提高鋼包自開率的實踐研究

武曉陽,王永強,趙曉虎,溫巨文,馬博宇

（唐山不銹鋼有限責任公司,河北 063105）

0 引言

鋼包自開是指鋼包在連鑄平臺打開鋼包滑板時，鋼水從鋼包內部通過水口座磚、上水口、鋼包滑板、下水口、長水口自然流出到中間包內的過程。為避免鋼水在水口座磚（上水口）內凝固，需要用耐高溫、合適的燒結溫度、密度大、流動性好的引流砂預先填充到水口座磚（上水口）內，當滑板打開后引流砂可引導鋼液自動流出。若打開滑板后鋼流未自動流出稱為鋼包不自開，需通過高壓氧氣吹掃鋼流通道引流，氧氣吹掃過程稱為燒氧引流。燒氧引流成功雖然避免了連鑄機拉下，但還是會造成一系列的問題，如鋼水增氮、二次氧化和拉速波動等，影響鑄坯質量；燒氧引流失敗則會直接造成連鑄機停機拉下，生產中斷。

鋼包自開率是自開爐數與總爐數的比值，是煉鋼生產的重要指標，直接影響到鑄坯質量與煉鋼生產的連續性。2017年唐山不銹鋼公司因產品結構的變化，新增了含錳高強汽車鋼、汽車用超低碳深沖鋼等系列，鋼包自開率下降明顯，全年鋼包不自開降判的非計劃品比例為0.11%，占總降判量比例為19.14%，鋼包不自開的噸鋼損失達到了0.22元/噸，全年平均自開率為99.29%。本文對影響鋼包自開率的因素進行分析，對新問題和固有問題提出了改進建議和措施，并對改進措施實施的效果進行了總結。

1 鋼包自開率影響因素分析

1.1 引流砂性能不適配鋼種成分

2017年各鋼種的自開率統計數據如表1所示。由表1可見，高強汽車鋼自開率最低，為90.43%，其中2017年8月份共計生產12爐GFL780HX，不自開率達到了50%。經與其它鋼種成分進行對比，發現唐山不銹鋼公司所生產的高強汽車鋼（如GFL780HX、WL980等）Mn含量大多都在1.6%以上。眾所周知，高溫下液態MnO與引流砂中的SiO2會發生如下反應：

表1 2017年各鋼種大類鋼包自開率 %

隨著鋼中MnO含量的增高，所生成的nMnO·SiO2熔點越低，在高溫狀態下，集中在引流砂與鋼水的接觸面處，并向引流砂中逐漸滲透，使上水口與座磚通道的上部呈固-液混合相存在，降低了引流砂燒結時間，增加了引流砂燒結層的厚度，最終導致鋼包自開率降低。唐山不銹鋼公司2017年使用的引流砂均為鉻質引流砂，其成分如表2所示。

表2 鉻質引流砂成分

1.2 轉爐出鋼時鋼流沖擊位置的影響

在鋼包準備時，引流砂通過加砂裝置灌入上水口和座磚內，并在座磚上部形成沙丘狀突起（見圖1）。出鋼過程，鋼流接觸到引流砂時會立即形成一個冷鋼-引流砂薄殼，只要鋼流不直接沖撞此區域，則該沙丘基本在原處保持原狀，不會因砂子密度小于鋼液而上浮。其原因是，出鋼時引流砂沙丘的溫度低于鋼液的凝固溫度，鋼液接觸沙丘而凝固，鋼液淹沒沙丘時在表面形成一個完整的凝鋼殼，引流砂被固定住。但在轉爐出鋼過程中，如果鋼流對鋼包水口位置引流砂造成沖擊，則引流砂會被沖刷，導致鋼水滲入，形成強度很大的冷鋼-燒結砂混合凝固層，導致鋼包不自開發生[1]。

圖1 引流砂沙丘示意圖

通過對轉爐出鋼過程的調查，發現出鋼前期存在鋼流并未沖擊到鋼包包底沖擊區的情況，其主要原因是因為搖爐工與鋼包車工并不能完美的配合。通過跟蹤同一鋼種的出鋼情況，發現上述出鋼情況下的自開率僅為正常出鋼的63.2%。

1.3 轉爐合金加入時機的影響

出鋼前，煉鋼工向鋼包內加入錳鐵、鋁錠等合金材料時，落在水口座磚上方的引流砂上面，造成未自開情況的發生。查閱秦祖宏等人的描述，發現這類問題并非孤例[2]。

1.4 鋼渣對自開的影響

某次連鑄大包不自開鑄機拉下后，對鋼包水口內殘余燒結塊取樣（見圖2），并對樣品的成分進行化驗，化驗結果如表3所示。對比冶煉鋼種的鋼渣成分與引流砂成分，燒結塊中含有11.31%的Cr2O3，較引流砂成分有所下降，而Al2O3含量較引流砂成分升高，且出現8%的CaO，可以推斷出此燒結塊出現的原因是引流砂受到了鋼渣的影響，鋼渣與引流砂的混合造成燒結溫度降低。

表3 RH出站鋼水T[O]含量

表3 成分化驗成分 %

圖2 和鋼渣混合燒結的引流砂

1.5 熱換鋼包上水口的影響

通過跟蹤新鋼包上水口的自開情況，發現新上水口第一次使用的自開率遠低于周轉連用鋼包，平鑄大包開澆時引流砂在上水口內形成搭橋現象，造成不自開[3]。

2 改進措施實施

2.1 引流砂性能適配鋼種成分

針對引流砂品種不適用造成的不自開問題，根據不同鋼種工藝、成分的特點，選擇適合的引流砂，不再使用單一引流砂。

為應對特殊鋼種，唐鋼不銹鋼冶煉Mn≥1.6%的高強鋼，采用粒度更小，穩定性與抗滲透性等性均自開率僅為68.2%，其中新包上線為66.5%，熱換上水口為71.3%。

結合實際情況并查閱相關文獻,初步分析認為上水口更換后，在出鋼過程，加入的引流砂與上水口在鋼包中接觸鋼水后轉為熱態，上水口內部少量水分、殘余結合劑揮發，使得上水口自身與引流砂結合部位的引流砂摩擦力變大，產生粘連，造成連能更加優異的鋯質引流砂（理化指標見表4）。鋯質引流砂主要原料為鋯英砂，鋯英砂的理論組成為ZrO2：67.1%；SiO2：32.9%。熔點大于2400度，并且在高溫環境下性能穩定，高溫下不與CaO、SiO2、C、Al2O3、MnO等反應。另外，根據BOF-CC工藝、BOFLF-CC工藝和BOF-RH-CC工藝冶煉鋼種的特點，分別在原鉻質引流砂的基礎上微調熔劑，調控燒結溫度和時間，以適應不同鋼種、工藝的冶煉要求。

表4 鋯質引流砂成分理化指標

2.2 固定轉爐出鋼時鋼流沖擊位置

針對出鋼早期鋼流沖擊引流砂沙丘問題，研發轉爐出鋼連鎖控制，通過角度傳感器與位置傳感器將轉爐傾斜角度與爐后出鋼車的位置聯控，降低了對工人習慣性作業的依賴，規范了出鋼過程。連鎖控制功能可根據轉爐出鋼過程爐體傾斜角度變化調整出鋼車位置，使鋼流沖擊點為鋼包包底沖擊區域。

2.3 規范轉爐合金加入時機

針對合金加入過早造成的引流砂燒結問題，合理控制轉爐出鋼時加合金料的時機。轉爐出鋼前1min開鋼包底吹，將鋼包內部的空氣排出，出鋼至1/5時加入合金料，嚴禁提前加入合金料，加料位置控制在鋼包沖擊區位置。

2.4 鋼包傾斜加入引流砂

針對稀渣回流至鋼包上水口座磚內造成引流砂燒結的問題，要求鋼包熱修工確認鋼包回澆余和倒渣狀態。跟蹤統計發現周轉鋼包倒渣作業結束后，控渣時間在15s以上，鋼包內殘余物不具備流動情況。另外一點是，在添加引流砂前，利用翻包機或天車副鉤保證鋼包有大于20°的傾角，避免包底稀渣流入鋼包水口座磚內，作業情形如圖3所示。

圖3 鋼包加砂作業

2.5 新換上水口上線前烘烤

針對鋼包新換上水口造成的不自開問題，與鋼包熱修工討論設計了鋼包上水口烘烤專用裝置，在備用包上線前或新換完上水口后，使用專用烘烤裝置對上水口孔內進行烘烤，燃料使用天然氣或木柴，烘烤過程使用壓縮氧氣助燃。通過長期驗證，烘烤時間保證在10min，便可將鋼包上水口溫度烘烤至700℃以上。

圖4 烘烤鋼包上水口

3 措施實施效果

通過上述工藝措施的應用以及不斷地探索和改進，唐山不銹鋼公司連鑄鋼包自開率有了很大的突破，從2017年平均自開率99.29%，提升到2019年平均自開率99.86%以上，且上述問題造成的不自開問題為0次，2019年1～12月份自開情況如圖5所示。

圖5 2019年1～12月份綜合自開情況

4 結語

唐山不銹鋼公司成立的提高鋼包自開率研究小組，對影響鋼包自開率的各種因素進行分析，明確了工藝和操作改進措施。首先，對不同的冶煉工藝路線和冶煉鋼種特點，選擇性能匹配的引流砂和合適的供貨商，是提高鋼包自開率的重要手段之一，同時要加強與引流砂生產廠家開展技術交流，持續提升引流砂的使用效果。

另外規范標準化作業和績效考核機制，將上述措施，包括規范鋼包上線溫度，規范鋼包熱修操作和水口座磚維護，規范桶裝合金加入操作等，納入作業區層級標準化作業檢查工作中，并在重點崗位區域增加視頻監控等監控措施，對不同形式的作業違規制定相應的考核方案，從而杜絕員工的習慣性違章，可有效提高鋼包自開率。