钢水钙处理对连铸钢浇铸性能的影响.pdf

1 钙处理对连铸钢浇铸性能的影响 1. 引言 炼钢过程的重要任务不仅是要控制好钢水的化学成分而且还要控制钢中的非金属夹杂物，进而确保钢的 纯净度，连铸钢的浇铸性能、组织、特性与非金属夹杂物的关系非常密切 由于铝能有效地将钢液中的氧降到较低水平，所以它作为强脱氧剂在炼钢过程中被广泛采用，根据热力 学计算， 在 1600℃温度条件下，与0.02%酸熔铝平衡的氧含量大约为3×10－4％～ 4×10－4％ 但是用铝脱 氧后在钢中形成大量的三氧化二铝，由于三氧化二铝很难从钢中去除干净，在浇铸时很容易粘附在水口壁上 引起水口堵塞从而浇铸过程的中断，为了解决这个问题，常用的方法是对钢水进行钙处理，通过对钢中加入 一定的钙， 使得高熔点的三氧化二铝与氧化钙结合形成低熔点的铝酸钙，从而大大提高钢液的浇铸性能对 于热轧或厚板向的产品，为了改善钢材性能，尤其是要减少硫化锰夹杂的形成，通常也采用对钢水进行钙处 理的方法另外通过钙处理还可以对钢水进行脱硫总之钙冶金技术在现代炼钢生产过程中已应用得非常普 遍，但是钙处理如果控制不当，不仅不能达到预期的冶金效果，反而会恶化钢的浇铸性能 2. 钙处理钢水口堵塞物的分析 宝钢一炼钢 在浇注某些钙处理的钢种时，曾一度发生钢包水口结瘤现象，出现钢包水口通钢量越来越小 从而造成中间包内钢水重量持续下降，无法满足正常拉速下的浇注作业，不得不降低拉速来确保中间包内一 定的钢水重量，严重时造成浇注中断，影响整个炼钢生产的节奏。

以下以浇注ERW用钢时产生的水口堵塞物 为例来分析水口堵塞的原因表1 为发生水口堵塞炉次的钢水成分钢包浇注结束后将冻结在水口中的钢柱 取出、锯断并经酸洗后可看到堵塞的情况，见图1，中间白色的部分为钢，周围黑色的部分为堵塞物通过 用 S500A扫描电镜和Link IsIs能谱仪 对周围黑色堵塞物进行分析表明，堵塞物成分主要是Al、Ca、O，形貌和 谱线见图 2、图 3根据能谱分析结果，可以推断出堵塞物的成分主要是CaO·2Al2O3，其熔点为 1750℃，在 钢液中呈固相存在也就是说，该炉钢虽经钙处理，但由于形成了高熔点的复合化合物，并未改善钢水的浇 铸性能 表 1 水口堵塞炉次的钢水成分 C Si Mn P S Al Ca 0.088 0.8 0.79 0.017 0.0046 0.0200.0015 图 1 水口堵塞照片图 2 堵塞物形貌图 3 堵塞物成分谱线 3. 通过钙处理改善连铸钢浇铸性能的原理 改善连铸钢浇注性能的常用方法有：（1）将非金属夹杂物去除到极低水平 2）对非金属夹杂物进行变 性处理，即钙处理，以减轻和消除它的有害影响据Uesing[1]报道，将轴承钢的总铝与酸熔铝控制在同一水 平 0.018±0.004%，连铸浇铸时 不会发生水口堵塞。

钙处理工艺是20 世纪 70 年代开始逐步在连铸钢上进行应 用的，其目的之一就是避免形成固态的三氧化二铝，添加一定量的钙可以将固态三氧化二铝变为液态，从而 减轻水口堵塞；另外钢中加钙后，可以避免形成长条状的硫化物夹杂从而改善钢的各向异性由于钙的密度 较低、在钢中的溶解度小、钙的蒸气压较大、沸点低、高挥发性和化学活性，使得往钢中加钙时收得率很低， 而且受钢水脱氧情况、钢包中的渣量等因素影响，在实际大生产中要稳定控制钢中的钙含量难度较大目前 工业大生产中常用的向钢中加钙的方法有两种：一是喷粉；二是喂丝喷粉技术的粉剂制备、输送、防潮的 2 条件要求较高，设备投资较大，且喷粉易导致钢中增氢、增氮、温降大，而喂丝不仅可以达到喷粉的效果且 大大克服了喷粉的缺点，因此喂丝技术在八十年代得到了迅速推广 根据 CaO-Al2O3 二元相图可知，当这两种氧化物相互溶解后，液相线温度大大降低，因此溶解的钙与三 氧化二铝反应生成低熔点的液态CaO-Al2O3夹杂物，就可以显著改善钢水的浇铸性能，反应式可表示如下： 3[Ca] + (Al2O3) ＝ 2[Al] + 3(CaO) ⋯⋯⋯⋯ (1) 当钢中含硫较高时，还会发生下列反应： [Ca] + [S] ＝ (CaS) ⋯⋯⋯⋯ (2) 对于钙处理钢，造成水口堵塞的因素有两个：一是钙加入量不够，本文前面分析的水口堵塞物就属于这 种情况，在向钢水中加钙的过程中，随着钢水中钙含量的不断增加，夹杂物中钙的含量也在增加，见图4[2]， 形成的复合夹杂物依次为CA6、 CA2 、 CA、C12A7、C3A（C与 A 分别代表 CaO和 Al2O3） ，其中前两个的熔点 均在 1700℃以上，在实际大生产中必须加以避免，从图4 还可以看出，钢中钙含量达15×10－4％左右时， 相应夹杂物中钙的含量在15％左右，此时形成的主要是高熔点的CaO·2Al2O3 夹杂物，这与本文前面介绍的 用 Link IsIs能谱仪对堵塞物分析结果完全一致，因此钙处理必须确保向钢中加入足够量的钙，根据图 4 可以初 步推测钢中钙含量至少大于 25×10－4％时，才不会导致钢水浇铸性能的恶化。

图 4 钢中钙含量与夹杂物中钙含量的关系 图 5 钢中铝、硫含量对形成CaS的影响 另外一个造成水口堵塞的因素就是钙的加入量过多，从而形成高熔点的CaS （熔点为2450℃） ，此时同样 会恶化钢水的浇铸性能图5[3]为不同温度条件下钢中硫、铝含量对形成CaS的影响， 随着钢中铝含量的增 加，氧的活度降低，有利于硫化物的形成；随着钢中硫含量的增加，有利于形成高熔点的CaS ；钢水温度降低 时，氧的活度降低，也有利于CaS的形成显然在1550℃的中间包浇铸温度条件下，当钢中铝含量为0.030% 时，为了防止生成CaS夹杂物，钢中硫含量不得超过0.015% 根据以上分析可知，对于钙处理钢，为了确保连铸良好的浇铸性能，应向钢中加入合适含量的钙，也就 3 是说，加入的钙太少或太多，均得不到理想的效果，钙含量太低时，形成的仍是高熔点的复合夹杂物，此时 比不进行钙处理的钢浇铸性能还差，但是钙含量过高时，又易生成CaS高熔点夹杂物，浇铸性能仍比较差 图 6[3]中的阴影部分就是钙处理钢的最佳控制区，在该区域形成的夹杂物全是液态的，浇铸性能最好 为了改善连铸钢水的浇铸性能，并不是任何钢种都可以采用钙处理的方法，对于成形性要求较高的钢种 如汽车板就不适宜采用钙处理的工艺来改善浇铸性能，因为经钙处理后形成的铝酸钙夹杂较硬。

对于这类钢 种一般采用提高钢水纯净度的方法来改善浇铸性能，通过控制转炉下渣、钢包渣的变性处理、中间包冶金、 保护浇注等措施来确保钢的纯净度，降低钢中的全氧含量 图 6 钙处理最佳控制区 4. 对宝钢一炼钢钙处理钢种浇铸情况的调查 宝钢一炼钢采用钙处理的钢种比较多，主要集中在管线钢、耐候钢等钢种上面，过去主要使用KIP 来对 钢包喷粉，后来开发了喂丝工艺后，一般都采用喂SiCa丝来对钢水进行钙处理在过去的某一段时期内浇铸 钙处理的钢种时，经常发生大包水口结瘤导致大包钢水流量跟不上中间包的吨位重量，有时造成钢水未浇完 返送图7 是钢中含钙量与钢包水口结瘤的关系，可以看出，当钙含量大于25×10－4％时，钢包水口结瘤 的发生率大幅度下降，这个大生产实践的统计结果与本文前面的分析非常一致另外对钢中钙铝比也进行了 统计调查，见图8，当钢中钙铝比大于0.09 时，结瘤率也是大幅度下降，这与国内外许多其他研究钙冶金技 术的结果是类似的 图 7 钢中钙含量对水口结瘤的影响图 8 钢中钙铝比对水口结瘤的影响 值得注意的是钙处理技术若控制不当时，不仅对水口结瘤带来影响，而且对连铸结晶器内熔融的保护渣 性能以及钢水的凝固行为也会造成很大影响，如脱硫用的CaO粉剂受潮时，若对钢水喷入大量CaO进行脱硫 处理，会引起钢中[H]含量大幅度升高，如果加上生产节奏紧张，钙处理后，后期搅拌和镇静时间不足，夹杂 物上浮不充分，连铸开浇后，保护渣性能会急剧恶化，无法保持其正常的润滑和传热功能，此时结晶器内的 传热效果严重变差，结晶器铜板温度大幅度降低（见图9） ，结晶器拔热量也明显下降，严重时会造成漏钢事 故，对生产、设备均造成较大的损失。

4 图 9 钙处理不当对结晶器传热的影响 5. 结论 对钢水进行钙处理时，如果加钙量不足，形成高熔点的铝酸钙复合夹杂物，会严重恶化钢水的浇铸性能， 但是如果加钙量过多，钢中含硫量也高时，同样会形成高熔点的CaS夹杂物，也会导致钢水浇铸性能变差 钢中钙含量大于25×10－ 4％，钢中钙铝比大于0.09 时有利于钢水浇铸性能的提高钙处理控制不当时，不 仅会恶化钢水的浇铸性能，而且对钢水在连铸结晶器内的凝固行为带来不良影响 将钙加入钢液时，重要的是钙的释放深度要足以防止钙的自然蒸发1600℃时钙的蒸汽压约1.8×105Pa ，与 在约 1.6m 深度的钢水静压力相当由于钙的蒸气压小，要想提高钙的收得率，必须将铁钙线喂得深，一种简单的 方法就是增加喂线速度 来增加钙的释放深度，所以必须保证较高的喂线速度，才能使铁钙线穿透渣层并达到一定的 深度，增大钢水对钙的吸收，减少炉渣对钙的损失，提高钙的回收率因此，喂线速度是喂线工艺的关键参数，喂 线过快或过慢都将影响合金粉剂的熔化速度和氧化程度，致使冶金效果受到影响研究表明， 芯线喂入钢水的深度 可用下式估算： 式中， H为芯线喂入钢水深度，mm ；D 为芯线直径，mm ；为芯线加入速度，m/min；d 为外壳钢皮厚度，mm ；A 为与钢皮材质和钢水温度有关的参数。

通过理论计算及生产实践，铁钙线的喂入速度取2.0~5.0m/s比较合适 喂铁钙线前钢中硫含量的控制 在钙处理铝镇静钢中，随着温度的降低，钙有可能会与硫反应生成CaS ，这有可能造成钢水在流经水口时由于 温度的降低析出CaS夹杂物特别是钢水从精炼结束到连铸中包，温度下降了近50℃在精炼阶段没有生成CaS ， 随着温度的降低，在连铸阶段有可能生成CaS 理论计算表明，1873K 时，在 12Ca0 ·7Al2O3态下为避免生成CaS， 钢水中 w(S) 要低于 0.017%故低碳低硅高铝冷墩钢生产过程中，采用铁水预处理脱硫结合LF造渣精炼脱硫工艺， 保证了钢中w(S) 小于 0.015% 生产实践也表明，喂线前钢中的硫含量较高时，会消耗一部分钙进行脱硫，降低了钙的回收率我们统计了喂 线前高硫和低硫情况下的钙的回收率，结果表明，当钢中w(S)≤0.008%时，钙的平均回收率为12.77%；当钢中 w(S)≥0.009%时，钙的平均回收率为8.91%，故生产中应尽量降低钢中硫含量，钙才能对钢中氧化铝夹杂物进行有 效的变性所以当喂线前钢中硫较高时，特别是当w(S) 超过 0.008%时，必须适当提高喂线量，以达到较好的处理 效果。

钙的脱氧能力很强，钢中的酸溶铝较低时，钢中的氧活度也较高，要消耗一部分钙进行脱氧，降低了钙的回收 率随着喂线前钢中酸溶铝含量的增加，钙的回收率逐渐提高 5 当钢中w(Als) 控制过高 ，超过0.04%时，钢中的酸溶铝很容易与渣中的氧结合，也会还原渣中SiO2和 MnO等 化合物，使钢液中聚集的Al2O3增加同时，过高的酸溶铝含量还会增加钢液在浇铸时的二次氧化，产生滞留在钢 中的 Al2O3夹杂另外，钢中酸溶铝含量过高，会导致中包钢水钙铝比小于0.09 ，从而严重影响了钙处理的效果 由于 锰硅比较低，生成SiO2结瘤 为此，试验推广应用硅铝钡脱氧，确定了根据终点碳及终点温度加入 适量硅铝钡脱氧，使钢中的铝含量最终在0.006%--0.010%之间，既保证了铸坯不产生皮下气泡，又保证了钢 水浇注不结瘤；调整钢中锰硅比，使锰硅比大于2.7，减少后吹次数，最终减少了因钢中生成SiO2 而造成的 中间包水口结瘤 LF 炉脱硫是在还原渣条件下进行的，因而其脱硫效率要远远高于转炉，其反应主要发生在炉渣和钢水界 面之间，通过钢渣反应，使硫由钢水向炉渣的扩散转移，其基本反应为：[FeS]+(CaO) ＝(CaS)+(FeO) 。

减少中间包水口堵塞的生。