[科普中国]-整体塞棒

简介

攀钢提钒炼钢厂连铸生产工序自投产以来一直使用Al₂O₃－C 质整体塞棒。该塞棒抗热震性好，钢水适用性强。但是，近年来，随着钙处理钢生产规模的扩大，塞棒侵蚀问题逐渐呈上升趋势，尤其是在2009年底投产的200 mm × 200 mm 六机六流小断面3# 方圆坯铸机上表现尤为严重。3# 方圆坯铸机在浇铸过程中需要频繁使用塞棒来控制钢流量，钙处理钢极易侵蚀Al₂O₃－C 质整体塞棒，频繁出现开口度降低现象。Al₂O₃－C 质整体塞棒在钙处理钢中的使用寿命徘徊在300 min 左右。塞棒侵蚀已成为减少单中间包连浇炉数，增加吨钢成本和影响生产组织的重要因素。

本工作中，通过分析Al₂O₃－C 质整体塞棒在攀钢3#方圆坯铸机不同钙处理钢上的使用情况，探索了塞棒侵蚀机制和其他重要影响因素，使Al₂O₃－C 质整体塞棒使用寿命逐步上升并保持在500 min 以上1。

钙处理量对塞棒的侵蚀程度不同钢种根据脱氧程度和成分调整需求，通常使用的钙处理包芯线为钙钡包芯线、硅钙包芯线、铁钙包芯线等。攀钢3# 方圆坯铸机浇铸的钢种主要使用硅钙包芯线。

在攀钢3#方圆坯铸机生产实践中发现，随着钙线量喂入增加，Al₂O₃－C 整体塞棒侵蚀加剧，造成塞棒开口度减小( 开口度是指塞棒打开面积占水口内圆面积的比例，生产中用塞棒抬起的高度来表征) 。攀钢正常浇铸的开口度范围是40% ～ 70%。开口度变小会造成对应流道结晶器液面不断上涨，低于40%就无法控制浇铸而关流。

在生产中发现: 某一炉次( 厂内炼钢记号为P11105545) 在冶炼齿轮钢20CrMnTi 时，本炉钢水精炼钙处理量超过130 kg。铸机浇铸钢水时采取拉速为1.5 m/min 的恒速拉坯。本次开口度降低很快，从65%降到40%，此时棒头与水口碗部已基本贴合，仍无法降低钢水流速，说明塞棒已严重侵蚀，失去控制钢水流速功能。此时钢水进入结晶器流速已超出恒速上限，如不及时关流，钢水会溢出结晶器，被迫采用事故闸板关闭该流浇铸。抽取塞棒观察发现，棒头部位有低熔点物质被钢水冲刷形成的台阶。累计数据分析认为，钙处理钢精炼中钙硅线加入量不应超过90 kg，否则塞棒侵蚀速度明显增快2。

钢种对Al₂O₃－C 质整体塞棒侵蚀的影响不同钢种的侵蚀差异分析对比了3#方圆坯铸机在浇铸2 个钙处理钢种HRB335 和45# 钢时，塞棒侵蚀速率明显不同。生产中发现: Mn 含量高的钢种对Al₂O₃ －C 质整体塞棒侵蚀程度大于一般钢种。Mn 含量高的HRB335 钢对Al₂O₃ －C 质整体塞棒侵蚀速率明显大于Mn 含量低的45#钢，Al₂O₃－C 整体塞棒在HRB335钢中的使用寿命比45#钢平均低50 min。

研究发现，当CaO、SiO2、Al₂O₃、MnO 质量分数为15%、20%、25%、30% 时，四元相系进入低熔点物相区域。因此，在生产过程中要控制钢中CaO 和其他非金属夹杂的量，避免形成多相低熔点物质，以减缓塞棒侵蚀。

精炼处理流程的影响生产中还发现，同一钢种炉后精炼流程不同时，对Al₂O₃ － C 质整体塞棒侵蚀速率差异较大。如HRB335 钢种通常采用两种精炼流程。

流程一: BOF－吹Ar－LF－CC 流程; 流程二: BOF－吹Ar－CC 流程。流程一比流程二时间增加25 ～ 30 min，出钢温度低10～ 20 ℃，终点质量分数低100 × 10 － 6。Al₂O₃ －C质整体塞棒在流程一中使用寿命比流程二增加约65min。观察发现，流程一的钢水中MnO、SiO2、Al₂O₃等夹杂物因钢水停留时间长，吹Ar 时间长而上浮充分，减缓了对塞棒的侵蚀;

流程二的钢水停留时间短，吹Ar 时间不够，钢中MnO、SiO2、Al₂O₃等夹杂物不能充分上浮，当它们达一定比例时，会加剧Al₂O₃ －C 质整体塞棒的侵蚀速率。

过热度与塞棒侵蚀的关系在攀钢3#方圆坯铸机六流浇铸的情况下，收集了钙处理钢种20CrMnTi( 钢的液相线温度为1 510 ℃)的过热度与塞棒侵蚀概率之间的关系。将因侵蚀造成开口度下降的塞棒视为受侵蚀样本，其所占总样本数( 共12 个包次，576 根塞棒) 的比例即为塞棒侵蚀概率。该钢种在过热度超过30℃时，塞棒侵蚀加快; 当过热度超过50 ℃时，塞棒侵蚀明显加剧; 过热度超过70 ℃时，多数塞棒常常无法使用，此时会导致中间包只能浇铸2 ～ 3 炉钢水( 正常情况下中间包使用1 次可以浇铸8 ～ 10 炉钢水) ，对成本和生产组织都带来不利影响。

塞棒机构对塞棒使用的影响塞棒机构是固定在中间包包壁外侧的机械升降执行机构。虚线为安装基准面，应该与水口中心线平行。在装配新的塞棒时要确保垂直度，使塞棒中心线与水口中心线重合，才能保证塞棒在钢水浇铸过程发挥钢流“阀门”作用。

生产中发现，常常由于中间包包壁在高温使用后发生变形造成基准面偏离，或是焊接质量等原因造成安装面偏离中心线，造成塞棒中心线与水口中心线不重合或有交叉，致使塞棒棒头与水口碗部不完全贴合，本应是面接触变成了点接触，使得在高温使用过程中形成应力集中，棒头出现剥落现象。在某一炉次中间包塞棒浇铸后检查发现，棒头掉块剥落与塞棒机构安装不到位有明显对应关系3。

采取的措施及效果优化钙处理量在不影响冶金效果的前提下适当降低钙处理量，同时也降低了生产成本。对于需进行钙处理的钢种，加强转炉终点控制，优化脱氧工艺，采用出钢过程预精炼和白渣精炼工艺，钙含量也相应调整为以前加入量的50% ～ 70%。调整后，水口侵蚀问题逐步缓解。

控制过热度积极开展提高冶炼终点钢水碳含量和降低出钢温度工作。通过调整冶金工艺，采用高拉碳方法使高碳钢的冶炼终点w( C) ≥0.08%的产品产量大幅度上升，由2009 年的38%提高到目前的72%。这样从冶炼工艺上减少深吹，不但降低了冶炼终点温度，还降低了钢液中和非金属杂质含量。2011 年又新建1 台LF 炉用以调节钢水温度。以上措施保证了中间包钢水平均过热度稳定在25 ～ 40 ℃。

优化精炼流程，保证底吹氩时间为了保证钙处理钢中夹杂物顺利聚集上浮，出钢必须“软吹Ar”或保证有一定的静止时间，然后才能上铸机浇铸。生产中规定，BOF 后要采用吹Ar－LFCC流程，只有在设备故障状态下才能采用BOF 后吹Ar－CC流程，尽量使钙处理钢中的CaO、Al₂O₃等夹杂物含量处于较低水平。

定期检查、校验塞棒机构加强对塞棒机械机构的维护，规定在更换中间包工作层时必须对塞棒执行机构的平直度进行检测并记录，发现不合格的机构必须停用。建立了《中间包塞棒执行机构送检制度》等有关规定，确保塞棒执行机构的装配质量。

改进塞棒头材质在钢液浇铸过程中，Al₂O₃ －C 质整体塞棒的棒头部位承受的化学侵蚀和物理冲刷都比较严重，故需要对棒头采取区别于棒身的材质。主要是适当提高Al₂O₃的含量和品质，Al₂O₃加入量( w) 从以前的60%提高到现在的70% 左右，采用致密电熔刚玉，这样有利于延长使用寿命。目前采取的棒头与棒身材料的理化指标。通过优化设计，使棒头部位抗侵蚀和冲刷能力提高，基本与棒身熔蚀速度一致。

使用效果经过2 年多的改进优化，攀钢3#方圆坯铸机塞棒使用寿命有了进一步提高，且呈巩固态势，Al₂O₃ －C质整体塞棒使用寿命逐渐提高并基本稳定保持在500 min 以上的水平3。

总结(1) 钙处理钢精炼中钙硅线加入量不应超过90kg，否则，塞棒侵蚀速率会明显加快。

(2) 对于含Mn 较高的合金钢，控制Ca 处理量可以有效提高Al₂O₃－C 整体塞棒的使用寿命。

(3) 钢水精炼工序尽量使用BOF 后吹Ar－LF－CC流程，适当延长吹Ar 时间，保证氧化物夹杂充分上浮，可以减小塞棒侵蚀速率。

(4) 加强对塞棒机械机构的维护，可以有效避免棒头剥落掉块现象2。