120t轉爐鋁鎮靜鋼直上渣洗工藝結瘤原因分析及對策

葉曉東，趙廣諳

（1.新疆鋼鐵學校；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

某廠（以下簡稱該廠）有3座120t頂底復吹轉爐，每月生產8萬t的鋁鎮靜鋼，其中以冷軋用SPHC的鋁鎮靜鋼為代表鋼種，該鋼種的碳含量要求在0.06%以下，鋁含量在0.015%～0.055%，該鋼種經過LF工藝處理后，成本較高。2014年末該廠為降低冶煉成本，推廣直上渣洗工藝。直上渣洗工藝實施以后，降低成本的效果明顯，但是出現的結瘤問題影響了該工藝的順行。結瘤情況嚴重時，現場生產混亂，事故鋼水較多。結瘤造成中間包注余多，如處理不及時，又會影響到生產的運行。文章對連鑄直上渣洗工藝結瘤的原因進行了分析，并提出了改進措施。

2 工藝技術參數

3×120t頂底復吹轉爐；

轉爐平均出鋼量120t，最大出鋼量140t；

鋼包自由空間為832mm（120t時）；

連鑄機配置4臺垂直彎曲型連鑄機。

3 結瘤事故的類型及分析

鋁鎮靜鋼鋼水在連鑄機澆鑄過程中結瘤的主要原因是鋼水中間沒有上浮的Al2O3富集造成的[1]。去除鋼水中間Al2O3的工藝方法主要有大氣泡尾流去除和小氣泡粘附去除兩種。前者的工藝實施是在轉爐出鋼過程中或者精煉爐加入大量的含鋁合金后，以較大流量的氬氣攪拌。這主要基于Al2O3顆粒具有強烈的團聚傾向的特點，使得轉爐出鋼過程中產生的大量Al2O3小顆粒團聚成為大顆粒，隨著氬氣泡的尾流上浮到頂渣去除。后者主要是較小的氬氣流量攪拌，使得粒度較小的Al2O3顆粒粘附于氬氣泡表面，在氬氣泡上浮到頂渣時，Al2O3進入爐渣[2]。

不論哪一種工藝，都有去除Al2O3夾雜的效果，頂渣的粘度和氧化性起著很關鍵的作用。頂渣粘度大，Al2O3顆粒無法進入頂渣，有循環進入鋼液的可能性，頂渣的氧化性強，有二次氧化鋼液中間的鋁成為Al2O3顆粒夾雜物，影響鋼水的可澆性。

轉爐冶煉的鋼水不經過LF處理，從轉爐出鋼后直接到連鑄機澆鑄的工藝，稱為直上渣洗工藝。為了優化該廠生產鋁鎮靜鋼成本，70%以上的爐次采用這種工藝，結瘤情況主要分為四大類。

3.1 鋼包的吹氬操作控制不正常引起的結瘤

此類現象占結瘤現象的45%，出現吹氬操作控制不好的鋼水即使在LF進行頂渣改質和重鈣處理，也會造成中間包澆注過程中上水口結瘤，嚴重時鋼包水口也伴有結瘤現象，又分為三種情況：

（1）在出鋼過程中，氬氣攪拌強度控制不好。吹氬的實際流量在120～250L/min，但是持續時間短。此類問題主要體現在出鋼量較大的爐次。如鋼水出完時，鋼包的凈空高度不夠，現場操作擔心吹氬攪拌強度過大，引起鋼渣的飛濺和溢出，又認為氬氣攪拌強烈，會造成鋼液的增氮，出鋼至一半的時候，就將氬氣的攪拌強度降下來，造成鋼水出完以后，采用鋁合金脫氧產生的大顆粒夾雜物沒有充分的上浮，滯留在鋼水中，造成鋼水在澆注過程中，浸入式水口頻繁結瘤。

（2）鋼包的透氣磚透氣性不好。透氣磚在鋼包水口對面，吹氬攪拌不均勻，吹氬時頂渣的渣眼（透氣磚上方能夠裸露鋼液的區域）很小，造成鋼包從開始投用僅僅勉強保證鋼水有攪拌的功能，但是去除夾雜物的功能無法實施，鋼水上連鑄機澆注，隨著澆注的推進，結瘤現象逐漸表露出來，起初是浸入式水口的頻繁結瘤，最后造成中間包上水口結瘤，直至結瘤停機。

（3）鋼包前期吹氬不正常，現場沒有及時調整，轉爐出鋼以后，進行鈣處理，效果不明顯，造成鋼水上連鑄澆注時，浸入式水口頻繁結瘤。

3.2 轉爐出鋼帶渣或者下渣

直上鋼水中的酸熔鋁大量的氧化，高堿度、高氧化鐵的轉爐鋼渣進入鋼包以后，渣中氧化鐵迅速減少，造成鋼渣迅速在鋼包結殼，或者頂渣粘度較大，潑渣困難，頂渣改質困難，引起鋼水上連鑄機澆注時結瘤，此類結瘤的表現為突發性，即前面連鑄機澆注正常，出現此類頂渣沒有改質好的爐次，鋼包上連鑄機澆注，鋼水澆注三分之一時，結瘤現象立刻出現，造成中間包結瘤停機。此類問題引起的結瘤占連鑄機結瘤現象的35%，轉爐鋼渣的成分和典型的下渣以后，經過改質的頂渣成分W[O]%如表1所示。

3.3 鋼水在轉爐工序過吹

轉爐在出鋼過程中，加入較多的鋁鐵脫氧，脫氧的產物留在鋼水中，造成在澆注過程中出現結瘤現象。此類現象占結瘤現象的16%。

3.4 轉爐爐后脫氧控制不當

配加的酸熔鋁離目標值有差距，在吹氬站補鋁，此時補鋁過程中產生的脫氧夾雜物沒有良好的去除途徑，澆鑄過程中引起結瘤。此類問題占結瘤現象的4%。

4 針對不同結瘤情況采用的對策

4.1 吹氬控制對于結瘤的影響和解決方案

大量的文獻研究證明[1、2、3]，在鋁鎮靜鋼的冶煉過程中，結瘤物主要是由Al2O3及其化合物，還有一部分是鈣處理不當，由CaS及其化合物，MgO及其化合物組成。通過解剖該廠結瘤物，其成分主要是以絮狀的Al2O3為主，因此認為降低鋼水中的Al2O3是解決結瘤的關鍵。

薛正良教授等人的研究證實[1、2、3、4]：吹氬去除鋼水中Al2O3的途徑主要是通過小氣泡粘附和大氣泡尾流去除，大氣泡去除主要在脫氧初期，此時加入含鋁的脫氧劑脫氧，脫氧產物Al2O3顆粒容易聚集長大，使用較大流量有利于Al2O3的去除，在吹氬站鈣處理的過程中，較小的吹氬促成小氣泡粘附去除Al2O3的效果比較有利。比較現場四個生產班組，其中的兩個班組的吹氬工藝與另外的兩個班組不同，冶煉鋼水的澆注性能不同，其中兩個班組很少結瘤，另外兩個班組的結瘤情況比較嚴重。

所以通過比對分析認為，不當的吹氬工藝也會造成結瘤。較大氬氣流量的吹氬，既有利于大氣泡尾流去除夾雜物外，還有利于鋼水向出鋼過程中加入的渣料傳熱，促進渣料盡早熔化，吸附上浮的夾雜物。

采取了如下措施：（1）轉爐針對不同的鋼包，控制出鋼量，保證鋼包接鋼水后有正常的自由空間，確保吹氬工藝的實施，以較大的流量吹氬攪拌鋼液，轉爐出鋼過程中吹氬的流量控制如圖1，控制方案表見表2。

這種吹氬模式采用的爐次，轉爐出鋼以后，頂渣改質容易進行，頂渣結殼和粘度大的矛盾得以緩解。鋼液進行純鈣線處理，鋼水直上澆注，由于吹氬引起的結瘤現象下降了65%，這也證實了分析的合理性。有部分技術人員認為氬氣過大，會造成鋼液的二次氧化，導致鋁損較大。實踐結果證實，吹氬量的增加，總的鋁損增加不明顯，結瘤現象減少，對于節約含鋁脫氧劑的消耗效果顯著。

圖1 轉爐出鋼過程中合理的吹氬曲線

（2）采用低堿度的頂渣。爐渣的堿度低，熔點也低，頂渣具有較好的流動性，容易吸附夾雜物。堿度在0.6～1.5的頂渣，吹氬以較大的流量攪拌，能夠有效地吸附鋼液中間上浮的夾雜物。冶煉過程中的渣樣成分見表3。

（3）對于吹氬不正常的鋼包，不能勉強冶煉，必須采用吹氬效果正常的鋼包執行直上工藝。

4.2 轉爐帶渣和下渣、氧化性較強爐次的處理

4.2.1 轉爐帶渣和下渣爐次的處理

轉爐帶渣和下渣以后，如果潑渣及時能夠將部分的頂渣倒出，有利于頂渣改質。但是大多數情況是，帶渣和下渣以后鋼包的頂渣很難潑渣成功。文獻研究表明[2]，渣中氧化鐵含量超過1.5%的氧化渣，爐氣通過渣向鋼液傳氧的能力是還原渣的數百倍，而將頂渣改質成為還原渣需要的時間較長，改質成功的代價較大，所以采用以下的方案控制此類事故：（1）下渣量較大的爐次，盡可能潑渣，潑渣不成功時，取消直上工藝，改煉其它的鋼種或者在LF進行精煉。（2）下渣量較小的爐次，在吹氬站工位盡可能在最短的時間內以最快速度對于頂渣進行改質，同時考慮到鋁損，將鋼液中鋁成分一次配至中限以上，然后采用較大流量的氬氣吹氬。

4.2.2 對于轉爐氧化性較強爐次的處理

轉爐氧化性較強的爐次，即出鋼終點W[O]%>800×10-6的爐次，加強轉爐出鋼的擋渣操作，同時一次性將鋼中鋁的成分配至中上限，出鋼過程全程采用較大流量的氬氣進行攪拌，出鋼使用鈣質含碳的脫氧劑與含鋁的脫氧劑，同時對鋼液進行脫氧。實踐證明，使用含碳的脫氧劑脫氧時，可減少含鋁脫氧劑的用量，產生的CO氣泡也有助于鋼液的攪拌，促進夾雜物上浮，有利于減少結瘤現象的發生。

5 結論

該廠的實踐證明，控制鋁鎮靜鋼直上渣洗工藝結瘤的關鍵點為：

（1）在鋁鎮靜鋼的生產過程中，轉爐出鋼過程一次性將鋁的成分配至中限，然后全程采用較大的氬氣流量攪拌鋼液，是去除氧化鋁夾雜物的最有效的手段。

（2）在營造較低堿度的頂渣基礎上，采用較大的氬氣流量吹氬，效果優于小流量的氬氣攪拌的效果；

（3）頂渣的盡快改質，是處理異常爐次的關鍵，也是解決直上鋁鎮靜鋼結瘤的核心技術之一。

[1]薛正良,王義芳，王立濤.用小氣泡從鋼液中去除夾雜物顆粒.金屬學報,2003,（4）：431～437.

[2]俞海明.轉爐鋼水的爐外精煉技術.北京：冶金工業出版社，2011，（9）：58.

[3]陳向陽，鄭淑國，董杰，朱苗勇.鋼包底吹氬位置對鋼水去夾雜影響的水模型研究.特殊鋼,2009,（3）：7～9.

[4]幸偉,倪紅衛,沈巧珍等.130t鋼包底吹氮噴嘴布置模式優化的水模型試驗.特殊鋼,2007,（4）：13～15.