水口結瘤

水口結瘤一般發生在中間包水口內，較少發生在鋼包水口內，這是由於鋼包內鋼水二次氧化較少，夾雜物較少，且鋼包水口孔徑較大，流速也較快，不易粘附夾雜的緣故。但儘管如此，鋼包水口也有發生堵塞的案例，且堵塞速度快，無法挽救。鋼包水口堵塞和中間包水口堵塞既有相同點，也有不同點。

基本介紹

• 中文名：水口結瘤
• 外文名：Nozzle nodulation
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 結瘤位置：中間包水口內
• 原因：高熔點的氧化鋁及少量含氧化鋁

簡介

鋁鎮靜鋼由於採用鋁作為脫氧元素，脫氧後生成的氧化鋁夾雜物極易在澆鑄過程中產生水口結瘤問題。水口結瘤不僅給生產操作增加難度、帶來鋼卷的夾雜質量缺陷，甚至影響生產的連續性。提高純淨度、採用鈣處理工藝被視為解決水口結瘤問題的兩大主要途徑，此外改進浸入式水口的形狀、材質也被認為是阻止或改善水口結瘤的重要措施。

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司( 以下簡稱首鋼京唐) 自2009 年3 月投產以來，大量生產鋁鎮靜鋼鋼種，包括低碳鋼和超低碳鋼，水口結瘤問題一直是困擾澆鑄過程的重要問題，按爐次統計的水口結瘤率一度最高達27 %且非常不穩定，低碳鋼連澆爐數平均僅有8． 2 爐，影響連鑄工序恆拉速控制，降低恆拉速率約13 %，產生約15 %的非穩態板坯，使得夾雜類缺陷造成的帶出品高達3 %。為了解決這些問題，針對水口結瘤的典型現象進行分析，找出相關的預防措施並予以實際套用。

主要工藝設備簡介

首鋼京唐煉鋼廠的主要工藝流程為KR 脫硫→轉爐脫矽、脫磷→轉爐脫碳→二次精煉→連鑄。主體工藝配置為: KR 攪拌法鐵水脫硫設施4 套、300 t 頂底復吹脫碳轉爐3 座、300 t 頂底復吹脫磷轉爐2 座、300 t 雙工位LF 鋼包精煉爐1 座、300 t 雙工位RH 真空脫氣裝置2 座、離線CAS裝置2 套，採用“全三脫”冶煉工藝。

連鑄工序由2 台雙流2 150 mm 板坯連鑄機和2 台雙流1 650 mm 板坯連鑄機組成，採用了鋼包下渣檢測、全程無氧化保護澆鑄、結晶器液面自動控制、結晶器電磁製動等多項保證鑄坯質量的技術。

水口結瘤現象描述

水口結瘤一般發生在中間包水口內，較少發生在鋼包水口內，這是由於鋼包內鋼水二次氧化較少，夾雜物較少，且鋼包水口孔徑較大，流速也較快，不易粘附夾雜的緣故。但儘管如此，鋼包水口也有發生堵塞的案例，且堵塞速度快，無法挽救。鋼包水口堵塞和中間包水口堵塞既有相同點，也有不同點。

中間包水口結瘤現象

採用塞棒控流的中間包內，由於鋼水從塞棒和中間包上水口中間的縫隙流入結晶器，較大尺寸的氧化鋁夾雜容易粘附在塞棒棒頭位置或上水口內; 尺寸較小的夾雜物在凹形水口底部聚集、長大，容易粘附在浸入式水口底部或上浮至結晶器內。粘附的夾雜物越來越多，逐步長大，浸入式水口內逐步向上長大，使得水口內徑縮小，通鋼量減少，為維持拉速，棒位上漲。

當塞棒內通入的氬氣壓力較低( 低於大氣壓力) ，空氣會通過塞棒內通道進入中間包，與鋼水直接發生二次氧化。塞棒頭位置由於流入氣體的導向，逐步產生“鬍鬚”狀的氧化鋁夾雜。這也會引起澆鑄棒位的上升，表現為水口結瘤現象。

中間包水口結瘤的分類

根據水口結瘤的位置不同，中間包內水口結瘤可分為塞棒頭結瘤、上水口結瘤和浸入式水口結瘤。

根據塞棒棒位上漲的快慢，可分為緩漲型和急漲型。緩漲型水口結瘤一般塞棒位置的保護澆鑄較好，不易產生鬍鬚類夾雜物，拉速較低時也容易出現緩漲型水口結瘤。當結瘤主要發生在水口下部時，前期棒位較為平穩，結瘤積聚到一定程度後，下部孔徑變小，棒位此時上漲較快，但棒位上漲並不能緩解通鋼量下降的趨勢，此時必須降低拉速，直至更換浸入式水口。此類急漲型水口結瘤現象一般浸入式水口內結瘤物很多，更換水口後棒位基本恢復。通常的水口結瘤現象往往都是二者兼而有之，如果不發生二次氧化或二次氧化的位置靠下，則更傾向於急漲型現象。

鋼包水口結瘤現象

一般鋼包水口孔徑都要大於中間包浸入式水口，因此許多情況下的鋼包水口結瘤屬於誤判，誤判的原因是發生了水口打開不到位或有異物堵塞了水口。鋼包內沒有固定的二次氧化來源，因此鋼包水口結瘤僅與鋼包內鋼水潔淨度有密切關係。

如前所述，大型的氧化鋁夾雜物很容易上浮; 鋼包澆鑄前一般也都經過一定時間的靜置，有利於夾雜物上浮; 鋼包水口一般僅澆鑄一爐鋼水，因此很難說氧化鋁夾雜物是導致鋼包水口結瘤的元兇。

水口結瘤原因分析

中間包水口結瘤機理

鋁鎮靜鋼水口結瘤物可大致分為4 類: 氧化鋁型、鋁酸鈣型、硫化鈣型和尖晶石型。但其本質上主要是因為高熔點的氧化鋁以及少量含氧化鋁大型聚合物聚集在水口表面所引起的。

關於堵塞物中的氧化鋁來源機理，主要分為以下幾類:

1) 懸浮於鋼水中未去除的脫氧產物;

2) 澆鑄過程中負壓引吸氧以及與耐火材料或鋼渣中的酸性氧化物( MOx) 反應生成的外來夾雜;

3O2 + 4[Al]= 2Al2O3( 1)2x[Al]+ 3MOx = 3[M]+ xAl2O3( 2)

3) 澆鑄過程鋼水流經浸入式水口由於溫度降低後打破Al-O 平衡，使鋼中[Al]、[O]反應生成氧化鋁;

3[O]+ 2[Al]= Al2O3( 3)

中間包水口結瘤與鋼水潔淨度控制

二次氧化往往是難以避免的。中間包二次氧化越嚴重，夾雜物的尺寸越大，總質量越大，被捕捉的機會增加; 二次氧化越輕，生成的夾雜物的尺寸越小，越不易聚集、上浮。鋼水在中間包內停留時間越長，夾雜物更易碰撞、長大。夾雜物的尺寸往往也影響水口結瘤的發生。

根據Stokes 定律，夾雜物尺寸越大，上浮速度越快，尺寸最大的夾雜物( 簇狀) ，較為容易在中間包內上浮，即使隨“短路流”進入水口或結晶器內，也由於尺寸大，不易粘附，因此尺寸最大的夾雜物的粘附幾率相對較小。

尺寸中等的夾雜物較容易在塞棒或上水口內粘附，這是由於這裡的流速相對較低，而中等尺寸夾雜物的上浮速度( 根據Stokes 定律計算) 與流速相近，更易停留在上水口位置。

流股繼續向下時，流速增加，截面收縮，當到達結晶器液面以下時，流速才逐步降低。但此時由於湍動較大，利於較小尺寸夾雜物被氣泡捕捉長大後，在水口出口附近發生粘附，造成水口出口附近流動改變，進而影響結晶器內流場。

因此，採用大型中間包，並在中間包內設定必要的控流設施以促進夾雜物上浮是非常有必要的。

鈣處理與中包水口結瘤

一般認為鈣處理能夠緩解水口結瘤。這裡介紹2 例鈣處理起到相反作用的情形。

1) 鈣處理鋼水澆鑄完畢後，新爐次未鈣處理鋼水開澆，塞棒棒位即快速上漲;

2) 未鈣處理鋼水澆鑄完畢後，新爐次鈣處理鋼水開澆，塞棒棒位更快速上漲，很快漲死，導致停澆。

前一種情形很可能是由於新開澆的未鈣處理鋼水被嚴重二次氧化，新生成的氧化鋁夾雜與前一爐鈣處理鋼水在中間包內混鋼時發生反應，導致生成量彌散的顆粒狀高熔點鈣鋁酸鹽( CaO·Al2O3) 夾雜，尺寸較小，不易上浮，保存在鋼水內，容易粘附在鋼包水口內，迅速形成結瘤。後一種情形與前一種澆鑄次序恰好相反，但反應原理類似。前一爐未鈣處理鋼水下渣( 氧化性強) ，在中包造成嚴重二次氧化; 新爐鋼水開澆後，鋼水中的鈣與氧化鋁夾雜在中間包內混鋼時發生反應。之所以塞棒棒位上漲更迅速，很可能是氧化渣的二次氧化作用遠比空氣造成的二次氧化嚴重。

3[Ca]+ 4 ( Al2O3) = 3( CaO·Al2O3) + 2[Al]( 4)

鋼包水口結瘤

根據經驗，發生鋼包水口結瘤的爐次一般都是鈣處理的爐次。有以下特點:

1) 鈣處理前鋼水潔淨度不好，夾雜鋁( 全鋁－ 酸溶鋁) 含量較高;

2) 鈣處理後鋼水潔淨度仍然不好，Al夾雜變化不大，且鈣含量與夾雜鋁含量比值較低，一般w( Ca) /w( Al夾雜) < 1． 2。

這可能是由於不潔淨的鋼水中簇狀氧化鋁夾雜還未來得及上浮，鈣處理過程中鈣與簇狀夾雜發生反應，導致簇狀夾雜被打散，形成大量彌散的顆粒狀高熔點鈣鋁酸鹽( CaO·Al2O3) 夾雜，尺寸較小，不易上浮，保存在鋼水內，容易粘附在鋼包水口內，迅速形成結瘤。

因此，鈣處理不當可能是引起鋼包水口結瘤的主要原因。一般控制w( Ca) /w( Al夾雜) ≥1． 2可以防止鋼包水口結瘤。

採用措施和效果

鋼水的潔淨度不高，或者鋼液中的氣體、夾雜物含量高，一方面會增加鋼水的黏度，使其流動性變差，另一方面也會增加固態高熔點夾雜物的絕對濃度，從而為水口結瘤提供便利條件。因此，為有效地防止水口堵塞，應減少鋼水中二次氧化產物的形成及降低脫氧產物的聚集。

鋼水純淨度的獲得

現代鋼鐵研究中，T． O 已被作為衡量鋼水潔淨度的重要指標，眾多學者研究表明，鋼水中T． O與夾雜物總量存在一定線性關係，因此許多先進鋼鐵企業均把中包T． O 控制水平與產品質量缺陷相結合，如川崎Mizushima，結合試驗表明:

當中間包w( T． O) 30 × 10 － 6 時，冷軋薄板不檢查直接供貨;當中間包w( T． O) = ( 30 ～ 55) × 10 － 6 時，冷軋薄板需進行檢查;當中間包w( T． O) > 55 × 10 － 6 時，冷軋薄板需降級使用。

出鋼後的吹氬攪拌的方式可以很好的促進夾雜物上浮，再通過大約20 min 以上的鎮靜操作就可以獲得w( T． O) < 30 × 10 － 6 潔淨度。如某廠CAS 精煉至中包澆鑄過程w( T． O) 看，CAS 停氣後w( T． O) 可控制在30 × 10 － 6 的水平，鎮靜後w( T． O) 可控制在30 × 10 － 6 以下，中包澆鑄過程有一定上升。

防止二次氧化

二次氧化的來源很多，但對水口結瘤影響較大的主要是鋼包吹氬期間鋼包渣與鋼水間的二次氧化和澆鑄期間的二次氧化; 澆鑄期間的二次氧化又可分為開澆二次氧化、大包至中包吸氣二次氧化、中間包耐材二次氧化、塞棒吸氣二次氧化、上水口吸氣二次氧化、板間吸氣二次氧化和下渣二次氧化。空氣無處不在，這些二次氧化的發生一般都很難用指標來衡量，需要操作人員精細操作，管理和技術人員很難介入，因此也難以控制。澆鑄末期有嚴重的二次氧化( T． O 升高) 造成鋼水的污染，中包的鋼水純淨度要明顯差於真空結束。

也有二次氧化防止措施做得較好的例子，包T． O 整體上要低於精煉結束，澆鑄過程保護較好且澆鑄過程起到一定去夾雜的目的。

試驗追蹤鑄坯中夾雜物來源: 外來夾雜占41 %，二次氧化占39 %，脫氧產物占20 %。可見，防止澆鑄過程的二次氧化和下渣卷渣是提高鑄坯潔淨度、防止澆鑄過程水口結瘤的有效措施。

鈣處理措施

鈣處理措施的採用雖然從冶金原理上可以防止水口結瘤，但是操作不當也可能加重水口結瘤。採用鈣處理措施防止鋼包水口結瘤，要求一般w( Ca) /w( Al夾雜) ≥1． 2。

採用鈣處理措施防止中間包水口結瘤，要求做好換包期間的保護澆鑄，尤其防止鋼包注流時吸入空氣和氧化性鋼包渣流入中間包內。

生產套用效果

自2012 年3 月開始監控指標，按時間序列表示的水口結瘤率與平均連澆爐數月度指標。2012 年10 月起針對鋼水潔淨度控制、防止二次氧化和鈣處理工藝制訂了一系列操作最佳化措施。採取措施以後，到2013 年，按爐次統計的水口結瘤率由月平均20． 6 % 降至平均4． 52 % ，平均連澆爐數由8． 2爐提高到10． 3爐，連鑄恆拉速率提高到90 %以上，相應的非穩態板坯產出減少至1． 5 %，夾雜類缺陷造成的帶出品率降至1． 03 %。

總結

1) 鋁鎮靜鋼水口堵塞按堵塞發生位置可分為鋼包水口堵塞和中間包水口堵塞; 中間包內水口結瘤按發生位置可分為塞棒頭結瘤、上水口結瘤和浸入式水口結瘤。

2) 中等尺寸夾雜物對水口堵塞影響較大; 低拉速增加夾雜物的粘附機會，進而增加水口結瘤幾率。

3) 不恰當的鈣處理會加劇水口結瘤速度。

4) 為防止水口結瘤，需要較高的鋼水潔淨度、防止澆鑄二次氧化，鈣處理時要求w( Ca) /w( Al夾雜) ≥1． 2。

5) 採取提高鋼水潔淨度、防止二次氧化、鈣處理措施後，水口結瘤率降至平均由20． 6 % 降低至4． 52 %，平均連澆爐數由8． 2爐提高到10． 3爐。