中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄開澆工藝對(duì)夾雜物變化的影響

沈昶，趙沛

(鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京100081）

中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄開澆工藝對(duì)夾雜物變化的影響

沈昶，趙沛

(鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京100081）

為研究中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)時(shí)開澆階段鋼水嚴(yán)重二次氧化的原因，設(shè)計(jì)開澆前中間包不充氬和充氬2種開澆工藝，量化分析2種工藝的全氧(T.O)、氮及夾雜物的變化。結(jié)果表明，連鑄開澆工藝主要影響鋼水中10 μm以下夾雜物的變化，與精煉終點(diǎn)鋼樣相比，不充氬工藝和充氬工藝的中間包開澆鋼樣T.O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加率分別為82.9%和16.3%，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加率分別為37.2%和10.5%，微小夾雜物單位數(shù)量的增加率分別為85.2%和11.9%，w(Al2O3)在10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜單位數(shù)量增加率分別為88.6%和17.3%，開澆階段中間包不充氬工藝鋼水的嚴(yán)重二次氧化主要是中間包內(nèi)腔空氣所致，中間包耐材的影響較小。

鋁鎮(zhèn)靜鋼；二次氧化；夾雜物；量化分析

鋼鐵企業(yè)越來越注重潔凈鋼的生產(chǎn)，但經(jīng)過精煉的“潔凈”鋼水在開澆階段由于二次氧化使中間包(簡(jiǎn)稱中包，下同)鋼水的夾雜物總量增加，而其中的微小夾雜物在中包澆鑄過程中去除有限，朱正海等[1]采用數(shù)值模擬研究認(rèn)為10 μm以下的夾雜在中包內(nèi)難以去除，生產(chǎn)潔凈鋼有必要對(duì)開澆階段鋼水二次氧化原因進(jìn)行分析和控制。栗紅等[2]，孫彥輝等[3]認(rèn)為開澆階段中包內(nèi)腔空氣對(duì)鋼水二次氧化是主要原因；楊文等[4]認(rèn)為開澆階段鋼水的二次氧化很大程度是由中包耐火材料及覆蓋渣等因素造成；但也有研究發(fā)現(xiàn)開澆階段中包內(nèi)腔空氣和耐材都會(huì)引起鋼水的二次氧化[5]。以上文獻(xiàn)表明，開澆階段鋼水二次氧化主要由中包內(nèi)腔空氣和中包耐材引起。

中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中的非金屬夾雜物是影響鋼材疲勞性能的主要因素之一[6]，其連鑄過程夾雜物的研究多為中包去除夾雜物工藝，如龔偉[7]對(duì)中包去除軸承鋼夾雜物的工藝研究。而對(duì)開澆過程夾雜物變化的研究較少。鑒于此，筆者針對(duì)某廠中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄開澆爐次鑄坯經(jīng)常出現(xiàn)全氧含量和夾雜物超標(biāo)的問題，設(shè)計(jì)開澆前中包不充氬和充氬2種開澆工藝，在精煉終點(diǎn)和開澆階段取鋼水樣，對(duì)鋼水潔凈度和夾雜物尺寸、組分進(jìn)行量化分析，研究中包開澆階段鋼水嚴(yán)重二次氧化的原因。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)鋼種為中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，工藝路線為電爐冶煉→LF精煉→真空精煉→連鑄。中包工稱噸位40 t，鋼包到中包為長(zhǎng)水口保護(hù)澆鑄，中包與包蓋采用耐火泥密封，中包上沿吹氬氬封，中包鋼w([Als])=0.015%～0.030%。開澆前分別采用中包內(nèi)腔未充氬和充氬工藝，充氬位置如圖1，中包兩端和大包注流區(qū)的中間插入充氬管向中包內(nèi)腔底部充氬置換空氣，充氬管頭距包底100 mm，距兩端包壁100 mm。充氬工藝為中包烘烤停止→立即將充氬管插入中包持續(xù)充氬→中包車開至澆鑄位準(zhǔn)備開澆→停止充氬并拔出充氬管→中包開澆，充氬總流量為100 m3/h，充氬時(shí)間3～5 min。

在真空精煉終點(diǎn)和開澆階段分別在鋼包和中包內(nèi)采用專用桶樣取樣器取鋼水樣，取樣方案見表1。對(duì)鋼樣分別進(jìn)行全氧(T.O)、氮含量分析和夾雜物分析，試樣加工方案見圖2。氧氮試樣的尺寸為Φ5 mm×30 mm氮試樣的，夾雜物試樣為20 mm× 20 mm。T.O和N由氧氮分析儀測(cè)定，夾雜物量化分析采用ASPEX夾雜物快速分析儀分析，起始分析尺寸≥1 μm，為保證分析具有代表性，兼顧試驗(yàn)效率，分析掃描面積設(shè)定 ＞50 mm2。

表1 取樣方案Tab.1 Sampling scheme

2 結(jié)果及討論

2.1 全氧及氮含量變化

鋼中全氧含量是評(píng)價(jià)鋼潔凈度水平和夾雜物水平的指標(biāo)之一[8-9]，氮含量反映鋼液吸入空氣的程度[10]。表2所示為鋼中T.O和N在開澆前后的變化。分析表2可知：不充氬中包開澆后CCM1樣的w(T.O)和w(N)分別增加11.2×10-6和11.9×10-6，增加率為82.9%和37.2%，CCM2樣的w(T.O)和w(N)比CCM1分別降低了4.6×10-6和2.0×10-6，比精煉終點(diǎn)樣高5.8×10－6和9.9×10-6；充氬中包開澆后CCM1樣的w(T.O)和w(N)分別增加2.4×10-6和3.6×10-6，增加率為16.3%和10.5%，CCM2樣的w(T.O)和w(N)比CCM1分別降低了0.8×10-6和2.9×10-6，比精煉終點(diǎn)樣高1.6×10-6和1.5×10-6?？梢钥闯鲋邪怀錃骞に囬_澆后鋼水的T.O和N含量比中包充氬工藝明顯增加，表明中包不充氬工藝的開澆鋼水受空氣二次氧化比中包充氬工藝嚴(yán)重。

2.2 夾雜物單位數(shù)量、尺寸變化

開澆階段夾雜物在各尺寸范圍的變化情況采用夾雜物單位數(shù)量描述，結(jié)果見表3。

由表3可知：中包不充氬時(shí)，中包樣中1～2 μm的夾雜物單位數(shù)量比精煉終點(diǎn)樣明顯增多，中包充氬后，中包樣中1～2 μm的夾雜物單位數(shù)量比精煉終點(diǎn)樣減少；與精煉終點(diǎn)樣相比，2種工藝的CCM1樣10 μm以下夾雜物單位總數(shù)量分別增加85.2% (中包不充氬)和11.9%(中包充氬)，進(jìn)一步表明不充氬中包比充氬中包的二次氧化嚴(yán)重；充氬中包2 μm以上的夾雜物數(shù)量增多，這是在澆鑄過程中細(xì)小夾雜碰撞長(zhǎng)大所至[11-12]；大于10 μm夾雜物的變化顯示，開澆工藝對(duì)大尺寸夾雜物的影響不明顯。

表2 澆鑄過程T.O和N的變化情況Tab.2 Changes ofT.OandNduring casting period

表3 夾雜物單位數(shù)量和尺寸變化Tab.3 Changes of quantity and size per unit of inclusions

2.3 鈣鋁酸鹽夾雜物單位數(shù)量變化

中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的夾雜物主要為含Al2O3的鈣鋁酸鹽夾雜物，因此開澆階段鋼中含Al2O3的鈣鋁酸鹽夾雜物單位數(shù)量的變化可進(jìn)一步考察鋼水二次氧化的程度。統(tǒng)計(jì)分析w(Al2O3)為10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜物單位數(shù)量的變化，結(jié)果見表4。

從表4可知：中包不充氬工藝的CCM1樣比精煉終點(diǎn)樣的鈣鋁酸鹽夾雜單位數(shù)量比率增加了88.6%；中包充氬工藝的CCM1樣鈣鋁酸鹽夾雜物單位數(shù)量比率增加為17.3%，隨著澆鑄的進(jìn)行，鈣鋁酸鹽夾雜物的單位數(shù)量均有減少的趨勢(shì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了中包開澆充氬后，一定程度上稀釋了中包內(nèi)腔空氣的總量，減弱了鋁鎮(zhèn)靜鋼的二次氧化。

2.4 含MgO夾雜物變化

連鑄耐材均為含MgO材質(zhì)，為研究開澆過程中鋼水受耐材二次氧化的程度，對(duì)鋼中含MgO夾雜物的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表5。由表5可知耐材對(duì)中包鋼水存在二次氧化，但二次氧化的程度相對(duì)中包內(nèi)腔空氣的二次氧化影響不明顯。

表4 鈣鋁酸鹽夾雜物的單位數(shù)量變化Tab.4 Changes of calcium aluminate inclusions quantity per unit

表5 含MgO夾雜占總夾雜比例變化Tab.5 Changes of ratio between MgO contained inclusions and total inclusions

3 結(jié) 論

1)開澆工藝主要影響鋼水中10 μm以下微小夾雜物的變化。

2)與精煉終點(diǎn)鋼樣相比，不充氬工藝和充氬工藝的中包開澆鋼樣w(T.O)的增加率分別為82.9%和16.3%，w(N)的增加率分別為37.2%和10.5%，微小夾雜物單位數(shù)量的增加率分別為85.2%和11.9%，w(Al2O3)為10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜單位數(shù)量增加率分別為88.6%和17.3%，開澆階段中包不充氬工藝鋼水的二次氧化主要是中包內(nèi)腔空氣所致。

3)中包耐材對(duì)鋼水存在二次氧化，但相比內(nèi)腔空氣的二次氧化影響很小。加強(qiáng)開澆前中包內(nèi)腔充氬置換空氣的工藝措施是解決開澆階段鋼水嚴(yán)重二次氧化的有效措施。

[1]朱正海,徐其言,周俐，等.CSP中間包內(nèi)腔優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014,31(1):15-19.

[2]栗紅,常桂華,孫群，等.冶煉工藝與鋼潔凈度[J].鋼鐵，2007,42(10):36-38.

[3]孫彥輝,蔡開科,趙長(zhǎng)亮.非穩(wěn)態(tài)澆注操作對(duì)連鑄坯潔凈度影響[J].鋼鐵，2008,43(1):22-25．

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[5]楊疊,鄧小旋,王新華,等.二次氧化對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中間包鋼水潔凈度的影響[J].鋼鐵,2013,48(1):37-41.

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[11]Asish K S,Yogeshwar S.Mathematical modeling of inclusion transport and removal in continuous casting tundishes[J].ISIJ International,1993,33(5):556-566.

[12]張邦文,鄧康,雷作勝，等.連鑄中間包中夾雜物聚合與去除的數(shù)學(xué)模型[J].金屬學(xué)報(bào),2004,40(6):623-628.

責(zé)任編輯：何莉

Effect of Start Process of Medium CarbonAl-killed Steel Continuous Casting on Inclusions Changes

SHEN Chang,ZHAO Pei
(National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology,Central Iron&Steel Research Institute,Beijing 100081,China)

In order to analyze the reason of serious reoxidation at start of continuous casting(CC)in medium carbon Al-killed steel production,design two start techniques of CC with no argon filling and argon filling in tundish before start of CC,and quantitatively analyze the changes of total oxygen(T.O),N and inclusions.The results show that start process of CC mainly influences the change of little inclusions which smaller than 10 μm,the sample at start casting of CC compared to the sample at end of refining using no argon filling and argon filling respectively,w(T.O)increase rates are 82.9%and 16.3%,w(N)increase rates are 37.2%and 10.5%,quantity per unit of little inclusions increase rates are 85.2%and 11.9%,and quantity per unit of calcium aluminate inclusions containing more than 10%w(Al2O3)increase rates are 88.6%and 17.3%,the main reason of serious reoxidation at start of CC with no argon filling process is caused by air in tundish cavity,and the influence of refractory is less.

Al-killed steel;reoxidation;inclusions;quantitative analysis

TF777

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.002

2015-02-10

安徽省科技計(jì)劃項(xiàng)目(12010202c180)

沈昶(1972-)，男，安徽馬鞍山人，博士生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫珶?、連鑄技術(shù)。

1671-7872(2015)-02-0105-04