低碳低硅高酸溶铝钢连铸水口堵塞的控制

低碳低硅高酸溶铝钢连铸水口堵塞的控制

在连通式低碳铝镇静钢的生产中，中间包水口的堵塞是钢架的主要问题。尤其是小方阀。由于中间包水口的直径相对较小，在送送铝真空时，水路的入口往往会堵塞，导致生产中断。这对小方造连通式小铁的产量、造粒质量和提高产量都有不利影响。因此，有必要深入研究小方造链式低碳硅铝镇静钢的进水口，提高钢水的可渗性，增加连通式小方针的数量。1钢中铝氧化物的来源国内外冶金工作者对引起水口堵塞的原因及堵塞机理做了大量的研究,内容包括钢水质量、钢水温度、水口材质和结构,以及水口传热和二次氧化等方面.虽然尚有一些问题有待探讨,但迄今为止的研究结果均表明:铝氧化物在水口壁上的附着烧结,以及钢液与水口耐火材料之间发生的化学反应是造成水口堵塞的重要原因.钢中铝氧化物的主要来源有:(1)钢水中悬浮的夹杂物主要为脱氧产物α-Al2O3颗粒靠界面张力的作用粘附在水口壁上;(2)水口材料与钢水发生3SiO2(s)+3C(s)+4A1=2Al2O3(s)+3Si+3C反应生产的Al2O3;(3)水口耐火材料空隙中吸附的O2与钢水中的Al反应生产的Al2O3;(4)随水口内壁钢水温度下降析出的Al2O3.文献认为水口的堵塞现象可分成三个步骤:夹杂物的形成、夹杂物传递到水口壁和夹杂物粘附在水口壁上.所以,其防止措施也都从以上环节入手.在众多的措施中,以用钙处理使钢中高熔点的Al2O3夹杂物与CaO形成低熔点的铝酸钙来消除水口堵塞是最理想和最有效的防止措施.然而钙处理时,钢水中溶解钙与硫、氧含量关系复杂,所以钙处理效果不稳定,有时还适得其反.本研究的目的在于探讨合适的钙处理工艺和连铸工艺,以期解决小方坯浇铸低碳低硅高酸溶铝钢的水口堵塞问题.2[p]计算实验钢种SWRCH8A,实验时成分控制目标(质量分数):[C],≤0.08%;[Si],≤0.06%;[Mn],0.20%-0.45%;[S],≤0.006%;[P],≤0.015%;[Al],≥0.025%;[Al]s,≥0.02%.实验采用的工艺路线:铁水预处理—50t转炉—吹氩—LF精炼—140mm×140mm方坯连铸机连铸.钙处理喂线速度、喂线量和中间包上水口尺寸为因素,采用二水平的正交实验L8(23),见表1.各实验方案中,中间包上水口材质均为锆质.每个实验方案各实验1～3炉钢水.2.1x-射线衍射xrd分析在喂线速度小于3.0m·s-1的前四个方案中,中间包水口开浇10min左右,水口都逐渐被堵塞,造成浇铸中断.堵塞的部位主要在水口的上部,图1(a)是被堵塞的中间包水口典型照片,其能谱图分析结果见图1(b).能谱图分析表明堵塞物的主要成分是Al2O3和少量的CaO,SiO2等物质.用X射线衍射仪对水口堵塞物进行定性分析,其结果是Al2O3,CaO.2Al2O3和少量的MgO和SiO2.在喂线速度大于3.0m·s-1的四个方案中,以方案6的浇铸时间最短,约17min;方案5的浇铸时间约35min;方案8浇铸时间达到74min.而方案7则顺利浇完3炉实验钢,方案7浇完的中间包水口见图2(a),该图显示,其内壁有一薄层附着物,能谱图分析结果见图2(b),X射线衍射定性分析结果是7A-12C和C·A及SiO2,MgO的混合物.由于LF精炼效果较好,钙处理前钢中S含量小于0.007%,水口堵塞物中未发现CaS,造成水口堵塞的主要是Al2O3.2.2最佳喂线速度的确定当钙加入到钢液后,一部分溶解到钢液中,一部分挥发损失掉,其余的被夹杂物及炉渣炉衬所消耗.把钢液中的总钙量与加入的总钙量之比称为钙的回收率,按下式计算.式中,[%Ca]add为加入的总钙量,[%Ca]T为钢液中的总钙量,ηCa为钙的回收率.由于钢水中总钙随钢水的静止时间的延长不断变化,因此钙的回收率的计算依不同时间[%Ca]T而不同,采用钙处理后的[%Ca]T进行计算,结果见图3(a),(b).图3表明,在实验工艺条件下,随着喂线速度的增大,钢中钙含量也增加,钙的回收率也相应的增大;相反,即使喂线量较大,但喂线速度较低时,钢中钙含量也较低,见图3(c).因此,如何确定合理的喂线速度是达到最佳钙处理效果的一个关键因素.文献认为钙线的最大喂入深度H0=H-0.15,因此最佳喂线速度为:其中,V喂线速度,m·s-1;t为铁皮化熔时间,s;H为钢包钢水的深度,m.钙铁线的理化性能为:Ca,28%;Fe,>60%;Al,>2.5%;P,<0.03%;S,<0.03%(质量分数).线径为13mm,铁粉比为1/1.3,铁皮米重为155g,铁皮厚0.4mm,芯粉米重为220g.根据文献的研究结果,对Φ13mm的钙铁线,其熔化时间为1～1.5s,计算时取t=1.25s.按式(2)计算的喂线速度约为1.8m·s-1.从图3(a)可见,喂速为1.8m·s-1时,钢水中Ca含量并不高,其原因在于式(2)成立的前提条件是:钙线能垂直进入钢液且与渣和空气中氧等的反应量应尽量小.但实际观察情况并非如此.其原因是:喂线机导管弯曲度不够,矫直段长度不够,钙线进入钢液前就已发生偏转;钙线进入钢液后,受钢液浮力和紊流的作用,以及外包铁皮遇热软化,实际钙线在钢液内部偏转程度加强;底吹氩气泡的“真空室”作用加速了钙蒸汽的逸出;钢水中的硫、氧、耐火材料、炉渣以及空气中氧等与钙的反应不可避免.从现场观察的现象看,喂线时钢液面Ca燃烧主要集中于喂线区域以外,表明钙线在钢液中确实发生偏转.另外,在钢水温度为1600℃左右,喂速达到4.0m·s-1时,并未发生喂进钢液的钙线穿出钢液面的现象.基于以上事实,将式(2)修正为:其中,γ为修正系数,γ=1.5～2.5.采用修正后的公式(3),计算时取γ=2.0,得V=3.6m·s-1.生产中把喂线速度增大到3.5～4.0m·s-1范围后,钢中总钙增大到40×10-6左右,从而证实了以上修正公式基本正确.由分析可知,影响钙的回收率的因素是多方面的,但在一定的工艺和设备条件下,喂线速度和喂线量则是影响钙回收率最主要的因素.2.3al2o3系统中氧化物活度的测定钙处理时,钙与Al2O3发生如下反应:反应的方式是钙在Al2O3颗粒中扩散,将铝置换出来,形成铝酸钙.随着铝酸钙中CaO含量增加,其熔点逐渐降低.Al2O3转变的演变顺序为Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3.其中12CaO·7Al2O3的熔点为1455℃,在浇铸温度下呈液态,是钙处理最希望得到的物质.钢中钙、铝及氧之间的反应为:根据式(7)得氧的活度为:根据式(4),(5),(8)得Fe-Al-Ca系统中钙的活度aCa为:CaO,Al2O3的活度因夹杂物成分的不同而变化,许多学者对CaO-Al2O3系统中氧化物活度值进行了测定,本文选取的活度值如表2所示.根据式(8)和表2中的数据可绘出图4.把SWRCH8A钢化学成分和相互作用系数(见表3)代入式(9)和式(10)中进行计算得出:由图4和式(10),(11)可知,(1)aAl=0.03%,T=1550℃时,若要生成CaO·Al2O3和12CaO·7Al2O3,需喂入的钙线量应使钙活度分别达到2.17×10-6和8.02×10-6,对应的钙含量分别为11.86×10-6和43.83×10-6.(2)aAl=0.03%,T=1600℃时,如果要生成CaO·Al2O3和12Ca0·7Al2O3,需要喂入的钙线量应使钙活度达到2.61×10-6和9.57×10-6,对应的钙含量分别为14.26×10-6和52.3×10-6.由此可知,在1600℃下,aAl=0.03%,只要能保证钢中钙含量在45×10-6～55×10-6,就能把钢中大部分Al2O3转变成12CaO·7Al2O3.方案7和方案8的钢水中钙含量分别37×10-6和47×10-6,见表4,与计算值接近,所以具有较好好的可浇性.文献计算得出,[Ca]/[Al]>0.14,可防止水口堵塞.由于钢中的溶解钙不容易确定,文献认为可用钢中的总氧和总钙来反应夹杂物的变性程度,即在1600℃时,[%Ca]T/[%O]T大于0.6,生成CA和液态的12CaO·7Al2O3;%Ca]T/[%O]T大于0.77或更大时,生成为12CaO·7Al2O.表4是本实验中各方案夹杂物的变性指标.就[Ca]/[Al]和[%Ca]T/[%O]T这两个指标来看,后4个方案夹杂物变性效果较好,图1和图2中水口内壁附着物的检验结果也与文献报道的结果一致,说以上分析的正确性.2.4提高钢水的可浇性从表5可知,采用大水口的浇铸时间比小水口的要长,其原因是水口处存在着氧化铝等夹杂物的聚集速率和钢水对水口内壁夹杂物的冲刷速率的相对平衡,或水口材料与夹杂物反应形成低熔点物的速率和钢水对反应产物的带走速率间的相对平衡.而加大中间包上水口内径,相当于减少了单位体积钢水中夹杂物在水口壁上的聚集几率,因此可有效地提高钢水的可浇性.3解决了集料生产低硅高酸溶铝的嘴唇堵塞问题马钢从2003年3月开始采用LF精炼+钙处理+140mm×140mm小方坯连铸工艺生产低碳低硅高酸溶铝冷镦钢,由于钙处理过程喂线速度低,大包保护浇铸效果差,中包水口内径小,往往浇1炉或半炉钢水就因为中间包水口就发生堵塞而被迫停浇,造成较大的经济损失.经近4个月的试验,在优化钙处理工艺和连铸工艺的基础上,成功地解决了小方坯生产低碳低硅高酸溶铝钢的水口堵塞问题.目前连浇炉数稳定在8～10炉,铸坯酸溶铝的质量分数大于0.02%,铸坯表面质量和内部质量良好,产量约1.2×105t·a-1.4解决了浇铸、中间包作为钢水的可浇性问题(1)中间包水口的堵塞是铝镇静钢浇铸过程中的普遍现象,而钙处理是解决水口堵塞最有效的方法之一.马钢通过