连铸机水口结瘤分析及预防措施探讨

侯 葵

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

0 引言

天津钢铁集团有限公司（以下简称天钢）炼钢厂拥有两台六机六流方圆坯连铸机，两台板坯连铸机。生产的钢种主要以石油套管、锅炉管、压力容器、高强船板、桥梁、风塔用钢等为主。由于冶炼钢种的多样化，连铸生产过程中常出现中包水口结瘤现象，不仅影响了连铸正常的生产秩序，且对铸机的产能及产品质量也带来较大影响。理论上，水口结瘤现象主要是钢水流动性差造成的水口结 “冷钢”和钢中夹杂物析出堵塞水口，而影响钢水流动性和夹杂物的主要因素包括：钢水温度、钢水化学成分、钢中的气体含量、钢中夹杂物含量及形态等。

本文结合天钢连铸生产实际，介绍了连铸中包水口结瘤的各种特征，总结分析了水口堵塞的机理和原因，并有针对性的提出了具体解决措施。

1 水口结瘤的塞棒特征曲线分析

研究发现，在浇铸过程中，一旦出现水口结瘤，最显著的特点就是塞棒开启度迅速上涨，但由于导致水口结瘤的原因不同，塞棒开启度特征曲线存在明显差别。

1.1 水口结“冷钢”塞棒特征曲线

水口内结“冷钢”塞棒特征曲线如图1 所示。由图1 中可看出，在几分钟之内，塞棒开启度急速上涨，直至塞棒不能再继续打开，导致浇铸中断。在停浇后，可清楚看到水口中铸有大量冷钢。

图1 冷钢导致水口结瘤塞棒特征曲线

1.2 夹杂物导致水口结瘤塞棒特征曲线

因Al2O3、SiO2、镁铝尖晶石等夹杂物不断聚集在水口附近导致水口结瘤，其塞棒特征曲线如图2所示。由图2 中可看出，在1 小时之内，塞棒开启度是缓慢上涨的，直至浇铸中断，这表明水口附近的夹杂物是逐渐增多的。当铝镇静钢发生水口结瘤时，在水口中可看到聚集的白色Al2O3夹杂物；而非铝镇静钢发生水口结瘤时，在水口中看不到白色Al2O3夹杂物。

图2 夹杂物导致水口结瘤塞棒特征曲线

2 水口结瘤成因分析

2.1 “冷钢”导致水口结瘤

水口内结“冷钢”主要原因是钢水温度低于正常浇铸温度，而浇注温度是连铸的基本参数之一。浇注温度偏低会造成：钢水发粘，夹杂物不易上浮；结晶器表面钢水凝壳，导致铸坯表面缺陷；水口冻结，浇注中断。浇注温度过高会造成：耐火材料严重冲蚀，钢中夹杂物增多；增加钢水从空气中吸氧和氮；出结晶器坯壳薄易漏钢；铸坯柱状晶发达，中心偏析严重。造成钢水温度低的主要原因有：

（1）钢包包况差。主要是大、中修后头两次包以及包底包等造成包内钢水温降大。

（2）钢包投入过多，造成钢包离线时间过长。通过对钢包使用情况分析，得出了钢包离线时间与钢包到中间包温降的关系曲线（见图3）。由图3 看出，钢包离线时间越长，钢包到中间包温降越大。

图3 离线时间与钢包到中包温降关系曲线

（3） 钢包加盖装置故障或覆盖剂加入量少，表面散热大，后期钢水温度低。

（4）钢包吹氩时间短，包壁吸热不充分，造成钢水温度不均匀。通过对钢包吹氩时间及中包温降分析，得出了钢包吹氩时间与中间包温度散差的关系曲线（见图4）。由图4 可以看出，吹氩时间对钢包内部钢水温度均匀性的影响很大，吹氩时间低于8 分钟，钢包内部钢水存在较大的温度梯度，导致中包温度散差较大。

图4 吹氩时间与中间包温度散差的关系图

（5）中间包烘烤不理想，开浇初期钢水温降大。

2.2 钢水中夹杂物导致水口结瘤

钢水中夹杂物来源主要有：脱氧产物、Ca 处理时新形成的不同产物聚集化合、二次氧化、耐火材料和卷渣。

2.2.1 脱氧产物夹杂物分析

（1）钢中不要求酸溶铝的钢水脱氧产物。当钢种要求严格控制钢中铝含量时，若只采用Si 和Mn脱氧，形成的脱氧产物主要为纯SiO2（固体）、MnO·SiO2（液体）及MnO·FeO(固溶体)，此时SiO2是造成连铸水口结瘤的主要因素（见图5）。但仅仅用Si 和Mn 脱氧，如果不采用LF 炉造白渣扩散脱氧，铸坯易形成皮下气泡，为此需再配加少量铝强化脱氧，此时脱氧产物为蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）、锰铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）和Al2O3，熔点最低的锰铝榴石在钢水中以液体形式存在（见图6 阴影区），可通过精炼吹氩、镇静上浮排除，而蔷薇辉石和Al2O3的熔点较高，难以从钢液中去除，在浇注过程中极易堵塞水口，因此，在硅铝镇静钢中造成水口结瘤的的夹杂物主要是高熔点的蔷薇辉石和Al2O3。

图5 FeO-MnO-SiO2 三元相图

图6 MnO-SiO2-Al2O3 三元相图

（2）铝镇静钢脱氧产物。铝在钢中的主要作用是细化晶粒，固定钢中的氮，从而提高钢的冲击性能，降低冷脆和时效倾向性。在冶炼含铝钢时，当钢中酸溶铝含量大于0.006%，氧化物夹杂几乎全部为Al2O3，Al2O3熔点高（2 050 ℃），在钢水中呈固态，因此，钢水的可浇性差，极易造成水口堵塞。另外，Al2O3可塑性差，在轧制时不变形，严重影响钢材性能。

（3）钢水中虽然含有微量的Mg，但在LF 和VD冶炼过程中可形成高熔点的镁铝尖晶石（MgO·Al2O3，熔点2 135 ℃），堵塞水口。钢包渣或MgO-C砖中也可释放出Mg 形成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF炉白渣精炼时间越长，钢包渣中的MgO 越高，精炼渣的碱度越高MgO·Al2O3形成的越多，水口结瘤越严重。

2.2.2 Ca 处理时形成的夹杂物分析

在冶炼品种钢时，钙处理工艺是将钢水中非金属夹杂物去除到极低水平并对非金属夹杂物进行变性处理的重要手段。对于Al2O3类夹杂物，主要是通过钙处理对夹杂物改性的手段加以去除。根据图7 可知[2]，随着钢水中Ca 含量的不断增加，钢水中夹杂物的Ca 含量也在不断增加，形成的复合夹杂物依次 为CA6、CA2、CA、C12A7、C3A （C、A 代 表CaO、Al2O3）。表1 为CaO-Al2O3类夹杂物的化学成分及物性指标。其中CA6、CA2的熔点均＞1 700 ℃，生产中必须加以避免。

由图7 和表1 可以看到：当钢水中含有Al2O3、CA6、CA2、CA 高熔点夹杂物时，水口浇注不顺畅；当Ca/Al≥0.10 时，钢水中夹杂物已转变为C12A7，熔点较低，易于浇注。此外，当Ca 加入量过多时，钢水中会形成高熔点的CaS（熔点为2 450 ℃）夹杂物，同样会恶化钢水的浇铸性能。由图8 可知，钢水中[S]＞0.02%，[Ca]含量达到5～10×10-6就可生成CaS。

表1 CaO-Al2O3 类夹杂物的化学成分及物性指标

图7 钢水Ca/Al 与水口流量关系

图8 不同温度下[Ca]-[S]平衡图

综上所述，为了确保连铸良好的浇铸性能，要对钢水进行钙处理，但钙的加入量要适中，也就是说，加入的钙太少或太多，均得不到理想的效果。钙含量过低时，形成的仍是高熔点的复合夹杂物，此时比不进行钙处理的钢浇铸性能还差；钙含量过高时，又易生成CaS 高熔点夹杂物，浇铸性能仍比较差。图9 中的阴影部分就是钙处理钢的最佳控制区[3]，在该区域形成的夹杂物全是液态的，浇铸性能最好。

图9 钙处理最佳控制区

2.2.3 二次氧化夹杂物分析

造成钢水二次氧化的主要原因包括：钢水处理过程中，氩气量大，钢水液面裸露；钢包、中间包覆盖剂加入量少或理化指标较差，隔绝空气效果差；钢包水口保护套管气封效果差，连接处负压吸氧；清理保护套管时，未将套管移出中间包，氧化物及氧气进入；中间包液面落差大，液面上升时卷入包衬粘结的覆盖剂；开浇时钢包内钢水没有自动流出，烧氧处理。

2.2.4 铝镇静钢水口结瘤物成分分析

对铝镇静钢典型水口结瘤的内壁结瘤物取样后分析，结瘤物成分如表2 所示。由从表2 可以看出：高熔点夹杂物主要为Al2O3；结瘤中MnO 含量高达1.0%，而目前工艺条件下，天钢冶炼铝镇静钢精炼出站渣样中的MnO 含量仅为0.2%，根据此氧化物的特性，钢水中MnO 的含量可以判断为痕迹。因此，水口析出物中MnO 的来源可以判定为钢水二次氧化造成，同时也说明，水口析出物中的Al2O3、CaO等成分有一部分也为二次氧化造成产生的。另外，从该种LF 炉出站钢中的酸不溶铝含量一般仅为0.001%，但浇注到连铸中间包内，钢水中的酸不溶铝上升到0.01%，这以证明Al2O3的来源主要是钢水的二次氧化。

表2 铝镇静钢水口结瘤物成分

3 水口结瘤的预防措施

3.1 钢水温度低造成的水口结瘤预防措施

（1）强化钢包烘烤，保证红包出钢，减少钢水温降。

（2）转炉和精炼炉要结合钢种、出站时间、包况和生产节奏等控制终点温度，提高出站钢水温度命中率。

（3）保证钢水上连铸前软吹氩时间在8 分钟以上，并保持钢水液面不裸露。

（4）减少钢包的周转数量，降低钢包的周转时间，保证钢包离线时间在40 分钟以内。

（5）保证钢包、中间包覆盖剂的加入量和连铸钢包包盖的正常使用，减少钢水散热。

3.2 高熔点夹杂物造成的水口结瘤预防措施

3.2.1 SiO2造成水口结瘤的预防措施

（1）脱氧采用先弱后强，既保证钢水的脱氧程度达到钢种的要求，又利于脱氧产物的上浮。

（2） 脱氧合金的加入顺序应采用先Fe-Mn、后Fe-Si，Mn 先氧化、Si 后氧化，利于形成2MnO·SiO2，它的熔点较低，液态的2MnO·SiO2彼此碰撞生成大颗粒夹杂物利于上浮。

（3）提高[Mn]/[Si]，就可以产生足够的MnO 与SiO2结合而生成2MnO·SiO2，降低纯SiO2的含量。3.2.2 蔷薇辉石造成水口结瘤的预防措施

对于硅铝镇静钢，为了防止形成蔷薇辉石，同时，无单独的Al2O3析出，应在保证脱氧的情况下，减少铝的用量，使钢中[Als]≤0.006%，既保证钢中[0]＜20 ppm，铸坯不产生皮下气孔，又可生成锰铝榴石而非高熔点的蔷薇辉石，也没有单独的A12O3析出，钢水可浇性良好。

根据形成锰铝榴石和蔷薇辉石中MnO、Al2O3和SiO2的比例，在锰铝榴石中Al2O3与MnO 的比值比蔷薇辉石中的比值要小的多，因此，在选择脱氧剂时不仅要减少铝的用量，而且要优先加入Fe-Mn，后加入Fe-Si 和铝，以便有较多的MnO，较少的Al2O3和SiO2，为形成锰铝榴石而非蔷薇辉石、Al2O3创造条件。

3.2.3 Al2O3造成水口结瘤的预防措施

为了防止Al2O3造成的水口结瘤，首先要严格控制钢中和渣中的氧含量，少生成高熔点的Al2O3。具体措施如下：

（1）转炉采用高拉碳操作，在有条件的情况下，不增碳或少增碳而达到成品碳的要求，使与之平衡的氧含量尽可能少；提高转炉一次倒炉率，尽量减少补吹或后吹。

（2）采取尽可能低的拉碳枪位，尽可能长的拉碳时间，终点加入调渣剂（如MgC 球），减少转炉下渣等措施，降低包中（∑FeO）含量。

（3）转炉的终点温度尽可能小于1 640 ℃。

（4）确定好复吹曲线，复吹强度要在不同的吹炼区间有所区别，尤其要强化后搅。

（5）转炉脱氧合金化过程尽可能脱掉钢水中的游离氧，保证钢中有脱氧剩余的[AlS]。

其次，对于已经形成的Al2O3，要使之能够充分上浮。具体措施如下：

（1）作为脱氧产物的Al2O3要尽可能早的形成，使之有充分的时间上浮并排出，也就是用铝脱氧尽可能的前移。

（2）吹氩强度要适中。氩气量过小，Al2O3没有充分的动能上浮；氩气量过大，钢包卷渣使Al2O3重新污染钢液。

（3）适当调整渣系结构，使渣中含有一定与脱氧产物相同的成分；降低精炼渣熔点，减小脱氧产物与液渣之间的界面张力，使氧产物更容易被精炼渣吸附。

3.2.4 镁铝尖晶石造成水口结瘤的预防措施

（1）LF 白渣精炼时间不应太长。如果遇到生产事故，白渣精炼时间被迫延长，应扒除钢包顶渣重新造渣和换钢包操作。

（2）LF 顶渣加脱氧剂（CaC2、SiFe 粉、Si-Ca 粉）不应过量，石灰加入不要过量，保持合适碱度，以利于吸收钢中MgO。

3.3 预防钢水二次氧化的措施

（1）钢包吹氩处理过程中，氩气量要适中，以钢水蠕动、液面不裸露为宜。

（2）钢包、中间包覆盖剂理化性能和加入量要适宜，保证隔绝空气的效果和吸附夹杂的能力。

（3）钢包浇铸保护套管处加密封垫并通入氩气保护，保证与钢包连接处微正压。清理保护套管时，一定要将套管移出中间包，防止烧氧的氧化物及氧气进入中间包。

（4）提高钢包的自开率，保持中间包液面稳定，中间包浇注全程吹氩密封。

4 结语

针对经常出现的中包水口结瘤现象，天钢炼钢厂通过加强钢包运行管理、优化吹氩制度、控制脱氧产物生成和形态、强化夹杂物变性处理、防止钢水二次氧化等手段，有效的解决了连铸钢水的流动性差、钢中高熔点夹杂物的含量高的问题，基本消除了因水口结“冷钢”和钢中夹杂物析出堵塞水口造成的水口结瘤现象。在保证了连铸生产秩序的同时，提高了铸机的产能和铸坯的质量，取得了显著的经济效益。