铝镇静冷镦钢浇注过程中连铸机水口结瘤的原因及预防

蔡小锋 赵家七 张连兵 马建超

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

冷镦钢制标准件主要用于汽车、轮船、自行车、工具、建筑等行业。铝镇静冷镦钢在连铸过程中，浸入式水口、塞棒等与钢水接触可能使连铸机水口结瘤或侵蚀，导致结晶器液面波动较大甚至被迫关流，从而影响生产、增加成本[1- 2]。

国内某厂在浇注SWRCH10AB铝镇静冷镦钢过程中浸入式水口出现严重的结瘤现象。本文通过物相分析、热力学计算等分析了水口结瘤的原因，并提出了改进措施。

1 生产工艺

该厂生产SWRCH10AB铝镇静冷镦钢的工艺流程为BOF→LF→CC。转炉出钢过程按顺序加入铝锭、低碳锰铁、石灰、萤石等原料及造渣料。LF精炼过程成分和温度达到要求后喂入纯钙线，随后软搅拌10 min以上。小方坯连铸机生产的铸坯尺寸为140 mm×140 mm。表1为SWRCH10AB铝镇静冷镦钢的化学成分。

表1 SWRCH10AB铝镇静冷镦钢的化学成分(质量分数)

2 原因分析

2.1 结瘤分析

SWRCH10AB钢浇注过程中某一中间包浸入式水口结瘤的宏观形貌如图1所示。X射线荧光光谱分析发现其主要成分是CaS，如表2所示。

图1 水口结瘤的宏观形貌

表2 水口结瘤物和本体的成分(质量分数)

从以上分析结果可知，结瘤的主要成分为高熔点CaS。LF钙处理后钢的含钙量为(13～20)×10-6，结合相关研究结果[3- 5]，水口形成CaS结瘤是钙处理前钢液含硫量较高，与钢中钙反应生成高熔点CaS聚集在水口内壁所致。

2.2 炼钢生产过程分析

对铝镇静冷镦钢生产现场的数据进行分析发现，转炉出钢温度控制不稳定，导致部分炉次LF精炼进站温度偏低。另外，LF进站钢水含硫量较高，导致精炼脱硫压力大，需造高碱度渣脱硫。渣中CaO组分偏高，化渣较慢，精炼通电时间长，严重影响LF精炼脱硫效果。精炼渣成分及其在相图中的分布分别如表3和图2所示。

图2 铝镇静冷镦钢精炼渣在CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO系相图中的分布

表3 铝镇静冷镦钢精炼渣成分(质量分数)

R=m(CaO)/m(SiO2);C/A=m(CaO)/m(Al2O3)

3 热力学理论分析

3.1 含硫量

SWRCH10AB铝镇静冷镦钢精炼过程中的钢水成分如表4所示。利用Wanger模型和各元素的相互作用系数[6]得到的部分元素的活度系数如表5所示。表6[7]为CaO- Al2O3系夹杂物中CaO和Al2O3的活度。

表4 LF精炼过程中SWRCH10AB钢的化学成分(质量分数)

表5 钢液中元素在1 873 K的活度系数

表6 CaO- Al2O3系平衡相中CaO和Al2O3的活度

钙处理时，钙与钢液中A12O3主要发生如下反应[8]：

3[Ca]+Al2O3(Inc)=2[Al]+3(CaO)(Inc)

(1)

ΔGΘ=-1 068 893+215.4T

(2)

由图3可知，在1 873 K，当钢中Al的质量分数为0.030%时，如果钙的质量分数控制在0.001 2%左右，A12O3将完全变性为12CaO·7Al2O3，钢中夹杂物变性效果最好。考虑到生产实际，SWRCH10AB铝镇静冷镦钢的钙含量控制在(12～20)×10-6为宜。

图3 1 873 K不同夹杂物中[Al]- [Ca]平衡

当钢中含硫量较高时，钙将优先与硫反应生成CaS，然后再与Al2O3反应。CaS夹杂易在水口处聚集，导致结瘤甚至断浇。因此，不仅要将Al2O3夹杂变性为液态铝酸钙，而且还要避免CaS夹杂的生成[9]。钢中产生CaS夹杂的反应式为[10]：

3(CaO)(Inc)+2[Al]+3[S]=CaS(Inc)+

(Al2O3)(Inc)

(3)

ΔGΘ=-963 016+332T

(4)

从图4可以看出，在1 873 K，当钢中Al的质量分数为0.030%时，硫的质量分数应控制在0.003 3%以下，易生成12CaO·7Al2O，使钢中Al2O3夹杂变性，减少CaS。

图4 1 873 K不同夹杂物中[Al]- [S]平衡

3.2 精炼渣系优化

该厂生产铝镇静冷镦钢时主要在LF精炼阶段脱硫，所以除需考虑到精炼渣对夹杂物的吸附外，还需考虑精炼渣的脱硫性能，硫容量是衡量炉渣脱硫性能的重要指标之一。

根据KTH模型[11- 14]计算的1 873 K下CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO精炼渣系等硫容量图如图5所示。

图5 1 873 K下CaO- SiO2- Al2O3- 5%MgO渣系等硫容量线图

Al2O3含量相同，精炼渣碱度越高，其硫容量越大。SiO2含量相同，精炼渣w(CaO)/w(Al2O3)越大，则硫容量越大。钢水氧含量与渣中(MnO+TFe)有一定关系[15]，一般采用渣中(MnO+TFe)来衡量钢的氧含量。渣中w(CaO)/w(Al2O3)影响炉渣组元的活度、铝脱氧平衡以及炉渣对夹杂物的吸附性能[16- 17]。有研究表明[17]，当渣中w(CaO)/w(Al2O3)的比值从2.0～4.4降低到1.7～1.8时，全氧含量将从(10～12)×10-6降低至(5～8)×10-6。随着精炼渣中SiO2含量的降低，SiO2活度大幅度降低，可避免或减少渣中SiO2与钢中的铝发生反应[18]。

为保证精炼渣具有良好的脱硫性能及对Al2O3夹杂的吸附性能，对精炼渣进行成分优化，结果如表7所示。

表7 LF精炼过程中终渣的成分(质量分数)

4 生产工艺优化措施

(1)控制转炉出钢温度≥1 650 ℃，严禁转炉出钢下渣。出钢至1/3时加合金及渣料，通过渣- 钢之间的混冲及转炉大底吹操作快速成渣。

(2)LF进站后接通氩气并测温、取样；观察炉渣状态，开大底吹调渣，并加入电石进行渣面扩散脱氧，将精炼渣成分控制在表7所示的水平，同时确保白渣处理时间。

(3)根据测温、取样结果进行温度调整和成分微调；成分和温度均达标后进行钙处理。钙处理后软搅拌15 min以上。

5 应用效果

5.1 精炼渣控制

该车间冷镦钢转炉出钢氧含量较高，脱氧生成的Al2O3会与加入的石灰形成钙铝酸盐渣系。生产工艺优化后，冷镦钢精炼渣成分较稳定，目前基本能满足冷镦钢生产需求。精炼渣的具体成分如表8所示，部分成分在三元相图中的位置如图5所示。

表8 LF精炼过程中终渣成分(质量分数)

5.2 硫含量控制

生产工艺优化前，钙处理前、后钢液中硫含量降低了(30～55)×10- 6，生成了大量CaS夹杂，大大增加了水口结瘤的可能性；生产工艺优化后，LF进站硫的质量分数降至0.015%～0.025%，减轻了LF精炼过程的脱硫压力。另外，钙处理前钢中硫的质量分数控制在0.003%左右，钙处理前、后硫含量降低了(0～6)×10-6，既保证了钙处理效果，也减少了钢中CaS的形成。总体上，优化生产工艺后的脱硫效果较好，能满足冷镦钢生产需求。

图6 生产工艺优化前、后钢中硫含量

5.3 钢水浇注

采取一系列的优化措施后，已基本解决了SWRCH10AB铝镇静冷镦钢连铸浇注过程中水口结瘤的问题，冷镦钢的连续浇注平均炉次从10炉提高到了16炉，效果显著。

6 结论

(1)SWRCH10AB铝镇静冷镦钢钙处理产生的高熔点CaS夹杂物在水口内壁聚集是导致水口结瘤的主要原因。

(2)精炼渣的成分应控制在：w(CaO)=48%～55%，w(Al2O3)=28%～38%，w(SiO2)≤10%，w(MgO)=5%～7%，w(TFe+MnO)≤1%。

(3)钙处理前钢中硫的质量分数应控制在0.003 3%以下，钙处理前、后硫含量降低幅度明显减小，既确保钙处理效果，又减少CaS的形成，钙处理及脱硫效果均较理想，可满足冷镦钢生产需求。

(4)通过优化精炼渣系成分和生产工艺，水口结瘤问题已经解决，可浇性显著改善， SWRCH10AB冷镦钢的连续浇注平均炉次从10炉提高到了16炉。