关于薄板坯连铸保护浇注工艺研究_武宝文.pdf

234管理及其他Management and other关于薄板坯连铸保护浇注工艺研究武宝文，马硕，王胜东，王赵然，赵继伟摘要：现在薄板坯连铸技术已经广泛应用于国内各大钢铁生产企业中，要生产出合格的钢板坯，生产线的质量控制极为重要，其中生产线的保护浇注，是质量控制中最重要的环节之一。不同连铸工艺所采用的而保护浇注工艺也有所不同，针对每种工艺也有不同的评价。本文介绍了薄板坯连铸工艺的发展历史和生产现状，介绍了几种主要的浇注工艺，并对其中的保护浇注工艺进行探讨研究。关键词：薄板坯；连铸；保护浇注随着我国城市化进程的加快，大基建项目的启动，钢铁用量需求日益增长，钢铁企业也开始关注产线和工艺升级。薄板坯连铸工艺从21世纪初开始在全国各个钢铁公司建设投产，目前已经应用已经成熟，与之相配套的质量控制体系也应用广泛。保护浇注，是控制产品品质的重要工序，如何对钢水进行有效保护，使产品满足用户需求，一直是钢铁工业从业者需要思考的问题。1 薄板坯连铸技术介绍1.1薄板连铸工艺概述相对于传统浇注技术而言，连续铸钢已经成为现代钢铁厂的标配并大规模应用，薄板坯连铸就是其中之一。薄板坯连铸生产线可以将钢从液态钢水生产为厚度较小的板坯，成为接近成品的状态。后续再进行一些简单调整即可作为成品钢供货。现代钢铁企业炼钢工艺流程大致为：炼铁铁水预处理转炉/电炉处理精炼连铸热装。连铸工序是这道流程的关键阶段。连铸生产，具有产品质量稳定，生产周期短，原材料浪费少，生产工艺稳定，能耗低，单位成本低等特点。薄板连铸从钢水到板坯5min左右成坯，通过尽量缩小横截面来缩短压力加工过程，随着近十几年连轧工艺的发展，连铸连轧配套完善，目前已实现薄板坯连铸连轧配套工序，从钢水到带钢成卷仅需15min 25min。1.2薄板连铸技术的发展上世纪80年代末期，我国第一条薄板连铸生产设备投产，直到今天已有40余年。目前全球有上百条生产线，生产能力超过8000万吨/年。薄板坯连铸工艺根据结晶器的形态不同，分为CSP、ISP、FTSRQ、QSP、CONROLL等几大种类，我国进口较多的为CSP工艺。薄板铸坯的厚度一般在40mm 90mm之间。鞍钢引进了一种立弯型结晶器的薄板连铸机，通过弯曲连续桥矫直功能，能实现100mm以上的薄板坯连铸，填补了我国厚薄板连铸的空白。后来的十数年中，薄板、中薄板、厚薄板产线建立稳步增长，工艺类型也逐渐增多，配套的保护浇注工艺也更为复杂。2 薄板坯连铸中的二次氧化与夹渣钢铁冶炼工艺中，原材料钢水的清洁度越高，成品钢的质量越好。但是，清洁度是相对的，清洁度的提高也有上限，因此，浇注时的钢水中必然存在一定量的杂质。薄板连铸中，从钢包到中间包，再到结晶器的过程，如果不加以保护，很容易发生二次氧化，氧化后产物在钢水中作为杂质析出，形成夹渣。夹渣分为内生夹渣和外生夹渣，内生夹渣是钢水中的脱氧剂与溶解氧反应所得产物，会影响钢的疲劳极限和冲击韧性，大部分可以自主上浮后排除；外生夹渣是钢水与空气、容器、炉渣等发生复杂反应生成的夹杂物，会影响钢的整体质量，较内生夹渣更难排除。总之，夹渣是连铸工艺中影响钢坯质量的重要因素，如何高效排除内生夹渣，防止生成外生夹渣，是连铸工艺的关键。3 钢坯中的夹渣来源分析通过对二次氧化物进行追踪，我们可以得到夹渣主要来源自以下几种情况。3.1钢水与空气的接触反应钢包与中间包注流流入结晶器的过程中，会不可避免地与空气接触发生反应，使氧气溶解在钢水中，氧气溶解量越大，二次氧化越严重。通过实验分析得知，钢水氧气溶解量与钢水出口直径及注流形态有关。钢水出口直径越大，注流比表面积就越小，钢水与空气接触就越少，溶氧量减小；钢水出口直径越小，注流比表面积就越大，钢水与空气接触大大增加，溶氧量将增大。另外，注流进入熔池的过程中，就像水流冲击进入水池时会卷入气泡一样，注流的高速流动并冲击中间包液面，会使空气大量融入，钢水的含氧量大大增加。研究表明，当注流为平稳的层流时，吸氧量最小；注流稍有紊乱，则会增大吸氧量；若注流为紊流，甚至分散为大小的液滴下落，会使钢水在空中与氧气充分混合，吸氧量达到最大。在钢水注入的过程中，中间包中的钢水也在持续翻涌，使钢水表面不断交替与空气接触，这个过程叫做钢水表面的更新吸氧。流动液面更新吸氧的程度比静止液面更强，氧气溶解量更大。由上文可知，钢水与空气接触机会多，吸氧导致二次氧化，因此，若能在浇注时隔绝空气，便能起到很好的保护作用。235管理及其他Management and other3.2 钢水与浇注系统材料的相互作用在连铸生产过程中，钢水会与浇注系统内表面以及耐火材料长时间接触，在复杂的理化环境下，也会发生反应生成夹渣。第一种是钢水冲刷导致的物理变化。高温钢水长期冲刷，会使浇注系统内衬表面发生软化，软化层脱落掉入钢水中形成夹渣。第二种是化学作用，钢水中含有部分杂质元素，在高温下会与耐热材料中的某些成分，以及钢液中的其他夹渣发生复杂反应，生成新的夹渣物。具体来说，普通耐火砖砌内衬与含铝的钢液会发生反应，生成硅、铬、锆等单质和氧化铝。主要原因是铝是硅、铬的强还原剂，高温下易发生反应，生成夹渣，如果采用硅含量小的砖，将会显著降低夹渣的生成；目前采用镁质涂层，可有效降低耐材侵蚀，提高钢水纯净度。另一方面实验中发现，当我们用石英水口浇注高锰钢时，水口腐蚀速度比浇注普碳钢要快很多，这也是钢水与浇注系统材料间的作用。这是因为高温状态下，锰元素会与石英反应，置换出硅单质，造成锰含量下降，硅析出形成夹杂物。由上文可知，铝和锰都会对石英水口产生腐蚀，并生成以氧化锰和氧化铝为主，还含有一定量氧化硅和氧化亚铁成分的夹渣。因此，生产实践中，采用抗铝、锰腐蚀的材料显得尤为重要。3.3钢水与炉渣的反应钢水从转炉中倒出时，高炉中的炉渣会不可避免的随钢水卷入钢水包，并与钢水中分成分相互作用，产生二次氧化，生成夹渣。具体地说，氧化亚铁中含有一定分子质量的氧元素，当钢水进入钢包时，这些氧元素会氧化钢中的合金，导致合金成分与设计有偏差，钢材力学性能受到影响。在一些含钛合金钢浇注时，炉渣的主要成分氧化亚铁，会与钢水中钛元素反应，降低钛的含量，同时生成二氧化钛、氮化钛等沉淀物质，这就是不锈钢坯与结晶器表面结渣的主要来源。因此，我们有必要控制炉渣进入钢包以及中间包，减少二次氧化的发生。4 薄板坯连铸中保护浇注的含义浅析由上文可知，薄板坯连铸工艺应用广泛，经济效益好，但工序中的多个步骤容易发生二次氧化，二次氧化会形成夹渣，使钢坯中的杂质含量上升，最终影响成品钢的质量和力学性能。因此，钢铁企业开发出保护浇注技术，来防止夹渣的发生。保护浇注，就是指对连铸工艺中与空气及耐火材料等介质接触的钢液采取保护措施，防止钢液二次氧化的发生。目前，连铸工艺的保护浇注技术已经日趋成熟，无氧化浇注是常见应用，在浇注的各个阶段也有一些针对性的保护浇注措施。5 薄板坯连铸中保护浇注对策概述薄板坯连铸的保护浇注，指的是对钢水从钢包开始，经过中间包，到结晶器，持续采用保护措施，防止钢水二次氧化，影响钢材质量和力学性能。5.1气体介质保护浇注在钢包到中间包的过程中，用化学性质不活泼的气体隔绝空气，防止二次氧化，就叫气体介质保护浇注。目前广泛采用的保护气体是氩气为代表的惰性气体。使用该气体对大包滑板、长水口碗部、中间包包盖等关键位置进行密封。需要注意的是，这类气体充入生产线后，要保证氧气含量小于1%才能避免氧化发生。5.2液体介质保护浇注用液体与钢水反应起到隔绝空气与钢水的作用的方法，称为液体介质保护浇注。用作保护的液体，需要具有以下特点：良好的低温流动性，在环境温度波动范围内，都能方便的从油罐抽取使用；油及其产物的安全性。常温无毒无害且透明，高温分解后产物也要无毒无刺激性气味；具有一定高温稳定性。较常规的油料相比，介质用油高温下较不易分解，且挥发量小，能保证足够的隔绝时间。常用的油类有植物油、矿物油、合成油三种。目前植物油使用较为广泛，例如菜籽油。在使用时，将油喷洒到钢坯上，接触时，油会气化形成碳氢化合物气体，隔绝空气，避免二次氧化，同时提供的碳量少，对钢成分影响小，易于控制。5.3固体介质保护浇注在中间包和结晶器中添加保护渣，可以隔绝钢水和氧气的接触，防止二次氧化。常见保护渣有碳化稻壳、硅酸盐等，覆盖剂、保护渣与钢水接触时，会因高温形成熔融状态，这种状态就可以对钢水和氧气进行有效隔绝，并可以对钢水中的夹渣形成吸附作用，减小钢水杂质含量。5.4 通过结构设计的保护浇注在钢包到中间包的过程中，为了防止注流与空气长时间接触，可以采用长水口进行浇注。长水口插进中间包钢水中，让注流注入时位于钢水液面之下，起到隔绝空气，减小气泡窜入的作用。但是，长水口与钢包连接处如果密封不严，就会出现空气从水口密封处进入注流的情况。对此，可以采用耐火密封圈、氩气保护、金属环+氩气保护等多种方法保证连接处的密封。采用大容量中间包+挡墙+挡坝设计，延长钢水在中间包停留时间，改善钢水流动状态，促进夹杂物上浮；将钢包渣阻拦在冲击区，减少大包钢渣与钢水的接触面积，有效提高钢水纯净度。6 薄板坯连铸保护浇注工艺中存在的问题及解决办法各个保护浇注方法的应用情况有所不同，在实践的过程中也会出现一系列问题。目前比较常见的影响保护浇注工艺的问题主要有以下几点。6.1钢包能否自动开浇钢包的自动开浇成功率，称为钢包自开率。受引流砂和钢包周转效率的影响，钢包自动开浇有失败的风险。当钢包无法自动开浇时，必须采用烧氧引流法，打开钢包，这就会增大氧气的进入，造成二次氧化。钢包自开率与引流砂质量和钢水周转速度有关。236管理及其他Management and other6.1.1引流砂对钢包自开的影响一般来说，引流砂常用铬铁矿为主要成分，在与钢水接触时，接触部分的这种材料会受热转化为熔融层，并在熔融层下方产生烧结层。随着钢水压力的增大，烧结层破坏，钢水流进中间包。但是，目前使用的引流砂有时会出现烧结层太硬，钢水钟离无法将其破坏；或者烧结层太软，钢水从烧结层渗透；这些都会导致钢包自开失败。为了保证钢包自开率，首先要对引流砂的质量进行把控。引流砂中氧化铬的含量必须保证在30%以上，还引流砂的颗粒度要经过检测，使0.2mm 1mm之间的颗粒占比80%以上，这样就能维持钢包自开率平稳不波动。另外，对引流砂中杂质和含水量也要定期取样检测，如果发现指标不合格，应及时更换引流砂及供应商。6.1.2钢水的周转速度对钢包自开的影响在薄板坯连铸工艺中，如果加入太多使用太慢，将会增加钢水在钢包内的停留时间。实验证明，钢水在钢包中停留时间越长，引流砂的烧结层将会越厚，强度越高，使钢水自重更难压垮烧结层形成自开。对生产线上钢包进行统计可以发现，钢包自开失败时，钢水周转速度普遍超过90min。为了提高钢水的周转速度，要优化过程中的各个工序，使每炉钢水从出钢到连铸开浇控制在90分钟以内，使钢水和引流砂接触时间控制在合理的范围内。如果钢水确有必要长时间停留，应安排备用钢包执行倒包操作，消除烧结层太厚造成的自开失败。需要注意的是，备用包如果处理不当，也有较大概率自开失败。在启用前应对备用包进行烘烤操作，使之达到上线标准，还要对备用包底部温度进行控制，使之保持恒定，并对备用包的上水口也进行烘烤处理。6.1.3钢包上水口处的杂质对钢包自开的影响水口处可能存在上一轮浇注时留下的钢渣、炉渣、烧结层渣等杂质。如果不加以清理，新加入水口的引流砂会与杂质中的成分发生反应，生成的产物使引流砂和杂质粘接，最终堵塞水口，钢包自开失败。对水口进行热修，可以清除残渣，避免上述问题。在热修作业中，要清理水口的钢渣和耐火砖区域的钢渣；还要将耐火泥、透气砖等一并清理，最后将钢包角度调低，防止其回流至水口造成堵塞。保证钢包洁净度也很重要。钢包回浇后，包内往往还有钢水留存，如果不及时清理，会产生结钢、结渣等现象。热修工人和天车工人需要密切配合，保证钢包内残余钢水、钢渣、杂质等全部清理干净，防止水口堵塞。6.2保护浇注的操作注意事项在采取各项保护浇注措施后，如果因执行出错导致保护失败，也会对钢铁企业造成损失。因此，操作工在操