楊和乾，賈寶泉，王 剛，田 禾，鄧代斌，周明明

(成渝釩鈦科技有限公司煉鋼廠，四川威遠(yuǎn) 642469)

1 引言

連鑄工序?qū)⒁呀?jīng)冶煉合格的鋼水澆注成符合后步軋鋼工序要求的一定斷面和長(zhǎng)度的鑄坯。在整個(gè)過(guò)程中，高溫鋼水與空氣中的氧接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，造成鋼中氧化物含量上升，對(duì)鋼產(chǎn)品的質(zhì)量造成不良影響。對(duì)煉鋼而言，冶煉環(huán)節(jié)采用減少鋼水過(guò)氧化，鋼水吹氬精煉，出鋼過(guò)程合成渣洗等措施均能有效的控制鋼中夾雜物含量;在連鑄工序，防止鋼水的二次氧化是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近幾年來(lái)，連鑄保護(hù)澆注技術(shù)作為提高鋼材質(zhì)量的有效手段，得到了迅猛的發(fā)展，廣泛運(yùn)用于各鋼鐵企業(yè)。

2 川威煉鋼連鑄保護(hù)澆注技術(shù)應(yīng)用的背景

2．1 工藝現(xiàn)狀

成渝釩鈦煉鋼廠主要配有80 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐3座(1座用于提釩冶煉，2座用于煉鋼冶煉)、LF精煉設(shè)備2套、158 mm×158 mm五機(jī)五流方坯連鑄機(jī)2臺(tái)。方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)低合金、焊絲系列、焊條鋼及普碳系列鋼種，工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

2．2 保護(hù)澆注工藝簡(jiǎn)介

連鑄保護(hù)澆注有氣體保護(hù)、液體保護(hù)、固體保護(hù)等多種方式，目的就是為了隔絕空氣，避免高溫鋼水與空氣中的氧接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，減少鋼水的二次污染。隨著相關(guān)技術(shù)的完善及保護(hù)渣系研究的深入，目前絕大多數(shù)冶金企業(yè)采取固體保護(hù)澆注的工藝。其主要包括:在鋼包至中間包、中間包至結(jié)晶器等鋼水裸露的環(huán)節(jié)，用長(zhǎng)套管連接，中包表面用覆蓋劑，結(jié)晶器鋼液表面用保護(hù)渣覆蓋，減少在整個(gè)過(guò)程高溫鋼水與空氣接觸的幾率，避免鋼水的二次氧化。同時(shí)，結(jié)晶器保護(hù)渣熔化后沿初生坯殼流入結(jié)晶器起潤(rùn)滑作用，減少結(jié)晶器銅管與初生坯殼的摩擦，并改善銅管的傳熱條件，強(qiáng)化傳熱。

2．3 連鑄保護(hù)澆注工藝的引進(jìn)

2009年，川威煉鋼廠開始著手連鑄保護(hù)澆注技術(shù)的引進(jìn)工作，在考察了國(guó)內(nèi)多家鋼廠的成功經(jīng)驗(yàn)后，根據(jù)川威煉鋼連鑄中間包的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、中包高度等工藝參數(shù)自行設(shè)計(jì)了保護(hù)澆注工藝方案。在連鑄高效化改造完成以后，為提高鑄坯質(zhì)量，減少鋼水的二次氧化，同時(shí)為滿足鑄機(jī)改造后拉速大幅度提高的需求，連鑄保護(hù)澆注技術(shù)強(qiáng)化了結(jié)晶器潤(rùn)滑和傳熱，也是滿足高拉速鑄機(jī)正常生產(chǎn)的必備措施。川威煉鋼廠大力推廣應(yīng)用連鑄保護(hù)澆注技術(shù)，并針對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題不斷研究和改進(jìn)，完善了保護(hù)澆注工藝，形成了一套適合煉鋼連鑄實(shí)際情況的保護(hù)澆注工藝。

3 連鑄保護(hù)澆注工藝優(yōu)化的措施

3．1 保護(hù)渣的應(yīng)用

煉鋼廠主要生產(chǎn)品種有低碳合金鋼、普碳鋼、焊條鋼、焊絲鋼等。由于鋼種成分、拉速控制、冷卻制度等各方面的差異，對(duì)保護(hù)渣的熔化均勻性、融化速度、鋪展性能、熔點(diǎn)等理化性能指標(biāo)的要求也不相同。連鑄用保護(hù)渣應(yīng)具備以下作用:

——保護(hù)鋼水不受空氣的二次氧化

——鋼水表面的保溫

——吸收上浮至鋼水表面的夾雜物

——在坯殼與結(jié)晶器銅管之間起潤(rùn)滑作用

——改善結(jié)晶器內(nèi)的傳熱

根據(jù)鋼種特點(diǎn)形成系列保護(hù)渣，適應(yīng)不同鋼種生產(chǎn)的需要是推進(jìn)保護(hù)澆注工藝順行的關(guān)鍵。對(duì)于我廠現(xiàn)生產(chǎn)的主要鋼種:低碳合金鋼、普碳鎮(zhèn)靜鋼、焊條鋼考慮不同的澆注條件，特別在高拉速下對(duì)保護(hù)渣的性能的要求也不一樣。

3．1．1 低碳合金鋼

3．1．1．1 優(yōu)化配碳技術(shù)

通過(guò)優(yōu)化配碳，控制保護(hù)渣的融化速度、維持合理厚度的粉渣層，限制燒結(jié)層過(guò)度發(fā)達(dá)，減少富碳層中碳的含量，配碳量在14%～16%。

3．1．1．2 合理確定渣的粘度范圍

適當(dāng)降低粘度，可以改善液渣的流入特性，滿足液渣消耗要求，減少摩擦，穩(wěn)定結(jié)晶器的傳熱。按照Vc·η1300℃=7～8.7進(jìn)行粘度設(shè)計(jì)，考慮小方坯對(duì)粘度指數(shù)的要求不高，取上限值，對(duì)于拉速在2.6～3.0 m/min的小方坯連鑄，η1300℃=2．7 ～2．8 左右。

3．1．1．3 確保融化溫度不高于出結(jié)晶器的鑄坯表面溫度

調(diào)整保護(hù)渣成分，使其熔化溫度低于或者等于出結(jié)晶器出口的鑄坯表面溫度，實(shí)現(xiàn)“全程液渣潤(rùn)滑”，避免出現(xiàn)“固——固摩擦”。根據(jù)熱力學(xué)模型，我廠鑄坯出結(jié)晶器時(shí)的溫度在1150℃左右，因此保護(hù)渣的熔點(diǎn)應(yīng)在1120～1130℃較為合適。

3．1．2 普碳鎮(zhèn)靜鋼

對(duì)于含碳量在0.08% ～0.14%的鋼，由于δ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟鄷r(shí)，伴隨著較大的凝固收縮，并且坯殼極不均勻，因而在澆注過(guò)程中結(jié)晶器與坯殼間傳熱不均勻?qū)е驴v向裂紋。所以保護(hù)渣性能優(yōu)化的關(guān)鍵在于提高渣膜熱阻，控制結(jié)晶器的傳熱速度，實(shí)現(xiàn)弱冷澆注。

(1)采用較高熔化溫度的保護(hù)渣，提高熱阻，保護(hù)渣融化溫度控制在1120～1180℃為宜;

(2)注意粘度控制，切忌粘度過(guò)低，粘度過(guò)低必然引起渣膜厚度不均勻，導(dǎo)致傳熱不均，形成不均勻凝固，故應(yīng)考慮取Vc·η1300℃上限值為宜。

3．1．3 焊條鋼

與普碳鋼用保護(hù)渣相比，由于焊條鋼含C、Si較低，因此在配碳量上要適當(dāng)降低。

我廠生產(chǎn)的主要鋼種有低合金鋼、普碳鎮(zhèn)靜鋼、焊條鋼。這三個(gè)鋼種的化學(xué)成分不同，鋼水的液相線溫度也不同，對(duì)保護(hù)渣的理化性能指標(biāo)要求也不一樣。單一的保護(hù)渣性能難以滿足多鋼種的要求，在保護(hù)渣上需不斷完善適應(yīng)各鋼種的要求。通過(guò)對(duì)保護(hù)渣化學(xué)成分的調(diào)整，適當(dāng)配加一定數(shù)量的助熔劑，調(diào)整保護(hù)渣的熔化性能，以及液渣的晶相狀態(tài)，能夠起到優(yōu)化保護(hù)渣的作用。

3．2 保護(hù)套管的選用

3．2．1 套管材質(zhì)的選定

石英質(zhì)長(zhǎng)套管，其主要成分為SiO2，在澆注含Mn量較高的低合金鋼時(shí)，SiO2與鋼中的Mn發(fā)生反應(yīng)。其反應(yīng)方程式為:

生成的MnO·SiO2為低熔點(diǎn)的化合物，隨鋼液的流動(dòng)進(jìn)入鑄坯，套管的侵蝕速度可達(dá)到4～5 mm/h，每支套管的使用壽命僅能達(dá)到1.5～2小時(shí)，澆注過(guò)程中需頻繁更換套管，給連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定順行構(gòu)成了極大的威脅;同時(shí)被侵蝕后的套管成塊狀掉落進(jìn)入鑄坯，成為大型的非金屬異物，在軋制過(guò)程中暴露出來(lái)，對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成極大的危害。

Al－C質(zhì)長(zhǎng)水口以剛玉和石墨為主要原料，克服石英水口耐高M(jìn)n鋼侵蝕能力不足，適合于澆注含Mn高的低合金鋼。Al－C質(zhì)長(zhǎng)水口侵蝕速度僅為1．5～2 mm/h，使用壽命可以達(dá)到5～5.5小時(shí)。據(jù)此制定了保護(hù)澆注用長(zhǎng)水口的使用規(guī)定，澆注中使用Al－C質(zhì)水口，并嚴(yán)格控制使用壽命，定時(shí)更換，杜絕了大型非金屬異物進(jìn)入鑄坯的事故。

3．2．2 工藝尺寸

水口上部尺寸的設(shè)計(jì)上考慮以全面接觸中包底部，以防止空氣被鋼水流動(dòng)的動(dòng)能吸入套管為主要因素，因而上口設(shè)計(jì)尺寸偏大。由于中包長(zhǎng)期在高溫下使用、鋼水粘包后翻包等原因造成底部變形，密封效果不好，在中包底部與水口之間形成氣隙，在鋼流的帶動(dòng)下，長(zhǎng)水口成為一個(gè)“抽氣泵”，削弱了保護(hù)澆注的冶金效果。

隨著連鑄技術(shù)的不斷進(jìn)入，中間包連澆爐數(shù)不斷提高，中間包水口快換技術(shù)逐步推廣應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐上。由于受快換機(jī)構(gòu)空間的限制，使用壽命的提高，對(duì)水口頸部耐侵蝕能力的要求也不斷相應(yīng)提高，水口時(shí)有“吐鋼”現(xiàn)象，粘住座磚。為此，在改進(jìn)水口方面:減小水口碗部外形尺寸、增加頸部厚度、水口出口內(nèi)徑改為Φ22 mm，如圖2所示。

圖2 Al－C水口示意圖

3．2．3 套管表面加耐高溫纖維氈，避免掛鋼

在正常澆注過(guò)程中，由于結(jié)晶器內(nèi)表面鋼液溫度較低，有時(shí)會(huì)凝固成薄薄的坯殼，將水口外表面粘住，在拉矯機(jī)的作用下，將長(zhǎng)水口拉走，造成連鑄斷流停澆的事故。為防止此類事故的發(fā)生，在長(zhǎng)水口外表面粘一層厚度僅為0.2 mm的耐高溫纖維氈，保證水口烘烤時(shí)不損壞，澆鋼時(shí)也能很好地防止被表面坯殼粘接。

3．2．4 改善長(zhǎng)套管烘烤條件，確保套管烘烤質(zhì)量

長(zhǎng)水口投用時(shí)在短時(shí)間內(nèi)從低溫上升到高溫，水口的烘烤是其使用壽命的關(guān)鍵影響因素。由于水口材質(zhì)為Al－C質(zhì)水口，使用的一般烘箱在烘烤溫度上不能滿足其烘烤要求。烘箱在1～2小時(shí)之內(nèi)能迅速升溫至1000～1100℃，這樣使水口保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度，減少水口表層的石墨氧化疏松。更重要的是降低與鋼水之間的溫差，提高了水口的抗熱震性能，滿足水口烘烤的需要。

烘箱如圖3所示。

圖3 烘烤箱

3．3 大包保護(hù)澆注的應(yīng)用

結(jié)晶器保護(hù)澆注工藝成熟后，有效地控制了中間包至結(jié)晶器的二次氧化問(wèn)題。在鋼包至中間包仍采用敞開澆注的方式，也會(huì)帶來(lái)鋼水的二次氧化問(wèn)題，在澆注溫度較低的鋼水時(shí)，由于鋼包至中間包鋼水溫度損失較大，會(huì)導(dǎo)致鋼水溫低混澆甚至回爐的事故。特別對(duì)于大規(guī)格鋼種、焊條鋼、焊絲系列的生產(chǎn)，盡量減少鋼水二次氧化，提高鋼水的純凈度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵措施。依據(jù)杠桿原理，在中間包上設(shè)立支點(diǎn)，用長(zhǎng)水口把持機(jī)構(gòu)將水口送至大包注流的位置，隔絕大包高溫鋼水注流與空氣的接觸。本套自行設(shè)計(jì)的大包保護(hù)設(shè)施，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作較為方便。大包保護(hù)澆注見(jiàn)圖4。

圖4 大包保護(hù)澆注示意圖

3．4 保護(hù)渣加入工藝的改進(jìn)

人工加入保護(hù)渣的方式，不可避免地造成加入量不均勻，從而造成熔渣層厚度不均，潤(rùn)滑不良的現(xiàn)象。在大包操作平臺(tái)上設(shè)計(jì)安裝了中間包自動(dòng)加入裝置，利用保護(hù)渣的流動(dòng)能力，采用球閥控制加入量，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)保護(hù)澆注的工藝，大幅度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度(見(jiàn)圖5)。保護(hù)渣的消耗量大幅度降低。

圖5

4 效果

(1)根據(jù)我廠連鑄工藝的實(shí)際狀況，自行設(shè)計(jì)的大包至中間包、中間包至結(jié)晶器的保護(hù)澆注工藝，在實(shí)際運(yùn)用中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不斷解決問(wèn)題，優(yōu)化和完善了工藝，實(shí)現(xiàn)了連鑄全過(guò)程的保護(hù)澆注工藝。

(2)通過(guò)全過(guò)程保護(hù)澆注的實(shí)施，提高實(shí)物的內(nèi)在質(zhì)量，鑄坯的金相檢驗(yàn)指標(biāo)穩(wěn)定上升(見(jiàn)表1)。

表1 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比情況

(3)連鑄機(jī)事故率大幅度降低，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)穩(wěn)步攀升(見(jiàn)表2)。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比情況

(4)降低保護(hù)渣消耗:采用保護(hù)渣自動(dòng)加入裝置，降低了人為因素造成的保護(hù)渣的浪費(fèi)，保護(hù)渣消耗由原來(lái)的0.5 kg/t鋼降到0.36 kg/t鋼。

［1］ 王維．連續(xù)鑄鋼500問(wèn)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［2］ 蔡開科，程士富．連續(xù)鑄造鋼原理與工藝［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1994．