孫振宇 ，唐雪峰 ，王洪濤 ，李葉忠 ，那廷權(quán) ，許海亮 ，溫榮宇

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

作為生產(chǎn)螺栓、螺母、鐵釘、鉚釘?shù)染o固件及冷擠壓零部件的冷墩鋼，因其采用室溫下一次或多次沖擊加載鋼材獲得，具有良好的冷成形性，對鋼的純凈度要求高［1-4］。另外，冷墩鋼中的Si在提高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)降低塑性，Si含量稍高就會(huì)降低鋼的冷塑性變形性能，一般采用部分硅鎮(zhèn)靜+鋁鎮(zhèn)靜模式生產(chǎn)冷墩鋼以控制其成分。因此，連鑄小方坯生產(chǎn)冷鐓鋼時(shí)，必須嚴(yán)格控制鋼水中的夾雜物且保證鋼水連續(xù)澆鑄。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠（以下簡稱“二分廠”）從2015年起生產(chǎn)鑄坯規(guī)格為160 mm×160 mm和180 mm×180 mm的含鋁冷鐓鋼，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，水口結(jié)瘤，中間包連鑄不順，鑄坯合格率低。本文對水口結(jié)瘤物主要來源進(jìn)行了分析，通過采取控制措施，有效地解決了含鋁冷墩鋼連鑄生產(chǎn)中水口結(jié)瘤問題，提高了冷鐓鋼鑄坯的合格率，保證了生產(chǎn)順行。

1 工藝流程

二分廠小方坯含鋁冷鐓鋼的生產(chǎn)工藝流程為：100 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→鈣處理→小方坯連鑄（6機(jī)6流）。其中，LF爐為單工位設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程中需要前一爐鋼水冶煉結(jié)束，后一爐鋼水才能進(jìn)爐冶煉；連鑄機(jī)無大罐轉(zhuǎn)臺(tái)，連澆過程中需要兩臺(tái)吊車配合；浸入式水口的夾緊方式為外掛配重夾緊。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，要求LF爐精煉過程必須在有限的時(shí)間內(nèi)保證鋼水成分合格，純凈度高，否則極易造成連續(xù)生產(chǎn)的波動(dòng)甚至中斷。

2 水口結(jié)瘤物和鑄坯中夾雜物的檢驗(yàn)

2.1 水口結(jié)瘤物的形貌及檢驗(yàn)

中間包水口結(jié)瘤物粘在水口壁上，取樣分析，圖1為水口結(jié)瘤物形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)瘤物為灰白色團(tuán)簇狀物體。檢驗(yàn)分析其成分主要為Al2O3。

圖1 水口結(jié)瘤物形貌Fig.1 Appearance of Substances Leading to Clogging at Nozzle

2.2 鑄坯中夾雜物的形貌及檢驗(yàn)

對出現(xiàn)中間包水口結(jié)瘤現(xiàn)象對應(yīng)的鑄坯取樣檢測，圖2為鑄坯夾雜物形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，鑄坯中的夾雜物為塊狀、長條形。檢驗(yàn)分析其成分主要為Al2O3。

圖2 鑄坯夾雜物形貌（1 000×）Fig.2 Appearance of Inclusions in a Casting Blank（1 000×）

3 結(jié)瘤原因分析

3.1 鋼水冶煉過程

鋁脫氧的冷鐓鋼在轉(zhuǎn)爐和LF爐脫氧冶煉過程中會(huì)形成高熔點(diǎn)的Al2O3，鋼液中的Al還原爐渣或耐材中的MgO生成MgO·Al2O3。如果LF爐冶煉過程中消除不了上述物質(zhì)，則會(huì)直接導(dǎo)致連鑄過程中的水口結(jié)瘤，影響鋼材的使用性能。此類鋼中鈣處理的主要機(jī)理也是利用喂線的鈣對高熔點(diǎn)的Al2O3和MgO·Al2O3進(jìn)行變質(zhì)處理，形成液態(tài)低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽，即穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物，這種夾雜物對連鑄澆鑄的穩(wěn)定順行和冷鐓鋼性能非常有利。圖3為穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物的形貌，由圖3看出，穩(wěn)態(tài)鑄坯為圓形或近圓形，沒有棱角，尺寸在20 μm左右，其成分為已變性的液態(tài)鈣鋁酸鹽。

圖3 穩(wěn)態(tài)鑄坯夾雜物的形貌（4 000×）Fig.3 Appearance of Inclusions in a Casting Blank in Steady State（4 000×）

3.2 連鑄保護(hù)澆鑄過程

精煉后成分和溫度合格的潔凈鋼液從盛鋼桶注入到中間罐，再注入結(jié)晶器的傳遞過程中，與空氣、耐火材料、熔渣相接觸，會(huì)發(fā)生物理化學(xué)作用，即二次氧化。主要產(chǎn)物為高熔點(diǎn)的Al2O3或者M(jìn)gO·Al2O3，也會(huì)導(dǎo)致連鑄過程中的水口結(jié)瘤，直接影響鋼材的使用性能。

3.2.1 盛鋼桶到中間罐過程的二次氧化

敞開澆鑄時(shí)或者中間罐表面覆蓋劑覆蓋不完全時(shí)，鋼液從盛鋼桶水口流出，在具有一定速度注流的周圍形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，將四周的空氣卷入中間罐熔池，造成鋼液的二次氧化。同時(shí)注流沖擊中間罐液面，使熔池表面不斷被更新。據(jù)理論計(jì)算，每1.15 s鋼水表面就會(huì)更新一次，1 min內(nèi)可更新多達(dá)52次。液面裸露更新造成的二次氧化產(chǎn)生大量的高熔點(diǎn)Al2O3夾雜，導(dǎo)致水口結(jié)瘤非常嚴(yán)重。

長水口與盛鋼桶水口密封不嚴(yán)時(shí)，取樣檢驗(yàn)鋼水中Als和N含量的變化，發(fā)現(xiàn)Als燒損平均可達(dá)到0.010 0%，鋼液增氮量平均可以達(dá)到0.002 5%，中間包水口結(jié)瘤現(xiàn)象明顯，說明此時(shí)鋼液吸入空氣發(fā)生二次氧化也非常嚴(yán)重。

3.2.2 水口安裝偏斜

小方坯中間罐到結(jié)晶器多采用外掛浸入式水口，同時(shí)鋼水加入保護(hù)渣。跟蹤浸入式水口安裝的情況發(fā)現(xiàn)，安裝偏斜的注流容易發(fā)生結(jié)瘤現(xiàn)象。取樣檢驗(yàn)分析正常注流的鑄坯和偏流的鑄坯，發(fā)現(xiàn)偏流鑄坯中出現(xiàn)圖2所示形貌的夾雜物，而正常鑄流的鑄坯中夾雜物形貌與圖3中所示的相似。說明水口安裝偏斜的鑄坯流發(fā)生吸氣現(xiàn)象，造成鋼液二次氧化而結(jié)瘤。

4 水口結(jié)瘤的控制措施

4.1 LF爐精煉控制

4.1.1 頂渣控制

精煉過程主要起到脫硫、脫氣、升溫、去除夾雜物以提高鋼水質(zhì)量、控制合金成分等重要作用。LF爐精煉過程以頂渣的冶煉尤為重要，選擇合理的堿度很關(guān)鍵。頂渣堿度過高會(huì)降低頂渣對鋼水罐熔池的熱傳導(dǎo)能力，不能充分利用電能，不但引起電能的增加，還會(huì)使頂渣的粘度極度升高，惡化頂渣的脫硫動(dòng)力學(xué)條件，降低脫硫能力和吸附夾雜的能力。通過實(shí)際生產(chǎn)和檢驗(yàn)結(jié)果可知，終渣堿度控制在4～6比較合理。

實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，頂渣的顏色與其氧化性密切相關(guān)。按照頂渣顏色 “黑色→棕褐色→灰色→棕色→白色→黃白色或綠白色”的順序，頂渣的氧化性由強(qiáng)到弱。因此，裝滿鋼水的鋼水罐進(jìn)入LF精煉爐后，先觀察鋼水罐頂渣的顏色和外貌，選擇加入白灰3～5 kg/t，同時(shí)按照4∶1的配比加入白灰和精煉渣或者螢石，及時(shí)造渣并有效埋弧，防止增氮。頂渣中（FeO+MnO）含量代表氧化性的強(qiáng)弱，頂渣顏色與氧化性的關(guān)系及對應(yīng)加入渣料量見表1。

表1 頂渣顏色與氧化性的關(guān)系及對應(yīng)加入渣料量Table 1 Relationship between Top Slag Color and Its Oxidation and Corresponding Quantity of Adding Slag

渣呈現(xiàn)黑色時(shí)，連鑄生產(chǎn)1罐時(shí)水口結(jié)瘤嚴(yán)重，連鑄中斷，檢驗(yàn)夾雜物均為Al2O3夾雜；精煉渣為棕褐色時(shí)，連鑄生產(chǎn)3～5罐時(shí)水口結(jié)瘤嚴(yán)重，連鑄中斷，檢驗(yàn)夾雜物均為Al2O3夾雜；當(dāng)精煉渣呈現(xiàn)灰色、棕色，或介于兩者之間時(shí)，連鑄生產(chǎn)11～13罐時(shí)才出現(xiàn)輕微結(jié)瘤現(xiàn)象，檢驗(yàn)水口附著物也為Al2O3夾雜，但是附著水口較少，且鑄坯中未發(fā)現(xiàn)大于100 μm的夾雜。上述幾種顏色的渣樣如圖4所示。如果頂渣顏色介于白色→黃白色或綠白色之間，說明頂渣已經(jīng)基本造好，此種頂渣對脫硫和吸附夾雜的能力都很強(qiáng)。

圖4 不同顏色渣樣Fig.4 Slag Samples with Different Colors

4.1.2 脫氧劑加入量控制

LF爐精煉過程中主要采取鋁線段作為脫氧劑進(jìn)行頂渣脫氧和成分調(diào)整。為了保證最終頂渣的良好特性，冶煉過程中除了造渣料的適當(dāng)配比外，需要根據(jù)鋼種的成分及精煉到站鋼水的頂渣厚度情況加入鋁線段，見表2所示。

4.1.3 氬氣流量控制

整個(gè)精煉過程中要有合理的氬氣流量控制，通電升溫融化頂渣階段適當(dāng)控制氬氣流量中等偏小，為150～200 L/min化渣；化渣后將氬氣調(diào)到中等強(qiáng)度200～250 L/min；形成白渣后調(diào)至強(qiáng)吹狀態(tài)脫硫，流量為250～350 L/min；上機(jī)前要調(diào)小進(jìn)行弱吹，流量為100～150 L/min，使夾雜物充分上浮。

表2 精煉過程中鋁線段加入情況Table 2 State in Adding Aluminum Wires during Refining Process

對精煉處理前后的頂渣成分進(jìn)行了檢驗(yàn)，圖5為精煉處理前后的頂渣圖。精煉處理前堿度約為3，處理后渣含量位于圖5中劃圈處，堿度為4～6，適合含鋁冷墩鋼的冶煉。

圖5 精煉處理前后的頂渣圖Fig.5 Diagram for Top Slag before and after Refining Process

4.2 保護(hù)澆鑄控制

（1）提高盛鋼桶引流劑的質(zhì)量，控制引流劑加入時(shí)機(jī)，保證含鋁冷鐓鋼生產(chǎn)過程的自澆性，避免敞開澆鑄。

（2）優(yōu)化連鑄換罐操作，縮短換罐時(shí)間，控制中間罐鋼水液面高度，盡量減少鋼水二次污染。

（3）長水口密封用耐火纖維厚度由3 mm增加至4 mm，保證長水口的密封性。

（4）中間罐的覆蓋劑進(jìn)行精細(xì)化管理，按照澆鑄過程實(shí)際情況實(shí)時(shí)補(bǔ)加覆蓋劑，保證鋼水液面無裸露。

（5）浸入式水口安裝保證鉛直居中，減少結(jié)合面的吸氣，進(jìn)而減少二次氧化。

5 實(shí)施效果

（1）由于LF爐冶煉過程合理配置造渣料和控制氬氣流量，LF爐冶煉末期的頂渣改質(zhì)充分，顏色介于白色→黃白色或綠白色之間，檢驗(yàn)堿度在4～6之間。

（2）優(yōu)化控制連鑄保護(hù)澆鑄后，大大減少了鋼水二次氧化的程度，保證了鋼水澆鑄順行。

（3）冷鐓鋼生產(chǎn)穩(wěn)定順行基本無結(jié)瘤現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)單中包平均11罐以上連澆，最大連澆罐數(shù)達(dá)到15罐，鑄坯合格率從97.78%提高到98.12%以上。

6 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠小方坯含鋁冷鐓鋼水口結(jié)瘤物為灰白色團(tuán)簇狀物體，主要成分是Al2O3，主要來源為鋼液冶煉過程的脫氧產(chǎn)物未完全去除或者鋼液的二次氧化。通過采取控制頂渣顏色介于白色→黃白色或綠白色之間、調(diào)整頂渣堿度為 4～6以及優(yōu)化連鑄保護(hù)澆鑄操作等措施，減少了該鋼種水口結(jié)瘤的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)小方坯單中包11罐以上的連澆順行，鑄坯合格率從97.78%提高到98.12%以上。