方坯低碳低硅钢水口结瘤的原因分析与控制

张杰新 龙贻菊 （重庆钢铁股份公司炼钢厂）

• 前言• 重钢炼钢厂生产的 12LW 是供汽车车轮

厂的轮辋钢，在 150×210mm2 方坯连铸机浇注过程中，经常出现因中包水口结瘤导致冲棒或水口烧氧，严重时发生浇注中断。为保证浇注 12LW 时生产顺行及质量稳定，需要弄清水口结瘤原因，并制定相应措施加以控制

• 1 、生产条件• 1.1 12LW 生产工艺流程• 脱硫铁水→ 80t 转炉复吹→钢包底吹氩→ 150x210mm

2 方坯连铸 • 1.2 12LW 熔炼成分要求

• 表 1 12LW 熔炼成分 （ % ）

牌号 C Si Mn P S

12LW0.06～ 0.1

1 ≤0.150.25～ 0.5

5 ≤0.025 ≤0.025

从表 1 可见， 12LW 属于典型的低碳低硅钢系列

2 、中包水口结瘤的表现特征 2.1 塞棒开度 浇铸过程采用塞棒开度控制中包到结晶器的钢水流量，以保持结晶器钢水液面平静。中间包浇注前期，塞棒开度相对稳定，随浇注时间的延长，出现塞棒开度越来越大，甚至开到最大，钢水流量仍跟不上正常浇铸速度。 2.2 结晶器液面 当出现水口结瘤时，为保证生产顺行，操作人员采取冲棒操作时，还会导致结晶器液面翻卷，增加结晶器卷渣和漏钢的几率。 2.3 水口结瘤实物 对水口堵塞严重的中包浇次结束，取水口实物样观察发现中包水口存在严重的结瘤物，且水口结瘤物断面层次清晰，见图 1 。

图 1 水口内部结瘤物结构图

• 3 、水口结瘤的相关调查• 3.1 调查方法• 由于 12LW 除碳低、硅低外，锰也较低，

钢水中 [O] 含量相对较高，通常使用 Al 作脱氧剂。为此，在调查水口结瘤原因时，采取如下方法：

• （ 1 ）用定氧仪对过程钢水定氧，跟踪脱氧深度；

• （ 2 ）取中包夹杂物进行金相检验和能谱分析；

• （ 3 ）对水口结瘤物取样进行电镜扫描分析

图 2 转炉终点氧分布图

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80 100 120

ppm

氧含

量，

3.2 调查结果（ 1 ）转炉终点氧控情况 见图 2

从图 2 可见：转炉终点氧含量高，平均为 1024ppm ，且波动大 ( 331.2 ～ 1970ppm ) 。

（ 2 ）吹氩站进站氧、出站氧与终脱氧喂铝量见： 表 2 和图 3

• 表 2 进站氧、出站氧与终脱氧喂铝量情况

项目 进站 αo ， pp

m

出站 αo ， pp

m终脱氧

喂铝量 ,m

炉数 31 28 31

最大 77.1 26.6 200

最小 10.1 4.8 30

平均 43.72 10.06 134.1

• 从表 2 、图 3 可见，出站平均氧含量 10.06ppm ，说明 12LW 较多炉次脱氧度过深，且喂铝量大。整个脱氧过程加入的铝量达到了 1.5kg/t钢，造成 Al2O3 夹杂物的生成量增大。

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50

ppm

氧含

量，

• 图 3 出站氧含量分布

（ 3 ）中包钢样中夹杂物分析• 金相检验结果：• 在 200 倍目镜下对各炉次各样品进行观

察 100 个视场，每个视场直径为在 1mm 。金相检验表明，钢中夹杂物多数是小于 50μm 的 Al2O3 、 SiO2 、硫化物夹杂，尤以5 ～ 10μm 居多。该类夹杂很难在中间包中上浮、排除，浇注过程中极易附着在水口壁，成为水口的结瘤物，影响浇注顺行。

夹杂物能谱分析： 对中包钢水夹杂物进行能谱分析结果如图 4和表3 ，从分析结果表明：夹杂物的主要元素是 Fe 、C、 O、 Al，其中含量最高是 Fe 元素。可见，此夹杂主要是 Fe2O3 和 Al2O3 。同时，夹杂物中还有较高的 S和一定量的 Si和 Ca元素。

图 4 夹杂物能谱分析

表 3 夹杂物能谱分析（重量百分比 )

元素序号 C O Al Si Ca Fe S

A 39.60 22.25 6.58 0.50 0.82 28.39 1.85

B 25.72 10.90 3.20 0 0 59.40 0.78

C 36.52 22.71 5.20 0.46 0.79 32.68 1.65

平均值 33.95 18.62 4.99 0.32 0.54 40.16 1.43

（ 4 ） 水口结瘤物分析结果 通过对水口内部结瘤物电镜扫描观察，容易发现结瘤物结构大致可分为以下三层（如图 1 ）所示，各层的特点具体如下： 脱碳层：该层即为水口内壁靠近耐火材料部分，呈黑褐色层，材质很疏松，内有许多的气孔，在做电镜扫描时进行抽真空，发现该物质含有很高的粉尘。脱碳层的主要元素是 C 、 O 、 Al 、 Zr 、 Fe 以及少量的 Mn 和 Si 。见图5 。

• 图 5 脱碳层各元素含量

致密层：该层厚度为 10个毫米左右，呈深蓝色，材质很坚硬，内嵌有不均匀的灰色或灰白色的其它物质。除此，还容易看到少部的铁粒。致密层的主要元素是 C、 O、 Al、 Fe以及一定量的 Zr、 Ca、Mn和 Si。见图 6。

图 6 致密层各元素含量

疏松层：此层结瘤物处于水口靠近其中心部位，与钢水直接接触，材质非常疏松，呈白色。疏松层的主要元素是 O、 Al、 Ca以及一定量的 Fe、Mg、Mn和 Si。见图 7。

图 7 疏松层各元素含量

4 、水口结瘤形成原因分析 对水口内壁结瘤物进行电镜扫描分析如下： 根据电镜扫描脱碳层分析出的元素可知：水口内壁结瘤物脱碳层的主要成分是 Al2O3 、 ZrO2 和 Fe2O3

及少量的 SiO2 和MnO 。 Fe2O3 、MnO为钢水中脱氧产物，它们与水口壁接触、附着在水口壁上导致了碳质水口表面的氧化脱碳，增加了水口表面的粗糙度，由此增加了钢水中其它夹杂物的附着力，如钢水中高熔点的 Al2O3 夹杂。 ZrO2 是水口耐材的剥离物。这说明钢水的氧化性及氧化性脱氧产物是导致水口结瘤的一重要原因，而钢水中高熔点的 Al2O3 夹杂是另一重要原因。

• 根据电镜扫描致密层分析出的元素可知：水口内壁结瘤物致密层的主要成分是 Al2O3 ，其次是 Fe2O3 和少量的 SiO2 、 MnO 和 ZrO2 。因为致密层占水口内部结瘤物的绝大部分，而此部的主要成分是 Al2O3 ，从而说明脱氧产物 Al2O3 是导致水口结瘤的主要原因。其中的 ZrO2 是水口耐材的剥离物向结瘤物方向的传递所致。

• 根据电镜扫描疏松层分析出的元素可知：在水口内壁结瘤物疏松堆积层的主要成分是 Al2O3 和 CaO ，其次是少量的 Fe2O3 、 SiO2 和 MnO 。通过计算得知此处结瘤物的 Ca/Al比值为 0.27 ，这表明疏松堆积层结瘤物主要是介于高熔点的 CaO.6 Al2O3 和 CaO.2 Al2O3 的复合化合物。

在生产过程中， 12LW主要是采用铝对钢水进行脱氧，由于采用直走氩站工艺，不能对钢水进行有效的钙处理；同时，由于连铸保护浇注不好，使钢水中铝二次氧化，这是钢水中产生大量 Al2O3 夹杂的主要原因。从水口堵塞炉次的喂铝量比正常炉次要多，出站氧含量比正常炉次要低看，说明脱氧产物 Al2O3 也多，从而会加剧水口堵塞。

• 5 、控制水口结瘤的措施• 在中包水口材质未改变的情况下，控制水口结

瘤的措施重点放在控制脱氧产物的生成和排除以及防止钢水二次氧化上，具体措施如下：

• 5.1 控制终点钢水氧含量≤ 800ppm以内，减少脱氧产物的生成。

• 在生产前首先根据脱硫铁水的温度情况，确定合适的脱硫铁水量，使过程 C—T基本协调；其次化好过程渣，提高倒炉成分命中率，控制点吹，保证转炉终点的钢水不严重过氧化。通过以上措施将转炉终点 [C]控制在 0.04~0.06% ；最后利用复吹转炉后搅 90秒使终点钢水氧含量达到控制目标。

• 5.2 强化转炉两步脱氧工艺，加大预脱氧，减少终脱氧喂铝量

• 采用“脱氧前移”的工艺：在出钢过程中根据终点情况调整钢水精炼剂的用量，固定 SiCaBaAl合金和铝铁的使用量，并规范各种脱氧剂的加入时间，达到稳定并降低进站钢水的氧含量的效果；在进站钢水氧含量降低的基础上把终脱氧铝丝的用量控制在一定的范围内，将出站氧控制在适当的程度（既防止气孔产生，又利于钢水可浇性的控制）。使整个脱氧过程使用的总铝量控制在 1kg/t 钢以内，减少在脱氧过程中 Al2O3 夹杂物的生成量。

• 5.3 合理控制到站温度和节奏，确保出站软吹氩时间≥ 5min 。

• 5.4 中包烘烤时间≥ 120 分钟；中包上水口使用锆质水口。

• 5.5 优化连铸保护浇注，采用密封环，中包执行先上大包保护浇注管后再开浇的浇注工艺，大包后期的敞浇时间控制在 3min以内。

• 5.6 中间包采用双层渣保温和吸附夹杂。• 6 、控制效果• 防止中包水口结瘤的措施实施后， 12LW 钢水

可浇性得到明显改善，主要体现在：

6.1 钢水脱氧控制情况

项目终点 αo 出站 αo 终脱氧喂铝量

平均， ppm 平均， ppm 平均 ,m/ 炉

改进前 1024 10.06 134.1

改进后 645.8 14.84 63.8

对改进后的 30 炉进行统计可见，钢水的脱氧程度的控制以及终脱氧的喂铝量都有较大的改观，出现严重堵水口的现象减少。

表 4 12LW改进前后脱氧控制情况

6.2 因中包水口结瘤造成的各类事故降低 表 5 12LW改进前后各类事故情况

项目 炉数 断浇 回炉 非计划进 LF 合计

改进前 94 2 1 1 4

改进后 88 0 0 0 0

6.3 单中包寿命明显提高

图 8 单中包浇注炉数情况

从图 8可见，中包的连浇炉数已有原来的 6 ～7炉延长到现在的 11 ～ 12 炉，因水口堵塞出现的换水口次数也明显减少，钢水的可浇性得到了较大的改观。

•7 、结论• 7.1 12LW 低碳低硅钢中包水口结瘤物主要是 Al2O3 和少量的 CaS 。• 7.2 钢水终点氧含量高以及钢水脱氧过度是脱氧产物 Al2O3 增加的主要原因。• 7.3 控制脱氧产物的生成、排除及预防钢水二次氧化是控制中包水口结瘤的主要措施。• 7.4 优化工艺后， 12LW 低碳低硅钢中包水口结瘤现象大幅度减少，责任事故降低了 10% ，中间包使用寿命也由原来的 6~7 炉提高到现在的 11~12 炉，效果显著。

谢 谢！