包晶鋼Q195方坯連鑄結晶器液面波動原因分析與控制

郭勤宇 李海 張洪彪 劉志勇 鄧齊根 姚軍

（蕪湖新興鑄管有限責任公司煉鋼廠 安徽蕪湖 241002）

1 前言

連鑄結晶器內鋼水自由液面的波動行為對連鑄坯質量有著嚴重的影響。當結晶器內自由液面發生劇烈的波動時，其保護渣的厚度分布將會發生改變，進而可能會導致鋼液發生二次氧化以及保護渣發生卷渣現象，會導致鑄坯質量下降。另外，鋼液自由液面處的波動也是影響連鑄坯的高拉速順行和高質量產品生產的關鍵因素。如何合理的控制結晶器內鋼／渣界面處的自由液面波動已越來越受到人們的重視［1］。包晶鋼連鑄結晶器鋼水液面波動對生產的影響主要體現在［2］：（1）影響安全生產，使包晶鋼連澆爐數降低，并且帶來滑板漏鋼的風險［3］；（2）帶來鑄坯質量問題。在液面大幅波動的過程中易產生夾渣［4］，在鑄坯大幅降速的過程中易產生橫裂，給鑄坯質量控制帶來嚴重的影響［5］。

在澆鑄包晶鋼Q195時，連鑄結晶器鋼水液面波動情況時有發生，液面波動嚴重時，波動幅度高達±20mm，給澆注順行帶來很大的影響。某廠平均每月因液面波動造成甩廢774m，約182.3t。因此，分析包晶鋼連鑄結晶器鋼水液面波動的影響因素并且采取相應措施加以控制，對于保證連鑄現場的安全生產和提高鑄坯質量具有重要意義。

2 鑄機及生產情況介紹

2.1 Q195成分及生產工藝條件

本研究選取的包晶鋼Q195鋼種其主要化學成分如表1所示。

表1 Q195鋼中主要成分／%

某煉鋼廠2＃連鑄機（見表2）生產包晶鋼Q195工藝流程為：120t LD轉爐煉鋼→120t LF爐精煉→CC（180mm×180mm）→CR。轉爐采用高拉補吹，控制出鋼成分：C≤0.06%、P≤0.030%，出鋼加鋁錠60kg／爐，白灰400kg；精煉采用電石脫氧，化渣劑適量及時調整渣況并保證精煉渣良好的流動性，精煉周期時間≤25min，精煉渣二元堿度R：2.5，（FeO）+（MnO）＜1.2%，軟吹時間≥5min。十機十流直弧形連鑄機生產180mm×180mm方坯。

表2 連鑄主要工藝技術參數

120t轉爐、LF精煉爐與連鑄機生產周期相匹配，在40min～50min內，連澆爐數約為20～25爐。

2.2 包晶鋼生產數據統計

本研究針對研究現場2＃連鑄機的連鑄生產進行。研究現場2＃連鑄機2019年－2020年4月份共澆鑄鋼水7588爐，其中包晶鋼有1345爐，本文的分析基于此1345爐包晶鋼。

現場對連鑄結晶器鋼水液面波動的判定方法為，液面波動幅度大于5mm就算作發生了液面波動。在研究現場2號連鑄機2019年－2020年4月份澆鑄的1345爐包晶鋼中，發生連鑄結晶器鋼水液面波動的有252爐，下文中將連鑄結晶器鋼水液面波動簡稱為液面波動。

3 影響結晶器液面波動因素

3.1 鋼液成分

不同鋼種對結晶器液面波動的敏感性不同，這是由于鋼中有些化學成分在一定條件下會發生反應，并且不同鋼種的膨脹系數［6］和傳熱系數［7］區別也很大，都會影響液面的穩定性。鋼水［C］質量分數對液面波動的影響可通過鐵－碳相圖（圖1）所示包晶反應得到解釋［8］。圖1表明，包晶鋼鋼水在凝固過程中將發生包晶反應δ+L→γ，包晶反應轉變的一個重要特點就是發生收縮，包括體積收縮和線收縮。δ鐵的密度比γ鐵小，δ→γ的轉變會發生體積收縮，使得連鑄過程中初生坯殼在靠近彎月面區域和角部區域的收縮不規則［9］，造成坯殼生長不均勻，使進入二冷區扇形段的坯殼厚薄不均。在內部鋼水靜壓力的作用下，坯殼于導輥間向外鼓出變形，即“鼓肚”，此時結晶器液面會下降，鼓肚的坯殼到達下一導輥時又被擠壓回去，使液面上升，如此反復就形成了液面波動。

圖1 鐵－碳相圖包晶反應區

鋼水［C］質量分數在0.09%～0.17%的區間內時，由圖1所示，鋼水凝固過程為：L→L+δ→L+δ+γ→δ+γ→γ，研究表明，當鋼水［C］質量分數在0.09%左右時，鋼水由液體到固體的凝固收縮系數最大［10］，坯殼生長的不均勻程度最大［11］。

3.2 鋼水純凈度

鋼水質量對液面波動的影響因素主要是鋼水流動性，鋼水流動性的主要影響因素為鋼水純潔度、溫度；其中鋼水純潔度的影響較大且持續時間長，不易解決，對鑄坯質量造成較大影響，嚴重時會造成大量的廢品。通過調整合理的精煉渣組分、充分的精煉時間、合理的吹氬制度使夾雜充分上浮提高鋼的潔凈度。防止鋼水二次氧化主要是指鋼水在澆鑄的過程中保護澆鑄保護不好，鋼水中的易氧化元素被氧化，造成鋼水中的夾雜物增多，夾雜物在水口內壁聚集，導致鋼流偏流，結晶器液面波動。另外，澆鑄過程中，鋼包轉換時，前一包的鋼包渣和后一包的引流砂會直接進入中包，開澆時鋼流對中包覆蓋劑的沖擊造成卷渣，鋼包在轉換時中包液位會出現大的波動，易造成注流區漩渦和結晶器液面波動。

3.3 中包覆蓋劑

中間包覆蓋劑結殼后，會使塞棒和融化的中包覆蓋劑粘合在一起，當塞棒根據液面情況自動動態調整開度時因粘合導致塞棒無法正常調整或調整時阻力大，調整不靈活，造成液面忽上忽下，從而導致液面波動增大。該類波動多數發生在連鑄機存在溢流槽位置的流數，因其與大氣直接接觸，造成該流塞棒位置中包覆蓋劑表面溫度低，覆蓋劑表面易結殼。

3.4 塞棒影響

塞棒對結晶器液面波動的影響主要有兩個方面：一是塞棒安裝精度，包括塞棒與水口的垂直對中情況、塞棒絲杠等連接部位的緊固情況；二是塞棒的耐侵蝕情況。在塞棒安裝精度控制方面，通過塞棒絲杠上的球面墊進行調平，確保塞棒垂直對中水口，制定嚴格的驗收制度和考核制度，定期檢查，以確保塞棒的安裝精度。另外，必須嚴格控制塞棒耐材質量，針對不同鋼種采用不同材質的塞棒，確保塞棒有足夠的耐侵蝕性和抗熱振性。

Q195因碳含量低而鋼水氧性強，塞棒材質組成為：頭部MgO：58%，ZrO：5%，C：10%，鋼水中氧與棒頭中碳反應，使棒頭侵蝕嚴重或不圓整造成液面波動。

3.5 結晶器流場

Teshima等人［12］引入了結晶器液面波動函數F，認為波高同F之間呈線性關系，當F值處于3～5范圍時可得到較為理想的液面波動狀態。波動函數F的定義如公式。

式中 ρ－鋼液密度，kg／m3；

QL－澆鑄速度，m3／s；

Ve－鋼液流股到達窄面碰撞速度，m／s；

θ－鋼水流股與結晶器窄面的碰撞角度，°；

D－碰撞點到結晶器液面的距離，m。

從式（1）可以看出，液面波動的大小與水口的尺寸形狀、水口出口角度、水口浸入深度和水口出口流速（或拉速）密切相關。水口不對中、水口蓄流、水口兩側通鋼量不均衡等現象均會影響結晶器內流場，從而導致結晶器液面出現波動。圖2、3為Ansys Fluent模擬Q195水口內徑40mm、出口角度0°、插入深度120mm、拉速1.4m／min時結晶器液面流場及溫度場分布情況。

圖2 結晶器液面流場分布圖

3.6 冷卻制度

一般鋼廠澆鑄的鋼種很多，若鋼種冷卻參數選擇不當，坯殼在結晶器和扇形段中生長不均勻，鑄坯產生鼓肚或者凝固末端位于矯直段，就會造成結晶器液面波動。如圖4所示，由于坯殼內部鋼液靜壓力的作用會在兩對導輥間產生向外鼓出的變形，即所謂的“鼓肚”。當扇形段內坯殼出現鼓肚時結晶器液面會下降，有鼓肚的坯殼到達支撐輥時又被擠壓回去，導致液面又會上升，如此反復就形成了液面波動。通過ProCAST軟件，建立Q195連鑄坯的凝固傳熱模型并導出鑄坯的坯殼厚度變化曲線，經過處理，得到1.4m／min拉速下的液芯形貌如下圖4所示。

圖4 拉速1.4m／min時液芯形貌

4 結晶器液面波動控制措施

針對以上可能引起結晶器液面波動的原因，主要采取以下措施控制液面波動。

Q195因鋼種特性存在包晶區，此類鋼材易于在澆鑄的時候出現液面波動的現象。［C］質量分數區間為0.075%～0.095%時液面波動最為嚴重［2］，因此需控制Q195碳成分，盡量避開此區間。

轉爐出鋼采用0.5kg／t鋁錠脫氧；LF精煉電石、碳化硅脫氧造黃白渣，控制精煉周期≥30min，軟吹時間≥10min保證夾雜物充分上??；在澆鑄的過程中必須做好全程保護澆鑄，確保澆鑄過程中鋼水的流動性。采用長水口澆鑄，長水口碗用氬氣保護。在連鑄澆鑄大包轉換時，中包液位保持一定的液位高度對結晶器液位穩定具有很重要的影響。

圖3 結晶器液面溫度場分布圖

中包渣面采用酸性覆蓋劑+碳化稻殼雙層覆蓋，同時中包包蓋抹泥，溢渣口巖棉覆蓋，防止鋼水溫降大渣面結殼。中包采用鋁碳質高氧抗侵蝕塞棒，結晶器采用包晶鋼專用保護渣?？刂谱⑷虢Y晶器內鋼水的流量，使結晶器內鋼水量保持穩定；降低鋼水的過熱度，以減小鋼水與結晶器銅板的溫差，并降低鑄坯殼層的熱應力和收縮應力，增加凝固速率，緩解液面波動，中間包加熱技術可有效降低和穩定鋼水的過熱度；對浸入式水口的形狀、插入深度、位置等進行優化后，改善了結晶器流場。

二冷強度對與包晶鋼結晶器鋼水液面波動密切相關的坯殼的非穩定鼓肚有重要影響，重點加強坯殼較薄的初期冷卻強度有助于增加坯殼厚度，減弱坯殼的非穩定鼓肚［9－10］。結合數據分析，澆鑄包晶鋼時，結晶器采用弱冷，水量為115m3／L～120m3／L；二冷水量為0.9L／kg，以減小液面波動比例。具體工藝控制參數如表3所示。

表3 覆蓋劑成分含量對比%

采取優化措施后，結晶器鋼水液面波動量逐漸恢復到±3mm以內，鑄坯降級改判率和廢品大幅度下降，缺陷率從3.16%控制到0.65%以下。

表4 工藝控制參數

5 結論

1）包晶鋼Q195鋼水［C］成分、鋼水純凈度、中包覆蓋劑、塞棒材質、結晶器流場以及二冷制度均影響結晶器液面波動。

2）鋼水［C］質量分數避開0.09%，提高鋼水純凈度，使用FGJ－10中包覆蓋劑、高氧塞棒，穩定結晶器流場，采用弱冷制度可降低液面波動。

3）采取優化措施后，結晶器鋼水液面波動量逐漸恢復到±3mm以內，鑄坯降級改判率和廢品率大幅度下降，缺陷率從3.16%控制到0.65%以下。