浸入式水口結(jié)瘤引起的夾雜結(jié)疤缺陷特征及預(yù)防措施

供稿|侯鋼鐵 / HOU Gang-tie

用于連鑄耐火材料的“四大件”，即浸入式水口、長(zhǎng)水口、整體塞棒及滑板、定徑水口，起到輸送鋼水、隔斷氣體和控制鋼流的作用。特別是浸入式水口在連鑄中用于中間包與結(jié)晶器之間，使鋼流得到保護(hù)，防止鋼水二次氧化，促進(jìn)夾雜物上浮，防止敞開澆鑄時(shí)鋼水對(duì)結(jié)晶器液面的沖擊，減少鋼水卷渣，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中正在使用的浸入式水口見圖1。其材質(zhì)主要有融熔石英質(zhì)和鋁碳質(zhì)兩大類[1]，熔融石英質(zhì)以SiO2為主，SiO2含量≥99%，常溫耐壓強(qiáng)度40 MPa，顯氣孔率≤18%，體積密度約1.84 g/cm3；鋁碳質(zhì)本體部位以Al2O3為主，C及SiO2為輔，Al2O3占35%，C占20%，渣線部位C占20%，ZrO2占70%，常溫耐扭強(qiáng)度23.34 MPa，顯氣孔率≤16%，體積密度2.5 g/cm3左右。

在澆注過程中，中間包浸入式水口結(jié)瘤不僅會(huì)阻礙鋼液從中間包注入結(jié)晶器，還會(huì)影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)和鋼液中夾雜物的上浮，進(jìn)而影響內(nèi)部質(zhì)量；尤其是當(dāng)結(jié)瘤物被沖刷掉卷入凝固的鑄坯中。當(dāng)進(jìn)入熱軋工序后，會(huì)在帶鋼表面出現(xiàn)夾雜、結(jié)疤等缺陷，嚴(yán)重影響了熱軋帶鋼的表面質(zhì)量和使用性能。本文通過對(duì)結(jié)瘤鋼種的跟蹤，借助掃描電鏡等工具，對(duì)結(jié)瘤物及鋼中夾雜進(jìn)行了定性分析，找出了改進(jìn)措施，取得了良好效果。

結(jié)瘤鋼種統(tǒng)計(jì)

邯鋼邯寶煉鋼廠出現(xiàn)多起連鑄生產(chǎn)時(shí)浸入式水口結(jié)瘤后脫落現(xiàn)象，造成澆鑄困難和板坯修磨嚴(yán)重，以及最終產(chǎn)品產(chǎn)生表面缺陷等問題。浸入式水口結(jié)瘤后脫落主要出現(xiàn)在低碳軟鋼系列產(chǎn)品，超低碳汽車鋼系列產(chǎn)品較多，高強(qiáng)鋼相對(duì)較少。

出現(xiàn)浸入式水口結(jié)瘤的鋼種分布廣，無論是低碳鋼SPHD、SPHC、DC03、DC04、DX56D+Z、DX54D+Z、HX260LAD+Z，還是中碳鋼SS400、低合金高強(qiáng)鋼CR340/590DP均出現(xiàn)不同程度的水口結(jié)瘤現(xiàn)象。形成結(jié)瘤物影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)模式和流場(chǎng)，影響鋼液中夾雜物上浮，引起結(jié)晶器液面波動(dòng)，影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，特別是當(dāng)結(jié)瘤物受鋼液沖刷后掉入凝固的鑄坯中，將形成較大的夾雜和結(jié)疤缺陷。進(jìn)入下一工序熱軋時(shí)，在帶鋼表面出現(xiàn)長(zhǎng)條狀、手掌狀等多種形態(tài)、甚至貫穿上下表面的結(jié)疤缺陷，嚴(yán)重影響了熱軋帶鋼的表面質(zhì)量和使用性能，作為熱軋商品卷，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生成型裂紋、斷裂等；作為冷軋備料，在酸軋過程中會(huì)造成斷帶。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)浸入式水口

四種典型的浸入式水口結(jié)瘤缺陷

浸入式水口結(jié)瘤引起的第一類結(jié)疤缺陷

圖2(a)為利用熱軋廠表面質(zhì)量檢測(cè)儀檢測(cè)到的結(jié)疤缺陷圖，可以看出該類缺陷部分區(qū)域呈現(xiàn)黑—灰—亮白等不同灰度的大面積缺陷，說明缺陷高低不平呈現(xiàn)凸起和凹陷，缺陷形狀無規(guī)律，即有可能沿著軋制方向，也有可能垂直于軋制方向。從實(shí)物圖2(b)來看，缺陷位置出現(xiàn)較大的裂紋和凹坑，且有破碎狀。

圖2 第一類結(jié)疤缺陷

第一類結(jié)疤缺陷能譜圖片見圖3所示，從電鏡結(jié)果來看，缺陷位置含有Ca、S、Ba、Al、Si、O元素，Ba來源于煉鋼環(huán)節(jié)(浸入式水口脫落物或鋼渣)，Ca、Al、Si、O元素等來源于保護(hù)渣或者鋼渣帶來的雜質(zhì)，目前將此類缺陷定義為：浸入式水口結(jié)瘤引起的第一類結(jié)疤缺陷。

圖3 第一類結(jié)疤缺陷能譜圖片

浸入式水口結(jié)瘤引起的第二類結(jié)疤缺陷

從圖4(a)可以看出該類缺陷呈現(xiàn)不同灰度的大塊狀，常出現(xiàn)在帶鋼的上表面，分布于帶鋼的頭部、中間位置、尾部，白色亮帶區(qū)域中心存在深色凹陷，且有一定長(zhǎng)度和寬度。圖4(b)可以看出，缺陷位置處有輕微翹起，且翹起部分比較長(zhǎng)，寬窄不一，顏色呈現(xiàn)白色亮條，帶有金屬光澤。

該類缺陷屬于典型的邊部結(jié)疤缺陷，基體正常位置組織為——鐵素體和少量珠光體，缺陷位置存在異常組織，同時(shí)也有少量基體組織，說明缺陷處外來物與基體融為一體，金相照片見圖5所示。

圖4 第二類結(jié)疤缺陷

圖5 第二類結(jié)疤缺陷不同位置的金相照片（放大100倍）

第二類結(jié)疤缺陷能譜圖片見圖6所示，從電鏡結(jié)果來看，缺陷位置含有Ca、Na、S、Ba等元素，Ca可能來源于精煉渣或者保護(hù)渣，Ba來源于煉鋼環(huán)節(jié)(浸入式水口脫落物或鋼渣)，在冶煉此類普通低碳鋼時(shí)結(jié)晶器使用鋁碳質(zhì)浸入式水口，水口外層與保護(hù)渣接觸的渣線部位含有Ba元素。

Ba元素來源于浸入式水口結(jié)瘤到一定程度后，夾雜著其他雜質(zhì)如Al、Mg、O、Ca等元素脫落在結(jié)晶器鋼水內(nèi)，經(jīng)過連鑄—軋制后形成該類缺陷。目前將該類缺陷定義為： 浸入式水口結(jié)瘤引起的第二類結(jié)疤缺陷。

圖6 典型缺陷二缺陷位置能譜圖片

浸入式水口局部脫落引起的第三類表面結(jié)疤缺陷

表面質(zhì)量檢測(cè)儀圖片顯示缺陷位置沿著軋制方向有較長(zhǎng)的延伸，呈現(xiàn)灰度不同的亮、暗不規(guī)則的條紋，如圖7(a)所示。宏觀照片顯示，缺陷部分呈現(xiàn)一層很薄的皮狀凸起，且有小部分皮狀凸起已經(jīng)裂開，缺陷呈條狀，寬2～7 mm，最長(zhǎng)達(dá)到5 m。

典型第三類表面結(jié)疤缺陷金相圖片如圖8所示，金相圖8(b)顯示薄皮狀凸起部分與基體分離最大處達(dá)到110 mm，由于凸起較多且較薄，取樣和加工試樣時(shí)，用手工就可以將缺陷撕掉。

圖7 第三類表面結(jié)疤缺陷

圖8 第三類表面結(jié)疤金相圖片

掃描電鏡能譜分析如圖9所示，首先選取帶有菱角的、類似球狀的位置打點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示該處含有Zr、Al、Ca、Na等元素，且Zr元素呈現(xiàn)峰值，含量比例達(dá)到32.18%，其余為Fe、O等元素，在冶煉此類普通低碳鋼時(shí)結(jié)晶器使用鋁碳質(zhì)浸入式水口，水口外層與保護(hù)渣接觸的渣線部位含有Zr元素。目前將該類缺陷定義為：浸入式水口局部脫落引進(jìn)的第三類表面結(jié)疤缺陷。

圖9 第三類表面結(jié)疤缺陷能譜圖片

浸入式水口結(jié)瘤引起的第四類夾雜缺陷

該類缺陷較多出現(xiàn)在帶鋼上表面，表面檢測(cè)儀圖10(a)顯示呈長(zhǎng)條狀，且寬度較寬，缺陷沿著帶鋼長(zhǎng)度上、寬度上多處分布，出現(xiàn)該類缺陷的帶鋼，缺陷位置處呈現(xiàn)大片白色粉末狀物質(zhì)，且該物質(zhì)比較硬脆，受到外力極容易脫落。

此類缺陷微觀組織檢測(cè)結(jié)果見圖11所示，表面也呈現(xiàn)翹起，且裂紋根源有一條較長(zhǎng)的沿晶裂紋。當(dāng)放大500倍時(shí)，沿著晶界裂紋處翹起部位含有夾雜，見圖11(b)所示。

圖10 第四類夾雜缺陷

圖11 典型缺陷四金相照片

裂紋處能譜分析圖片見圖12所示，可以看出缺陷位置含有Zr、Al、Mg、O、Ca等元素，且 Zr、Al呈現(xiàn)一定的峰值，Al來源于LF精煉脫氧工序；Mg可能來源于轉(zhuǎn)爐、精煉、或者耐材；Ca可能來源于精煉渣或者保護(hù)渣。在冶煉此類普通低碳鋼時(shí)結(jié)晶器使用鋁碳質(zhì)浸入式水口，水口外層與保護(hù)渣接觸的渣線部位含有Zr元素。

Zr元素來源于浸入式水口結(jié)瘤到一定程度后，夾雜著其他雜質(zhì)如Al、Mg、O、Ca等元素脫落在結(jié)晶器鋼水內(nèi)，經(jīng)過連鑄—軋制后形成該類缺陷。目前將該類缺陷定義為：浸入式水口結(jié)瘤引起的第四類夾雜缺陷。

圖12 第四類夾雜缺陷能譜圖

結(jié)瘤物來源及其結(jié)瘤機(jī)理分析

浸入式水口結(jié)瘤機(jī)理

浸入式水口位于中間包與結(jié)晶器之間主要起到輸送鋼液，隔絕空氣防止鋼液二次氧化和促進(jìn)夾雜物上浮等作用。當(dāng)高溫鋼液流經(jīng)浸入式水口時(shí)，水口內(nèi)壁的涂料層很快就會(huì)被沖刷掉，水口耐火材料中的C裸露出來，C在鋼液澆鑄溫度(1500～1550 ℃)下極易被氧化，形成厚度約0.5～1.0 mm、凹凸不平的黑褐色脫碳層為夾雜物的粘附提供了有利的環(huán)境[2]。

當(dāng)鋼液流經(jīng)浸入式水口時(shí)，由于邊界層的存在，水口壁附近處鋼液流速幾乎為零，鋼液中的高熔點(diǎn)夾雜極易與水口壁吸附。有研究表明具有高界面能的三氧化二鋁與鋼液的潤(rùn)濕角為140°，鋼水與三氧化二鋁的界面張力較大，極易與水口內(nèi)壁發(fā)生粘附，有文獻(xiàn)指出兩個(gè)10μm的三氧化鋁夾雜發(fā)生粘結(jié)時(shí)只有0.031s。同時(shí)，由于鋼液在流動(dòng)過程中還會(huì)有湍流現(xiàn)象發(fā)生，這使得鋼液中高溫夾雜相互碰撞的幾率大大增加，加速了水口結(jié)瘤的發(fā)生。

浸入式水口結(jié)瘤物的主要成分

澆注結(jié)束后，將浸入式水口剖開后發(fā)現(xiàn)有大量如菜花頭狀的結(jié)瘤物粘附在水口內(nèi)壁，結(jié)瘤物厚度約有9 mm，粘附物成灰白色，緊貼水口壁一側(cè)比較致密，靠近鋼液側(cè)比較疏松。對(duì)結(jié)瘤物進(jìn)行取樣分析，成分見表1。通過表1發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤物主要為Al2O3。

采用掃描電鏡對(duì)結(jié)瘤物進(jìn)行微觀分析，主要物相包括大量的氧化物和彌散分布鋼粒。采用EMS自帶的能譜分析儀對(duì)其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)主要元素為Al、Ca、O，結(jié)合其元素比例說明該結(jié)瘤物的主要成分為Al2O3，CaO·Al2O3或CaO·2Al2O3。在靠近水口壁處壁附近的視場(chǎng)中還發(fā)現(xiàn)了Mg元素和少量Zr元素，其中Zr元素可能是水口材質(zhì)本身帶入。在Mg周圍還有O和Al元素出現(xiàn)，說明結(jié)瘤物中也應(yīng)有Al2O3-MnO-MgO系復(fù)合夾雜物存在；在視圖中還發(fā)現(xiàn)了Si和S元素，其中S主要分布在靠近鋼液的一側(cè)，說明結(jié)瘤物中還有Al2O3-CaO-SiO2系復(fù)合夾雜和硫化鈣夾雜存在。

浸入式水口結(jié)瘤物來源

由于發(fā)生結(jié)瘤的大部分鋼種為低碳鋁脫氧鎮(zhèn)靜鋼，由檢測(cè)結(jié)果可知結(jié)瘤物主要為三氧化鋁系列夾雜，通過對(duì)鋼水成分檢測(cè)，精煉爐渣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三氧化鋁主要來源于以下幾個(gè)方面：

(1) 通過對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼(SPHD)鋼液成份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鋼液中w(Als)/w(Alt)僅在18.2%～21.5%之間，鋼中酸熔鋁比例偏低，三氧化鋁含量較高，鋼中三氧化鋁排除不充分。懸浮于鋼液中的三氧化鋁在流經(jīng)浸入式水口時(shí)粘附在水口內(nèi)壁上形成結(jié)瘤。

(2) 通過對(duì)精煉爐渣取樣檢測(cè)，精煉爐渣成分見表2。通過表2可以發(fā)現(xiàn)精練渣中MnO含量?jī)H為0.058%，而從水口內(nèi)壁結(jié)瘤物中探測(cè)到的MnO含量均在1.0%，根據(jù)氧化錳的成分變化情況可知鋼液存在二次氧化情況，說明結(jié)瘤物中的三氧化二鋁夾雜有一部分是來自鋼液的二次氧化。

表1 浸入式水口結(jié)瘤物的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

(3) 耐材或爐渣中SiO2、MnO、FeO與鋼中游離Al發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3夾雜粘附在水口內(nèi)壁。另外，鋼液在澆注過程中會(huì)發(fā)生溫降，使化學(xué)平衡轉(zhuǎn)移，鋼中會(huì)有氧元素析出，析出的氧會(huì)與鋼中游離的鋁元素發(fā)生反應(yīng)生成三氧化二鋁夾雜[2]。

(4) 由于邯寶煉鋼廠的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼均采用了鈣處理技術(shù)，有研究表明采用鈣處理鋼液時(shí)，鈣首先改變氧化物特性，首先形成CaO·2Al2O3，隨著鈣活度的增加然后形成CaO·Al2O3，最終形成低熔點(diǎn)12CaO·7Al2O3夾雜，但是當(dāng)鋼液中的鈣鋁比過低時(shí)會(huì)在鋼中只形成高熔點(diǎn)CaO·2Al2O3或CaO·Al2O3。在水口結(jié)瘤物中集中發(fā)現(xiàn)的Al，Ca，O元素也說明了這一點(diǎn)。此外，在進(jìn)行鈣處理時(shí)如果鋼中S元素過多，Ca會(huì)首先與鋼中S元素發(fā)生反應(yīng)生成高熔點(diǎn)CaS，造成水口結(jié)瘤。

預(yù)防浸入式水口結(jié)瘤措施

出鋼工藝控制

轉(zhuǎn)爐采用滑板擋渣技術(shù)，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐內(nèi)的高FeO的爐渣流露鋼包內(nèi)，使鋼包中的爐渣厚度控制在60 mm左右，另外，在出鋼前先向鋼包內(nèi)加入200 kg小粒石灰，出鋼結(jié)束后加入150 kg含Al約25%的爐渣調(diào)渣劑，減少鋼渣的氧化性。

表2 精練爐渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

精煉工藝控制

(1) 針對(duì)結(jié)瘤嚴(yán)重的低碳鋼將原來的出站時(shí)的一次喂鋁線法，改為現(xiàn)在的兩次喂鋁線法，以利于鋼中三氧化鋁的排除。

(2) 優(yōu)化鈣處理工藝，提高鈣鋁比，通過多次跟蹤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將鋼中的鈣鋁比提高到0.13時(shí)較少發(fā)生水口結(jié)瘤現(xiàn)象。

(3) 合理控制吹氬強(qiáng)度，適當(dāng)延長(zhǎng)吹氬時(shí)間，保證精煉處理后，吹氬時(shí)間不低于7 min。

連鑄二次氧化控制

(1) 提高鋼包自動(dòng)開澆率，減少鋼包燒眼次數(shù)，在滑動(dòng)水口與長(zhǎng)水口連接處增加密封墊，并進(jìn)行吹氬密封，防止由于鋼液下流負(fù)壓吸氧。采用鋼包下渣檢測(cè)裝置，減少鋼包下渣。

(2) 開澆前中包吹氬，澆注過程中穩(wěn)定中包液面，杜絕鋼液裸露，并對(duì)浸入式水口進(jìn)行氬封，防止浸入式水口吸氧。

(3) 塞棒吹氬，可將浸入式水口的少量粘附吹掉，減緩結(jié)瘤長(zhǎng)大速度。

合理選用水口材質(zhì)

在澆鑄鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，采用熔融石英質(zhì)水口，通過生成含SiO2多的玻璃層來降低玻璃黏度，可以在一定程度上減少水口堵塞。在澆鑄高錳鋼時(shí)，在鋁碳質(zhì)水口的外表面包上一層耐火材料進(jìn)行保溫，有利于防止水口堵塞。澆鑄普碳鋼、低合金鋼應(yīng)該選用鋯質(zhì)和石英質(zhì)水口。澆鑄含鋁鋼種或錳含量高于0.65%的鋼種應(yīng)采用石墨高鋁質(zhì)水口。

結(jié)論

(1) 邯寶煉鋼廠發(fā)生水口結(jié)瘤現(xiàn)象的鋼種主要是鋁脫氧的低碳軟鋼系列產(chǎn)品，結(jié)瘤物的主要成分為三氧化二鋁，鋁酸鈣，二鋁酸鈣，硫化鈣及一些復(fù)合夾雜物。

(2) 控制轉(zhuǎn)爐下渣量，減少高FeO爐渣流入，減少鋼中氧含量，可減少Al2O3生成。

(3) 改變精煉鋁線的喂入方式，提高鈣鋁比到0.13以上，增加軟吹氬時(shí)間可以減少水口結(jié)瘤。

[1] 王懷宇．板坯連鑄過程中水口堵塞的分析與解決措施. 寬厚板，2001， 7(4)： 42

[2] 茅洪祥， 胡東艷．連鑄過程中水口堵塞機(jī)理及其預(yù)防對(duì)策. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2000， 23(2)： 116