改善钢水流动性的生产技术

来源：赵和明，王福明，吴春京，夏文勇，廖鹏 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]

改善钢水流动性的生产技术

赵和明^1,2，王福明¹，吴春京¹，夏文勇²，廖鹏²

(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2．新余钢铁股份有限公司，江西新余338001)

摘要：在对水口堵塞物检测分析的基础上，从提高钙处理效果、降低钢水氧化性、优化耐火材料成分、改变加铝方式和加强精炼过程的控制等方面研究了钢水流动性变差的原因。通过采取相应的技术措施，有效地改善了钢水流动性，降低了水口堵塞的发生率。

关键词：流动性；水口堵塞；夹杂物；过热度；精炼

新余钢铁公司的炼钢工艺流程为：铁水脱硫→转炉→吹氩→LF→RH→连铸，钢水流动性差一直影响着炼钢厂生产的顺行，主要原因为钢水温度低或水口堵塞。从现场分析来看，钢水流动性不好的炉次，90％以上都会导致水口堵塞，最严重的甚至钢水从大包流出都不顺，导致浇铸中断或更换钢包，使整个生产节奏管理困难，增加生产成本。本文结合现场生产情况讨论了改善钢水流动性的控制技术。

1 堵塞物的检测

引起钢水流动性变差的主要原因是脱氧产物在钢水浇铸温度下呈固态，这些固态脱氧产物凝固沉积于水口使孔径变小，阻碍钢流顺行，严重时水口完全堵死，导致断流^[1]。水口结瘤物系网络状复合夹杂物与残钢的混合物，该复相夹杂物以纯Al₂O₃为主体，其间以RO相进行胶结。对于堵塞机理，认为一是钢中Al_S含量较高，保护浇铸不完善，造成铝的二次氧化使钢中析出Al₂O₃等高熔点夹杂物粘附在水口壁上形成结瘤；二是钢水中高熔点絮状物(如Al₂O₃)等非金属夹杂物在钢中来不及上浮，粘附于水口内壁造成结瘤。

堵塞物在水口内壁上呈现一定的规律分布。在渣线以上直筒部位，Al₂O₃堵塞现象较轻，堵塞物主要为铁、铁氧化物、氧化铝的混合物，以铁和铁氧化物为主。主要原因是这部分水口暴露在大气中，水口壁导热引起温降，使钢液凝固所致，随着过热钢液的大量通过，将大为缓解这种因凝固造成的堵塞。在渣线以下部位堵塞较严重，尤其是水口出口附近，堵塞物主要是堆积和烧结在一起的氧化铝夹杂、部分铁和铁氧化物，堵塞物中的氧化铝和铁氧化物部分发生反应，形成高耐火度的铁铝尖晶石类等化合物^[2-3]。

沉积物的形貌以图1a为主，由钢水中的Al₂O₃颗粒沉积而成。图1b中的球形颗粒成分是Fe，为混杂在沉积物中的凝固钢粒，周围是Al₂O₃颗粒烧结而成的网状沉积物。图1c中的部分沉积物虽然尺寸较大，但其放大后的照片显示仍旧是微小Al₂O₃颗粒组成。图1d表明沉积物除颗粒状以外，还存在各种形态，如星状、树枝晶状等。

铝碳质水口的堵塞同时存在两个过程，一种是水口内壁耐火材料成分和钢水之间的反应，另一种是钢水中的Al₂O₃在水口内壁上的沉积吸附。反应生成的Al₂O₃和钢水中的Al₂O₃同时在壁面上沉积，当表面被Al₂O₃完全覆盖后，阻止了钢水中Al向反应表面传递，此时水口的堵塞完全由钢水中的Al₂O₃在表面的沉积造成。

2 钢水过热度和钢种分布

钢水过热度低，接近液相线浇铸，有利于提高拉速，减少铸坯中心偏析，但中间包钢水过热度太低，就会冻结水口，影响钢水流动性，同时对结晶器保护渣的熔化也不利。根据钢水成分计算各炉次钢的液相线温度，并与中间包所测最低温度进行比较，得出不同过热度范围所占比例，如表1所示。

由表1可知，低过热度浇铸导致钢水流动性不好的比例约占1／3，导致低过热度浇铸的原因有2个，一方面是测温枪的影响，没有真实反映精炼或氩后出站温度，提供了不准确的信息，给生产操作带来影响；另一方面是钢水加废钢调温后，未进行有效地吹氩搅拌，致使钢水温度不均匀。

钢水流动性差的钢种分布情况见表2。

由表2可知，钢水流动性不好的钢种主要是XHP44、XHP22和XHP66钢，它们所占的比例分别为50％、15．63％和15．63％。考虑到精炼设备的处理能力和成本问题，部分钢种如ZBP22和ZBP33钢不通过精炼，如吹氩工艺未控制好的话，导致钢中夹杂物含量高并在浇铸过程中聚集于水口处，影响浇铸的顺行。即使是经精炼处理的钢种，如XHP44等仍然具有高比例的流动性不好情况，归根结底仍是与钢中夹杂物未能充分上浮有关。

3 避免水口堵塞的措施

结合以上对水口堵塞物的研究可知，影响钢水流动性的原因和机理较清楚，它与钢水的成分与操作水平密切相关，成分的控制合理，有利于钢中形成液态且易于上浮的夹杂物；操作水平的高低和各工序点处理质量的保证，有利于钢中夹杂物的去除，进一步提高钢质洁净度。

3．1 提高钙处理效果

钙处理可以改善钢水质量、流动性和浇铸性能，以及钢中夹杂物形态和组成。钙处理是将铝脱氧而产生的高熔点的脆性Al₂O₃夹杂物变性成为含钙量较高的低熔点钙铝酸盐夹杂(如12CaO·7Al₂O₃)，从而解决浇铸过程中的水口堵塞问题。随着钙加入量的增加，钢中Al₂O₃就逐渐转变为铝酸钙C₃A、C₁₂A₇、CA和CA₆、CA₂，其中前三者的熔点比钢水温度低，在钢水中为液相并呈球形，在固态钢中也呈球状。统计钢水流动性差的27炉XHP44钢的数据可知，可看出钢水流动性不好的钢水ω(Ca)／ω(A1)的比值为0．04～0．1。这个比值恰好处于CA₆和CA₂夹杂物形成的区域．极易导致钢水流动性变差。炼钢厂现喂钙铁线每米的芯粉质量为0．25 kg，包括铁皮的总质量为0．32 kg，喂线量通常为200～250m／炉，相当于吨钢喂入钙铁粉0．54～0．65 kg，钙铁粉中ω(Ca)=30％，钙收得率为6％～13％。生产过程中存在影响喂线量的因素主要有：由于节奏影响，为使铸机能接续，喂线量减少；钙线本身的质量，粉剂中钙的含量低，喂线过程中断线和卡线等。

针对ω(Ca)／ω(A1)偏低的现状，采取了以下相应措施。

1)提高喂线速度。金属丝的喂入速度与芯线种类、直径、芯线主金属含量、外壳厚度、钢包深度、钢水温度等有关^[4]。喂入速度过慢，克服不了钢水静压力，易上浮进入钢水表面而烧损；喂入速度过快，导致芯线未熔化进入钢水表面而烧损。根据实践计算，喂钙铁线时的速度为3．8～4．2m／s，既考虑了钙气压的逸散，又兼顾了钙的收得率。

2)增加喂线量。喂钙线主要是改善钢水内在质量和钢水流动性，因此应使钢中具有一定的残钙量，以促进钢中Al₂O₃、MnS等夹杂物变性^[5]。当钢中ω(Ca)／ω(A1)>0．11时，可以形成低熔点的钙铝酸盐或与(2aS结合成复合夹杂，增加钢水的流动性。为改善钢水流动性，改变喂线量为350～400 m／炉，吨钢喂入钙铁粉0．76～0．86 kg。

3)喂线时控制吹氩流量，避免氩气流量过大，钢水翻腾严重，钙损失加大。

经采取相应的措施后，钙的收得率提高为10％～15％，钢水ω(Ca)／ω(A1)大幅度提高，在0．12～0．25，浇铸过程中堵水口现象大大降低。

3．2提高铝和钙的收得率

钢水氧化性高，不仅使钢中夹杂物含量高，而且降低铝和钙的收得率，增加水口堵塞的机率。降低钢水氧化性需从转炉冶炼做起，即冶炼做到出钢温度和终点碳协调出钢，并控制终点补吹次数；LF精炼过程造白渣，并确保白渣处理大于10min，合理的吹氩模式，保证软吹氩时间和软吹氩时氩气流量；防止浇铸过程中发生二次氧化。为对系统研究这一问题，在LF出站位和中包分别取钢样，分析钢中酸溶铝和钙的损失，评价氧化性控制对钢水流动性的影响。

由图2可知，酸溶铝损失的分布服从正态分布，对应的正态分布函数见式(1)，样本总量为100。

由积分法可得到值在区间(a，b)中的概率P为：

经积分计算，酸溶铝损失处于20％～30％的概率分布为96．66％。

钙损失的分布情况见表3，共分析了70炉钙损失情况，94．29％的炉次钙损失率在40％以内，其中钙损失率为10％～30％的炉次占64．29％，钙损失小的炉次，表明残钙量高，充分发挥了钙处理的作用，不会发生堵水口事件。相对应的钙损失率高，都是水口堵塞严重的炉次，甚至造成使浇铸停机的生产事故。因此，除了优化夹杂物控制之外，还需严格做好保护浇铸和尽量降低钢水氧化性。

3．3 耐火材料的影响

耐火材料的成分，特别是SiO₂和Fe₂O₃等的含量，对钢中酸溶铝和钙的损失影响很大，其中被氧化形成的Al₂O₃如不能及时上浮至渣面去除，则使水口堵塞的可能性加大。开浇时的水口堵塞，主要是由于Al₂O₃堆积在中间包水口座砖内；浇铸过程中发生的水口堵塞，主要是Al₂O₃堆积在水口开口处，使水口出孔面积缩小，钢水流出量减少。美国阿姆科钢铁公司的爱施兰钢厂(Asland Works)通过将中间包水口座砖材质用多孔白云石取代多孔高Al₂O₃、降低中间包内衬的SiO₂含量，使水口堵塞现象得到改善^[6]。

通过专门对中间包水口座砖取样进行了化学分析，结果见表4。

由表4可知，现用水口座砖的SiO₂和Fe₂O₃含量过高，对控制水口堵塞发生率不利，需对该耐火材料进行优化。

3．4 加铝方式的影响

钢水的脱氧合金化操作是钢水形成夹杂物和去除夹杂物的主要环节。该厂转炉冶炼终点ω(C)=0．04％～0．08％的炉次在90％左右，钢水的ω(O)=(400～600)×10^-6。由于用复合脱氧比单一合金脱氧更易形成低熔点的复合夹杂物，并且能及时上浮，如锰铁和硅铁的脱氧产物颗粒结合为低熔点的复合夹杂物(MnO·SiO₂，熔点1291℃)。因此一般选用复合脱氧。对钢水脱氧时，如果铝是一次加入，并且与硅同时加入或先加入，主要形成珊瑚状Al₂O₃，这些簇状物很容易浮出，只有少量的紧密簇状物和单个Al₂O₃粒子滞留在钢中，其尺寸30μm以下。如果分2批加入，将形成一些板型Al₂O₃，其尺寸为5～20μm，不利于夹杂碰撞长大和上浮，增加堵塞水口的可能性。如生产SPHD钢时，要求ω(Al_S)=0．02％～0．05％，采取出钢过程和CAS站调整酸溶铝方式，没有发生过水口堵塞现象，而精炼过程中分批多次加入铝的炉次，如喂线和软吹氩控制不好，全部都不同程度地发生水口堵塞。

因此，为使钢中夹杂物能够充分排出，应尽量在出钢过程和吹氩站将酸溶铝调整好，以减少LF控制酸溶铝的难度。为了实现这一目的，需做到如下5方面：1)控制出钢温度和终点碳含量，减少点吹次数；2)控制出钢下渣，提高铝收得率；3)控制出钢过程底吹氩强度，防止暴吹而增加钢水与大气接触；4)在吹氩站可根据定氧结果和成分，确定适宜的喂铝线数量，喂线的收得率比加铝铁或钢芯铝高；5)如LF必须调整钢中酸溶铝含量，最好在LF精炼前期加，不要在精炼后期或出精炼站时加铝粒。

3．5加强精炼过程的控制

要实现精炼过程去夹杂的目的，需选择性能良好的精炼渣和适宜的吹氩参数。要求精炼渣具有高碱度、熔点和粘度适宜，精炼过程中能有效地吸附上浮到钢渣界面的B类夹杂^[7]。

氩气搅拌有利于钢渣之间的化学反应，可加速钢一渣之间的物质传递，利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。吹氩搅拌还可以去除非金属夹杂物，特别是对Al₂O₃类型夹杂物的上浮去除有利。吹氩的流量大小需进行控制，如吹氩过大会导致：1)钢液裸露面积扩大，二次氧化严重，增加弧光对炉衬的辐射和钢液对炉衬的冲刷；2)卷入钢中的夹杂多且难以排除；3)温降增大。根据LF要完成的冶金功能所需要搅拌能，针对精炼过程不同阶段，采用不同的吹氩搅拌功率。综合考虑氩气的搅拌功、混均时间等因素，确定LF实现不同冶金功能时对应的吹氩流量见表5。

整个精炼期间，要求渣面波动平稳，在还原性气氛下埋弧加热，电弧燃烧稳定，钢液升温快；精炼过程后期，当钢水温度达到控制目标时，要及时降低氩气流量，保持在250～300L／min，进行低速缓和的搅拌，促进精炼产物的浮出。为更好地去除钢中夹杂物和提高金属收得率，喂丝过程实行较弱搅拌，特别关键的是要确保喂线后的软吹时间和氩气流量。

3．6 实行保护浇铸

应严格执行保护浇铸，开浇首炉钢的保护浇铸尤其重要，经统计发现，钢水流动性不好的炉次约50％发生在第1炉浇铸末期和第2炉开浇初期。在连铸工序须做到如下方面：1)控制好开浇炉加入覆盖剂的时间；2)避免长水口附近冒火花；3)长水口、上水口和板问密封具有适宜的氩气流量；4)控制大包下渣量，降低氧的来源。