冷鐓鋼10B21 水口結瘤原因及改進措施

賈黎杰 賀瑞飛 劉廣超 劉 鵬

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

隨著我國現代化汽車制造、家用電器等行業的迅速發展，對冷鐓工藝制造的高檔標準件需求逐年上升，其中高強度冷鐓鋼10B21 廣泛應用于標準件行業，前景十分廣闊。安鋼自成功開發該產品后，生產量穩步增加，成為公司重要創效的產品之一。

冷鐓鋼10B21 由6 機6 流小方坯澆鑄，斷面為150 mm×150 mm。由于10B21 主要采用Al、Ti、B 等元素微合金化處理，隨著連澆爐數增加，析出的中間包浸入式水口結瘤物會越來越多，出現嚴重堵塞水口，常需要燒氧處理，甚至會造成連鑄斷澆，擾亂了正常的生產秩序；且水口結瘤物的脫落通過結晶器進入鋼液后，造成鑄坯大顆粒夾雜增多，惡化鑄坯質量。

筆者通過對10B21 生產跟蹤，對水口結瘤物的主要來源及形成原因進行了分析，并采取相應控制措施，有效地解決了該鋼種在連鑄生產中出現水口結瘤的問題，提高了冷鐓鋼鑄坯的質量及合格率，保證了生產順行。

1 生產工藝流程和工藝參數

1.1 生產工藝流程

高爐鐵水→100 t 頂底復吹轉爐→100 tLF 爐精煉→6 機6 流方坯連鑄機。

1.2 鋼水成分

10B21 熔煉化學成分控制范圍見表1。

表1 熔煉化學成分

1.3 連鑄工藝參數

連鑄主要工藝設備參數與控制要求見表2。

表2 連鑄主要工藝參數

2 水口結瘤機理分析

停澆水口中的結瘤物外觀如圖1 所示。取結瘤物做電鏡分析，結瘤物主要是A1、Ti 的氧化物，Ca/A1 比明顯偏低，結果見圖2 和表3。鋁脫氧的冷鐓鋼10B21 在轉爐和LF 爐脫氧冶煉過程中會形成高熔點的A12O3、CaS、A12O3·TiO2等夾雜物，如果LF 末期鈣處理不好，在澆注過程中，當鋼水經中間包上水口流入結晶器時，高熔點的夾雜物就容易粘附在塞棒頭位置和上水口內壁，在水口壁和碗部形成結瘤物質，嚴重影響塞棒的控流作用。隨著鋼水澆注的進行，水口結瘤物的析出、附著、聚集長大越來越嚴重，水口過鋼量逐漸減小，嚴重時直至連鑄停澆。

圖1 結瘤物形貌

圖2 結瘤物電子圖像

表3 結瘤物主要成分 %

3 水口結瘤物來源分析

3.1 鋁脫氧產物（A12O3）的形成

澆注過程中有脫氧產物A12O3夾雜在水口內壁附著沉積，引起水口堵塞，說明鋼水在精煉、澆注過程中［Al］有氧化，生成大量尖銳狀且熔點較高的A12O3夾雜。

3.2 鈣處理效果不好

由于鈣處理不得當，沒有使高熔點脆性的CaO-A12O3系夾雜轉變為含鈣量較高的低熔點鈣鋁酸鹽夾雜（如12CaO·7A12O3），以及鋼中鋁脫氧產物沒有很好上浮固定在精煉渣中，致使鋼水中有CaO·A12O3、CaO·2A12O3等高熔點的鋁酸鈣。

3.3 含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）的產生

鈦與鋁具有相似的活潑性，鈦在鋼水中極易被氧化成A12O3·TiO2，相比于純A12O3夾雜，含鈦氧化物與鋼液間的潤濕性更好,且由于該類夾雜物比重大，在流經水口時極易在水口壁停滯，形成更為嚴重的浸入式水口結瘤、堵塞問題。

3.4 鋼水中CaS 產生

鋼中加入的Ca 除與A1203反應外，還能與鋼中的S 反應生成CaS，隨著硫含量的增加，易在鋼水中形成高熔點的CaS（熔點為2 450 ℃），從而影響鋼水的流動性，引起水口堵塞。若鋼中S 含量過高，Ca 優先與鋼中的S 結合生成CaS，為提高鈣處理轉變為12CaO·7A1203的效率，使Ca與A1203結合，應將鋼水中的S 含量控制在0.01%以內。

3.5 操作不當，使鋼水二次氧化

澆注過程前期準備和操作不當，導致鋼水發生二次氧化，從而生成高熔點夾雜物聚集在水口。由于鈦鋁鎮靜鋼對于二次氧化非常敏感，在發生二次氧化后，A1/Ti 與O 的復合夾雜物數量明顯增多，且其極易在水口耐材表面沉積。

4 控制方法和改進措施

4.1 轉爐出鋼工藝優化

（1）轉爐終點控制。轉爐鋼水終點含氧量過高會造成鋼中［Al、B、Ti］大量氧化，是后期產生大量氧化物夾雜的主要原因，因此降低鋼水初始氧含量可減少脫氧產物，減少初生夾雜物的數量。通過加強終點控制和管理，轉爐冶煉終點C 含量平均值從0.076%提高至0.093%，最小值從0.057%提高至0.072%，大幅降低了鋼水初始氧含量。

（2）轉爐出鋼頂渣加入工藝的改進。轉爐出鋼頂渣料：石灰加入量從200～300 kg 提高至500～600 kg，螢 石 從100～150 kg 提 高 至200～300 kg，鋼芯鋁200～250 kg，同時加入電石復合脫氧。出鋼過程中及時加入頂渣料，利用出鋼過程鋼水沖擊和鋼包底吹氬攪拌，促進頂渣快速熔化，實現大渣量、造渣前移，從而使鋼水脫氧合金化過程中產生的夾雜物及時上浮。頂渣料結構調整后，有效地解決了LF 進站頂渣結殼問題，減輕了精煉造渣造成的二次氧化，縮短了造白渣時間，鋼水Al 含量穩定控制在0.010%～0.035%之間。

4.2 優化LF 爐精煉工藝

LF 爐是鋼水脫氧、脫硫、純凈度保證的關鍵工序，主要從優化白渣精煉制度、優化鈣處理工藝、優化氬氣攪拌控制三個方面提高鋼水潔凈度。

4.2.1 白渣精煉制度

促進精煉鋼水夾雜物上浮吸收的前提是造好低氧化性、堿度適合的精煉渣，因此要求精煉渣具有高堿度、低氧化性、低熔點的特點，要求有良好的流動性和適量的渣量，具有較好的脫硫和吸附脫氧夾雜物的能力。將精煉渣中的CaO/A12O3控制在1.7～1.9，精煉渣堿度R 控制在3.0 以上；爐渣中的A12O3含量穩定控制在22%～30%，（FeO+MnO）含量控制在2%以內。

加入鈦鐵前，先使用鋁脫氧，當鋼水中其他化學成分調整進標準后，加入鈦鐵，且加入時避免大氬氣攪拌，盡量減少Ti 的損耗及含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）的產生。

4.2.2 優化鈣處理工藝

因為10B21 主要以鋁脫氧，脫氧產物主要為A12O3夾雜，如若鈣處理不當，極易形成高熔點的鋁酸鈣夾雜物，在鋼水中呈固態且尖銳狀，在連鑄澆注過程中很容易附著在中間包水口壁上引起結瘤，并且殘留在鋼中的A12O3夾雜在鋼中屬于硬脆相，隨中間包、結晶器進入到鑄坯中，在后續軋制過程中造成嚴重的缺陷。

含鋁鋼的鈣處理是將鋼中的A12O3夾雜轉變成低熔點的鈣鋁酸鹽，實質上是鋼水中氧、硫、鈣、鋁等元素和CaO、A12O3、CaS 夾雜相互作用的過程。采用鈣鐵線對鋼水脫氧產物進行變性處理，可使不同類型高熔點的CaO-A12O3系夾雜轉變為熔點1 400 ℃的12CaO·7A12O3,其在鋼中呈液態球狀而容易上浮。

鈣處理在合金化結束后進行，應注意幾點：鈣處理前，要求鋼水中的硫含量在0.010%以內，可以防止后期形成熔點2 450 ℃的CaS 水口結瘤物，鈣處理“液態窗口”會變寬，便于實際操作；鈣處理時氬氣流量調到300～400 L/min 為宜，使鋼中具有較好的動力學條件，利于鈣處理充分進行；根據精煉渣的顏色，一次性喂入適量鈣鐵線。最終建立鋼水鈣處理評價效果標準，保證鋼水中過程成分Ca 含量在0.001 5%～0.004 0%。

4.2.3 優化氬氣攪拌控制

在精煉過程的中前期，建議把氬氣流量調大些，以便快速化渣、造好渣，為脫氧、脫硫、合金化創造有利條件，鋼包氬氣流量為600～850 L/min；在精煉過程升溫中應適當把氬氣流量調小一些，便于保持精煉渣發泡提高埋弧送電的穩定性，在保障鋼水脫氧、脫硫反應進行的同時，減少卷渣、吸氣和鋼水的二次氧化。

后期喂線氬氣控制：精煉鈣處理后軟吹應小流量控制，氬氣流量為150～300 L/min（應根據鋼包透氣磚的實際使用情況進行調節，以鋼液面微微波動，鋼水不裸露為宜），如圖3 所示，時間控制在8 min 以上，便于促進鋁脫氧產物（A12O3）、含鋁鈦系氧化物（A12O3·TiO2）夾雜有充分的碰撞長大、上浮動力和上浮時間。杜絕氬氣流量過大，造成的鋼中鈣和酸溶鋁的損失以及鋼水的二次氧化，確保鋼水的潔凈度和可澆性。

圖3 LF 底吹攪拌曲線

4.3 加強連鑄工藝控制

為了減少開澆過程水口結瘤，主要采取以下措施：

（1）中間包烘烤前進行氬氣吹掃，清除中間包砌筑過程殘留在包內的耐材，減少對開澆鋼水的污染；

（2）中間包、上水口、浸入式水口烘烤均勻，適當提高烘烤溫度和延長烘烤時間，防止水口內壁凝結鋼液而加劇水口結瘤；

（3）中間包首爐軟攪拌時間要控制在10 min以上，精煉時間控制在35 min 以上。

為了減少澆注過程中的二次氧化，生產中采取了以下措施：

（1）提高保護澆注效果，采用長水口加密封墊，確保鋼包下水口與長水口之間密封良好；同時確保長水口對中良好，保持液面穩定，從而減少鋼水的二次氧化和卷渣；

（2）大包澆注末期剩余鋼水4～6 t 時，抬起大包觀察下渣情況，防止下渣及過早抬起造成鋼水二次氧化；

（3）澆注過程中中間包采用雙層覆蓋劑，下層為中間包專用覆蓋劑，上層為碳化稻殼。

5 改進效果

通過采取提高轉爐終點控制、調整頂渣料與脫氧合金配比、優化精煉工藝、減少二次氧化等措施，鋼水T[O]%含量平均值從0.002 7%降低至0.001 8%，T[O]%含量穩定控制在0.030%以下；連鑄過程鋁損平均降低0.002%，鋁損最大值降低0.004%；鋼水的流動性和可澆性得到了明顯改善，具體數據見表4。通過一系列措施的改進，10B21的連澆爐數得到明顯提高，如圖4 所示。

圖4 連澆爐數對比

表4 指標改善數據

6 結論

（1）冷鐓鋼10B21 連鑄水口結瘤物主要是高熔點的A12O3、CaS、A12O3·TiO2夾雜在澆注過程中附著在水口內壁，并不斷地聚集長大，其主要來源為：未排除鋼水的鋁脫氧產物、鈣處理不當形成的A12O3高熔點物、CaS 夾雜、A12O3·TiO2復合夾雜以及澆注過程不當造成的鋼水二次氧化產物。

（2）通過加強轉爐操作和終點控制，爐后加大脫氧合金和渣料的加入量，實現10B21 冶煉工序脫氧、造渣前移；LF 確保白渣精煉制度、優化鈣處理工藝以及鋼水軟吹控制，保障鋼水潔凈度；連鑄做好中間包和水口開澆前的各項工作、加強保護澆注防止鋼水二次氧化等，有效改善了鋼水的潔凈度和可澆性，解決了冷鐓鋼10B21 在澆注過程中水口結瘤的問題。