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通钢ＦＴＳＣ薄板坯连铸机黏结的机制分析和控制实践

关春立１，２，　韩立海２，　姜　英２

（１．东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳１１０８１９；２．通化钢铁公司炼轧厂，吉林 通化１３４００３）

摘 要：黏结问题是通钢ＦＴＳＣ薄板坯连铸生产的主要难题之一，其产生的主要机制是铸坯与结晶器铜板之间的摩擦力增大引起的坯壳断裂。针对通钢现有生产条件，通过对钢水成分、保护渣性能、工艺参数、钢水过热度等进行优化调整，使黏结率得到了有效的控制。

关 键 词：薄板坯；黏结；工艺优化

黏结是铸坯在结晶器中由于某种原因被拉断，液态的钢水填充到裂纹形成新的凝固坯壳的现象。连铸生产过程中，一旦产生黏结就会在连铸坯上出现黏结痕迹，致使连铸坯成为废坯，影响铸坯的质量和钢铁料的消耗；同时黏结严重时还会产生黏结漏钢，会损坏设备、降低连铸设备的使用寿命，增加设备的维护费用，影响连铸机的连浇时间，破坏生产的连续性［１－３］，据文献统计，黏结漏钢占连铸生产漏钢事故中的６５％～８０％［４］，一次严重的黏结漏钢可造成近２０万美元的损失［５］。薄板坯连铸机设备由于生产的铸坯厚度薄，拉坯速度高，伴随保护渣熔化条件差、结晶器形状特殊等原因，一旦工艺条件和操作等因素产生微小的变化都可能引起铸坯凝固壳与结晶器铜板之间产生黏结现象［６］。通 钢ＦＴＳＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｔｈｉｎ　Ｓｌａｂ　Ｃａｓｔｉｎｇ）薄板坯连铸机自２００５年投产以来，黏结率（黏结次数／浇钢炉数）一直偏高（１０％～２０％），通过对连铸机设备特点以及产生黏结的机制分析，对连铸工艺进行了一系列改进，使黏结率得到了有效地控制。

１　薄板坯连铸机黏结产生的机制分析

黏结最初形成于弯月面处［７］，由于薄板坯连铸机拉速较高，钢水在弯月面处的停留时间较短，弯月面处形成的凝固坯壳相对较薄，很容易被撕裂产生黏结，结晶器弯月面处形成的凝固坯壳如图１所示。

１．１　外部因素导致黏结产生的机制分析

钢水在结晶器内凝固后，凝固坯壳受到其与结晶器铜板或保护渣之间的摩擦力，当坯壳受到的摩擦力方向与坯壳的运动方向相反的时候，凝固坯壳要承受因摩擦力而产生的拉应力，如果保护渣熔化不好，润滑作用将会下降，摩擦力就会增加，因摩擦力增大产生的拉应力超过了凝固坯壳能够承受的最大拉应力的时候，坯壳表面将可能会被拉断而产生黏结。

１．２　铸坯内部因素导致黏结产生的机制分析

铸坯在凝固过程中，由于钢水质量、结晶器铜板表面质量等问题会导致凝固坯壳上振痕加重，如果负滑脱运动不能完全愈合凝固坯壳上产生的严重振痕，最终将导致坯壳上的振痕发展成为裂纹。当凝固坯壳上出现裂纹的时候，此处的导热性就会变差，致使裂纹处的凝固坯壳相对偏薄且强度较低，同时由于凝固坯壳要承受钢水静压力的作用，一旦出现钢水静压力超出了凝固坯壳裂纹处能承受的极限压力值，坯壳就会断裂，导致黏结。

２　通钢 ＦＴＳＣ 薄板坯连铸机发生黏

结的主要原因分析通钢ＦＴＳＣ薄板坯连铸机配备漏钢预报系统，通过控制软件和埋入结晶器的密排热电偶监控结晶器铜板表面温度的变化，一旦结晶器铜板某一区域温度出现异常升高或降低并向周围扩散，说明铜板和坯壳发生了黏结，漏钢预报系统将会自动启动黏结保护程序，程序启动后连铸机的拉速降至０或０．３ｍ／ｍｉｎ，使断裂的坯壳在结晶器内滞留并充分焊合，以防止漏钢事故的发生。

为了在工艺操作上减少黏结的发生，根据连铸机的设备特点，对生产过程数据进行了统计、分析，总结出薄板坯连铸机黏结产生的主要影响因素如下。

２．１　钢水纯净度

２．１．１　钢中Ａｌ２Ｏ３夹杂物的影响

当钢水注入结晶器后，钢中Ａｌ２Ｏ３夹杂物将会上浮被保护渣吸收，当保护渣中Ａｌ２Ｏ３含量增加时，Ａｌ２Ｏ３会以［ＡｌＯ５］５－四面体的形式与［ＳｉＯ４］相互混合组成熔渣的网络结构，使保护渣的黏度升高［８］，黏度增加会使保护渣的渣耗降低、润滑不好，润滑性能不好的保护渣填充到凝固坯壳与结晶器铜板之间，增加了两者之间的摩擦力，容易产生黏结。

２．１．２　转炉出钢下渣的影响

转炉出钢过程下渣量对钢水质量影响很大，而下渣量的多少可用出钢后钢水回磷量来间接体现。图２为钢水回磷量与黏结次数的对应关系。可以看出，随着回磷量的降低，黏结次数也随之降低。

２．２　钢水过热度

结晶器内钢水温度偏低时，保护渣的熔化效果变差，导致保护渣的流动性、润滑性能降低。在此条件下，填充到结晶器铜板与坯壳之间的保护渣会增加两者之间的摩擦力，容易产生黏结。统计某阶段同一钢种中包钢水温度与黏结的对应关系（见图３），中间包钢水过热度偏低时，黏结次数明显增多。

２．３　保护渣性能

结晶器保护渣主要是在结晶器铜板与凝固坯壳之间起润滑的作用，当保护渣加入结晶器后会迅速地熔化并均匀地填充在结晶器铜板与凝固坯壳之间。保护渣的性能会影响凝固坯壳的质量，如果保护渣润滑效果不好，将会增加凝固坯壳与结晶器铜板之间的摩擦力，容易产生黏结。

通钢常用的３种保护渣的主要性能和成分见表１，对某段时间使用３种保护渣时黏结发生率进行统计，见图４，其中黏结率按式１计算。可以看出，Ａ型保护渣的黏度较高，熔点低、碳含量低，熔化条件较好，同时保护渣中Ａｌ２Ｏ３含量相对较低，更容易吸收钢水中的Ａｌ２Ｏ３，浇钢过程中黏度会继续升高，导致结晶器铜板与凝固坯壳之间的摩擦增加，生产时更容易产生黏结；Ｃ型保护渣黏度相对较低，由于其本身的Ａｌ２Ｏ３含量较高，吸收钢水中的Ａｌ２Ｏ３会使黏度继续增加，但是其碳含量较高并且熔点高，也较容易产生黏结，其黏结率仅次于Ａ型保护渣；Ｂ型保护渣的黏度介于Ａ、Ｃ之间，吸收钢中的Ａｌ２Ｏ３使黏度增加幅度要小于Ｃ型保护渣，碳含量相对较低，碳偏析发生的概率小，其产生的黏结概率相对最小。但是３种保护渣使用过程中的黏结率都相对较高，所以这３种保护渣的成分、性能需要进一步优化。

２．４　结晶器振动

结晶器选择合适的振动形式和振动参数可以有效地防止黏结的产生，因为合适的振动形式和振动参数可以降低结晶器铜板与凝固坯壳的摩擦力和减小振痕深度改善铸坯表面的质量，因此要尽量降低负滑脱时间，增加正滑脱时间。

通钢薄板坯连铸机投产初期采用正弦振动，即ｔ正滑脱＝ｔ负滑脱，与采用非正弦振动相比，负滑脱时间偏长造成凝固坯壳上的振痕过深，坯壳容易在应力的作用下断裂而产生黏结；正弦振动条件下，与摩擦力对应的坯壳拉应力偏高，容易产生黏结。

２．５　结晶器铜板质量

通过对通钢结晶器铜板使用寿命的调查分析发现，结晶器铜板表面随着使用时间的增加，其表面会出现裂纹或是镀层脱落现象，严重时会出现凹坑，使铜板表面的粗糙度增加，连铸过程中结晶器铜板与凝固坯壳的摩擦力就会增加，进而容易产生黏结；同时，铜板上出现凹坑或裂纹会使凝固坯壳与结晶器铜板之间产生气隙，影响了铸坯与铜板之间的热传递和保护渣的填充效果，使黏结的发生概率增加。

２．６　拉速

连铸生产过程中，拉速变化时，结晶器铜板上的温度分布就会发生变化，保护渣的固态、液态渣膜的分布也随之改变，如果拉速变化较快或是频繁地变化，保护渣渣膜分布的变化就会产生滞后现象，影响了保护渣的润滑作用，并且导致保护渣填充不好，增加了黏结发生的概率。

３　控制黏结的工艺措施

３．１　钢水成分的控制

转炉出钢采取挡渣帽和挡渣镖双步挡渣方式，最大限度减少下渣量，控制钢水回磷量≤０．００４％。生产中碳钢时提高转炉终点ｗ［Ｃ］≥０．０７％的命中率，减少钢水中ｗ［Ｏ］，减少夹杂物的原始生成量。ＬＦ炉加强渣面脱氧，降低炉渣氧化性，确保ｗ（ＴＦｅ＋ＭｎＯ）≤１．０％、脱硫率≥５０％，离站前渣的颜色保持灰白色，ＬＦ炉钢水离站前软吹镇静时间８～１０ｍｉｎ，吹氩强度以渣面微动、不裸露钢水为宜，软吹镇静时间不足不得离站，ＬＦ炉钢水离站时确保ｗ［Ａｌｔ－Ａｌｓ］≤２０×１０－６。

３．２　钢水过热度的控制

钢水的过热度偏低会影响保护渣的熔化，浇铸过程中钢水过热度应控制在２０～３０℃之间。ＬＦ炉要根据钢包的温降状况合理控制钢水的离站温度，以保证钢水在浇铸过程中保持合适的过热度。

３．３　调整保护渣的成分

对保护渣的成分和性能进行优化调整，使保护渣的熔点、黏度、碱度更适合薄板坯连铸机的浇铸条件；在保证铸坯质量的前提下，优先使用碱度低、黏度低、熔点低、熔化速度快的结晶器保护渣。

３．４　结晶器铜板管理和振动模式的优化

为保证结晶器铜板质量，连铸停浇后仔细检查结晶器铜板和铜板边部是否存在角缝，发现弯月面处镀层脱落、出现龟裂等要及时更换。结晶器铜板使用寿命为宽面≤２５０炉、窄面≤２００炉，每次开机前铜板要打磨５～１０ｍｉｎ。结晶器振动采用非正弦振动，保证有足够的负滑脱时间的前提下增大结晶器向上振动的时间，增加正滑脱时间，缩短负滑脱时间。

３．５　拉速的控制

连铸生产过程中推行恒速浇钢的理念，努力提高恒拉速浇铸的时间比例。如果拉速需要调整，要严格控制拉速调整的幅度，拉速小于３．４ｍ／ｍｉｎ时每次拉速调整幅度为０．２ｍ／ｍｉｎ，拉速大于３．４ｍ／ｍｉｎ时每次调整幅度为０．１ｍ／ｍｉｎ。

４　实施效果

４．１　钢中Ａｌ２Ｏ３夹杂物控制效果

钢中Ａｌ２Ｏ３夹杂物的控制水平可用钢水成分中全铝和酸溶铝的差值ｗ［Ａｌｔ－Ａｌｓ］来间接反映。工艺优化后，对某一段时间生产的５４２炉ＳＳ４００钢种的ｗ［Ａｌｔ－Ａｌｓ］的统计（见图５），钢水的ｗ［Ａｌｔ－Ａｌｓ］基本控制在２０×１０－６以下。同时对黏结率进行了统计（见图６），随着ｗ［Ａｌｔ－Ａｌｓ］的降低，黏结率也明显降低。

４．２　保护渣的优化效果

为了降低黏结率，对常用的３种保护渣进行了优化，优化后的保护渣特性和主要成分见表２。通过与表１的比较，可以看出，３种保护渣的黏度都有所降低，除了Ｃ型保护渣，碱度也都有所降低。保护渣优化后，分别对其在使用过程中的黏结率进行了统计（见图７）。可以看出，３种保护渣在优化后的黏结率较原来都降低，其中改善效果最明显的是Ａ型保护渣。

４．３　钢水过热度的控制效果

通过严格控制ＬＦ炉的出站温度来控制浇铸过程中的钢水过热度，统计工艺优化过程中某段时间钢水中包温度合格率（即过热度在２０～３０℃范围的比例）与黏结率的关系，如图８所示。

可以看出，随着中间包钢水温度合格率的提高，对应的黏结率也随之降低。

４．４　综合效果

在采取以上综合优化措施控制黏结率的过程中，对１２批次生产条件基本相同的连铸机黏结率按照改进过程的时间顺序进行统计排列，得到优化过程中黏结率的变化趋势（见图９），可以看出黏结率得到了有效的控制，目前黏结率基本控制在３％以下。

５结论

１）通过研究分析黏结产生的机理，结合通钢薄板坯连铸机的生产实际，确定了钢水成分、保护渣、连铸工艺参数的优化作为控制黏结的主要措施。

２）通过采取综合工艺改进措施，通钢薄板坯连铸机的黏结率得到了有效控制，黏结率从原来１０％～２０％降低到目前的３％以下。

参 考 文 献：

［１］　耿伟，杨晓江，王彬，等．如何预防中薄板坯连铸机粘结现象［Ｊ］．金属世界，２０１１（３）：５８．

［２］　王洪兴，刘志国．板坯连铸机粘结漏钢分析与预防措施［Ｊ］．中国冶金，２０１１，２１（９）：３０．

［３］　杨海滨，魏励，张洪波，等．大板坯连铸粘结漏钢浅析［Ｊ］．中国冶金，２００６，１６（１１）：４４．

［４］　刘永贞，王旭东，贾启忠，等．结晶器内粘结漏钢及其传播行为的研究［Ｊ］．炼钢，２００９（３）：４５．

［５］　Ｇｉｌｌｅｓ　Ｈ　Ｌ．Ｂｒｅａｋｏｕｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍｏｌｄ　Ｈｅａｔ　Ｒｅｍｏｖａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］／／２ｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃａｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ．ＵＳＡ：ＩＳＳ ＡＩＭＥ，１９８１：２０５．

［６］　杨晓红，郝华强．薄板坯连铸粘结的分析与预防［Ｊ］．钢铁研究，２００４（３）：４．

［７］　马新光，张云飞．唐钢ＦＴＳＣ工艺薄板坯连铸粘结的原因及预防措施［Ｊ］．冶金标准化与质量，２００７，４５（３）：１９．

［８］　万爱珍，朱立光，王硕明．连铸保护渣粘度特性及机理研究［Ｊ］．炼钢，２０００，１６（２）：２１．