鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼澆注過程中連鑄機(jī)水口結(jié)瘤的原因及預(yù)防

蔡小鋒 趙家七 張連兵 馬建超

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

冷鐓鋼制標(biāo)準(zhǔn)件主要用于汽車、輪船、自行車、工具、建筑等行業(yè)。鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼在連鑄過程中，浸入式水口、塞棒等與鋼水接觸可能使連鑄機(jī)水口結(jié)瘤或侵蝕，導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動(dòng)較大甚至被迫關(guān)流，從而影響生產(chǎn)、增加成本[1- 2]。

國(guó)內(nèi)某廠在澆注SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼過程中浸入式水口出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)瘤現(xiàn)象。本文通過物相分析、熱力學(xué)計(jì)算等分析了水口結(jié)瘤的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 生產(chǎn)工藝

該廠生產(chǎn)SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼的工藝流程為BOF→LF→CC。轉(zhuǎn)爐出鋼過程按順序加入鋁錠、低碳錳鐵、石灰、螢石等原料及造渣料。LF精煉過程成分和溫度達(dá)到要求后喂入純鈣線，隨后軟攪拌10 min以上。小方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的鑄坯尺寸為140 mm×140 mm。表1為SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼的化學(xué)成分。

表1 SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 原因分析

2.1 結(jié)瘤分析

SWRCH10AB鋼澆注過程中某一中間包浸入式水口結(jié)瘤的宏觀形貌如圖1所示。X射線熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)其主要成分是CaS，如表2所示。

圖1 水口結(jié)瘤的宏觀形貌

表2 水口結(jié)瘤物和本體的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從以上分析結(jié)果可知，結(jié)瘤的主要成分為高熔點(diǎn)CaS。LF鈣處理后鋼的含鈣量為(13～20)×10-6，結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果[3- 5]，水口形成CaS結(jié)瘤是鈣處理前鋼液含硫量較高，與鋼中鈣反應(yīng)生成高熔點(diǎn)CaS聚集在水口內(nèi)壁所致。

2.2 煉鋼生產(chǎn)過程分析

對(duì)鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分爐次LF精煉進(jìn)站溫度偏低。另外，LF進(jìn)站鋼水含硫量較高，導(dǎo)致精煉脫硫壓力大，需造高堿度渣脫硫。渣中CaO組分偏高，化渣較慢，精煉通電時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響LF精煉脫硫效果。精煉渣成分及其在相圖中的分布分別如表3和圖2所示。

圖2 鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼精煉渣在CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO系相圖中的分布

表3 鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼精煉渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

R=m(CaO)/m(SiO2);C/A=m(CaO)/m(Al2O3)

3 熱力學(xué)理論分析

3.1 含硫量

SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼精煉過程中的鋼水成分如表4所示。利用Wanger模型和各元素的相互作用系數(shù)[6]得到的部分元素的活度系數(shù)如表5所示。表6[7]為CaO- Al2O3系夾雜物中CaO和Al2O3的活度。

表4 LF精煉過程中SWRCH10AB鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表5 鋼液中元素在1 873 K的活度系數(shù)

表6 CaO- Al2O3系平衡相中CaO和Al2O3的活度

鈣處理時(shí)，鈣與鋼液中A12O3主要發(fā)生如下反應(yīng)[8]：

3[Ca]+Al2O3(Inc)=2[Al]+3(CaO)(Inc)

(1)

ΔGΘ=-1 068 893+215.4T

(2)

由圖3可知，在1 873 K，當(dāng)鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.030%時(shí)，如果鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.001 2%左右，A12O3將完全變性為12CaO·7Al2O3，鋼中夾雜物變性效果最好。考慮到生產(chǎn)實(shí)際，SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼的鈣含量控制在(12～20)×10-6為宜。

圖3 1 873 K不同夾雜物中[Al]- [Ca]平衡

當(dāng)鋼中含硫量較高時(shí)，鈣將優(yōu)先與硫反應(yīng)生成CaS，然后再與Al2O3反應(yīng)。CaS夾雜易在水口處聚集，導(dǎo)致結(jié)瘤甚至斷澆。因此，不僅要將Al2O3夾雜變性為液態(tài)鋁酸鈣，而且還要避免CaS夾雜的生成[9]。鋼中產(chǎn)生CaS夾雜的反應(yīng)式為[10]：

3(CaO)(Inc)+2[Al]+3[S]=CaS(Inc)+

(Al2O3)(Inc)

(3)

ΔGΘ=-963 016+332T

(4)

從圖4可以看出，在1 873 K，當(dāng)鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.030%時(shí)，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.003 3%以下，易生成12CaO·7Al2O，使鋼中Al2O3夾雜變性，減少CaS。

圖4 1 873 K不同夾雜物中[Al]- [S]平衡

3.2 精煉渣系優(yōu)化

該廠生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼時(shí)主要在LF精煉階段脫硫，所以除需考慮到精煉渣對(duì)夾雜物的吸附外，還需考慮精煉渣的脫硫性能，硫容量是衡量爐渣脫硫性能的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)KTH模型[11- 14]計(jì)算的1 873 K下CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO精煉渣系等硫容量圖如圖5所示。

圖5 1 873 K下CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO渣系等硫容量線圖

Al2O3含量相同，精煉渣堿度越高，其硫容量越大。SiO2含量相同，精煉渣w(CaO)/w(Al2O3)越大，則硫容量越大。鋼水氧含量與渣中(MnO+TFe)有一定關(guān)系[15]，一般采用渣中(MnO+TFe)來衡量鋼的氧含量。渣中w(CaO)/w(Al2O3)影響爐渣組元的活度、鋁脫氧平衡以及爐渣對(duì)夾雜物的吸附性能[16- 17]。有研究表明[17]，當(dāng)渣中w(CaO)/w(Al2O3)的比值從2.0～4.4降低到1.7～1.8時(shí)，全氧含量將從(10～12)×10-6降低至(5～8)×10-6。隨著精煉渣中SiO2含量的降低，SiO2活度大幅度降低，可避免或減少渣中SiO2與鋼中的鋁發(fā)生反應(yīng)[18]。

為保證精煉渣具有良好的脫硫性能及對(duì)Al2O3夾雜的吸附性能，對(duì)精煉渣進(jìn)行成分優(yōu)化，結(jié)果如表7所示。

表7 LF精煉過程中終渣的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

4 生產(chǎn)工藝優(yōu)化措施

(1)控制轉(zhuǎn)爐出鋼溫度≥1 650 ℃，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)爐出鋼下渣。出鋼至1/3時(shí)加合金及渣料，通過渣- 鋼之間的混沖及轉(zhuǎn)爐大底吹操作快速成渣。

(2)LF進(jìn)站后接通氬氣并測(cè)溫、取樣；觀察爐渣狀態(tài)，開大底吹調(diào)渣，并加入電石進(jìn)行渣面擴(kuò)散脫氧，將精煉渣成分控制在表7所示的水平，同時(shí)確保白渣處理時(shí)間。

(3)根據(jù)測(cè)溫、取樣結(jié)果進(jìn)行溫度調(diào)整和成分微調(diào)；成分和溫度均達(dá)標(biāo)后進(jìn)行鈣處理。鈣處理后軟攪拌15 min以上。

5 應(yīng)用效果

5.1 精煉渣控制

該車間冷鐓鋼轉(zhuǎn)爐出鋼氧含量較高，脫氧生成的Al2O3會(huì)與加入的石灰形成鈣鋁酸鹽渣系。生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，冷鐓鋼精煉渣成分較穩(wěn)定，目前基本能滿足冷鐓鋼生產(chǎn)需求。精煉渣的具體成分如表8所示，部分成分在三元相圖中的位置如圖5所示。

表8 LF精煉過程中終渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

5.2 硫含量控制

生產(chǎn)工藝優(yōu)化前，鈣處理前、后鋼液中硫含量降低了(30～55)×10- 6，生成了大量CaS夾雜，大大增加了水口結(jié)瘤的可能性；生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，LF進(jìn)站硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.015%～0.025%，減輕了LF精煉過程的脫硫壓力。另外，鈣處理前鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.003%左右，鈣處理前、后硫含量降低了(0～6)×10-6，既保證了鈣處理效果，也減少了鋼中CaS的形成。總體上，優(yōu)化生產(chǎn)工藝后的脫硫效果較好，能滿足冷鐓鋼生產(chǎn)需求。

圖6 生產(chǎn)工藝優(yōu)化前、后鋼中硫含量

5.3 鋼水澆注

采取一系列的優(yōu)化措施后，已基本解決了SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼連鑄澆注過程中水口結(jié)瘤的問題，冷鐓鋼的連續(xù)澆注平均爐次從10爐提高到了16爐，效果顯著。

6 結(jié)論

(1)SWRCH10AB鋁鎮(zhèn)靜冷鐓鋼鈣處理產(chǎn)生的高熔點(diǎn)CaS夾雜物在水口內(nèi)壁聚集是導(dǎo)致水口結(jié)瘤的主要原因。

(2)精煉渣的成分應(yīng)控制在：w(CaO)=48%～55%，w(Al2O3)=28%～38%，w(SiO2)≤10%，w(MgO)=5%～7%，w(TFe+MnO)≤1%。

(3)鈣處理前鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.003 3%以下，鈣處理前、后硫含量降低幅度明顯減小，既確保鈣處理效果，又減少CaS的形成，鈣處理及脫硫效果均較理想，可滿足冷鐓鋼生產(chǎn)需求。

(4)通過優(yōu)化精煉渣系成分和生產(chǎn)工藝，水口結(jié)瘤問題已經(jīng)解決，可澆性顯著改善， SWRCH10AB冷鐓鋼的連續(xù)澆注平均爐次從10爐提高到了16爐。