板坯連鑄機中間包增氮改進

宋佳友  楊春寶  王勝東  肖華生

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司煉鋼作業(yè)部，河北省唐山市，063200）

摘  要：針對某廠投產初期連鑄工序增氮控制不穩(wěn)定的現(xiàn)象，從熱力學、動力學對吸氮機理進行分析，主要對連鑄中間包區(qū)域操作、耐材及設備等連鑄過程中影響鋼液增氮的因素進行討論，制定相應的措施。采取相應措施后，中間包增氮情況得到逐步改善。連鑄工序中間包增氮≦3×10-6合格率可穩(wěn)定控制在92%以內,中間包鋼水平均增氮數據小于1×10-6，達到國內先進水平，不再成為品種鋼開發(fā)的限制性因素。

關鍵詞：中間包；吸氮；機理；改進

Improvement Of Nitrogen Absorption

In Tundish Of Slab Caster

SONG Jia-you,YANG Chun-bao,WANG Sheng-dong,XIAO Hua-sheng

(Steelmaking Department,Shougang Jingtang United Iron & Steel Co.,Ltd., Tangshan City 063200, Hebei Province，China)

Abstract：In order to control the phenomenon of instability in the process of nitrogen increase in the initial period of continuous casting of a certain plant, the paper analyzes the nitrogen absorption mechanism of steel from thermodynamics and dynamics, mainly discusses the factors that affect the nitrogen increase of steel liquid during the continuous casting process, such as the operation of the tundish, refractory and equipment in continuous casting, and makes corresponding measures. After taking corresponding measures, The nitrogen increase in the tundish has been gradually improved. The 3×10-6 pass rate of nitrogen increase in the tundish of the continuous casting process can be controlled stably beyond 92 %, and the average nitrogen increase in the tundish  is less than 1*10-6, reaching the advanced level in China and no longer a limiting factor for the product development.

Key words： tundish; nitrogen absorption; mechanism; improvement

1 引言

對于大多數鋼種來說，鋼中的氮含量越高，時效現(xiàn)象越嚴重，同時鋼的塑性和韌性也會降低，冷加工性能下降，影響鋼材內部質量[1]。鋼中較高的氮含量，微合金鋼更易發(fā)生角部裂紋、表面橫裂紋[2]，惡化產品表面質量[3]。為此，對鋼水增氮的原因進行各方面探討，以進一步降低鋼中氮含量。在實際生產過程中，煉鋼全流程采取了系列措施，本文主要從連鑄保護澆鑄環(huán)節(jié)進行分析討論。

2 吸氮機理

2.1 鋼水吸氮熱力學分析

空氣中N2可以直接溶解成[N],存在于鋼水中。氮在鋼水中的溶解度遵循西華特定律，即氮在鐵液中的濃度與氮氣壓力的平方根成正比，公式為：

式中PN2-鋼液中[N]平衡分壓，Kpa;fN-鋼液中[N]活度系數；K-氮溶解反應常數。

氮溶解反應常數與溫度的關系為：lgK=-a/T-b。

式中a,b為常數。當溫度升高時，K值增大，鋼中氮的溶解度增加[4-5]。

2.2 鋼水吸氮動力學分析

煉鋼過程中，氮可以通過許多途徑進入鋼液，其中鋼液從氣相中直接吸氮是一種主要途徑。氮從氣相進入鋼液與氮經過能斯特邊界層的擴散有關，吸氮速度符合菲克第一定律。由菲克第一定律可得：

式中，F(xiàn)-鋼液與氣相界面面積，cm2；D-鋼液中氮的擴散系數，cm2/s;V-鋼液體積，cm3；δ-擴散邊界層厚度，cm；ω[NS]-所處氮分壓下鋼液中飽和氮含量；ω[N0]-初始氮含量；ω[N]-時間為t時的氮的質量分數。由該式可知，ω[N0]、F、D、t大及δ小時，鋼液中的氮含量高。

根據鋼水吸氮熱力學分析，只要鋼液與大氣接觸就會吸氮；根據鋼液吸氮動力學可知，吸氮限制性環(huán)節(jié)為氮在液相邊界層的擴散。為減少吸氮量，澆鑄過程中要避免鋼液與大氣接觸，保證渣層厚度[6]。因此，在連鑄澆鋼過程中，只有通過減少空氣與鋼水的接觸來減少鋼水增氮，這就需要保護澆鑄來解決問題[7]。

3 中間包增氮的控制措施

在連鑄生產過程中，連鑄增氮的主要原因就是澆注的鋼水與空氣接觸，而鋼水與空氣接觸主要由下述三個過程產生：鋼水由鋼包注入中間包內；鋼水在中間包內；鋼水從中間包進入結晶器。不同保護澆鑄方式的中包增氮量見表1[8]。根據生產過程中的實際數據，發(fā)現(xiàn)連鑄工序增氮主要發(fā)生在前兩個環(huán)節(jié)。

表1 不同保護澆鑄方式中包增氮量

Table1 Nitrogen increase in the tundish by different protection Methods

3.1 鋼水由鋼包注入中間包內增氮控制

某廠鑄機為板坯連鑄機，自投產以來，均采用長水口密封墊加氬氣保護的方法，初期中包增氮控制效果一般，中包增氮3×10-6以內合格率在70%左右。經過操作、工藝、耐材、設備改進，中包增氮量逐步降低。

3.1.1 操作因素

1）中包開澆前氣體充分置換：中間包烘烤器抬起后，中間包包蓋氬氣流量開至最大，將中間包內空氣與氬氣進行充分置換，待中包開澆后適當減小氬氣流量，防止氬氣過大造成中包內鋼水裸露。

2）中間包密封：用石棉、中包料等將中包蓋縫隙、中包烘烤孔、取樣孔封堵好，溢流槽位置用石棉堵上，保證中間包較好的密封性。

3）大包長水口吹氬管路氣密性：檢查連接軟管、接口處漏氣與否，確認長水口碗部氬氣通道堵塞（圖1示）情況，發(fā)現(xiàn)問題及時更換，確保長水口氬封正常。

4）碗部通入的氬氣流量，保證中間包內的鋼水“輕度沸翻”，防止漏入的空氣將鋼水二次氧化，造成中間包內液面靜止的假象。從長水口出來的鋼水撞擊在中間包底部后的“回彈”，可能使長水口周圍的鋼水裸露，需盡快增加鋼水熔池深度[9]。

5）大包長水口必須帶正，同時更改長水口套入方式，即由操作機械手頂入大包長水口改為下降大包套入長水口，以此保證戴入長水口時的碗部密封。

6）取樣操作必須精細，防止因取樣操作不當造成二次氧化造成的增氮。提高事故處理能力，減少鋼包不自開、長水口壞時的鋼水敞開澆鑄時間。

3.1.2 設備因素

中包車長水口機械臂頂升壓力較低時，直接影響長水口碗部的側壁及底部密封效果，在提高頂升壓力的同時，要求機械手在受到壓力時不變形，經過數次機械手的改進，機械手頂升壓力達到120bar，密封效果得到明顯改善。

3.1.3 耐材因素

1）提高鋼包自開率：使用優(yōu)質引流砂，鋼包自開率由初期的99.2%逐步提高，目前鋼包自開率已穩(wěn)定在99.8%以上。

2）改進密封墊：投產初前使用的長水口密封墊易碎、密封效果差，換包時易粘水口碗部，不易清理，增氮不穩(wěn)定。將密封墊外層加石墨涂層增加柔韌度，促進長水口碗部形成正壓區(qū)，避免因碗部形成負壓造成吸氮。

3）改進長水口：長水口碗部由錐形式改為臺階式。碗部型式改進后，鋼包下水口底部與碗部圓臺緊密結合，結合面積大，鋼包水口內徑與長水口內徑成直筒形，不易結冷鋼�？赏ㄟ^提高壓緊力，使鋼包下水口底部與長水口圓臺更緊密接觸[10]。

4）耐材質量改進：澆注過程中，大包長水口經常發(fā)生碗部裂紋、本體開裂、穿孔、渣線斷等質量問題，對鋼水增氮造成直接影響，穩(wěn)定的大包長水口質量是做好中包保護澆鑄的基礎。實際生產過程中，每爐鋼包停澆后均需要觀察長水口的使用情況，爐次澆鑄過程中同樣需要關注，發(fā)現(xiàn)問題及時予以更換。長水口碗部裂紋、長水口本體開裂分別如圖5示、圖6示。大包滑動水口下滑板因操作、受熱變形及滑板有裂紋也會造成增氮，滑板裂紋如圖7示。

3.2  鋼水在中間包內增氮控制

開澆階段經常產生夾雜并且持續(xù)較長一段時間，這樣會污染很多鋼液。第一爐開澆初期的條形缺陷指數5倍于第一爐澆鑄中間時期這一指數，并超過隨后爐次的15倍。在不穩(wěn)定的澆鑄時期經常出現(xiàn)卷渣、吸入空氣，引起二次氧化問題[11]。

圖8說明第1爐總氧含量比中間爐次高。新?lián)Q鋼包時采用浸入式開澆，采用這種方法Dofasco鋼廠將總氧從（41±14）×10-6 降至（31±6 ）×10-6，大大改善了澆鑄周期內過渡段的鑄坯質量。圖9顯示增氮大于3×10-6各連澆爐次中，連澆頭爐占比近28%，所占比例最大。澆次開澆爐次加入覆蓋劑時，尤其是IF鋼等覆蓋劑加入量要求偏少的鋼種，為減少鋼水與空氣觸的時間，降低增氮量，需要盡快完成覆蓋劑的加入操作。

4 改進后效果

通過連鑄操作、工藝、耐材、設備改進，各年度生產數據跟蹤顯示，中間包鋼水增氮≧5×10-6爐次可穩(wěn)定在4%以下，詳見圖9；目前中間包鋼水增氮≧3×10-6爐次可穩(wěn)定在8%以下，各年度數據詳見圖10。各年度中間包鋼水平均增氮數據小于1×10-6，見圖11。數據表明，針對中間包增氮采取的措施有效。

5 結束語

通過對連鑄工序操作、設備以及耐材質量的改進，中間包鋼水增氮得到有效控制，中包鋼水增氮量逐步降低，中間包鋼水增氮≤3×10-6合格率可穩(wěn)定控制在92%以上，鑄坯表面裂紋明顯減少，鑄坯質量也穩(wěn)步提高，為生產高端品種奠定堅實的基礎。

參考文獻

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