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CSP浇注高铝钢水口堵塞研究探讨

李文广1，孙彦辉1，王小松1，王春锋2，刘良田2

(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2．武汉钢铁集团CSP厂，湖北武汉430000)

摘 要：通过对某厂BOF—LF—RH—CSP工艺生产低碳高铝钢(Al的质量分数0．3％～0．4％)的水口堵塞现象进行新究，指出造成水口堵塞的重要原因在于Ca处理使钢中生成大量CaS夹杂物以及钢水过热度波动较大。通过改进工艺，使CSP连浇炉数从5炉提高到8炉及以上，提高了生产率。

关 键 词：CSP；高Al钢；Ca处理；水口堵塞

1 引言

Al镇静钢的水口堵塞问题很常见。长期以来，在实际生产中解决水口堵塞的主要方法包括水口或塞棒吹氩气和Ca处理。对于CSP生产而言，由于吹氩气容易造成液面波动卷渣，故Ca处理几乎被作为解决水口堵塞问题的必不可少的工艺手段，被各钢厂广泛采用。但通过实际生产发现，Ca处理既可能改善钢水的可浇性，也可能造成更严重的水口堵塞。本文所述的水口堵塞现象即是由于Ca处理不当引起的。

2 研究方法

2．1 水口堵塞概貌

国内某厂采用BOF—LF—RH—CSP工艺生产低碳高铝钢(Al的质量分数0．3％～0．4％)时发生了严重的水口堵塞现象，当浇注至第5炉时，由于水口出口完全堵塞，造成塞棒自动关闭而停浇。将残存的水口进行了解剖，如图1所示。

由图1(b)可知，水口堵塞物明显分为2层，紧靠耐材的一层较薄且从上到下分布很不均匀，约0．9～6mm，称其为过渡层；挨着过渡层的是凝钢层，同样从上到下分布很不均匀，约8～26mm；另外，在凝钢层的内壁上粘结着灰黑色的粉状和颗粒状物质。

2．2 水口堵塞物分析方法

首先将水口解剖，对水口的堵塞物进行测量；对于过渡层，取一小块用环氧树脂胶固结制备成矿相试样(取样位置在图1(b)中“2”点)，进行矿相分析和扫描电镜分析以明确物质成分、分布及含量；对于凝钢层，则切割成约15mm×20mm×20mm的小块，经粗磨、细磨、抛光后作为金相试样(取样位置在图1(b)中“1”点)，通过金相显微镜观察其表面形貌及夹杂物分布状况，通过扫面电镜分析确定各元素的含量。

3 分析结果讨论

3．1 过渡层矿相试样分析结果

在金相显微镜下观察，过渡层仍可以分为2层，外层以耐火材料颗粒(Al2O3、ZrO2)为主，约占70％，其余为金属铁。内层则是CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3、SiO2等组成的复杂氧化物。过渡层的金相试样照片如图2所示，表现为各种类型的氧化物混合交织状态。图2(a)中“1”点为金属Fe，“2”点为CaO·6Al2O3；图2(b)中“1”点为CaO·2Al2O3。

由于钢液中含有大量的CaS，但过渡层不含CaS，可推测过渡层的形成不是钢液中夹杂物粘结聚集的结果，而很可能是由于浇注开始后，水口内部高温以及负压吸氧，引起水口本体的耐火材料本身发生脱碳反应：

2C(s)+O2(g)=2CO(g)

由于脱碳反应的发生，再加上钢水的冲刷作用，水口内壁表面变得粗糙，易于钢中夹杂物的粘附。而在耐火材料—钢液界面则发生如下的化学反应：

3CO(g)+2[Al]=Al2O3(s)+3[C]

4[Al]+3O2(g)=2Al2O3

2[Ca]+O2(g)=2CaO

CaO+6Al2O3=CaO·6Al2O3

CaO·6Al2O3+2CaO=3CaO·2Al2O3

以上反应的生成的Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3等均为高熔点高粘度物质，极易在水口内壁发生脱碳后的粗糙表面上烧结沉积，进而形成致密的氧化物堆积层。

3．2 凝钢层金相试样分析结果

常见的水口堵塞类型有两种，一种是由于非金属夹杂物在水口内壁粘结，最终充满水口造成堵塞；另一种是钢水温度过低，钢水在水口内冻结造成水口堵塞(这种情况一般是在很短的时间内快速形成的)。但是本文所研究的水口堵塞与上述情况不同。首先本文中的水口堵塞是在浇注过程中逐步造成的，这可以由浇注过程中拉速基本稳定但塞棒却逐步上涨而得以说明；另外，水口堵塞物结构也与常见的水口堵塞类型不同，过渡层主要是非金属夹杂物，约占70％，但是凝钢层以裸眼观察明显以金属Fe为主，在金相显微镜下则呈现出明显的金属Fe与非金属夹杂物交织的现象。凝钢层试样在金相显微镜下的照片如图3所示。

由图3可以明显看出夹杂物数量非常多，整个凝钢层已经完全是钢渣交织的混合物。并且夹杂物尺寸巨大，说明夹杂物有粘结聚集现象。

图4是凝钢层试样在扫描电镜下观察的典型的夹杂物形态和对应的能谱图(图4中“1”点)。由图可知，其主要成分为CaS和CaO—MgO—Al2O3—SiO2组成的复杂氧化物。这是由于进行了Ca处理，喂Ca严重过量，钢中[Ca]含量达150×10-6，造成钢液中存在大量的CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3、CaS夹杂物。由于CaO的硫容量高，夹杂物大多是钙铝酸盐为核心，CaS包裹在外围的复合夹杂物。这些物质都是高熔点的难熔物质，且CaS与钢水的润湿性较好[1]。浇注中，随着钢水温度的降低，大量的CaS析出，最终造成了金属Fe与夹杂物交织粘结在水口内壁，造成了水口的堵塞。

3．3 凝钢层试样典型夹杂物

为了更清楚的表征凝钢层夹杂物的状况，使用Origin软件绘制了(CaS+CaO)—Al2O3—SiO2的三元相图，如图5所示。由图5可以看出，水口凝钢层中夹杂物组成可分为：

A区：含有较高CaS的铝酸钙(xCaO·yAl2O3)夹杂物；B区：含有较低CaS较高Al2O3的铝酸钙(xCaO·yAl2O3)夹杂物。

C区：含有CaS、CaO、Al2O3、SiO2的复合夹杂物；D区：含Al2O3、SiO2的夹杂物。

上述A、B类夹杂物约占75％，且熔点较高(1750—2050℃)，钢水中生成的高熔点质点使钢水黏度增大，流动性变差，是造成水口结瘤的重要且直接的原因。

4 水口堵塞影响因素

4．1 过热度的影响

钢水的温度对其流动性有重要影响。采用下述公式计算该钢种的液、固相线温度[2]，其中TL为液相线温度，TS为固相线温度。

TL=1536－{90[％C]+6．2[％Si]+1．7[％Mn]+28[％P]+40[％S]+90[％N]+5．1[％Al]}

TS=1536－{415．3[％C]+6．8[％Mn]+12．3[％Si]+124．5[％P]+183．9[％S]+41．5[％Al]}

按照以上2式分别计算5炉钢的液相线温度和固相线温度后求平均值可得，TL≈1523℃，TS≈1511℃。可见液相线温度与固相线温度区间仅为12℃，相差很小。这说明钢水温度接近液相线温度时极易凝固。

通过对实际生产数据的统计发现，第一炉开浇过热度在40℃以上，塞棒平稳运行。当过热度在25—35℃之间时，塞棒逐步上涨。但过热度最低时仅15℃，而恰好此时塞棒出现剧烈的上涨。这说明如果钢水过热度较低，钢水流动性变差，加速了SEN水口内凝钢的形成。因此保持合适的钢水过热度对钢水可浇性是非常重要的。

4．2 Ca处理的影响

对钢水进行钙处理主要是通过改善钢中非金属夹杂的形态来改善钢水的流动性，提高可浇性。钙处理的目标是将钢中Al2O3夹杂转化成低熔点的钙铝酸盐。

由图6[3]可知，主要目的是将其转化为12CaO·7Al2O3。随着钢液中钙含量的增加，CaO·Al2O3系夹杂物的生成顺序为：Al2O3—CaO·6Al2O3—CaO·2Al2O3—CaO·Al2O3—12CaO·7Al2O3—3CaO·Al2O3—CaO。分析发现水口凝钢层夹杂物中低熔点的12CaO·7Al2O3较少，仅占约25％，而含CaS的高熔点复合钙铝酸盐夹杂物很多，造成钢水流动性差，可浇性不好。

图7[4]是在1823K时Ca—Al—O—S—Fe系平衡图，可以看出，当钢中[Al]S在0．3％—0．4％之间时要生成液态的mCaO·nAl2O3。

钢中Ca的含量应在20—70ppm之间，实验的5炉钢RH离站试样Ca含量的平均值高达150ppm。可见钙含量已远远超过生成液态mCaO·nAl2O3所需的Ca量。

同时，根据图7可知，如果要不析出CaS，当钢中Ca含量大于20ppm时，对应的钢中[S]应低于40个ppm，实验的5炉钢RH离站钢中[S]含量平均值为50ppm，大量CaS的形成和析出是必然现象。如果保持钢中[Al]S在0．3％—0．4％之间，[S]含量为50ppm的水平，要通过Ca处理使钢中的高熔点夹杂物变性为液态的mCaO·nAl2O3且不析出CaS几乎是不可能的。

5 结论

1)水口堵塞物中过渡层的形成是由于水口本体耐材发生脱碳反应及钢水的冲刷侵蚀作用造成水口内表面粗糙，有利于钢中[Al]、[Ca]与空气反应生成的Al2O3、CaO·6Al2O3、CaO·2Al2O3等高熔点物质在水口内部粘附并烧结沉积。

2)由于Ca处理造成钢水中[Ca]过量生成大量CaS，是引起堵塞物中的凝钢层形成的直接和首要的原因。取消Ca处理后，连浇炉数从4—5炉提高到8炉以上。

3)钢水的过热度波动较大，是造成水口堵塞的重要影响因素。

参 考 文 献：

[1]   Wouter Tiekink，Begona Santillana，Rob Boom，et al．Calcium：Toy，Tool or Trouble?Asit Transactions，2008．9：185—195．

[2]   陈家祥．炼钢常用图表数据手册．北京：冶金工业出版社，1984：383—384．

[3]   Dieter JANKE，Zhongting MA，Peter VALENTIN，et al．Improvement of Castability and Quality of Continuously Cast Steel[J]．ISIJ International，2000，40(1)：31—39．

[4]   徐涛．BOF—LF—CSP流程低碳铝镇静钢中非金属夹杂物行为研究．学位论文．2008．12：70—83．

[5]   蔡开科．连铸坯质量控制．北京：冶金工业出版社，2009：49—110．