軸承鋼方坯水口結(jié)瘤原因分析

李 維，張 霞

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

1 引言

浸入式水口堵塞一直是困擾連鑄的一個(gè)難題，尤其在澆注鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，浸入式水口堵塞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅降低了連鑄生產(chǎn)效率，更直接影響到連鑄操作的穩(wěn)定性，而且也是引起鑄坯表面缺陷的原因。天鋼軸承鋼鑄坯生產(chǎn)工藝為：鐵水預(yù)處理→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t LF爐精煉→120 t VD爐真空脫氣→6機(jī)6流（R9m）方坯連鑄機(jī)澆注→堆冷，鑄坯斷面150×150 mm。在澆注軸承鋼過程中，發(fā)生了水口結(jié)瘤。本文研究了水口結(jié)瘤物物相，分析了結(jié)瘤原因，為避免該問題的發(fā)生提供了理論依據(jù)。

2 水口結(jié)瘤物分析

天鋼生產(chǎn)軸承鋼方坯采用的浸入式水口包括3部分，水口上部采用的是Mg-O質(zhì)，本體采用Al2O3-C質(zhì)，渣線部位采用ZrO2-SiO2-C質(zhì)。本次實(shí)驗(yàn)選取 4 個(gè)水口試樣，編號(hào)為 1#～4#，其中，1#、2#發(fā)生水口結(jié)瘤，3#、4#澆注順暢。水口堵塞發(fā)生在水口渣線部位，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析結(jié)瘤物各個(gè)結(jié)構(gòu)層的物相類型和分布規(guī)律，用X熒光分析成分，以弄清堵塞的物理化學(xué)過程。

2.1 宏觀形貌

沿著1#水口縱剖面取試樣進(jìn)行宏觀形貌觀察，見圖1?？梢钥闯觯赏庵羶?nèi)可以分為4層，各層的特點(diǎn)如下：

最外層：水口本體脫碳層，呈黑褐色，疏松，內(nèi)有許多氣孔，見圖1①。

近外層：致密氧化鋁層，該層為無棱角Al2O3顆粒和部分帶有棱角的Al2O3顆粒構(gòu)成的致密堵塞物，顏色較水口本體顏色深，見圖1②。

近內(nèi)層：疏松層，為一層疏松堵塞物層，此層結(jié)瘤物處于水口靠近其中心部位，與鋼液直接接觸，其致密度較脫碳層明顯低，其中夾雜著許多淺顏色的顆粒狀?yuàn)A雜物，見圖1③。

最內(nèi)層：凝鋼，見圖1④。

圖1 水口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析

脫碳層對于鋁碳質(zhì)水口結(jié)瘤起到重要作用，水口中的 Na、Zr、Si、K、B 等元素在高溫下呈液態(tài)，容易使得夾雜物和鋼液粘附在水口壁上進(jìn)而燒結(jié)在一起。另一方而，脫碳層造成水口內(nèi)壁而粗糙度急劇變大，使得夾雜物在水口壁的吸附起到促進(jìn)作用。

為了明確脫碳層在水口結(jié)瘤中起到的作用，對水口渣線部位脫碳層進(jìn)行 C、O、Al、Si元素的EDS線掃描分析，如圖2所示，掃描方向?yàn)槊撎紝拥街旅軐?。由線掃描結(jié)果可以看出，水口耐材到結(jié)瘤物的過渡過程中，C元素急劇降低，Al、Si元素提高，可見，水口結(jié)瘤部位有Al2O3、SiO2等氧化物的聚集。

圖2 分界處線掃描

2.3 X熒光光譜分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)瘤物的物相，選取水口渣線部位試樣，利用X熒光光譜儀分析水口本體和堵塞物成分差異，結(jié)果見表1。可以看出，水口結(jié)瘤物是高溫氧化物，以Al2O3為主，并混有Fe2O3、硅酸鹽以及少量的CaO-Al2O3系礦物，ZrO2由水口本體帶入，與線掃描結(jié)果基本一致。

表1 結(jié)瘤物成分 /%

由上述分析可知，水口結(jié)瘤物的組成是以Al2O3為主的高溫氧化物。

3 水口結(jié)瘤原因分析

Al2O3主要在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)形成[1]：（1）水口耐火材料與鋼液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成。（2）煉鋼脫氧產(chǎn)物Al2O3未能完全上浮去除。軸承鋼脫氧合金化過程需加入鋼芯鋁和鋁粉進(jìn)行脫氧和細(xì)化晶粒，其脫氧產(chǎn)物絕大部分為Al2O3。（3）二次氧化產(chǎn)物。轉(zhuǎn)爐出鋼到連鑄過程中，鋼液中的溶解鋁與空氣中的氧氣、耐火材料和爐渣中的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Al2O3。（4）中間包溫度變化造成。隨著鋼液溫度降低，鋼液中溶解氧的能力降低，平衡遭到破壞，析出氧與鋼液中的鋁繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成Al2O3。本文通過重點(diǎn)分析水口耐火材料和中間包鋼液情況，來確定結(jié)瘤物成因。

3.1 水口耐火材料分析

耐火材料是由多元多相組分構(gòu)成的，澆注軸承鋼所用水口為Al2O3-C質(zhì)水口，主要成分為Al2O3、C和SiO2，水口內(nèi)襯耐火材料成分之間以及與鋼液中的液態(tài)[Al]可能發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

耐火材料內(nèi)部：

耐火材料-鋼液界面：

當(dāng)溫度超過1573 K時(shí)，含C耐火材料中的C和SiO2就會(huì)發(fā)生反應(yīng)式（3）的固-固反應(yīng)，產(chǎn)生SiO氣體和CO氣體。生成的SiO氣體在鋼液界面進(jìn)一步按反應(yīng)式（5）與氧化鋼液中的[Al]形成Al2O3顆粒，SiO氣體本身被還原成Si，溶解到鋼液中。同時(shí)，反應(yīng)式（1）及（3）中生成的CO氣體也按反應(yīng)式（4）與氧化鋼液中的[Al]生成Al2O3顆粒。

首先，水口內(nèi)壁的石墨被氧化，變得細(xì)長，表面開始變得凹凸不平。在耐火材料與鋼液接觸界面上的Al2O3形成1～2 mm厚的致密網(wǎng)狀燒結(jié)層[2]，網(wǎng)狀燒結(jié)層中不含有石墨C，然后懸浮在鋼液中的脫氧產(chǎn)物Al2O3凝結(jié)在內(nèi)壁的凸凹處，形成新的附著物。耐火材料組分與鋼液發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，是產(chǎn)生結(jié)瘤物的原因之一。

3.2 中間包鋼液分析

3.2.1 夾雜物分析

對中間包鋼液進(jìn)行無水電解，利用掃描電鏡對無水電解后的大型夾雜物進(jìn)行形貌觀察和成分分析，結(jié)果見圖3和表2。

圖3 中間包鋼液夾雜物形貌

從夾雜物尺寸看，主要介于58～150 μm，尺寸較大，不易于上浮排除，而且容易導(dǎo)致細(xì)小夾雜物的進(jìn)一步附著。從夾雜物形貌看，以尺寸超過80 μm的塊狀不規(guī)則夾雜物居多，還有少量的尺寸在50 μm以下的球狀?yuàn)A雜物。從夾雜物組成看，主要為氧化性夾雜物，以SiO2-Al2O3-CaO系復(fù)合夾雜物為主，同時(shí)還有少量CaO-MgO型夾雜物和小顆粒MgO夾雜，以及少量Na2O和K2O。從夾雜物來源看，Al2O3、SiO2、CaO 主要來源于脫氧產(chǎn)物，MgO 夾雜主要來源于鋼包耐材被侵蝕，Na2O和K2O主要來源于保護(hù)渣。

3.2.2 鋼液脫氧情況分析

分別統(tǒng)計(jì)水口結(jié)瘤爐次（1#、2#）和澆注順暢爐次（3#、4#）的中間包鋼液酸溶鋁及全鋁含量。1#、2#的 ω（Als）/ω（Alt）分別為 31.28%和 59.76%，3#、4#的 ω（Als）/ω（Alt）分別為 80%和 76.41%?？梢姡诮Y(jié)瘤爐次的酸溶鋁占全鋁比重較高，反之，則Al2O3含量比重偏高。在正常澆注過程中，鋼液中的Al2O3附在水口內(nèi)壁的脫碳層上形成附著物，若能隨鋼液一起流出則不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。但是當(dāng)Al2O3形成過多時(shí)，形成的附著物還未隨鋼液一起流出，就又被新的附著物附著，此時(shí)附著物與脫碳層結(jié)合力過大，大于鋼液流動(dòng)所形成的力，不易被沖掉，隨著澆注的進(jìn)行，造成水口堵塞結(jié)瘤。

由此說明，懸浮在中間包鋼液中的大量高熔點(diǎn)Al2O3夾雜是發(fā)生水口結(jié)瘤的另一重要原因，主要來源于脫氧產(chǎn)物。

表2 夾雜物能譜分析結(jié)果 /%

4 工藝改進(jìn)建議

根據(jù)Al2O3夾雜的形成過程，建議采用以下措施改善水口結(jié)瘤問題。

（1）選擇耐高溫、融損小、質(zhì)量高的水口耐火材料，避免其與鋼液中溶解鋁反應(yīng)生成Al2O3夾雜。

（2）冶煉環(huán)節(jié)提高鋼液潔凈度，增加吹氬時(shí)間和鎮(zhèn)靜時(shí)間，促進(jìn)Al2O3夾雜物的充分上浮。

5 結(jié)論

（1）通過掃描電鏡、能譜分析、X熒光光譜儀等手段對水口結(jié)瘤物進(jìn)行分析，結(jié)果表明水口結(jié)瘤物是以Al2O3為主的高溫氧化物。

（2）水口耐火材料組分與鋼液中鋁發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，是產(chǎn)生結(jié)瘤物的原因之一。

（3）中間包鋼液中存在的大量高熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物Al2O3夾雜是發(fā)生水口結(jié)瘤的另一個(gè)重要原因。

（4）建議從合理選擇水口耐火材料、控制鋼液潔凈度等方面，改善水口結(jié)瘤現(xiàn)象。

[1]顧興鈞.防止船板（鋁鎮(zhèn)靜）鋼液中結(jié)瘤的生產(chǎn)實(shí)踐[J].煉鋼，2002（18）：20-22.