改善鋼水可澆性的生產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐

劉曉峰 陳文滿

（重慶鋼鐵股份有限公司）

0 前言

連鑄生產(chǎn)過程中，鋼水可澆性不良，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本，重則導(dǎo)致澆注中斷，甚至危及人身和設(shè)備安全。重慶鋼鐵股份有限公司煉鋼廠（以下簡稱重慶鋼鐵煉鋼廠）歷年來對(duì)鋼水可澆性非常重視，經(jīng)過多年不斷的研究及攻關(guān)，總結(jié)了不少解決問題的措施。筆者重點(diǎn)結(jié)合近年來生產(chǎn)工藝的實(shí)際變化，分析了影響鋼水可澆性的主要因素，提出了關(guān)鍵共性技術(shù)改進(jìn)措施，經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，取得了較好的實(shí)踐效果。

1 主要裝備及工藝

重慶鋼鐵煉鋼廠設(shè)計(jì)產(chǎn)能830 萬t/a，其中210 t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能630 萬t/a，鋼坯供1 780 mm熱軋生產(chǎn)線和4 100 mm 中厚板生產(chǎn)線；80 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能200 萬t/a，鋼坯供棒材生產(chǎn)線和高速線材生產(chǎn)線。生產(chǎn)的主要鋼種有：低碳低硅鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、取向硅鋼、熱軋帶肋鋼筋、熱軋光圓鋼筋、硬線鋼等。重慶鋼鐵煉鋼廠的主要裝備配置見表1。

2 改善鋼水可澆性的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 弱脫氧鋼生產(chǎn)技術(shù)

2.1.1 硅錳弱脫氧低合金鋼生產(chǎn)技術(shù)

2017 年5 月，為降低生產(chǎn)工序成本，重慶鋼鐵煉鋼廠80 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線開始試驗(yàn)推行定徑快換水口澆注工藝。試驗(yàn)初期，熱軋帶肋鋼筋鋼（HRB400）的脫氧工藝依精煉路徑而變化，吹氬站采用硅+錳弱脫氧工藝，LF 采用硅+錳+鋁強(qiáng)脫氧+鈣處理工藝，堵水口頻繁。

表1 重慶鋼鐵煉鋼廠主要裝備配置

依據(jù)FeO-MnO-SiO2三元相圖和熱軋帶肋鋼筋鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)，用硅+錳合金脫氧，鋼種w[Mn]/w[Si]=6～7.5 ＞4，可獲得液態(tài)的脫氧產(chǎn)物，能夠保證鋼水可澆性。蔡開科等[1]研究認(rèn)為，溶解在鋼液中的氧含量低于20×10-6，會(huì)導(dǎo)致硅鎮(zhèn)靜鋼發(fā)生水口堵塞。對(duì)熱軋帶肋鋼筋鋼硅+錳合金脫氧的鋼水平衡氧濃度進(jìn)行計(jì)算，鋼水溫度1 540～1 600 ℃時(shí)，鋼中自由氧w[O]=（40～73）×10-6，鋼水溫度降低，與硅錳平衡的w[O]要析出。控制鋼水中的w[O]在一定范圍是保證熱軋帶肋鋼筋鋼可澆性的關(guān)鍵。為此，對(duì)經(jīng)吹氬站和LF 精煉處理的熱軋帶肋鋼筋鋼均采取硅+錳弱脫氧工藝，將精煉出站鋼水中的w[O]控制在（25～50）×10-6范圍內(nèi)，抽查的出站鋼水中的w[O]控制情況見表2。

表2 硅錳弱脫氧鋼精煉出站鋼水中的w[O]控制情況

2.1.2 硅錳鋁弱脫氧鋼生產(chǎn)技術(shù)

對(duì)于硅錳鎮(zhèn)靜鋼，僅用硅+錳脫氧，鑄坯易形成皮下針孔，除采用LF 白渣精煉降低鋼中自由氧外，這類鋼種可用硅+錳+少量鋁弱脫氧的工藝。脫氧控制鋼水中w[Al]為0.002 %～0.005 %，既不堵水口，鑄坯又不產(chǎn)生針孔[1]。重慶鋼鐵煉鋼廠210 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線板坯生產(chǎn)Q195、Q235 等鋼種均采用硅+錳+少量鋁（硅鈣鋇鋁+鋁錳鐵）弱脫氧工藝，將CAS 出站鋼中w[O]控制在（15～45）×10-6范圍，連鑄單中間包澆注爐數(shù)可達(dá)到18～19 爐。

2017 年12 月，80 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線開始試驗(yàn)定徑快換水口澆注熱軋光圓鋼筋鋼（HPB300）。參照210 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線硅錳鋁弱脫氧工藝試驗(yàn)生產(chǎn)，由于鋼水中w[O] 控制不穩(wěn)定，堵水口頻繁，單中間包連澆爐數(shù)徘徊在3～6 爐，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率的提升。隨后結(jié)合小方坯的特點(diǎn)，采用精煉定氧，將鋼水中的w[O]控制在（30～60）×10-6范圍內(nèi)（較板坯鋼種w[O]含量高約15×10-6），堵水口頻次大幅降低。不同生產(chǎn)線采用硅錳鋁弱脫氧，鋼水中的w[Al]和w[O]控制情況見表3。

表3 硅錳鋁弱脫氧鋼精煉出站鋼水中的w[Al]和w[O]

2.2 強(qiáng)脫氧鋼生產(chǎn)技術(shù)

2.2.1 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)技術(shù)

2010 年11 月，重慶鋼鐵煉鋼廠210 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線開發(fā)了BOF →RH →CC 工藝低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼（SPHC）生產(chǎn)技術(shù)，單中間包連澆爐數(shù)達(dá)到18 爐。2018 年2 月，開發(fā)了低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼BOF →CAS →CC 高效低成本生產(chǎn)工藝，取得了良好的實(shí)踐效果。

李德剛等[2]認(rèn)為，氧化性頂渣與鋼水接觸，其氧勢(shì)高于鋼水中的氧勢(shì)，頂渣中的氧就進(jìn)人鋼水中，造成鋼水二次氧化，且頂渣對(duì)鋼液供氧的貢獻(xiàn)率大于鋼包與中間包銜接的水口處吸氣對(duì)鋼液供氧的貢獻(xiàn)率。因此，對(duì)采用BOF →CAS →CC工藝生產(chǎn)SPHC 鋼，控制鋼水可澆性就是防止堵水口，重點(diǎn)發(fā)揮轉(zhuǎn)爐出鋼高堿度渣渣洗冶金功能，強(qiáng)化鋼包頂渣改質(zhì)（w（FeO+MnO）＜5 %，w（CaO）/w（Al2O3）=1.5～1.7）。主要措施是利用精煉石灰、鋁粒和轉(zhuǎn)爐用稠渣劑調(diào)配高堿度精煉渣，充分發(fā)揮轉(zhuǎn)爐出鋼渣洗冶金功能。同時(shí)，采取降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w[O]，減少Al2O3夾雜物的生成量；優(yōu)化吹氬工藝，增大Al2O3去除量；連鑄過程保護(hù)澆注，中間包定期排渣，換水口等配套措施。隨機(jī)抽查559 爐SPHC鋼，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w[O]=593（352～785）×10-6，CAS 吹氬攪拌時(shí)間15～18 min，軟吹氬時(shí)間≥10 min，鋼水鎮(zhèn)靜時(shí)間28 ～30 min。SPHC 鋼鋼包頂渣化學(xué)成分見表4。

表4 SPHC 鋼鋼包頂渣化學(xué)成分

2.2.2 鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理生產(chǎn)技術(shù)

對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理，能有效變性高熔點(diǎn)氧化鋁、鎂鋁尖晶石等夾雜物，形成低熔點(diǎn)的液態(tài)夾雜物，促進(jìn)夾雜物上浮去除，有效提高鋼液的潔凈度，減輕連鑄水口堵塞問題。鈣處理存在著一個(gè)最低加入量和最高加入量的“液態(tài)窗口”問題，鈣的最低加入量是為了保證夾雜物是液態(tài)的，鈣的最高加入量是保證不生成固體的CaS 夾雜物[3]。如果鋼中硫很少，鈣的加入量過多，雖不會(huì)生成CaS，但生成的12CaO·7Al2O3能夠浸透到塞棒或滑動(dòng)水口耐火材料的氧化物晶界使其溶解剝落，導(dǎo)致鋼液控制失靈[4]。

重慶鋼鐵煉鋼廠鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理控制w[Al]≥0.020 %，w[S]≤0.015 %，鋼包頂渣改質(zhì)，鈣處理后w[Ca]=（22～35）×10-6，堵水口和塞棒侵蝕可控，鋼水可澆性良好。

2.3 LF 分級(jí)精煉技術(shù)

對(duì)于硅鎮(zhèn)靜鋼[1]，在LF 還原精煉氣氛和低氧條件下（w[O]＜15×10-6），MgO-C 磚中C 還原MgO釋放出Mg，與鋼水中的Al2O3形成MgO·Al2O3，或者耐火材料、爐渣中的MgO 與鋼水中的Al2O3直接反應(yīng)生成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF 白渣精煉時(shí)間越長，MgO·Al2O3形成得越多，堵水口越嚴(yán)重。鄧志銀等[5]研究認(rèn)為，精煉渣堿度小于3～4，有利于控制鎂鋁尖晶石的生成；堿度在4 左右，精煉渣接近最大脫氧能力。對(duì)于LF 精煉，控制LF 過程精煉渣的成分、鋼渣反應(yīng)強(qiáng)度等就是控制鋼水夾雜物尺寸、化學(xué)組成、形貌和數(shù)量，就是控制鋼渣之間的氧平衡。

重慶鋼鐵煉鋼廠針對(duì)不同的鋼種，不同的產(chǎn)品用途，重點(diǎn)從控制LF 精煉時(shí)間、精煉渣成分、升溫幅度、吹氬攪拌強(qiáng)度（吹氬流量和時(shí)間）和鈣處理量等方面，實(shí)施分級(jí)精煉，保證了鋼種精煉過程中鋼-渣氧平衡，避免鎂鋁尖晶石等高熔點(diǎn)夾雜物大量生成。從而相繼突破了經(jīng)LF 精煉的硅錳脫氧低合金鋼、硅錳鋁弱脫氧鋼和低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼堵水口的難題。同時(shí)還解決了低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼在脫硫、增硅、增碳和取向硅鋼在增碳等方面存在的問題，實(shí)踐效果較好。典型的LF 精煉渣化學(xué)成分見表5。

表5 典型的LF 精煉渣化學(xué)成分

2.4 其他改進(jìn)措施

鋼水過熱度太低，夾雜物不易上浮，流動(dòng)性變差，易使水口堵塞甚至凍結(jié)，也容易加重連鑄板坯的半宏觀偏析[6]。把中間包鋼水過熱度范圍按15～23 ℃控制，降低了鋼包未澆完頻次。

提升鋼包及連鑄三大件等耐火材料品質(zhì)，使其與鋼種、工藝、成本等匹配，防止耐火材料原因影響連鑄澆注困難。

建立鋼水可澆性異常信息反饋及應(yīng)對(duì)制度，降低了生產(chǎn)事故發(fā)生率。

3 實(shí)踐效果

單中間包連澆爐數(shù)是評(píng)價(jià)鋼水可澆性優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。通過采取上述改善鋼水可澆性的生產(chǎn)技術(shù)措施，提高了各臺(tái)鑄機(jī)的單中間包連澆爐數(shù)。2018 年1-12 月重慶鋼鐵煉鋼廠連鑄機(jī)單中間包連澆爐數(shù)情況如圖1 所示。

圖1 2018 年1-12 月重慶鋼鐵煉鋼廠連鑄機(jī)單中間包連澆爐數(shù)情況

從圖1 可以看出，5 臺(tái)連鑄機(jī)的單中間包平均連澆爐數(shù)均處于上升趨勢(shì)。2018 年，1#連鑄機(jī)月均單中間包連澆爐數(shù)最高達(dá)到15.41 爐，2#連鑄機(jī)達(dá)到了15.08 爐，3#連鑄機(jī)達(dá)到了11.73 爐，5#連鑄機(jī)達(dá)到了32.61 爐，6#連鑄機(jī)達(dá)到了34.26 爐，單中間包連澆爐數(shù)和鋼產(chǎn)量均創(chuàng)造了公司歷史最好水平。

4 結(jié)論

綜合采用以下措施，可以有效改進(jìn)鋼水可澆性。

（1）定徑快換水口澆注的熱軋帶肋鋼筋鋼采取硅錳弱脫氧技術(shù)，控制精煉出站鋼水中的w[O]=（25～50）×10-6；澆注的光圓鋼，采用硅+錳+少量鋁弱脫氧技術(shù)，控制精煉出站鋼水中的w[O]=（30～60）×10-6，較板坯鋼種w[O]含量高約15×10-6。

（2）BOF →CAS →CC 工藝生產(chǎn)SPHC 鋼，重點(diǎn)發(fā)揮高堿度渣渣洗冶金功能，控制鋼包頂渣w（FeO+MnO）＜5 %、w（CaO）/w（Al2O3）=1.5～1.7。

（3）鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理控制w[Al]≥0.020 %，w[S]≤0.015 %，鋼包頂渣改質(zhì)，鈣處理后w[Ca]=（22～35）×10-6。

（4）控制LF 精煉參數(shù)，保持鋼種精煉過程中鋼-渣氧平衡，避免鎂鋁尖晶石等高熔點(diǎn)夾雜物大量生成，開發(fā)LF 分級(jí)精煉技術(shù)。

（5）鋼水過熱度按18～23 ℃控制，提升耐火材料品質(zhì)，建立鋼水可澆性異常信息反饋及應(yīng)對(duì)措施。