李朝未,黃枝權

(1.攀鋼集團攀枝花鋼釩公司提釩煉鋼廠; 2.攀鋼集團攀枝花鋼釩公司,四川617067)

攀鋼38Cr Mo Al鋼連鑄專用保護渣設計

李朝未1,黃枝權2

(1.攀鋼集團攀枝花鋼釩公司提釩煉鋼廠; 2.攀鋼集團攀枝花鋼釩公司,四川617067)

攀鋼利用轉爐連鑄工藝生產(chǎn)38Cr Mo Al鋼的過程中,由于保護渣對鋼水適應性不良,渣況惡化、水口堵塞現(xiàn)象嚴重,直接影響鑄坯表面質(zhì)量、連澆爐數(shù)和生產(chǎn)效率的提高。經(jīng)過多輪調(diào)整及鋼渣接觸實驗,提出初始組成與性能有梯級差異的CHS-1、CHS-2、CHS-3三組初試渣,并在攀鋼2#方坯連鑄機進行工業(yè)應用實驗,設計出能夠滿足38Cr Mo Al連鑄生產(chǎn)的PGF-5YC保護渣。

38Cr Mo Al;保護渣;工業(yè)實驗;優(yōu)化;PGF-5YC

1 引言

隨著冶金行業(yè)迅猛發(fā)展,連鑄已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主要工藝之一,結晶器保護渣是保障連鑄機生產(chǎn)順利進行和保證連鑄坯質(zhì)量的重要材料。攀鋼2#方坯連鑄機在利用轉爐-精煉-連鑄流程生產(chǎn)38Cr Mo Al(w(Al) =0.8%～1.0%)高鋁鋼的過程中,由于保護渣中的SiO2與鋼水中的Al發(fā)生反應,使保護渣的性能發(fā)生改變,對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生較大影響,還易發(fā)生漏鋼事故。目前研究的采用“雙高渣”理論進行高鋁鋼保護渣的配制,雖能有效抑制保護渣的析晶,但隨鋼中Al含量的增加,其保護渣的成分及性能仍會發(fā)生較大變化。為此,根據(jù)攀鋼生產(chǎn)38Cr Mo Al鋼中鋁含量,在現(xiàn)用保護渣性能的基礎上進行優(yōu)化配比,設計出不同類型的初渣進行工業(yè)試驗,再將性能較好的兩種保護渣再優(yōu)化得到最適合澆鑄38Cr Mo Al高鋁鋼的保護渣PGF-5YC。采用該保護渣試驗期間,連澆爐數(shù)達到6爐,鑄坯表面無缺陷率達97.22%,無清理率達到100%,能夠滿足攀鋼2#方坯連鑄機生產(chǎn)38Cr Mo Al鋼的工藝要求。

2 保護渣理化性能指標

目前,攀鋼2#方坯連鑄機38Cr Mo Al鋼用保護渣理化指標如表1、表2所示。

表1 現(xiàn)用保護渣化學成分(%)

表2 現(xiàn)用保護渣物理性能

3 保護渣設計

攀鋼2#方坯連鑄機生產(chǎn)38Cr Mo Al拉坯速度為0.5m/min～0.6m/min,低拉速條件下,保護渣粘度和熔點相對較高,因此考慮適當減少保護渣中的熔劑以升高熔點和粘度值?？紤]38Cr Mo Al除[C]稍低、[Al]含量高外,其余成分與42Cr Mo相近,且這兩個鋼種澆注的鑄坯斷面和拉速相近,故以攀鋼目前生產(chǎn)42Cr Mo使用的保護渣作參考,即38Cr Mo Al的保護渣在使用過程中的性能與42Cr Mo保護渣在澆注初期未大量吸收Al2O3夾雜時的性能基本相近。根據(jù)這種思路,反推38Cr Mo Al原渣的性能,首先確定預熔基料的組成,再在估計38Cr Mo Al不同水平的鋼水潔凈度的條件下,提出初始組成與性能有梯級差異的2～3個初試渣。

經(jīng)過實驗室的多輪調(diào)整及鋼渣接觸實驗,優(yōu)選出CHS-1、CHS-2、CHS-3三組初試渣的基本組成如表3所示,初試渣物理性能如表4所示。

表3 初試渣化學成分(%)

表4 初試渣物理性能

圖1所示為CHS-1初試渣外加Al2O3后熔點的變化情況,由圖可知,隨著外加Al2O3量的增加保護渣熔點升高。圖2所示為初試渣基渣及外加Al2O3后熔渣粘度-溫度關系曲線,由圖可知,隨著鋼水溫度的增加,保護渣粘度降低;外加Al2O3后保護渣粘度升高,且加入量越大,粘度升高越多。

綜上可知,Al2O3的存在會導致保護渣熔點和粘度的升高,當鋼水潔凈度低和保護澆鑄效果較差時,鋼水中Al2O3夾雜較多,進入保護渣中的Al2O3也較多,這時可選用原始熔點、粘度較低的CHS-1;反之則選用原始熔點、粘度較高的CHS-3;介于二者之間時則可選擇CHS-2。綜合分析這三種保護渣的特性,其吸收Al2O3夾雜的能力可達到原渣重量的9%～18%,可以滿足澆鑄高鋁鋼的要求。

圖1 CHS-1外加Al2O3后Tm的變化

圖2 初試渣基渣及外加Al2O3后熔渣粘度-溫度關系曲線

4 工業(yè)應用試驗

在實驗室研究的基礎上,將最終確定的CHS-1、CHS-2、CHS-3三種保護渣應用到38Cr Mo Al鋼的工業(yè)初試中。攀鋼生產(chǎn)的38Cr Mo Al鑄坯完全供攀長鋼軋制生產(chǎn)和銷售,因受其市場規(guī)模和銷售周期的限制,每輪試驗間隔時間較長。從2007年12月7日至今,共進行了8輪試驗和生產(chǎn)。因攀鋼在國內(nèi)是首家采用轉爐-精煉-連鑄工藝生產(chǎn)38Cr Mo Al的企業(yè),無成功經(jīng)驗可借鑒,許多工藝技術完全靠自主研發(fā),因此在前4輪生產(chǎn)試驗中,工作重點是在實驗室研究基礎上進一步優(yōu)化精煉和連鑄工藝,后4輪試驗則轉入工業(yè)化生產(chǎn)。

4.1 保護渣工業(yè)試驗

38Cr Mo Al專用保護渣首輪試驗共生產(chǎn)兩爐鋼,試驗采用的3種保護渣基本澆鑄情況如表5所示。各渣樣使用后在結晶器中取出渣條或渣膜進行成分分析,結果如表6所示。

對比表6和表3可知:使用后保護渣中SiO2、Mn O 大幅度減少,主要由于38Cr Mo Al中[Al]%高達0.8%～1.0%,鋼中[Al]與保護渣中SiO2、MnO發(fā)生還原反應使SiO2、MnO減少;CaO、MgO、F、BaO變化很小,說明這些組分在澆注過程中未參與反應;Na2O、B2O3有所減少,主要是由于高溫下這兩個組分部分揮發(fā)所致,在其它非高鋁鋼普通保護渣使用過程中也發(fā)生類似現(xiàn)象[1];Al2O3含量大幅度增加,從18.04%～22.37%增加到37.78%～40.25%,平均增幅約19.0個百分點,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,可粗略計算出因SiO2和MnO被[Al]還原生成的Al2O3為9.95%,從鋼水中上浮至保護渣中的Al2O3約9%,該上浮部分主要源于鋼水中未充分去除和鋼水二次氧化產(chǎn)生的Al2O3夾雜,說明所用保護渣對鋼中Al2O3夾雜有較好的吸收作用。

第一輪試驗后保護渣熔點、粘度變化如 表7所示。

表5 38Cr Mo Al第一輪澆鑄基本情況

表6 第一輪試驗保護渣使用后化學成分(%)

表7 第一輪試驗渣保護渣使用后物理性能

對比表7和表4中的數(shù)據(jù)可知,結晶器中保護渣因SiO2降低、堿度升高、Al2O3含量大幅度增加,其熔點粘度都大幅度升高,增幅已嚴重超過一般的結晶器保護渣性能變化允許范圍。究其原因,主要是塞棒吹Ar量過大導致結晶器內(nèi)渣—鋼界面出現(xiàn)局部“爆沸”,紊流嚴重,鋼中高含量的[Al]與渣中SiO2、MnO的還原反應劇烈,使SiO2含量減低導致堿度升高,而生成的Al2O3被保護渣大量吸收又導致渣熔點、粘度升高。保護渣中SiO2和MnO被[Al]還原的幅度遠遠大于以前進行的實驗室研究和生產(chǎn)試驗所得到的結果,這樣,在原來設定的CaO和SiO2相對含量基礎上,堿度大幅度升高(保護渣使用前堿度為1.52～1.68,使用后渣條堿度為2.68～3.29),且伴隨Al2O3含量大幅度增加,保護渣的主要組分進入CaO-SiO2-Al2O3相圖中的高熔點區(qū)[2],說明在試驗條件下,所用保護渣變性嚴重,澆鑄中后期的保護渣已不再滿足澆鑄要求。

試驗過程中發(fā)現(xiàn),澆鑄的部分鑄坯表面有渣坑,主要是由于澆鑄中后期保護渣變性,熔點升高,粘度增大超過一定范圍,從而出現(xiàn)厚大的渣條,卷渣導致。而由保護渣嚴重變性導致的熔點粘度過高、渣條厚大等問題,對結晶器內(nèi)坯殼的潤滑和傳熱極為不利,對澆鑄的安全性有較大的威脅,容易引起粘結和漏鋼。

綜上所述,適當降低CaO含量以保證保護渣堿度、增加Li2O和B2O3以提高保護渣吸收Al2O3夾雜后性能的穩(wěn)定性是下一步保護渣優(yōu)化的主要考慮內(nèi)容。

4.2 保護渣的優(yōu)化

根據(jù)首輪試驗分析結果,對CHS-1和CHS-2兩種保護渣的物化性能進行優(yōu)化后用于第2、3輪試驗中,但優(yōu)化后的試驗渣也出現(xiàn)了渣條較多、結晶器表面結團等問題,雖然其嚴重程度較首輪試驗時輕,但仍不能滿足連鑄需求。在總結前3輪試驗的基礎上,對保護渣性能及生產(chǎn)工藝做了進一步優(yōu)化。分析認為,在前3輪配方中采用低SiO2含量的技術思路,在澆注過程中因SiO2的還原,造成保護渣二元堿度、熔點和粘度急劇升高,保護渣融化性能變差,從而降低了保護渣的潤滑性能,容易產(chǎn)生漏鋼;另外,結晶器內(nèi)渣況較差,容易形成厚大渣條,阻礙結晶器彎月面處液渣的流入,導致坯殼傳熱不均勻[3]。故在第4輪試驗中調(diào)高了保護渣中SiO2含量,形成了CHS-42配方的保護渣,并與CHS-1優(yōu)化后的CHS-41進行對比試驗。同時,為使38CrMoAl鋼適應于工業(yè)化生產(chǎn),減少連鑄保護渣的種類,采用攀鋼現(xiàn)用某中低碳鋼保護渣(以下簡稱TY)與38CrMoAl鋼專用保護渣進行同爐對比試驗。各保護渣物化性能如表8所示。此外,對連鑄工藝也進行了優(yōu)化,減小了塞棒的吹氬量,采用塞棒小吹或不吹氬的模式,以減輕鋼渣的反應程度。各試驗渣的使用情況如表9所示。

表8 連鑄保護渣原渣化學成分、物理性能

表9 保護渣對比澆鑄情況表

由表9可見,CHS-41因Na2O、MnO含量高,使用的原料中配加的碳酸鹽含量較高,所以結晶器火苗偏大,不利于生產(chǎn)現(xiàn)場觀察液面。TY保護渣在澆注過程中結渣團、渣條厚大,在使用該保護渣澆鑄的兩流均發(fā)生漏鋼,表明該渣不適合高鋁鋼的連鑄要求。CHS-42在整個澆注過程中液面狀況正常,液渣層厚度為10mm～12mm,統(tǒng)計的消耗量為0.38Kg/t鋼,使用狀況正常。由于使用TY保護渣的兩流漏鋼,導致使用CHS-42的兩流澆鑄時間長達9小時12分鐘,即若4流全部正常澆鑄,該保護渣完全滿足8爐左右的連澆需要。

綜上所述,最終確定在后期試驗中,以CHS-42作為工業(yè)擴試渣,并將該保護渣更名為PGF-5YC。

4.3 保護渣工業(yè)擴大試驗

從2009.7～2010.9,分別進行了4次試驗,試驗全部采用PGF-5YC(其組成性能見表10),冶煉澆鑄工藝基本正常,澆鑄情況見表11。

表10 (a) 擴大試驗生產(chǎn)用保護渣化學成分(%)

表10 (b) 擴大試驗生產(chǎn)用保護渣物理性能

表11 38CrMoAl工業(yè)化生產(chǎn)(第5～8輪)試驗澆鑄基本情況

由表11可知,PGF-5YC保護渣通過4次應用試驗表明,在每輪連澆5～6爐的條件下,保護渣在結晶器內(nèi)使用狀況正常,液渣層厚度、消耗量與連鑄工藝匹配,鑄坯表面未發(fā)現(xiàn)缺陷,說明所設計研發(fā)的38CrMoAl連鑄結晶器保護渣已達到了該鋼種連鑄工藝的要求。

5 保護渣使用效果評價

5.1 鑄坯表面質(zhì)量

通過對保護渣基本生成區(qū)域以及生產(chǎn)過程溫度制度等理論研究,總體來看,試驗鑄坯表面質(zhì)量良好,從熱坯表面來看,未見缺陷。試驗共攤檢1152支鑄坯,僅32支鑄坯表面有輕微缺陷,攤檢結果如表12所示。鑄坯表面質(zhì)量如圖3所示,鑄坯表面的輕微缺陷主要為小凹坑,是由于保護渣產(chǎn)生的渣條未能夠及時挑出,阻礙液渣均勻流入而引起的,該現(xiàn)象發(fā)生在第一輪試驗中,后幾輪試驗中未出現(xiàn)此問題。

為進一步了解鑄坯的皮下質(zhì)量,將有輕微缺陷的鑄坯經(jīng)酸洗后,每次刨去2mm觀察,如圖4所示,在刨去2mm后就未再發(fā)現(xiàn)缺陷,表明該缺陷只在表面小于2mm處存在。

表12 連鑄坯表面質(zhì)量攤檢結果

圖3 連鑄坯表面質(zhì)量圖

圖4 表面有輕微缺陷的鑄坯經(jīng)酸洗后刨去2～6mm后的照片

5.2 保護渣吸收夾雜的能力

PGF-5YC保護渣原渣及試驗后渣膜化學成分如表13所示。

表13 連鑄保護渣原渣及渣膜化學成分(%)

由表13可見,試驗渣原渣成分中Al2O3含量僅5.32%,而澆注末期渣膜成分中Al2O3含量達到37.79%,是原渣的7倍左右。主要是由于38Cr Mo Al鋼屬高鋁鋼,其鋼中[Al]達到0.8%～1.0%,在連鑄過程中鋼中的Al與保護渣中的SiO2不斷發(fā)生4[Al]+3 (SiO2)=2(Al2O3)+3[Si]反應,導致保護渣中Al2O3不斷升高。由前述試驗結果表明,試驗渣在大量吸收Al2O3夾雜后,雖然在澆鑄后期,消耗量由包次前期的0.4kg/t降低為0.30kg/t,但液渣層厚度還能達到目標拉速要求,雖然由于其熔點發(fā)生了一定的變化,結晶器內(nèi)結了少量的渣條,但不影響鋼水正常澆注。

6 結論

(1)連鑄生產(chǎn)38Cr Mo Al高鋁鋼的過程中,鋼中高[Al]會導致結晶器保護渣熔點粘度升高,惡化渣礦。在保護渣的選用過程中,應充分考慮保護渣對高鋁鋼水的適應性。

(2)PGF-5YC保護渣具有良好的熔化特性,基本上能夠滿足2#方坯連鑄機生產(chǎn)38Cr Mo Al鋼的工藝要求。在PGF-5YC用于生產(chǎn)38Cr Mo Al鋼的生產(chǎn)試驗中,連澆爐數(shù)可達6爐,鑄坯表面無缺陷率達97.22%,無清理率達到100%,效果良好。

(3)為考察保護渣使用效果的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,建議進一步擴大試驗,并推廣應用。

[1] 李殿明,紹明天,楊憲禮,刁承民.連鑄結晶器保護渣應用技術[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[2] 干勇,倪滿森,余志祥.現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼使用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[3] 蔡開科,程士福.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.

The Design of the Mold Powder for PG 38Cr MoAl Steel Casting

LI Chao-wei1,HUANG Zhi-quan2
(1.The steel plant of Panzhihua Steel&Vanadium.Co.,Ltd;2.Panzhihua Steel &Vanadium.Co.,Ltd.of Pangang Group,Panzhihua 617062,Sichuan,China)

In the production process of 38Cr Mo Al steel casting in PG using BOF-CC process,since the mold powder has a bad adaptability to the steel,the slag conditions deteriorates and nozzle clogging.This directly affects the slab surface quality,the number of continuous casting furnaces and the production efficiency.we proposed three sets mold powders:CHS-1,CHS-2,CHS-3 after several rounds of experiments basing on steel-powder experiment.and carried out the experiments for industrial application in 2#bloom caster PG,and ultimately determined a new PGF-5YC mold powder for 38Cr Mo Al steel casting.

38Cr Mo Al;mold powder;industrial experiments;optimization;PGF-5YC

TF777

:A

1001-5108(2015)03-0024-07

李朝未,助理工程師,主要研究煉鋼及連鑄方面的工作。