連鑄全保護澆注技術研究

王 丹

（唐山不銹鋼有限責任公司,河北 063000）

0 引言

要滿足高端熱軋和冷軋板材產品用戶對鋼材質量的需求，就要從提高鋼材的潔凈度入手，而鋼材的潔凈度與連鑄鋼水的潔凈度是密不可分。近年來，唐山不銹鋼公司通過開展轉爐底吹優化、全流程控氧和爐渣改質等潔凈鋼冶煉工藝技術措施的實施，鋼水潔凈度水平得到顯著提高，采用潔凈鋼工藝生產的冷軋板材已形成了向寶馬、福特、吉利等國內外知名汽車主機廠供應汽車外板的能力。但是，由于連鑄工序的鋼包下渣和鋼水二次氧化造成的鑄坯夾渣等問題，導致鑄坯表面缺陷時有發生，鑄坯修磨量大，且修磨后高等級O5 汽車板熱軋板卷和冷軋板卷的降判比例依然分別高達13.40%和3.20%，質量損失非常巨大。

因此，唐山不銹鋼公司開展了提升連鑄全保護澆注技術和降低連鑄坯皮下夾渣缺陷的研究。本文對唐山不銹鋼公司板坯連鑄工藝影響鑄坯純凈度的問題進行了分析，有針對性的提出了工藝改進措施，并對改進措施實施效果進行了分析總結。

1 連鑄生產工藝存在的問題

1.1 鋼包下渣的問題

唐山不銹鋼公司在潔凈鋼的生產過程中比較注重冶煉工藝的改進，通過開展轉爐底吹優化、全流程控氧和爐渣改質等潔凈鋼冶煉工藝技術措施的實施，鋼水潔凈度水平得到顯著提高。但對澆鑄末期鋼包下渣的危害性認識不足，為提高鋼水收得率，往往造成鋼包下渣量過大，當中間包液位過低時，鋼包渣容易被卷入鑄坯形成夾渣。

唐山不銹鋼公司現有鋼包底部為平面，無異形結構，增加了鋼包澆注末期旋渦卷渣的臨界高度。這種包底結構造成：在剩鋼水量一定時，下渣量較大；在下渣量一定時，剩鋼水量多[1,2]。因此，平面的鋼包包底既不利于提高鋼水收得率，又不利于鋼水質量。

1.2 鋼包下水口與保護套管密封效果差的問題

在鋼包下水口與保護套管之間密封方面，經現場調研發現現有工藝主要存在以下問題：

（1）鋼包澆注結束后，在鋼包區域經常發現下水口破損掉塊的現象，這主要是由于下水口粘鋼（見圖1），導致下水口下部鐵皮熔損，強度降低后的下水口耐材與保護套管耐材粘連，鋼包澆注結束摘取保護套管時，鋼包下水口破損，在下一爐鋼澆鑄時造成密封不嚴。經統計鋼包下水口粘鋼比例達30%。

圖1 鋼包下水口粘鋼現象

（2）現有在作業現場將密封圈安裝在保護套管碗部內的作業方式，無法判斷保護套管與鋼包下水口對接過程中，密封圈是否被鋼包下水口碰撞損壞。

（3）在執行連滑作業時，鋼包下水口外壁粗糙，密封圈易被損壞，使密封圈內部整體斷裂，密封失效。

1.3 下渣檢測系統靈敏度差的問題

唐山不銹鋼公司目前采用的是振動式下渣檢測系統，經過多年的運行，系統存在許多問題。主要問題包括：硬件過于分散，不利于維護；軟件界面過于復雜，不利于分析問題；傳感器陳舊，預報和漏報率高。

1.4 中間包密封效果差的問題

中間包的吹氬管道埋設在中間包蓋耐材內，管道經長期高溫作用，容易氧化破損，且在包蓋制作過程中管道容易堵塞。在澆注過程中，經常出現閥門全開，但無流量的情況。

2 連鑄工藝改進措施及改進

2.1 異形包底鋼包的開發

為了減少鋼包下渣量，提高鋼水收得率，開發異形包底的鋼包，其結構示意如圖2 所示。異形包底的鋼包改變了包底耐材堆砌方案，即將水口座磚附近的包底較沖擊區高出50 mm，較非沖擊區高出100 mm。異形包底鋼包投入使用后改善鑄坯質量效果顯著。

圖2 異型包底改造方案

（1）異形包底的鋼包使用后的包底情況如圖3所示。由圖3 可以看出包底異型部分依然清晰可見，異型處較沖擊區依然有40～50 mm 的高度，說明異型形狀在多爐使用過后仍保持較好。

圖3 鋼包使用下線后的包底

（2）異形包底鋼包在IF 鋼澆鑄上進行了多輪試驗，即將采用異形包底鋼包與普通鋼包的連鑄中包鋁損進行對比，對比結果如圖4 所示。由圖4 可以看出，采用異形包底鋼包澆鑄IF 鋼可降低酸鋁損失7～14 ppm，平均為10 ppm，效果顯著。

圖4 異形包底鋼包與普通鋼包的連鑄中包鋁損對比

（3）因為鋼包澆注末期下渣主要是影響爐次交接坯的質量，因此對爐次交接坯生產的熱軋卷夾渣情況進行了跟蹤調查統計，表1 為異形包底鋼包對熱軋板卷夾渣發生率的影響情況。由表1 可以可看出，普通鋼包的夾渣發生率為2.22%，而異形包底鋼包的夾渣發生率為0%。說明，異形包底鋼包能提高鋼水質量。

表1 異形包底鋼包對熱軋板卷夾渣發生率的影響

綜上所述，異型包底可減少大包下渣，對減弱氧化性鋼包渣對中包鋼水的污染有很好的效果，在提高鋼水潔凈度的同時，提高了鋼水收得率。

2.2 鋼包下水口與保護套管的密封優化

（1）開發下水口檢測工具。按照鋼包下水口尺寸制作下水口檢測工具，套入鋼包下水口外部檢查水口粘鋼是否會影響保護套管的安裝，當鋼包下水口檢測工具無法套入鋼包水口時，該套鋼包滑板、水口禁止連滑。

（2）優化密封墊圈的安裝作業流程。原作業流程為連鑄作業區將密封圈安裝到大包保護套管碗部內，現改為鋼包作業區在更換滑板、水口等作業后，將密封圈套裝在鋼包下水口外側。鋼包安裝保護套管前，由連鑄機長檢查鋼包下水口是否套有纖維密封圈。若密封圈無掉落，則無需在長水口碗部安裝密封圈，直接安裝長水口開澆；若密封圈掉落，則將密封圈放置在長水口碗部后，再安裝長水口開澆。

（3）優化鋼包作業區密封圈安裝方法。鋼包下水口處安裝密封圈時，在密封圈內側中下部涂抹火泥，既可保證密封圈的牢固程度，又可保護鋼包下水口鐵皮不被熔損，減少粘鋼。

通過上述措施的實施，鋼包下線后下水口狀態完好，粘鋼和鐵皮熔損的比例大幅降低，由原來的30%降低至10%以下，鋼包滑板連滑次數由之前的1.12 次提升至2.09 次。

2.3 大包檢測系統的優化升級

針對以上問題，對鋼包下渣檢測系統進行了升級改造，主要的內容有：

（1）整合下渣檢測系統現場模塊，優化檢測系統軟件界面，使其更加友好化；

（2）現場增加攝像儀，時時監控長水口和中包液面接觸區域情況，防止意外下渣情況發生，并與振動下渣檢測系統協同判段大包下渣情況；

（3）現場增設下渣檢測系統監控畫面顯示器，在顯示器上可以獲知上包澆鋼時間、本包澆鋼時間、中包液位控制的狀態、傳感器振動狀態、沖擊區域狀態、中包覆蓋劑鋪蓋狀態；

（4）升級現場檢查傳感器，提高傳感器靈敏度。

鋼包下渣檢測系統升級改造后，下渣報警準確率由62.86%提高到了86.55%，減輕了中包鋼水被大包氧化性爐渣污染的幾率。圖5 對比了升級改造前后的下渣報警準確率和連鑄中包酸鋁損失情況。升級改造后連鑄中包酸鋁損失平均值降低了15%。

圖5 大包下渣系統升級前后的對比（左：報警準確率；右：中包酸鋁損失）

2.4 中間包密封優化

2.4.1 中間包包蓋吹氬管路優化

（1）對包蓋氬氣管道的布局進行了優化。取消埋設于中包耐材內的氬氣管道，取而代之的是通過包蓋頂部直接吹入氬氣，減少位于中包耐材內的管道長度，也減少了管道堵塞和破損的幾率。

（2）在中包包蓋吹氬主管道上安裝了氬氣流量計，對中間包吹氬流量進行監控，不僅提高了操作的標準化水平，還減少了鋼水質量波動的隱患。

（3）針對中間包包蓋開孔特征，對包蓋開放孔密封進行了優化。特制中間包包蓋覆蓋石棉板，沖擊區兩塊、塞棒區一塊，分別對沖擊區和測溫取樣孔進行密封，保證密封效果。

2.4.2 中間包包蓋吹氬流量的優化

為了定量的評價中包內氣體氛圍的氧化性，定量評價中包密封效果，自主開發了中包包內氣氛殘氧在線分析系統，圖6 為該系統的示意圖。在可調流量抽氣泵兩端連接氣管，靠近中間包處的氣管用直徑5 mm 的氧管，氧管后接螺旋形銅管，銅管放置在水槽里對氣體進行冷卻，冷卻后的氣體通過抽氣泵輸送至透明密封容器中，該容器中放置氧氣分析儀，分析出氣體中的氧氣含量。

圖6 自主開發的中包氣氛殘氧分析系統示意圖

通過中包氣氛殘氧在線分析系統對比不同氬氣流量下、不同位置處的中包氣氛殘氧含量，對比結果如表2 所示。從表2 中數據可看出，將吹氬流量控制在10Nl/min 較為合適，可將各處的殘氧含量控制在1%以下。

表2 中包包蓋吹氬流量與殘氧含量的關系

3 生產實踐效果

通過異形包底鋼包的開發、鋼包下水口與保護套管的密封優化、大包檢測系統的優化、中間包密封優化以及密封墊圈安裝流程優化等措施的實施，潔凈鋼鑄坯質量和潔凈度顯著改善。鑄坯連鑄過程增氮≤3 ppm 的合格率達到90.5%，中間包各處的殘氧含量可以穩定地控制在1%以下，熱軋板卷夾渣發生率為幾乎為0%。

4 結語

本文通過潔凈鋼連鑄工藝現狀調查，摸清了影響潔凈鋼鑄坯潔凈度的影響因素。通過此次提升潔凈鋼連鑄全保護澆注技術和降低連鑄坯皮下夾渣缺陷的研究，得出如下主要結論：

（1）通過開發出異型包底鋼包，并升級振動式大包下渣檢測系統，可有效降低高氧化性爐渣對中包鋼水造成的污染。

（2）通過開發鋼包下水口檢測工具、優化密封墊圈的安裝作業流程和密封圈安裝方法，可提有效高了鋼包下水口與保護套管間的密封效果，降低連鑄中包酸鋁損失。

（3）通過中包包蓋吹氬管布置和中包容器密封的優化，以及中包氣氛殘氧檢測技術的開發，提高了連鑄全保護澆注水平，降低了連鑄過程鋼水二次氧化和增氮，為潔凈鋼生產創造了有利條件。