关于改善AISI321连铸生产过程及实物质量的相关建议

新兴铸管股份有限公司1关于改善AISI321连铸生产过程及实物质量的相关建议1.前言1.1存在的问题我们厂在生产过程中经常出现因为连铸浸入式水口结瘤而停浇的现象，并且在生产过程中中间包的使用寿命较短。例如在钛稳定化不锈钢AISI321的过程中，出现了严重的连铸浸入式水口结瘤现象，导致浇铸困难，甚至断浇。生产出来铸坯常有表面横裂纹、沾渣等表面质量问题。在最近一次生产该钢种的过程中，在浇铸第一包（20吨）的时候就出现因为水口结瘤而断浇的现象，更换水口、中间包以后再继续浇铸剩下的三包，仍然出现了严重的水口结瘤现象，且部分铸坯表面质量不好。1.2问题分析由于水口结瘤现象出现频繁，在生产AISI321时召开研讨会提出：连铸第一包截流可能是连铸开浇时不慎造成的，但后续三包仍然出现严重的截流现象，经过分析水口结瘤物，得出其中含有TiN，CaO，TiO2，MgO，Al2O3、其他非金属氧化物以及杂质，由此就可以说明不仅仅是连铸的问题，钢水纯净度也存在问题。1.3问题出现可能涉及的领域1.3.1可能涉及的领域普遍的连铸出现了严重的水口结瘤问题，可能涉及的领域包括：⑴冶炼方面冶炼生产出的钢水存在问题，可能的原因是：①冶炼设备不完整或者功能不齐全。②冶炼工艺路径不正确或存在缺陷。③冶炼辅料不合适或存在缺陷。⑵连铸方面连铸生产存在问题，可能的原因是：①连铸设备不完整或者功能不齐全。②连铸生产工艺不正确或存在缺陷。③连铸生产使用的辅料不合适或存在缺陷。新兴铸管股份有限公司21.3.2我们厂存在的主要问题因为我们现在有的主要设备包括电炉、BOF、AOD、LF、VD。有喂线机、软吹站等辅助设备，在生产AISI321、304、27SiMn、37Mn5等钢种时已经能够满足条件，但仍然出现了严重的截流现象，所以我们有理由认为冶炼设备不完整或者功能不齐全不是我们厂存在的主要问题。经过对我们厂情况的分析，认为我们厂存在的问题主要是：⑴精炼工艺制度存在缺陷。⑵精炼使用的辅料存在缺陷。⑶连铸设备功能不齐全。⑷连铸生产使用的辅料不合适。现在针对AISI321钢种进行研究，在LF精炼的过程中加入Al粉进行脱氧造白渣，并且加入了大量的Si-Ca-Ba进行Ca处理增硅，在出钢前十几分钟加入Ti铁之前并未对钢中的[N]进行处理，在出钢时喂入Si-Ca线进行Ca处理，钢液面产生剧烈的翻腾现象，并且未特意控制钢中w(Ca)∶w(Al)或[%Ca]T/[%0]T的比值。现在我们厂使用的是三流T型中间包直通型浸入式水口，并且只有导流隔墙对钢液流进行控制。由于在生产过程中经常出现结瘤的现象，可以从一定程度上说明：中间包对钢液的净化作用不强，可能的原因是钢液在中间包内的流场不合理，停留时间短，或是存在短路流，杂质上浮不完全。由以上分析得出我们存在的主要问题是：⑴精炼工艺在脱氧造白渣存在不合理之处。⑵中间包钢液流场不合理，去除杂质的功能差。⑶连铸过程中未使用专用的中间包覆盖剂和结晶器保护渣。2研究现状国内外针对中间包流场、水口结瘤、中间包覆盖剂、结晶器保护渣和AISI321钢种冶炼工艺的研究都很多，所以我们可以将其作为进一步研究的依据。2.1精炼研究2.1.1生产流程大多数研究者提出321不锈钢的生产流程为:电弧炉→AOD炉→钢包底吹氩→连铸。由于我们厂的特殊情况采用的生产流程为:电弧炉→AOD炉→LF→（钢包底吹氩）→连铸。由于冶炼工艺存在差别，所以对于我们厂情况控制钢水质量新兴铸管股份有限公司3的重要环节应该是LF，所以本文在该部分的研究重点选定为LF。2.1.2研究方法有学者进行了如下实验，试验在两种冶炼工艺条件下进行:第一种是浸入式水口不用氩气密封,冶炼时采用Al和Ca-Si脱氧（这种方法和我们现在使用的方法相似）;第二种是浸入式水口用氩气密封,冶炼时采用低铝硅铁(ωAl=0·05%)作还原剂、不加Al和Ca-Si脱氧。试验中具有代表性的炉号分别是243炉和301炉（其中243炉采用第一种冶炼工艺,301炉采用第二种冶炼工艺）。冶炼过程及结束后取钢样和使用后的浸入式水口试样(先后共取4支浸入式水口)。将使用过的浸入式水口沿横断面切开,取一小段圆弧制成试样,在光学显微镜下观察其显微结构,利用扫描电镜确定不同物相的化学成分。最后,用X射线微区面探测仪确定其物相。图1第一种方法的结果（a）内侧（b）外侧图2第二种方法的结果（a）内侧（b）外侧2.1.3水口结瘤物的显微结构(1)第一种方法结瘤物分析由水口结瘤物的电镜扫描照片，可看出结瘤物为3层结构:①初始附着层初始附着层是靠近水口壁的一层,由ZrO2、Al2O3和金属组成,图中灰白色部分为ZrO2,浅灰色部分为金属,深色部分为Al2O3。浇铸初期,中间包塞棒头部的ZrO2涂层被初期的钢流冲刷带入浸入式水口后与少量金属一起凝固,在水口内表面形成了此附着层。②中间沉积层深灰色部分为中间沉积层,其宽度为0.2~0.4mm。中间沉积层主要有两种物相,即MgO·Al2O3(镁铝尖晶石)和CaO·TiO2(钙钛矿)交织在一起。浇铸开始后,新兴铸管股份有限公司4当钢液流经水口时,钢中原有的CaO·TiO2-MgO·Al2O3双相夹杂物在此沉积,同时,钢中易氧化元素铝、钛等与浸入式水口接口处渗入的空气相遇,氧化后的生成物附着在水口内壁,共同形成了此沉积层。③金属附着层凝固的金属中分布着呈树枝状结构的非金属物相,越往芯部,非金属物相越细小,而且金属相越多。这些非金属物相仍然是两种,即CaO·TiO2和MgO·Al2O3交织在一起,它们主要来自于钢液中的氧化物夹杂。图1(b)中呈树枝状结构的深灰色部分为CaO·TiO2-MgO·Al2O3,灰白色部分为金属。⑵第二种方法结瘤物分析由水口结瘤物的电镜扫描照片，可看出结瘤物为2层结构:①初始附着层该初始附着层由ZrO2、TiN和金属构成，靠近水口壁。浇铸开始时,少量金属,包括其中的TiN夹杂物和塞棒头部的ZrO2涂层物一起凝固,在水口内表面形成了此附着层。②金属附着层金属附着层主要由复合氧化物形成的网络和金属组成[图2(a)上部和图2(b)中深灰色呈树枝状的部分为复合氧化物,灰白色部分为金属]。复合氧化物由固溶有CaO、Al2O3、MgO的TiO2型物相和少量的MgO·Al2O3组成。2.1.4两炉水口结瘤物的物相对比根据扫描电镜和X射线衍射分析结果,将两炉水口结瘤物的物相进行了对比,结果列于表3可以看出:243炉水口结瘤物初始附着层中没有TiN,而301炉水口结瘤物初始附着层中存在TiN。这表明243炉在浇铸过程中,由于浸入式水口没有采用氩气密封而存在二次氧化。在这种条件下,TiN容易被氧化,其反应如下:TiN(s)+2[O]=TiO2(s)+[N]ΔG=-332346+100·60T(J·mol-1)lg(aN/a2O)=-5·255+17360/T(3)新兴铸管股份有限公司52.1.5结果分析通过分析两炉钢冶炼过程钢样中夹杂物类型的变化和冶炼条件的差别时发现:①由于243炉中加铝和Ca-Si脱氧,出钢后钢中存在较多的CaO-SiO2、CaO-SiO2-Al2O3和Al2O3夹杂物。加入钛后,钛还原夹杂物中的SiO2,生成CaO·TiO2;铝还原炉渣和包衬中的MgO生成的镁与夹杂物中的Al2O3、SiO2反应后生成MgO·Al2O3。经反应,上述夹杂物最终转变为CaO·TiO2-MgO·Al2O3双相夹杂物,无保护浇注钢液二次氧化,导致钢中的CaO·TiO2-MgO·Al2O3夹杂物数量增加。这种夹杂物在浇注初期大量附着于水口内表面,形成中间沉积层,并在金属附着层中形成树枝状结构,因而导致浸入式水口严重结瘤。②由于301炉未加铝和Ca-Si脱氧,含少量CaO、MgO、Al2O3的SiO2-MnO-Cr2O3-FeO型复合夹杂物少,加之水口采用氩气密封,避免了二次氧化,所以在浇注初期,水口内壁未形成中间沉积层,且形成的金属附着层也较薄。因此,浇注时浸入式水口出现少量的结瘤。由以上研究可知，和我们现在实行的工艺相似的第一种工艺流程产生了大量的夹杂物，造成严重的水口结瘤，所以我们有理由相信我们现行的工艺存在缺陷，需要进一步地进行优化。2.2中间包流场的研究我们厂现阶段使用的中间包形状如图3所示，其中②为外形数据，因为中间包形状为T型，无括号的数据为中间包（含有永久层的内形）上口尺寸，括号内的为底部尺寸。③为导流隔墙形状，下部两个圆孔为导流孔。④为冲击板尺寸内部含有深度为25mm的圆形凹槽。图3中间包示意图（其中①表示导流隔墙）2.2.1中间包作用及冶金功能⑴中间包的作用通常认为中间包有以下4个作用：①分流作用：对于多流连铸机，由多水口中间包将钢液分流到各个结晶器中。②连浇作用：在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换盛钢桶时起到衔接作用。新兴铸管股份有限公司6③减压作用：用来稳定钢液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。④冶金作用：去除钢中非金属夹杂物，防止钢液二次氧化。⑵中间包的冶金功能中间包作为一个钢水精炼容器，还具有以下的精炼功能：①清除钢水再次污染的来源：即防止钢水的二次氧化、减轻钢液对耐火材料侵蚀、减少钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害。②改善钢水流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物：防止短路流，减少中间包死区体积，改进钢水的流线方向，增加钢水在中间包中的停留时间。③选择合适的包衬耐火材料和钢液面覆盖剂：既减轻钢液热量的损失又有利于去除钢中的夹杂物。④控制好钢液的温度，必要时可以增加加热措施，使钢水过热度保持稳定。2.2.2中间包的控流装置采用无任何控流装置的中间包来浇注钢，很难满足生产的需求。大量的研究表明，在中间包采用控流装置，可以减少铸坯中的非金属夹杂物数量、降低漏钢的概率、增加铸坯的均匀性、改善中间包加热钢水的热量传递等。通过在中间包中安装一些控流装置，例如挡墙、挡坝、导流隔墙、过滤器、湍流控制器、气幕隔墙等均可以改变钢液在中间包中的流动特性，金属夹杂物的去除率。⑴大容量中间包大容量中间包有两大优点：①增加钢液在中间包内的停留时间，使夹杂物有足够的时间上浮，提高钢液的清洁度。②可以与拉坯速度配合，有利于换包时顺利浇注，改善换包时铸坯的质量。表4中间包容量对钢液清洁度的影响Table4Tundishcapacityonthecleanlinessofliquidsteel⑵挡墙和挡坝中间包内设置挡墙和挡坝是应用最普遍的技术措施之一，是最简便而有效地净化钢液的方法。在中间包中安置挡墙和挡坝，可以有效地改变钢液流向，延长钢液在中间包中的停留时间，促进夹杂物的上浮。①挡墙一般横跨整个中间包宽度，从钢液面上部延伸到距中间包底部一定距离，钢液从挡墙下方流过，其在中间包内的作用是：新兴铸管股份有限公司7A.可以控制大包注流冲击区的大小，控制大包注流对中间包钢液的搅拌强度，促进小夹杂物碰撞凝并成大颗粒夹杂物，以便于小颗粒夹杂物的上浮去除。B.挡墙可以将随大包注流进入中间包的炉渣挡在大包注流冲击区内，防止从大包卷入到中间包的渣子流入到中间包水口侧，减少因大包卷渣造成的钢液二次污染。C.可以将大包注流冲击引起的中间包钢液表面波动限制在挡墙的上游，稳定挡墙下游中间包钢液的液面，有利于减少因钢液表面卷渣，二次氧化和冲刷所产生的夹杂量。②挡坝一般横跨在整个中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面之下一定距离。钢液从挡坝上流过。挡坝一般具有以下的作用：A.可以防止中间包短路流的形成，延长钢液在中间包内的流动距离，增加钢液在中间包的平均停留时间。B.挡坝将大包注流的冲击限制在冲击区内，降低钢液的水平流动速度。C.当钢液翻过挡坝时，可以产生指向钢液表面的流动，缩短夹杂物的上浮距离，有利于夹杂物的上浮去除和保护渣吸收夹杂物。⑶导流隔墙和过滤器①导流隔墙在一个将上下游完全隔开的耐火材料壁上设置若干个不同尺寸和倾角的孔洞，使钢液根据需要的方向流过孔洞。当钢液通过导流隔墙时，导流隔墙将中间包的湍动流动限制在一定的范围内，可产生向表面流动的流股，以促进夹杂物与保护渣接触的机会，有利于夹杂物的去除。②过滤器带有微孔结构的