陳剛

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

1 前言

鋼鐵生產過程中鋼水純凈度是影響鋼材質量的主要因素。鋼水經轉爐冶煉、精煉等處理后提高了純凈度。連鑄過程采用保護澆鑄工藝是確保鋼材純凈度的必要條件，也是提高鑄坯質量的重要途徑[1-2]。

八鋼煉鋼廠板坯連鑄機保護澆注工藝為：大包到中包采用長水口+水口氬封澆注；中間包的保護澆注采取鋼水表面加覆蓋劑配合塞棒吹氬和上水口吹氬；中間包到結晶器采用浸入式水口澆注，上下水口的板面間吹氬密封，結晶器加保護渣澆注。保護澆注實行的初期，主要體現(xiàn)在鋼水鋁衰減，連鑄澆注過程增鋁衰減最多可達20×10-6,平均可達10×10-6，鋼水二次氧化一方面導致鋼水中Al2O3含量增多引起水口堵塞，特別是澆注SPHC系列鋼種時經常會發(fā)生水口堵塞導致澆鑄中斷的生產事故，另一方面也使軋材的缺陷增多，嚴重影響質量。鋼水二次氧化嚴重直接影響到鋼材的高純凈度，通過采取完善的保護澆注措施才能保證生產順行和產品質量。

2 鋼水產生氧化鋁衰減的原因分析

八鋼煉鋼有四臺板坯連鑄機，生產規(guī)模為140萬t/年·臺，鑄機具體性能參數(shù)如表1。

表1 八鋼板坯連鑄機的主要性能參數(shù)

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2.1 中包內氧含量增多的影響

針對第一爐開澆中包內鋼水被氧化，水口內Al2O3夾雜多導致水口堵塞的分析：（1）板坯連鑄中間包包蓋是由廢板坯切割制作，雖節(jié)省成本但重復加熱后會發(fā)生燒損和變形，變形嚴重時中包密封性不好會影響E型管吹氬效果。（2）板坯包蓋經過加熱到再次冷卻后表面會產生一層厚度1～2mm的氧化鐵皮，氧化鐵皮如果不去除會在中包烘烤過程中落入中包內，中包注入鋼水后熔于鋼水，增加了鋼水中的氧含量。（3）中包烘烤結束注入鋼水前，包內的空氣未被氬氣置換。

以上三個因素產生的氧和鋼水中的Al反應造成了鋼水中Al衰減，同時生成Al2O3大顆粒夾雜物富集在水口內壁影響澆注。

2.2 執(zhí)行保護澆注的工器具對澆注效果的影響

長水口保護澆注采用“大包長水口+密封墊+氬封”保護澆注，理論上可以滿足鋼包注流的保護澆注，但是長水口把持器諸多構件存在的問題直接影響長水口的保護澆注效果。

2.2.1 托圈支架的影響

原設計的托圈支架結構中兩支架臂在固定面板的中部（圖1），當回轉臂降到低位時支架臂的固定面板上沿會頂住大包滑板的防護板使長水口上沿和大包水口脫開產生氣隙導致保護澆注失敗。支架的兩支撐臂也略顯單薄，使用幾天后就會變形，水口套不正偏斜影響保護澆注。

圖1 舊式拖圈支架示意圖

2.2.2 長水口吹氬硬管問題

長水口吹氬硬管和水口連接螺紋管的加工管壁厚度較薄，澆注時向中包沖擊區(qū)內投入覆蓋劑時，如不慎碰到吹氬管會將吹氬硬管從連接螺紋的薄壁處碰斷，導致長水口澆注無法氬封保護（圖2）。

圖2 連接螺紋斷裂的吹氬硬管

2.2.3 長水口托圈的影響

水口托圈的工作環(huán)境溫度約在1000℃，如果托圈的強度不夠，在高溫工作環(huán)境下就會變形損壞影響繼續(xù)使用。長水口托圈長時間使用就會發(fā)生耳軸變形（如圖3），嚴重時耳軸會斷裂導致長水口墜落使保護澆注被迫中斷。

圖3 舊式長水口拖圈

2.3對保護澆注工藝的分析

連鑄工藝規(guī)定大包必須套水口開澆。雖然采用了套長水口開澆，但是沒有嚴格規(guī)定中間包加入覆蓋劑的時機，通常采用中間包注入一半鋼水時開始往中包內加覆蓋劑，而中包內有一半鋼水時鋼水的液面還不能完全淹沒長水口的出口下沿，此時加入的覆蓋劑隨著鋼水注流的劇烈擾動很容易被卷入到鋼水內部造成鋼水夾雜增多。

一爐鋼澆注完畢拔下長水口后，在水口的碗部都會結一圈不規(guī)則的冷鋼（圖4），冷鋼清洗不掉會墊在上下水口之間的結合面上形成較大縫隙。這種情況下即使在水口碗部加了密封墊也不能保證長水口和大包水口的密封效果，在縫隙位置會吸入大量的空氣致使氬封失效。

水口長時間插入鋼水和液渣中會被侵蝕，特別是渣線位置侵蝕最快（圖5）。通過實際測量，一般情況下水口的侵蝕速度約為5mm/h，水口壁的厚度是40mm，當水口壁被侵蝕到厚度減半時被侵蝕位置就會縱裂開，在形成的裂紋像一個“抽氣泵”吸入空氣影響保護澆注效果了。使用水口時間雖然規(guī)定不大于4h，但是因每批次水口的質量都會有不同，所以操作工使用對長水口的經驗也直接影響著保護澆注的效果。

圖4長水口碗部有一圈冷鋼

圖5渣線及底部侵蝕的長水口

2.4 吹氬調節(jié)控制系統(tǒng)不完善影響保護澆注效果

2.4.1氬氣控制調節(jié)系統(tǒng)的影響

老式氬氣控制系統(tǒng)在總管路安裝壓力計，支路上安裝調節(jié)閥，但是各支路都無流量計，造成流量調節(jié)不直觀。對流量的檢查主要有兩種方式：一是開機前打開調節(jié)閥將管路接頭對手臂皮膚吹掃來感知流量大??；二是開機后觀察中包液面或者結晶器液面氣泡翻出量憑經驗來調整。這兩種方法耗時耗力，精準度也不高，對保護澆注效果有一定的影響。

2.4.2 塞棒吹氬管路的影響

塞棒和塞棒桿芯中心是圓形通孔，澆注時氬氣通過塞棒桿芯吹掃塞棒棒頭和上水口碗部阻礙Al2O3在這兩個位置富集以確保澆注順行。吹氬管路由一端是彎頭的無縫鋼管直接插入塞棒桿芯中，這種構造有一定的缺陷。塞棒桿芯內徑為Φ8mm，吹氬管為＜Φ8mm，如配合太緊密不好插拔，況且吹氬無縫鋼管彎頭位置在多次加熱和受力后會形變成不規(guī)則的橢圓狀，插入塞棒桿芯后更不能與桿芯圓形通孔密合，易產生更大的氣隙。在澆注過程中氣隙會漏氣或者吸氣加劇鋼水氧化增加了鋼水中的Al2O3含量，造成Al2O3富集堵塞水口影響澆注順行。

分析認為板坯連鑄操作過程中鋼水氧化鋁衰減的主要原因：（1）中包第一爐開澆前中包內含氧量高，導致部分鋼水被氧化；（2）執(zhí)行保護澆注的工器具存在問題制約著保護澆注的安全順行；（3）操作工藝不完善影響保護澆注效果；（4）吹氬調節(jié)控制系統(tǒng)不完善也影響著保護澆注實施效果。

3 改進實施

3.1 降低第一爐開澆中包內部分鋼水氧含量

為減少中包內氧含量進行了工藝改進：（1）禁止明顯變形的包蓋繼續(xù)上線使用，包蓋和中包的接觸面墊巖棉密封；（2）包蓋上線前表面附著的氧化鐵皮全部鏟除干凈以減少熔入鋼水的氧化鐵含量；（3）在中間包的沖擊區(qū)、穩(wěn)流區(qū)、澆注區(qū)布置E型管吹氬管路（管路內徑Φ12mm），圖6為E型管管路布置圖。當中包烘烤完畢關火后先打開E型管氬氣進行吹掃，置換完中包內的空氣后再打開大包注入鋼水，盡量減少中包內的氧含量。通過實際測試E型管的流量定為8～9m3/h時，中包內的氧含量就非常低。

圖6中間包E型管吹氬布置

圖7 新式拖圈支架

3.2 保護澆注的工器具的改進

3.2.1 托圈支架的改進

鑒于原拖圈支架固定面板偏高，當大包臂降到一定位置時，會頂住大包水口防護板，支架臂強度不夠易發(fā)生變形影響保護澆注，重新設計制作了水口托圈支架（圖7）。將支架拖圈支撐臂抬高到面板上部；支架臂材質由Q235改為Q345，同時支撐臂厚度加厚了10mm，增加了兩支架臂的強度。

3.2.2 長水口吹氬硬管的改進

針對吹氬硬管和長水口連接螺紋管管壁較薄容易折斷的缺點，水口連接螺紋孔和硬管連接螺紋管壁厚增大了2mm，改進后的硬管強度大大增強，滿足了生產需要，有效保障了長水口的氬封澆注。

3.2.3 長水口托圈的改進

針對水口托圈的工作環(huán)境溫度高且其工作時持續(xù)受力大，耐熱性不高的鋼種在這種工作環(huán)境中壽命低的問題，將水口托圈的材質改為耐熱鋼（4Cr9Si2），對托圈進行了整體改型：（1）將受力的耳軸加粗加長增加強度；（2）托圈圓環(huán)由單面斜面加工改成了雙面斜面加工，使水口安裝由僅能單面安裝的改成了雙面都可安裝，避免了耳軸長期受一個方向力易發(fā)生彎曲變形的現(xiàn)象（圖8）。實施改進后的統(tǒng)計數(shù)據表明，拖圈的壽命延長了三倍以上，特別是澆注中拖圈耳軸突然斷裂長水口墜落的事故再未發(fā)生過，有效保障了保護澆注的順行。

圖8 新式水口托圈

3.3 保護澆注操作工藝的改進

（1）針對覆蓋劑加入過早導致鋼水中夾雜物增多的問題，調整了操作工藝：在大包澆注時中包液面必須完全淹沒大包長水口100mm以后才允許投入覆蓋劑；正常澆注時水口的插入深度≥200mm。工藝改進后避免了覆蓋劑被卷入鋼液增加夾雜的現(xiàn)象。

（2）對于換大包時長水口的碗部結一圈不規(guī)則的冷鋼影響氬氣保護澆注效果，要求每爐鋼澆完卸下長水口后必須要氧氣氣洗干凈水口內的冷鋼。另外對于大包長水口的使用工況要實時關注，侵蝕厚度減半或者有裂紋時隨時更換，并且嚴格控制大包長水口使用壽命不超過4小時。

3.4 對吹氬調節(jié)控制系統(tǒng)的改進

3.4.1 氬氣控制支路增加流量調節(jié)計

為解決氬氣調節(jié)控制系統(tǒng)各支路無流量計導致流量調節(jié)不直觀，在各機組的氬氣控制系統(tǒng)的各分支管路都增加了流量計，實現(xiàn)了對各支路氬氣流量的精準調節(jié)控制，使吹氬保護控制更加完善。

3.4.2 塞棒吹氬管路的改進

針對老式塞棒吹氬管插入塞棒桿芯后不能與桿芯圓形通孔密合導致氣隙吸氧加劇鋼水氧化，對塞棒吹氬管路進行了改進：在塞棒桿芯頭部焊接一通孔短絲，無縫不銹鋼鋼管接頭和短絲是采用和尚頭密封螺絲連接以確保連接嚴絲合縫不漏氣，中間包上線時管路連接起來，中間包下線時再拆卸下來。實踐證明改進后的塞棒吹氬管路密封性很好，完全滿足塞棒吹氬保護澆注的需要。

4 改進后效果對比

選取不同碳含量、鋁含量的SPHD、Q345D、B510L鋼種連鑄過程的鋁損指標進行對比分析，驗證改進后的連鑄保護澆鑄效果。抽取改進前每個鋼種三個中包45爐，改進后各生產15爐進行對比。SPHD、Q345D、B510L的主要元素含量見表2，連鑄過程鋁損見表3、圖9。

表2 選取的不同牌號的鋼中熔煉成品鋁含量 %

表3 保護澆注改進前和改進后平均鋁損對比 %

從表3可以看出，不同碳含量和氯含量的鋼種，改進后鋁損均有顯著降低，顯示保護澆鑄效果顯著。圖9顯示，改進后鋁損降低值超過了0.002%。

5 結束語

圖9 改進前后不同牌號連鑄過程平均鋁損對比

通過對中間包包蓋的密封和E型管吹氬保護澆注的改進，長水口保護澆注工具、氣體保護澆注控制系統(tǒng)、澆注過程操作工藝的改進，有效地降低了鋼水在連鑄過程的鋁損失，減少了水口堵塞造成結瘤、拉速波動的異常情況發(fā)生。保護澆鑄取得了顯著的效果，SPHD、Q345D、B510L三個牌號的連鑄成品鋁損失率從改進前的平均鋁損0.00618%降低到改進后的0.00364%，平均降低了0.00254%。改進后的保護澆注措施效降低鋼水的二次氧化，效果顯著。