现的絮流次数是26罐，由此看出，加入钙铁粉后，浇次首罐钢水的絮流现象得到明显好转。

3.2.3保护浇注

为降低浇次首罐钢水被氧化再次产生Al2O3夹杂物的程度，在钢水罐长水口、中间包板间等位置上进行吹氩密封，保证浇注系统的正压状态，避免因吸气造成钢水氧化。其次，中间包使用缓冲器，减少注流引起冲击区钢液面波动和开浇时钢水飞贱，尽快形成保护浇注。钢水罐开浇后，立即加入足量的覆盖剂完全覆盖钢水表面，并保证覆盖剂的快速熔化，达到隔绝空气、防止钢水裸露导致二次氧化的目的。此外，在中间包包盖上铺设石棉以隔绝空气。

4　其它措施

在正常的生产工艺条件下，通过控制钢水罐滑板开关实现钢水自浇，避免钢水和空气接触以防止二次氧化的发生。而一旦钢水未实现自浇必须进行烧氧操作，而经过烧氧之后的钢水会被大量氧化，产生大量的Al2O3夹杂物，严重污染钢水。实践证明，凡是经过烧氧之后浇注的钢水肯定会出现非常明显的絮流现象。因此，钢水罐在整备时必须保证水口周围无残渣、加入的引流剂数量、效果和材质符合要求，确保首罐钢水实现自浇。

5　工业应用效果

转炉、LF炉、连铸工序采取上述方案后，浸入水口浇次首罐絮流现象明显好转。工序优化前后钢水絮流情况对比情况见表5。

表5　工序优化前后浇次首罐钢水絮流情况对比次

从表5看出，采取措施后钢水可浇性明显提高，发生絮流的次数减少50％左右。

6　结论

（1）对浸入水口浇次首罐钢水的絮流物取样检验分析结果认为，絮流物的主要成分是Al2O3。

（2）采取优化转炉钢水脱氧方式，将进LF炉Als含量控制在0.010％～0.040％；提高LF炉顶渣还原性，加强喂Ca线操作，钢水中Ca含量达0.002 0％～0.004 0％，浇注前钢水软吹5～10 min；开浇前中间包吹氩且烘烤温度达1050℃，开浇后将透气上水口氩气流量提高至2～3 L/min等措施后，低硅铝钢浇次首罐的絮流现象减少近50％。

参考文献

［1］黄希社．钢铁冶金原理［M］．北京：冶金工业出版社，1990.

［2］张鉴．炉外精炼的理论与实践［M］．北京：冶金工业出版社．1999.

［3］刘浏.炉外精炼工艺技术的发展［J］.炼钢，2001，17（4）：1-7.

［4］王展宏.钢包炉（LF）精炼渣的作用和特性分析［J］.钢铁研究，1996（3）：11-16.

［5］陈家祥.连续铸钢手册［M］.北京：冶金工业出版社，1991.

（编辑许营）

修回日期：2015-12-26

Analysis of Anti-flocculating Flow at Submerged Nozzle during the First Ladle of Low Silicon Aluminum Molten Steel Casted

Gao Hongtao1，Mao Zhiyong1，Ding Yong2，Wang Guoqing2，Pan Xiujuan2
（1.General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.Angang Industry Group Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China）

Abstract：The causes leading to the flocculating flow at submerged nozzle during the first ladle of low silicon aluminum molten steel casted were analyzed.Preventive measures in smelting molten steel and subsequent casting were taken，consisting of weakening the oxygen activity at blowing end point of converter steelmaking，optimizing the mode of deoxidation in tapping molten steel from converter，improving the reductibility of surface slag during steelmaking by ladle furnace as well as suitably controlling calcium content in molten steel.The probability of flocculating flow occurred at submerged nozzle during the first ladle of low silicon aluminum molten steel casted was cut down by about 50％.

Key words：low silicon aluminum steel；submerged nozzle；the first ladle of casting；flocculating flow

中图分类号：TF748

文献标识码：A

文章编号：1006-4613（2016）03-0050-05