連鑄機全保護澆注工藝的創新與優化

李洪建 李庭壽 張佩 張麗 于明杰

目前，品種鋼生產對鋼水潔凈度要求越來越高，全保護澆注是連鑄機澆注過程中防止鋼水二次氧化主要工藝技術，如果沒有良好的保護澆注措施，鋼水就不可避免地與空氣接觸，造成二次氧化，降低了鋼中溶解鋁的含量，增加了氮氣和氧氣的含量，惡化了鋼水的純凈度，無法滿足高質量鋼的要求。同時，對于生產的穩定順行也造成一定的影響，特別是生產深沖用DDQ、IF鋼等超低碳鋼時，保護澆注不當，極易出現水口結瘤問題，對鋼材質量影響較大，嚴重時造成產品降級甚至判廢。為此，萊鋼煉鋼廠在保證轉爐精煉工序正常生產的情況下，對連鑄工序全保護澆注進行系統研究：從大包鋼水流出→鋼水流入中間包→結晶器，針對每一個銜接處造成的鋼水裸露及二次氧化進行系統分析研究，對設備進行升級改造，全面升級全保護澆注工藝。

1.連鑄采用保護澆注的必要性

在連鑄過程中，鋼水從鋼包流出后，還要經過中間包流入結晶器。在這個過程中，鋼水與空氣接觸的幾率較大，而且鋼水從中間包進入結晶器發生二次氧化的機會比從鋼包進入中間包的幾率大。要提高板坯表面質量，減少內部夾雜物，很重要的措施就是采用保護澆注，防止澆鋼過程的二次氧化。

2.連鑄保護澆注的主要方法

連鑄過程中的注流保護包括四個方面的內容，即鋼包至中間包注流的保護；中間包密封及保護；中間包至結晶器注流的保護；結晶器液面的保護。

2.1 鋼包注流的保護澆注

國內外鋼包到中間包注流保護主要采用以下幾種方法：長水口保護、長水口惰性氣體保護、充氣罩保護和壓力箱保護[1]。

萊鋼煉鋼廠主要采用的是長水口保護。使用長水口保護從鋼包到中間包的注流，保護效果的關鍵在于鋼包下水口與長水口接縫處的密封保護。長水口是一個直徑有限的圓筒，當鋼水由于靜壓力和重力向下流動時，在長水口入口端形成一定的負壓，這就使接縫處的空氣不斷吸入到長水口內，然后被鋼水帶走形成氣液乳濁相，為鋼水吸氧提供了動力學條件，從而造成鋼水嚴重的二次氧化。文獻[1]中給出水口接縫處吸氣方程：

式中

A1、A2－長水口平均面積和接縫面積，m2；

ω1、ω2－鋼包下水口和長水口平均流速，m/s；

qm－注流質量流量，kg/s；

p－接縫處壓力，Pa；

T－鋼水溫度，℃。

由式（1－1）可知, 鋼包下水口出口流量越大，造成的負壓也就越大，被吸入的空氣也就越多。所以要避免注流二次氧化，可采用以下三種方法:被抽吸的氣體是保護性氣體；向長水口內通入保護性氣體，使長水口內的壓力與外壓平衡，從而消除抽氣；采用高溫密封劑將水口接縫處密封，使外部空氣不能進入水口，使長水口內保持較高負壓，起到保護注流的效果。見圖1。

圖1 長水口氬封保護澆注

2.1.1 長水口保護。為了防止鋼包到中間包的鋼流與空氣接觸，一是設計、采用了帶吹氬溝槽的鋁碳質鋼包長水口，使鋼包長水口與鋼包下水口呈嚙合連接，在連接處吹入氬氣，形成氬氣氣幕，防止空氣的進入，耐火套管的下部伸入中間包的鋼液中，使鋼包到中間包的鑄流全部密封，可有效地防止二次氧化，起到了一定得保護澆注作用[2]。

2.1.2 增加密封圈。研究設計了纖維水口密封圈，放置在鋼包下水口與鋼包長水口碗之間，通過液壓把持器擠壓密封，更有效地防止了氬氣被鋼流吸入。

2.1.3 在沖擊區采取活動蓋板。在沖擊區采取活動蓋板，同時做好包蓋密封，減少沖擊區鋼水裸露面積，能更好保證鋼液面上形成氬氣氛圍，防止空氣進入中間包，減少鋼水二次氧化。

2.2 中間包密封及保護

2.2.1 復合中間包包蓋的設計制造。在原有鑄鋼質中間包包蓋的基礎上，設計帶有弧度的鋼質框架結構，整體澆注耐火材料的中間包包蓋。新型包蓋具有防掉料，防變形，使用壽命高，密封效果好的優點。同時，對中間包沖擊區進行全面改造，大幅度減小了中間包沖擊區與空氣接觸面積，進一步減少鋼水二次氧化。

2.2.2 中間包蓋吹氬設計。在中間包包蓋澆注料內，預埋有氬氣管路，通過向中間包內吹氬，在中間包鋼水上方形成氬氣保護氛圍，達到增強中間包保護澆注的功能。

2.2.3 中間包包蓋的密封。中間包蓋的密封技術是在包沿與包蓋接觸處及塊與塊對接處墊挾約40mm厚的硅酸鋁耐火纖維氈，并在中間包蓋各孔處采用預制密封件，以增強中間包蓋的密封隔熱功能，達到全保護的目的。

2.3 中間包至結晶器注流的保護

2.3.1 浸入式水口氬封環設計。連鑄機采用浸入式水口澆注，浸入式水口插入結晶器鋼水液面以下，在澆注過程中，由于鋼流流動造成對空氣的抽吸作用，將空氣吸入帶入鋼液中，造成鋼水污染。為了防止空氣被吸入，在中間包上水口與浸入式水口之間通入氬氣保護，在上水口下表面上制作氬封環，氬氣通過氬氣孔通入氬封環，氬氣在鋼流周圍形成環形氬氣環，阻止空氣進入，防止空氣吸入鋼流。

2.3.2 浸入式水口機件黑匣子設計。為進一步提高保護澆次效果，對浸入式水口機件進行自主創新，開發設計浸入式水口板件氬氣保護裝置，該氬氣保護裝置使浸入式水口機件四周形成彌散的氬氣環境，再次提高了鋼水的保護澆注效果。

2.4 結晶器液面的保護

結晶器液面的保護主要是保護渣。保護渣的主要作用：保護渣覆蓋在鋼水的液面，使鋼水與空氣完全隔離，防止鋼水二次氧化；絕熱保溫防止散熱；吸收溶解從鋼水中上浮的夾雜物；結晶器壁與凝固殼之間有一層渣膜起潤滑作用，減少拉坯阻力，從而可以防止凝殼與結晶器壁的粘；充填坯殼與結晶器之間的氣隙，改善結晶器傳熱[2]。萊鋼煉鋼廠與保護渣廠家共同研究、試驗，設計適合萊鋼2#連鑄機的超低碳鋼的高強度保護渣，粘度由原來的0.17Pa.s改為現在粘度為0.5Pa.s，提高結晶器保護渣去夾雜物能力。

3.應用效果

通過實施以上措施，連鑄機保護澆注效果大幅提高，鋼水澆注過程增氮量由過去的3.5ppm減少至目前的1.5ppm，超低碳鋼零級夾雜物比例達到92.3%。

鑄坯質量良好，無表面及皮下氣泡（針孔），低碳鋼種中心偏析控制在C類0.5級，基本無中心疏松現象，船板系列包晶合金鋼和高碳鋼中心偏析控制在B類1.0級，中心疏松0.5級。鑄坯表面及內部質量控制良好。

4.結論

通過對連鑄機保護澆注工藝不斷優化與創新，在鋼包注流、中間包沖擊區、中間包注流等與空氣接觸的部位采取保護澆注措施，有效地阻止了空氣與鋼流接觸，防止鋼水二次氧化，減少了鋼中氣體含量，提高了鑄坯質量和軋材使用性能，同時對保護渣性能進行改進，提高了鋼水的潔凈度。

[1]朱立光，王碩明等編著.現代連鑄工藝與實踐.河北科學技術出版社，2000：117

[2]李殿明，邵明天等.連鑄結晶器保護渣應用技術.北京。冶金工業出版社。2008