0 引言

深度脱碳和脱氮是冶炼超纯铁素体不锈钢的核心技术^[1], 为了达到钢液中极低的碳、氮含量, 太钢南区超纯铁素体不锈钢生产对钢液进行高温、VOD(真空吹氧脱碳脱气法)深度脱碳脱氮、LF(钢包精炼炉)脱氧和微合金化处理等工序, 钢包自开率远低于碳钢和其他不锈钢系列, 严重影响了铸坯成材率和生产顺行, 自开率情况详见表 1。通过对炼钢节奏优化和出钢温度控制, 引流剂性能改进, 最终有效地解决了超纯铁素体不锈钢自开率偏低问题, 保证了超纯铁素体不锈钢的铸坯成材率和生产顺行。

1 影响超纯铁素体不锈钢自开率的因素分析

依据实践经验和文献资料^[2-4], 影响钢包自开率的因素有很多, 如钢包热修状况、引流剂堆积状态、合金加入方式、过程时间等, 根据统计结果, 自开率低问题主要出现在超纯铁素体不锈钢冶炼过程, 因此, 可以排除操作等环节因素, 主要锁定钢种冶炼特性对自开率的影响: 过程时间、出钢温度、钢液流动性等。

1.1 过程时间对自开率的影响

过程时间是指转炉出钢开始至连铸开浇之间的时间段, 也称钢液占罐时间。太钢南区超纯铁素体不锈钢过程时间长主要有两方面原因: ①超纯铁素体不锈钢处理工艺复杂(转炉-VOD-LF-连铸), 各工序必要的处理时间、各工序间周转等待时间较长; ②炼钢作业计划不集中, 各钢种浇次普遍较短, 统计2019年6—12月平均浇次2.8炉, 频繁更换钢种需要的各项作业准备造成了"开浇炉"(浇次第1炉)的出现概率较"长浇次"更高, 且过程时间延长。

从表 1可以看到, 钢种不同, 过程时间长的超纯铁素体不锈钢自开率明显更低。这是因为随着钢液占罐时间的延长, 引流剂形成的烧结层增厚, 在开浇时, 钢液静压力更不易将其压裂自开; 反之, 则越易自开。

在试验中也验证了高温作用时间变化对引流剂烧结层的影响, 见表 2。按太钢南区现用引流剂产品比例, 将原材料准确称重, 搅拌混匀, 装50 mL石英坩埚, 在单向重烧炉内进行烧结测试, 该单向重烧炉最高工作温度1 700 ℃。配样比例(质量百分比)为: 铬矿砂79.8%, 沙漠砂12.0%, 海砂8.0%, 鳞片石墨0.8%, 合计100.0%。

从表 2数据可以看出, 随着重烧时间的延长, 试样烧结层厚度明显增加。

1.2 出钢温度对自开率的影响

高温是影响钢包自开率的关键因素之一, 这是因为钢液温度越高, 则向水口内引流剂传递的热量就越多, 造成引流剂过度烧结, 堵塞水口, 影响钢液自流。

超纯铁素体不锈钢低碳高铬的特殊成分要求, 太钢南区在生产过程中, 转炉出钢温度(出钢前3 min测温, 下同)不低于1 710 ℃; 个别操作班次为实现进入VOD处理工序前温度补偿, 转炉出钢温度普遍在1 750 ℃以上; 引流剂产品理论耐火温度普遍在1 660~1 710 ℃, 在产品性能极限值, 温度的升高对钢包自开率影响明显, 见图 1。

由图 1可以看出, 超出引流剂耐火之后, 随着出钢温度升高, 自开率降低趋势明显。

1.3 钢种特性对自开率的影响

随着钢液中碳含量降低, 钢液液相线明显升高; 钢液中铬量在15%~30%, 加之铝脱氧产生的夹杂物, 使钢液中夹杂物以Al₂O₃、Cr₂O₃等复合氧化物为主, 流动性较碳钢差, 影响钢包自开, 其原因为相同容量钢包内钢水流动性差时, 对引流剂烧结层静压力相对较小, 造成钢包自开率降低^[5-6]。

2 改进措施 2.1 优化钢包运行调度和钢种计划安排

优化钢包运行调度, 即保障在必要的工序处理前提下, 普钢钢包运行为超纯铁素体不锈钢钢包运行让路, 使过程时间平均减少17.5 min。

钢种计划重排, 同一钢种尽量集中生产, 以增加浇次炉数, 降低开浇炉的出现概率。重排后, 浇次平均炉数增加至4.6炉; 整体过程时间平均减少7.2 min。

2.2 严格工艺控制标准及落实

依据各钢种实际工艺流程需要, 将出钢温度控制在1 700~1 730 ℃, 非特殊情况禁止超高温炼钢出现。

2.3 引流剂性能改进, 提高引流剂产品耐火度

太钢现用引流剂产品为铬质引流剂, 其理论耐火温度1 695 ℃, 粒度为0.2~1.2 mm, 主要成分见表 3。

引流剂产品耐火温度设计需要依据钢种实际情况而定^[7-9]。针对超纯铁素体不锈钢过程时间长、超高温的钢液处理工序的特性, 提高引流剂耐火温度是有利的。如果单纯引入耐火温度高的颗粒材料, 虽可以解决水口中上部引流剂过度烧结问题, 但往往也会造成水口中下部引流剂因受热膨胀, 在水口内壁出现"架桥"现象, 从而降低自开率。尤其是水口内径较小的太钢南区钢包(钢包容量85 t, 水口55 mm), "架桥"现象尤为明显。对引流剂耐火温度提升采取2个方案, 并按照原方案和调整的2方案比例, 将原材料准确称重, 搅拌混匀, 装50 mL石英坩埚, 在重烧炉内进行高温膨胀性测试, 该重烧炉最高工作温度1 600 ℃, 引流剂调整方案主要参数见表 4。

通过表 4可以看出, 调整的2个方案均提升了产品耐火度15~20 ℃, 但方案1膨胀率明显高于方案2。综上所述, 优选方案2。该方案设计原理为在原有产品比例基础上, 增加鳞片石墨比例, 在水口内, 滑板闭合后"类真空"状态下, 鳞片石墨兼有润滑隔离性能和高温耐材性能^[7-10]。

3 优化效果验证

通过对钢包运行调度和钢种计划安排、出钢温度控制、引流剂产品性能几个方面的优化, 超纯铁素体不锈钢钢包自开率明显提高, 见表 5。

从表 5可以看出, 自2020年2月份采取优化措施后, 超纯铁素体不锈钢钢包自开率已经接近其他不锈钢钢包自开率, 大幅度提升了铸坯成材率和铸坯质量, 可以较好地满足目前生产指标需求。

4 结论

针对超纯铁素体不锈钢钢包自开率低问题, 通过现场调研、统计和分析, 排除了钢包清理、回渣、加砂等非主要因素, 现场主要存在过程时间长、出钢温度超高、钢水流动性差几个特点, 引流剂产品适应性不足。为了解决该问题, 采取优化钢包运行调度和钢种计划安排以缩短过程时间, 控制出钢温度范围, 优化引流剂产品性能几项措施, 最终有效的解决了超纯铁素体不锈钢自开率低问题。