提高不銹鋼單中包最大連澆爐數(shù)的工藝實(shí)踐

陳法濤，孫仁寶，蔣朝暉，邢繼彬，蘆效增

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西 太原 030003）

在澆鋼作業(yè)中，一個中間包可以連續(xù)澆鑄的大包鋼水爐數(shù)，叫做連澆爐數(shù)。連澆爐數(shù)是煉鋼廠連鑄車間的重要技術(shù)指標(biāo)，它是連鑄設(shè)備、工藝和管理水平的綜合體現(xiàn)[1]。提高連澆爐數(shù)對提升連鑄生產(chǎn)效率、提高連鑄金屬收得率和降低全線生產(chǎn)成本具有重要意義。但受生產(chǎn)組織、鋼種特性及中包耐材質(zhì)量的影響，提升不銹鋼連澆爐數(shù)具有很大難度。

為此，山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠（全文簡稱煉鋼二廠）北區(qū)不銹鋼連鑄工序通過優(yōu)化和改進(jìn)中間包耐火材料質(zhì)量、連鑄三大件耐材料質(zhì)量和相關(guān)連鑄生產(chǎn)工藝參數(shù)等措施，有效提高了北區(qū)不銹鋼單中包最大連澆爐數(shù)，極大提升了不銹鋼連鑄生產(chǎn)效率。

1 工藝設(shè)備狀況

煉鋼二廠北區(qū)不銹鋼共有3臺連鑄機(jī)，2019年生產(chǎn)不銹鋼約314萬t，連鑄機(jī)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 連鑄機(jī)基本參數(shù)

2 提高連澆爐數(shù)采取的工藝技術(shù)措施

影響提升連澆爐數(shù)的限制環(huán)節(jié)主要為中間包工作層耐火材料壽命低、連鑄塞棒侵蝕導(dǎo)致控流不穩(wěn)定及中間包上水口滲鋼等問題，給生產(chǎn)穩(wěn)定及質(zhì)量控制帶來較大隱患。針對以上問題，煉鋼二廠北區(qū)主要采取了以下改進(jìn)措施。

2.1 優(yōu)化中間包耐火材料和砌筑工藝

針對中間包工作層耐火材料壽命低問題，主要從優(yōu)化、改進(jìn)涂抹料材質(zhì)方面入手，以提高工作層抗渣侵蝕性能。通過將中間包涂抹料骨料由制磚鎂砂提升為中檔鎂砂，涂抹料基質(zhì)由高純鎂砂提升為電熔鎂砂，有效提升了中間包工作層的耐侵蝕能力。下頁表2為中間包涂抹料材質(zhì)改進(jìn)前、后的性能指標(biāo)。由表2可知，中間包涂抹料中w(MgO)由≥80%提升至≥83%，w(SiO2)由≤6%降低至≤5.0%，體積密度由1.8～2.0 g/cm3提升至1.9～2.1 g/cm3。

表2 中間包涂抹料改進(jìn)前、后的性能指標(biāo)

除改進(jìn)中間包涂抹料材質(zhì)外，在不影響中間包鋼水容量的前提下，根據(jù)中間包耐材的侵蝕程度，適當(dāng)增加中間包工作層的砌筑厚度；其中，塞棒區(qū)工作層厚度由60 mm提高至80 mm，沖擊區(qū)工作層厚度由60 mm提高至100 mm。另外，針對大連澆爐數(shù)澆鑄過程中擋墻存在局部穿孔問題，將擋墻厚度由80 mm提高至110 mm，提高擋墻耐渣侵蝕性能。

優(yōu)化中間包涂抹料材質(zhì)和砌筑工藝后，有效提高了中間包的耐侵蝕能力。下頁圖1為生產(chǎn)15爐430對應(yīng)改進(jìn)前、后的中間包耐材侵蝕情況，圖2為改進(jìn)后中包包壁溫度變化趨勢圖。由表3可知，改進(jìn)前，中間包塞棒區(qū)和沖擊區(qū)工作層殘厚均為10 mm；改進(jìn)后，中間包塞棒區(qū)工作層殘厚為45 mm，沖擊區(qū)工作層殘厚為55 mm。由圖1可知，連澆15爐后，優(yōu)化后中間包包壁溫度最高為325℃，較改進(jìn)前中間包包壁最高溫度下降約75℃。

圖1 改進(jìn)前、后中間包耐材侵蝕情況

圖2 中間包包壁溫度變化趨勢圖

2.2 優(yōu)化塞棒材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

塞棒棒頭是塞棒的關(guān)鍵部位，棒頭與上水口配合起到控流作用，因此棒頭需要優(yōu)良的耐沖刷性能[2]。在澆鑄過程中，塞棒的棒頭部位承受的化學(xué)侵蝕和物理沖刷都比較嚴(yán)重，嚴(yán)重時控流失敗導(dǎo)致發(fā)生停、斷澆等生產(chǎn)事故，造成嚴(yán)重的安全事故或者巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為提高塞棒棒頭的耐沖刷性能，2019年6月，北區(qū)不銹鋼塞棒頭部材質(zhì)由Al2O3-C質(zhì)改進(jìn)為尖晶石材質(zhì)，有效提高了塞棒棒頭的耐高溫力學(xué)性能、抗渣性能和抗熱震性能等，基本上解決了小爐數(shù)（≤12爐）封頂過程中塞棒關(guān)不住問題。

2020年9月份起，隨著不銹鋼單中包連澆爐數(shù)由12爐提升至15爐，澆鑄過程中須進(jìn)行一次更換下水口操作。隨著連澆爐數(shù)增加，塞棒侵蝕量較前期加大，更換下水口操作和封頂階段的塞棒控流問題較為突出，部分換下水口過程中出現(xiàn)塞棒關(guān)不住導(dǎo)致鋼水糊換管器滑道、滑板處夾鋼問題（見表3）。與耐材廠家對下線塞棒侵蝕情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)下線塞棒頭部變尖（見表3），換水口、封頂階段塞棒頭部和上水口碗口處的契合度較差是塞棒控流失敗的主要原因。為此，通過將現(xiàn)有塞棒棒頭位置加粗（見表3），澆鑄15爐后，塞棒棒頭仍較飽滿（見表3），這表明塞棒棒頭的抗侵蝕、抗沖刷性能得到有效提升。通過優(yōu)化塞棒棒頭結(jié)構(gòu)，有效保證了塞棒棒頭和上水口碗口的契合度，提高了連鑄非穩(wěn)態(tài)階段控流的穩(wěn)定性，解決了更換下水口過程中塞棒關(guān)不住導(dǎo)致鋼水糊換管器滑道、滑板處夾鋼和封頂階段塞棒關(guān)不住等問題，杜絕生產(chǎn)隱患。

表3 改進(jìn)前、后塞棒使用情況及控流效果

2.3 優(yōu)化保護(hù)渣性能，提高單支水口使用壽命

下頁表4為當(dāng)前單支不銹鋼下水口最大連澆爐數(shù)的控制情況。若將不銹鋼單中包連澆爐數(shù)提升至15爐至16爐，304系和0Cr13系只需在線更換一次下水口，430系需要在線更換2次下水口。若澆鑄過程中更換2次下水口，不僅導(dǎo)致切廢量增大，而且還具有一定的安全隱患。

表4 北區(qū)典型鋼種對應(yīng)單支下水口最大連澆爐數(shù)

為提升430系單支下水口的連澆爐數(shù)，對430系現(xiàn)用保護(hù)渣進(jìn)行優(yōu)化。表5為改進(jìn)前、后保護(hù)渣的理化性質(zhì)；其中，改進(jìn)型保護(hù)渣的F-含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由原保護(hù)渣的9.05%降低至5.69%。受低F-含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）特征影響（具體關(guān)系見下圖3）[3]，保護(hù)渣對ZrO2_C質(zhì)渣線層的水口的侵蝕能力相對變?nèi)酰蓪?shí)現(xiàn)單水口連續(xù)澆鑄12爐的要求。

表5 保護(hù)渣的化學(xué)指標(biāo)

圖3 F-含量對ZrO2_C渣線層的侵蝕關(guān)系

2.4 優(yōu)化中間包座磚結(jié)構(gòu)

不銹鋼中間包滲鋼現(xiàn)象由來已久，尤其是300系不銹鋼，滲鋼現(xiàn)象由小爐數(shù)（≤5爐）的滲到座磚與上水口之間到大爐數(shù)（＞5爐）的滲到搗打料與上水口之間，嚴(yán)重者滲透到上水口鐵殼上方位置，給正常生產(chǎn)帶來隱患（見圖4）。

圖4 中包滲鋼情況

改善前期，因滲鋼機(jī)理研究不透徹，現(xiàn)場改善重心主要放到操作方式、方法以及搗打料干濕程度上，但上述措施實(shí)施后并未有效改善滲鋼現(xiàn)象。通過引用改進(jìn)型座磚，即在現(xiàn)座磚基礎(chǔ)上，上口內(nèi)徑部位開環(huán)形槽，槽高度30 mm，寬度40 mm，安裝時在槽內(nèi)填充引流砂。采取措施后，從下線座磚與上水口破開檢查的情況看（見圖5），鋼流均在引流砂部位被截止，未再出現(xiàn)一起鋼液滲透到座磚與上水口之間現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)隱患，為穩(wěn)定、安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖5 改進(jìn)后上水口滲鋼情況

2.5 優(yōu)化鉻鋼換中間包渣線和換水口制度

根據(jù)中包耐材及連鑄三大件的實(shí)際侵蝕情況，對北區(qū)提高單中包連澆爐數(shù)后中包下水口及中間包渣線的更換要求進(jìn)行規(guī)范。其中，不銹鋼更換下水口時間固化在連澆第8爐120 t附近（根據(jù)鋼水溫度進(jìn)行微調(diào)）；中間包渣線更換制度嚴(yán)格執(zhí)行“8+5+X”（即第8爐澆鑄結(jié)束和第13爐澆鑄結(jié)束分別更換一次中間包渣線）。圖6為近期排產(chǎn)15爐430系澆鑄過程曲線圖。由圖6可知，第8爐澆鑄中期更換一次下水口，第8爐和第13爐大包澆鑄結(jié)束后分別更換一次中間包渣線。

圖6 15爐430澆鑄過程曲線圖

2.6 優(yōu)化中間包溢流口結(jié)構(gòu)

除提高中間包耐材和連鑄三大件耐侵蝕能力外，提高不銹鋼連澆爐數(shù)后，應(yīng)嚴(yán)格控制大包下渣，減少大包渣對中包耐材的侵蝕和對中間包鋼水的污染。提高大包下渣檢測合格率是控制大包渣下入中間包的有效途徑；對于控制不當(dāng)導(dǎo)致大包渣下入中間包等異常情況，應(yīng)及時組織排渣操作。為便于中間包排渣操作，中間包帶有專用排渣的溢流口結(jié)構(gòu)，但溢流口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“平口（方形）斜坡式”（見下頁圖7），排渣過程中存在排渣散、鋼渣流速慢及效率低等問題；通過將中間包溢流口結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“喇叭口（倒梯形）斜坡式”（見圖7），可以確保排渣過程中鋼渣聚集、流速快，提高了排渣效率。另外，為避免排渣過程中沖擊區(qū)鋼渣從擋墻上沿倒流至塞棒區(qū)，在現(xiàn)有擋墻高度的基礎(chǔ)上（850 mm）再增加30 mm（見圖7），確保排渣過程中沖擊區(qū)鋼渣無法流入塞棒區(qū)。

圖7 中間包溢流口改進(jìn)情況及改進(jìn)效果

3 改進(jìn)效果

通過以上措施的實(shí)施，不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)得到明顯提高。其中，304系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由8爐提升至15爐，澆鑄時間由668 min提高至1201 min；0Cr13系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由12爐提升至17爐，澆鑄時間由962 min提高至1379 min；430系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由12爐提升至15爐，澆鑄時間由1125 min提高至1375 min（見圖8）。

圖8 不銹鋼單中包連澆爐數(shù)變化趨勢圖

4 結(jié)論

1）通過改進(jìn)中間包涂抹料材質(zhì)、連鑄塞棒質(zhì)量、保護(hù)渣、座磚結(jié)構(gòu)及相關(guān)連鑄工藝參數(shù)，重點(diǎn)解決了中間包耐材侵蝕、座磚滲鋼及連鑄非穩(wěn)態(tài)塞棒控流不穩(wěn)定問題，確保了生產(chǎn)穩(wěn)定。

2）實(shí)施改進(jìn)措施后，不銹鋼單中包連澆爐數(shù)得到明顯提升，有效提升了不銹鋼生產(chǎn)效率；其中，304系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由8爐提升至15爐，0Cr13系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由12爐提升至17爐，430系不銹鋼單中間包最大連澆爐數(shù)由12爐提升至15爐。