冷镦钢10B21 水口结瘤原因及改进措施

贾黎杰 贺瑞飞 刘广超 刘 鹏

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

随着我国现代化汽车制造、家用电器等行业的迅速发展，对冷镦工艺制造的高档标准件需求逐年上升，其中高强度冷镦钢10B21 广泛应用于标准件行业，前景十分广阔。安钢自成功开发该产品后，生产量稳步增加，成为公司重要创效的产品之一。

冷镦钢10B21 由6 机6 流小方坯浇铸，断面为150 mm×150 mm。由于10B21 主要采用Al、Ti、B 等元素微合金化处理，随着连浇炉数增加，析出的中间包浸入式水口结瘤物会越来越多，出现严重堵塞水口，常需要烧氧处理，甚至会造成连铸断浇，扰乱了正常的生产秩序；且水口结瘤物的脱落通过结晶器进入钢液后，造成铸坯大颗粒夹杂增多，恶化铸坯质量。

笔者通过对10B21 生产跟踪，对水口结瘤物的主要来源及形成原因进行了分析，并采取相应控制措施，有效地解决了该钢种在连铸生产中出现水口结瘤的问题，提高了冷镦钢铸坯的质量及合格率，保证了生产顺行。

1 生产工艺流程和工艺参数

1.1 生产工艺流程

高炉铁水→100 t 顶底复吹转炉→100 tLF 炉精炼→6 机6 流方坯连铸机。

1.2 钢水成分

10B21 熔炼化学成分控制范围见表1。

表1 熔炼化学成分

1.3 连铸工艺参数

连铸主要工艺设备参数与控制要求见表2。

表2 连铸主要工艺参数

2 水口结瘤机理分析

停浇水口中的结瘤物外观如图1 所示。取结瘤物做电镜分析，结瘤物主要是A1、Ti 的氧化物，Ca/A1 比明显偏低，结果见图2 和表3。铝脱氧的冷镦钢10B21 在转炉和LF 炉脱氧冶炼过程中会形成高熔点的A12O3、CaS、A12O3·TiO2等夹杂物，如果LF 末期钙处理不好，在浇注过程中，当钢水经中间包上水口流入结晶器时，高熔点的夹杂物就容易粘附在塞棒头位置和上水口内壁，在水口壁和碗部形成结瘤物质，严重影响塞棒的控流作用。随着钢水浇注的进行，水口结瘤物的析出、附着、聚集长大越来越严重，水口过钢量逐渐减小，严重时直至连铸停浇。

图1 结瘤物形貌

图2 结瘤物电子图像

表3 结瘤物主要成分 %

3 水口结瘤物来源分析

3.1 铝脱氧产物（A12O3）的形成

浇注过程中有脱氧产物A12O3夹杂在水口内壁附着沉积，引起水口堵塞，说明钢水在精炼、浇注过程中［Al］有氧化，生成大量尖锐状且熔点较高的A12O3夹杂。

3.2 钙处理效果不好

由于钙处理不得当，没有使高熔点脆性的CaO-A12O3系夹杂转变为含钙量较高的低熔点钙铝酸盐夹杂（如12CaO·7A12O3），以及钢中铝脱氧产物没有很好上浮固定在精炼渣中，致使钢水中有CaO·A12O3、CaO·2A12O3等高熔点的铝酸钙。

3.3 含铝钛系氧化物（A12O3·TiO2）的产生

钛与铝具有相似的活泼性，钛在钢水中极易被氧化成A12O3·TiO2，相比于纯A12O3夹杂，含钛氧化物与钢液间的润湿性更好,且由于该类夹杂物比重大，在流经水口时极易在水口壁停滞，形成更为严重的浸入式水口结瘤、堵塞问题。

3.4 钢水中CaS 产生

钢中加入的Ca 除与A1203反应外，还能与钢中的S 反应生成CaS，随着硫含量的增加，易在钢水中形成高熔点的CaS（熔点为2 450 ℃），从而影响钢水的流动性，引起水口堵塞。若钢中S 含量过高，Ca 优先与钢中的S 结合生成CaS，为提高钙处理转变为12CaO·7A1203的效率，使Ca与A1203结合，应将钢水中的S 含量控制在0.01%以内。

3.5 操作不当，使钢水二次氧化

浇注过程前期准备和操作不当，导致钢水发生二次氧化，从而生成高熔点夹杂物聚集在水口。由于钛铝镇静钢对于二次氧化非常敏感，在发生二次氧化后，A1/Ti 与O 的复合夹杂物数量明显增多，且其极易在水口耐材表面沉积。

4 控制方法和改进措施

4.1 转炉出钢工艺优化

（1）转炉终点控制。转炉钢水终点含氧量过高会造成钢中［Al、B、Ti］大量氧化，是后期产生大量氧化物夹杂的主要原因，因此降低钢水初始氧含量可减少脱氧产物，减少初生夹杂物的数量。通过加强终点控制和管理，转炉冶炼终点C 含量平均值从0.076%提高至0.093%，最小值从0.057%提高至0.072%，大幅降低了钢水初始氧含量。

（2）转炉出钢顶渣加入工艺的改进。转炉出钢顶渣料：石灰加入量从200～300 kg 提高至500～600 kg，萤 石 从100～150 kg 提 高 至200～300 kg，钢芯铝200～250 kg，同时加入电石复合脱氧。出钢过程中及时加入顶渣料，利用出钢过程钢水冲击和钢包底吹氩搅拌，促进顶渣快速熔化，实现大渣量、造渣前移，从而使钢水脱氧合金化过程中产生的夹杂物及时上浮。顶渣料结构调整后，有效地解决了LF 进站顶渣结壳问题，减轻了精炼造渣造成的二次氧化，缩短了造白渣时间，钢水Al 含量稳定控制在0.010%～0.035%之间。

4.2 优化LF 炉精炼工艺

LF 炉是钢水脱氧、脱硫、纯净度保证的关键工序，主要从优化白渣精炼制度、优化钙处理工艺、优化氩气搅拌控制三个方面提高钢水洁净度。

4.2.1 白渣精炼制度

促进精炼钢水夹杂物上浮吸收的前提是造好低氧化性、碱度适合的精炼渣，因此要求精炼渣具有高碱度、低氧化性、低熔点的特点，要求有良好的流动性和适量的渣量，具有较好的脱硫和吸附脱氧夹杂物的能力。将精炼渣中的CaO/A12O3控制在1.7～1.9，精炼渣碱度R 控制在3.0 以上；炉渣中的A12O3含量稳定控制在22%～30%，（FeO+MnO）含量控制在2%以内。

加入钛铁前，先使用铝脱氧，当钢水中其他化学成分调整进标准后，加入钛铁，且加入时避免大氩气搅拌，尽量减少Ti 的损耗及含铝钛系氧化物（A12O3·TiO2）的产生。

4.2.2 优化钙处理工艺

因为10B21 主要以铝脱氧，脱氧产物主要为A12O3夹杂，如若钙处理不当，极易形成高熔点的铝酸钙夹杂物，在钢水中呈固态且尖锐状，在连铸浇注过程中很容易附着在中间包水口壁上引起结瘤，并且残留在钢中的A12O3夹杂在钢中属于硬脆相，随中间包、结晶器进入到铸坯中，在后续轧制过程中造成严重的缺陷。

含铝钢的钙处理是将钢中的A12O3夹杂转变成低熔点的钙铝酸盐，实质上是钢水中氧、硫、钙、铝等元素和CaO、A12O3、CaS 夹杂相互作用的过程。采用钙铁线对钢水脱氧产物进行变性处理，可使不同类型高熔点的CaO-A12O3系夹杂转变为熔点1 400 ℃的12CaO·7A12O3,其在钢中呈液态球状而容易上浮。

钙处理在合金化结束后进行，应注意几点：钙处理前，要求钢水中的硫含量在0.010%以内，可以防止后期形成熔点2 450 ℃的CaS 水口结瘤物，钙处理“液态窗口”会变宽，便于实际操作；钙处理时氩气流量调到300～400 L/min 为宜，使钢中具有较好的动力学条件，利于钙处理充分进行；根据精炼渣的颜色，一次性喂入适量钙铁线。最终建立钢水钙处理评价效果标准，保证钢水中过程成分Ca 含量在0.001 5%～0.004 0%。

4.2.3 优化氩气搅拌控制

在精炼过程的中前期，建议把氩气流量调大些，以便快速化渣、造好渣，为脱氧、脱硫、合金化创造有利条件，钢包氩气流量为600～850 L/min；在精炼过程升温中应适当把氩气流量调小一些，便于保持精炼渣发泡提高埋弧送电的稳定性，在保障钢水脱氧、脱硫反应进行的同时，减少卷渣、吸气和钢水的二次氧化。

后期喂线氩气控制：精炼钙处理后软吹应小流量控制，氩气流量为150～300 L/min（应根据钢包透气砖的实际使用情况进行调节，以钢液面微微波动，钢水不裸露为宜），如图3 所示，时间控制在8 min 以上，便于促进铝脱氧产物（A12O3）、含铝钛系氧化物（A12O3·TiO2）夹杂有充分的碰撞长大、上浮动力和上浮时间。杜绝氩气流量过大，造成的钢中钙和酸溶铝的损失以及钢水的二次氧化，确保钢水的洁净度和可浇性。

图3 LF 底吹搅拌曲线

4.3 加强连铸工艺控制

为了减少开浇过程水口结瘤，主要采取以下措施：

（1）中间包烘烤前进行氩气吹扫，清除中间包砌筑过程残留在包内的耐材，减少对开浇钢水的污染；

（2）中间包、上水口、浸入式水口烘烤均匀，适当提高烘烤温度和延长烘烤时间，防止水口内壁凝结钢液而加剧水口结瘤；

（3）中间包首炉软搅拌时间要控制在10 min以上，精炼时间控制在35 min 以上。

为了减少浇注过程中的二次氧化，生产中采取了以下措施：

（1）提高保护浇注效果，采用长水口加密封垫，确保钢包下水口与长水口之间密封良好；同时确保长水口对中良好，保持液面稳定，从而减少钢水的二次氧化和卷渣；

（2）大包浇注末期剩余钢水4～6 t 时，抬起大包观察下渣情况，防止下渣及过早抬起造成钢水二次氧化；

（3）浇注过程中中间包采用双层覆盖剂，下层为中间包专用覆盖剂，上层为碳化稻壳。

5 改进效果

通过采取提高转炉终点控制、调整顶渣料与脱氧合金配比、优化精炼工艺、减少二次氧化等措施，钢水T[O]%含量平均值从0.002 7%降低至0.001 8%，T[O]%含量稳定控制在0.030%以下；连铸过程铝损平均降低0.002%，铝损最大值降低0.004%；钢水的流动性和可浇性得到了明显改善，具体数据见表4。通过一系列措施的改进，10B21的连浇炉数得到明显提高，如图4 所示。

图4 连浇炉数对比

表4 指标改善数据

6 结论

（1）冷镦钢10B21 连铸水口结瘤物主要是高熔点的A12O3、CaS、A12O3·TiO2夹杂在浇注过程中附着在水口内壁，并不断地聚集长大，其主要来源为：未排除钢水的铝脱氧产物、钙处理不当形成的A12O3高熔点物、CaS 夹杂、A12O3·TiO2复合夹杂以及浇注过程不当造成的钢水二次氧化产物。

（2）通过加强转炉操作和终点控制，炉后加大脱氧合金和渣料的加入量，实现10B21 冶炼工序脱氧、造渣前移；LF 确保白渣精炼制度、优化钙处理工艺以及钢水软吹控制，保障钢水洁净度；连铸做好中间包和水口开浇前的各项工作、加强保护浇注防止钢水二次氧化等，有效改善了钢水的洁净度和可浇性，解决了冷镦钢10B21 在浇注过程中水口结瘤的问题。