连铸坯夹杂物产生原因分析及改进措施

段少平，皇甫江涛

1 前言

汉钢1#连铸机是用于生产小方坯（150 mm×150 mm）的八机八流弧形连铸机，目前主要生产普碳钢和低合金钢。该连铸机自2012年2月投产以来，普碳钢内部夹杂严重影响连铸坯质量，给企业造成了严重的经济损失。针对连铸坯夹杂物问题，对1#连铸机的生产工艺进行了深入分析，逐步掌握了产生大面积钢坯夹杂的原因，通过规范人员操作，控制夹杂物来源，提高中间包冶金效果和耐材质量等措施，有效控制了普碳钢的夹杂物，提高了铸坯的洁净度。

2 连铸坯夹杂物产生原因分析

汉钢1#连铸机是八机八流弧形连铸机，具有生产150～200 mm方坯及Ф210 mm圆坯的能力，目前主要用于生产断面为150 mm×150 mm的小方坯。连铸机参数：连铸机弧形半径R10 m，振动频率75～240次/min，结晶器通过长度900 mm，中间包容量45 t，流间距1 250 mm，工作拉速2.0～3.2 m/min。

针对连铸坯内部夹杂问题，跟踪连铸坯的生产工艺过程和轧制情况。由于夹杂物来源广泛，组成复杂，首先根据夹杂物的生成方式将其分为内生夹杂和外来夹杂。内生夹杂主要指钢水自身产生的非金属夹杂物；外来夹杂主要是指浇注过程中带入的夹杂物，如钢包、中间包耐火材料的侵蚀物，卷入的包渣和保护渣等［1］。

2.1 人员操作问题

1）中间包、结晶器液面不稳定，浇注过程卷渣频繁。生产初期由于人员操作不熟练，浇注过程存在较为严重的漏洞：①结晶器液面波动较大引起坯壳生长的不均匀，大量的夹杂物也随之被卷入凝固坯壳；②1#连铸机中间包工作层使用镁质干式料，生产初期由于人员操作不熟练、大包水口控流频繁，中间包液面不平稳，加快了钢水液面对干式料的冲刷，被冲刷的干式料严重污染钢水。2017年3月，217870炉次Ⅵ流结晶器液面控制不稳定、波动大，液面卷渣，造成铸坯缺陷明显。

2）中间包排渣不及时。普碳钢钢水自身带渣量较大，为提高金属收得率，在钢包水口大面积下渣时停浇，中间包液面渣层厚度大，最多时曾达到250 mm，导致了严重的工艺事故。中间包排渣不及时主要表现在以下几个方面：①液面覆盖剂难以吸收中间包内钢水的夹杂物；②正常浇注时，连铸正常液面850 mm，在换钢包、等钢过程中中间包液面降低至550 mm，钢水实际深度300 mm，在液面＜300 mm时上水口处形成旋涡，大量夹杂物流入结晶器凝结于初生坯壳［2］。

3）结晶器油与保护渣混合使用，形成硬度较大夹杂物并且难以捞出。

2.2 保护浇注使用不规范

保护浇注密封效果差、浸入式水口浸入深度不合理、水口偏斜等原因，严重影响保护浇注的效果，增加了钢水二次氧化。

1）水口安装精度差、使用不规范。①大包长水口、浸入式水口安装不对称，对耐火材料内壁冲刷较为严重，并且造成浸入式水口与快换水口之间产生间隙，容易吸收空气，影响保护浇注的效果。②1#连铸机使用直筒型浸入式水口，水口高度660 mm，中包车未使用升降装置，在结晶器液面急剧波动的情况下，无形中调整了浸入式水口的浸入深度，浸入式水口浸入深度过深，高温钢水冲刷结晶器下部坯壳，使坯壳变薄容易漏钢。同时夹杂物难以上浮，浸入深度过浅，容易搅动结晶器液面，造成卷渣影响钢坯质量。

2）保护渣加入不合理。人员操作随意性较大，保护渣一次加入量较大，结晶器液面频繁裸露，钢水卷渣，影响保护浇注的效果；捞渣不规范，操作人员习惯性使用捞渣棍搅动结晶器液面，破坏液渣流入结晶器铜管与初生坯壳之间。

3）大包长水口密封效果差。安装长水口时，长水口与钢包滑动水口若密封不严，水口装不正，就会导致空气吸入使钢水二次氧化。又因长水口内孔径比滑动水口内孔径大，钢水不能充满内孔，这时在长水口顶部就形成一个负压区，空气不断从缝隙中被吸入，造成钢水的二次氧化；保护浇注使用初期，水口密封效果差，钢水二次氧化严重，形成大量非金属夹杂物，沿钢坯内弧分布。低倍分析可知，铸坯中心疏松0.5级，角部裂纹为0.5级，非金属夹杂物2.0级。由此断定非金属夹杂物缺陷为影响钢坯质量的主要因素。

2.3 钢水温度高

生产过程中以下状况会造成钢水温度的升高：1）浇注过程中堵断流次数较多、拉速低浇注周期长；2）中间包容量40 t、熔池深度1 m、流间距1.25 m、长10 m，因一个炉次的浇注周期长、中间包长度大，为避免后期的浇注温度低、结溜和Ⅰ、Ⅷ流形成死区［3］，中间包过热度控制高。1#连铸机主要生产普碳钢和低合金钢，钢水过热度普遍控制在30～50℃［4］。钢水温度过高会产生诸多危害：1）钢包包衬、中间包干式料和浸入式水口等耐火材料侵蚀严重，污染钢水；2）初生坯壳内外液芯温差大，增加了钢坯的裂纹比率和程度。

2.4 挡渣墙寿命低，影响夹杂物上浮

为了充分有效利用中间包容积，促进夹杂物上浮，在中间包缓冲区部位安装了2块高度为1 m的挡渣墙。而中间包寿命为33 h，挡渣墙寿命仅为15 h，浇次后期夹杂物上浮效果差。

2.5 水口渣线设计不合理、断裂频繁

汉钢采用长660 mm的直筒型浸入式水口，渣线长100 mm安装于浸入式水口下端，中间包使用过程中无升降装置，结晶器液面为手动控制，波动大，液面在上升时容易侵蚀至渣线以上部位的铝碳质本体，造成水口断裂。

3 连铸坯夹杂物控制措施

3.1 规范操作

1）提高吹氩效果，促进非金属夹杂物上浮。从转炉出到钢包的钢水，其成分、温度分布是不均匀的，并且存在大量的非金属夹杂物和气体，通过吹氩在一定程度上可以促使非金属夹杂物和气体上浮，提高钢水纯净度。通过试验，对吹氩参数进行以下调整：1）将吹氩时间由7 min改为8～9 min；2）规范氩气压力和流量，吹氩时，吹气压力和流量的控制应以不使钢水裸露翻腾为原则。

2）稳定中间包、结晶器液面。结晶器液面控制在±5 mm；正常浇注过程中中间包液面≥800 mm，更换钢包时液面≥600 mm，在钢水紧张时中间包液面≥300 mm。

3）控制中间包渣层厚度。普碳钢每6 h组织排渣，当渣层＞100 mm时，提前组织排渣，提高中间包覆盖剂吸附夹杂物的能力，避免水口卷渣。

3.2 防止钢水二次氧化

钢水在浇注过程中二次氧化生成的大颗粒夹杂物，有的上浮、有的可能留在钢中，成为钢中夹杂物的重要来源。钢中大颗粒夹杂物对产品质量带来极大的危害，要提高钢的清洁度，就是要减少钢中夹杂物，尤其是大颗粒夹杂物，关键是防止在浇注过程中钢水二次氧化。

1）规范保护渣使用。①保护渣应在开浇基本完成之后才加入（加入后10 s内完成套浸入式水口操作）；②保护渣应少加、勤加、均匀加入；③液面波动时，保护渣加入应在液位上升过程中完成；④保护渣不得加到结晶器角部［5］。

2）正确安装大包长水口和浸入式水口，提高水口的密封效果。①在长水口与滑动水口之间加装耐火纤维密封圈或金属环，并采用惰性气体氩气对注流进行密封保护，使长水口顶部形成正压，将注流与空气隔绝，减少空气的吸入量，避免二次氧化。②安装长水口前，长水口碗部的粘钢要及时清理干净，长水口对正，确保密封，确保钢流不被二次氧化。

3.3 控制中间包过热度

1）钢包加砌绝热层，减少包衬散热损失。2）红包出钢，加快钢包周转，提高钢包衬温度。3）钢包表面加碳化稻壳或保温材料，减少热损失。4）钢包加盖，使钢包长时间有效保温，提高钢包温度。5）提高吹氩效果，均匀钢水温度，避免同一炉次前中后期中间包温度不均匀的问题。

经过一系列的控制措施，中间包过热度由30～50℃降低至20～35℃。

3.4 促进夹杂物上浮

利用中间包大容量、深熔池，促进夹杂物上浮，将原有的镁质挡渣墙改为铝质以提高挡渣墙寿命并与中间包同步。消除中间包底部的死区，改善钢水流动的轨迹，使钢液沿钢渣界面流动，缩短夹杂物上浮距离，促进保护渣对夹杂物的吸收［6］。

挡墙的使用还能将钢包注流冲击所引起的强烈涡流限制在局部区域内，防止紊流扩散引起表面波动导致的钢水内部卷渣。

3.5 调整渣线安装位置

经过长期的现场跟踪分析，浸入式水口主要侵蚀部位为水口下端100～130 mm处，耐钢水冲刷的渣线部位安装于下端0～100 mm处，导致水口断裂。为利用氧化锆材质的优势，将渣线部位安装位置上移50 mm，解决了浸入式水口断裂的问题。

4 结语

通过规范操作，将吹氩时间控制在8～9 min之间，控制氩气流量与压力，减少钢水二次氧化；控制渣层为100 mm以上，及时排渣。保护渣的正确使用，做到少加、勤加、均匀加，保证保护渣不进入结晶器角部。控制中间包过热度，由30～50℃降为20～35℃。利用中间包大容量、深熔池，促进夹杂物上浮，提高中间包冶金效果。调整浸入式水口渣线，将渣线位置提高50 mm。采取一系列优化改进措施后，普碳钢内部夹杂的比率从万吨钢5.2次，降低到目前的万吨钢0.3次，为汉钢炼钢厂连铸机的达产达效做出了贡献。

参考文献：

［1］ 蔡凯科.连铸坯质量控制［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］ 徐匡迪，肖丽俊，干勇，等.新一代洁净钢生产流程的理论解析［J］.金属学报，2012，48（1）：1-10.

［3］ 史学红.连续铸钢生产［M］.北京：冶金工业出版社，2008.

［4］ 王新东，常金宝，李双武，等.高效率、低成本洁净钢制造平台技术集成与生产实践［J］.炼钢，2012，28（4）：1-6.

［5］ 张立峰，王新华.连铸钢中的夹杂物［J］.山东冶金，2005，27（2）：1-5.

［6］ 成小龙.洁净钢高效生产工艺集成技术探讨［J］.山东冶金，2013，35（4）：31-33.