浸入式水口缺陷成因及對(duì)板坯的影響

趙晨光，王成青，袁皓，楊輝，舒耀，李陽

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鋼水潔凈度的要求也越來越高。實(shí)際生產(chǎn)中，許多耐火材料都是直接與鋼水接觸的，一旦耐火材料存在質(zhì)量缺陷，會(huì)給鋼水帶來大顆粒的外來夾雜，同時(shí)也會(huì)造成鋼水的二次氧化產(chǎn)生內(nèi)生夾雜。浸入式水口作為保護(hù)澆注的重要環(huán)節(jié)之一，也是耐材質(zhì)量缺陷的多發(fā)環(huán)節(jié)，其缺陷形式多樣化，對(duì)鋼水質(zhì)量的影響也不同。因此，有必要對(duì)浸入式水口的缺陷形式及其對(duì)鑄坯的影響進(jìn)行研究，以便控制板坯夾雜，進(jìn)而降低冷軋板夾雜缺陷率。

1 浸入式水口缺陷的成因及對(duì)板坯的影響

生產(chǎn)跟蹤發(fā)現(xiàn)，浸入式水口缺陷主要為浸入式水口渣線處孔洞、渣線處斷裂及側(cè)孔處斷裂。由于浸入式水口受到長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕，生產(chǎn)后期便會(huì)造成水口底部側(cè)孔或渣線位置斷裂，徹底改變結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)形態(tài)，部分缺陷還會(huì)造成鋼水的二次氧化。生產(chǎn)中水口斷裂位置如圖1所示。

1.1 浸入式水口渣線處孔洞

目前使用的浸入式水口多為鋁碳鋯材質(zhì)，其渣線部位材料成分不均，尤其是存在碳富集點(diǎn)，在保護(hù)渣的侵蝕作用下，向鋼水中的物質(zhì)傳遞速度明顯高于其它部位，澆注過程中經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕，出現(xiàn)局部侵蝕過重，將導(dǎo)致浸入式水口渣線部位出現(xiàn)孔洞缺陷［1］。水口內(nèi)高速流動(dòng)的鋼水會(huì)將孔洞周圍的保護(hù)渣及空氣抽入浸入式水口中，隨鋼水進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，造成鋼水的二次氧化及保護(hù)渣的卷入，極易造成板坯皮下夾渣以及內(nèi)部產(chǎn)生大量的內(nèi)生夾雜。

此缺陷發(fā)生初期，由于孔洞直徑很小不易被察覺。隨著吸氣的不斷進(jìn)行，空氣中的氧與水口耐材中的碳、鋁等成分不斷反應(yīng)會(huì)造成擴(kuò)孔現(xiàn)象，吸氣量及保護(hù)渣的卷入量也隨之增大，而此時(shí)容易發(fā)覺缺陷。因此，浸入式水口渣線處出現(xiàn)孔洞缺陷具有一定的隱蔽性和延續(xù)性，對(duì)板坯的夾雜影響較大，且影響的板坯數(shù)量也較多。

1.2 浸入式水口渣線處斷裂

1.2.1 規(guī)則斷裂

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的澆注，浸入式水口渣線部位形成很深的侵蝕線，使得水口壁變薄，在鋼水的熱震作用下產(chǎn)生斷裂。

此類缺陷具有突發(fā)性，通常為瞬間行為，且極易被察覺。但由于其斷裂導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生突然變化，容易產(chǎn)生較大的液位波動(dòng)，破壞彎月面產(chǎn)生卷渣現(xiàn)象，導(dǎo)致板坯產(chǎn)生皮下夾渣缺陷，其影響的板坯數(shù)量較少，基本上只影響發(fā)生缺陷時(shí)刻的板坯。

1.2.2 不規(guī)則斷裂且有裂紋產(chǎn)生

此種缺陷是由于浸入式水口渣線處斷裂前已經(jīng)產(chǎn)生了微小裂紋，高速流動(dòng)的鋼水將周圍空氣吸入浸入式水口內(nèi)部。由于不斷的吸氣，裂紋逐漸加重，吸氣量也不斷增加，吸入的空氣不僅與鋼水反應(yīng)產(chǎn)生二次氧化帶來大量的夾雜，同時(shí)吸入的空氣與水口內(nèi)壁耐火材料發(fā)生氧化反應(yīng)，使得水口壁不斷變薄，在鋼水的熱震作用下產(chǎn)生斷裂，同時(shí)裂紋沿水口縱向或橫向產(chǎn)生炸裂。

吸氣嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐山胧剿诘撞慨a(chǎn)生底孔或者擴(kuò)孔現(xiàn)象。水口斷裂后，結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重變化，會(huì)引起結(jié)晶器內(nèi)大的液位波動(dòng)，造成卷渣現(xiàn)象。此種缺陷同樣具有隱蔽性和延續(xù)性，對(duì)板坯的夾雜影響較大，且影響的板坯數(shù)量也較多。

1.3 浸入式水口側(cè)孔處斷裂

1.3.1 沿側(cè)孔上下沿規(guī)則斷裂

由于鋼水熱震作用，側(cè)孔處水口壁單側(cè)先產(chǎn)生斷裂，隨后另一側(cè)在高速流動(dòng)的鋼水沖擊作用下產(chǎn)生斷裂所致。其表觀現(xiàn)象與1.2.1節(jié)所述缺陷相似，具有突發(fā)性，容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)板坯夾雜的影響主要是瞬間流場(chǎng)改變導(dǎo)致的液位波動(dòng)卷渣，影響的板坯數(shù)量較少，基本上只影響發(fā)生缺陷時(shí)刻的板坯。

1.3.2 沿側(cè)孔上下沿?cái)嗔亚矣辛鸭y產(chǎn)生

此種缺陷與1.2.2節(jié)所述缺陷相似，對(duì)板坯夾雜影響較大，且數(shù)量較多。

2 水口斷裂對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)的影響

為了研究結(jié)晶器水口斷裂對(duì)結(jié)晶器鋼液流動(dòng)形態(tài)的影響，使用Ansys fluent 12軟件專門建立了數(shù)值分析模型，計(jì)算了完整浸入式水口和斷裂后直筒型水口對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)的影響，數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)圖見圖2。

由圖2可以看出，完整浸入式水口的結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)存在明顯的上回流和下回流，上回流的存在一方面可以使高溫鋼液返回彎月面附近，促使該處保護(hù)渣熔化，形成液渣層浸入初生坯殼和結(jié)晶器銅板之間，確保坯殼的均勻傳熱，為改善鑄坯表面質(zhì)量提供良好的條件；另一方面，上回流可以攜帶部分夾雜物顆粒上浮到液渣層，被保護(hù)渣層吸附去除，起到凈化鋼液的目的，保證鋼水的潔凈度。

當(dāng)浸入式水口發(fā)生斷裂后，沒有了水口底部的約束，完全成為直筒型水口澆注，鋼液直接沖入結(jié)晶器深部，原先的雙回流模式消失，并且自由液面處的鋼液流動(dòng)遲滯，惡化了彎月面處保護(hù)渣的熔化效果，勢(shì)必造成鑄坯表面缺陷。而且，直接流入結(jié)晶器底部的鋼液攜帶夾雜物流入二冷區(qū)，夾雜物上浮的幾率明顯減小，致使最終鑄坯內(nèi)夾雜物增多，鑄坯潔凈度降低。

3 缺陷的控制及缺陷板坯的處理辦法

3.1 浸入式水口缺陷的控制

浸入式水口產(chǎn)生缺陷除了自身質(zhì)量存在問題以外，多數(shù)是由于烘烤溫度不夠，在澆鑄過程接觸高溫鋼水并在熱震作用下出現(xiàn)缺陷。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)浸入式水口的烘烤采用內(nèi)抽爐式的整體烘烤模式，通過對(duì)烘烤結(jié)束的浸入式水口進(jìn)行溫度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，溫度多集中在750～850℃，這與澆注要求相差較大，抵抗不了澆注過程所產(chǎn)生的熱應(yīng)力［2］。

為了解決這一問題，將內(nèi)抽爐排風(fēng)管改型為拉瓦爾式的排風(fēng)管，浸入式水口烘烤溫度提升至950～1 050℃。改造后，水口缺陷次數(shù)由每月8～10次降低至1～2次，大幅度減少水口缺陷板坯數(shù)量。

3.2 不同缺陷板坯的處理辦法

浸入式水口缺陷板坯全部下線四面火焰清理后下送軋制，跟蹤6個(gè)月軋后情況發(fā)現(xiàn)，由于缺陷形式不同，火焰清理對(duì)夾雜缺陷的控制能力差異較大。

3.2.1 浸入式水口斷裂無裂紋

浸入式水口渣線處整齊斷裂、浸入式水口側(cè)孔處整齊斷裂澆鑄的板坯經(jīng)過清理軋制后，夾雜缺陷較少，即使存在夾雜缺陷，廢品數(shù)量也較少。因此，此類板坯經(jīng)過火焰清理后，夾雜問題能夠得到有效控制，可以正常進(jìn)行軋制。

3.2.2 浸入式水口斷裂有裂紋及渣線處孔洞

這類缺陷不僅造成鋼水二次氧化產(chǎn)生大量?jī)?nèi)生夾雜，還導(dǎo)致卷渣，板坯經(jīng)過火焰清理后軋制，夾雜缺陷較多，廢品量較大。說明此類缺陷板坯無法通過火焰清理有效控制夾雜。

實(shí)際生產(chǎn)操作中，這類缺陷發(fā)現(xiàn)的時(shí)間、浸入式水口更換的速度也直接影響缺陷板坯的數(shù)量，這是由于這類缺陷具有隱蔽性及延續(xù)性。本著不傳遞缺陷的原則，此類板坯應(yīng)該根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況有針對(duì)性的報(bào)廢處理。而報(bào)廢處理的尺度應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以免造成不必要的損失，降低鋼水收得率。經(jīng)過不斷的跟蹤、優(yōu)化，浸入式水口缺陷板坯處理方法見表1。

實(shí)踐證明，表1所示的處理方法可以將浸入式水口缺陷板坯完全截留，軋后不會(huì)產(chǎn)生夾雜缺陷。

表1 浸入式水口缺陷板坯處理方法

4 結(jié)論

（1）浸入式水口的烘烤溫度達(dá)到 950～1 050℃能夠有效控制浸入式水口缺陷。

（2）浸入式水口渣線或側(cè)孔處整齊斷裂的缺陷板坯，經(jīng)過四面火焰清理后，夾雜缺陷能夠得到有效控制，因此，此類缺陷板坯可以正常軋制。

（3）浸入式水口斷裂有裂紋及渣線處孔洞板坯因鋼水嚴(yán)重二次氧化并出現(xiàn)卷渣，即使經(jīng)過四面火焰清理，夾雜缺陷也得不到有效控制，應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)這類缺陷板坯進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)廢處理。

［1］ 王建筑.鋁鋯碳質(zhì)長(zhǎng)水口損毀機(jī)制的研究 ［J］.耐火材料,2011,45（6）:427-429.

［2］ 羅會(huì)信.浸入式水口澆鋼過程中熱應(yīng)力耦合場(chǎng)分析 ［J］.煉鋼，2011，27（1）:61-65.