高強鋼板坯夾渣缺陷的控制

趙曉虎，郭銀濤，秦 聰，朱 雙

（河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

唐山不銹鋼公司供二冷軋的高強汽車板，是唐鋼系統(tǒng)內(nèi)高強汽車板生產(chǎn)的戰(zhàn)略布局，從坯料的質(zhì)量、產(chǎn)品的匹配等方面需要不銹鋼公司全力配合。目前供二冷軋的高強產(chǎn)品共計有30多個，基本滿足二冷軋的需求，但是在質(zhì)量控制方面，仍然存在一定程度的波動，2019年產(chǎn)品夾渣類缺陷的比例達到1.58%。

本文分析了成品板表面夾渣缺陷產(chǎn)生的機理，追溯了表面夾渣產(chǎn)生的工藝環(huán)節(jié)，提出了減少連鑄板坯表面夾渣的措施，通過優(yōu)化保護渣理化性能、優(yōu)化結(jié)晶器水口插入深度、改變結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場，來降低鋼水在結(jié)晶器中卷渣可能性。

1 表面夾渣缺陷的現(xiàn)狀及形成機理分析

1.1 表面夾渣缺陷現(xiàn)狀

通過柏拉圖工具，對不銹鋼公司2019年10月～2020年1月10日供二冷軋高強板夾渣缺陷的情況進行了統(tǒng)計，分析發(fā)現(xiàn)，高強板分鋼種夾渣缺陷占比前4的鋼種為T240ZK、FL450X、FL590X和FL590X1，夾渣主要在卷板的上表面，也就是鑄坯的外弧，軋機操作側(cè)（OS）占比67.49%，驅(qū)動側(cè)（DS）占比30.05%。冷軋卷夾渣分布于鋼卷上下表面，主要集中在操作側(cè)，距離邊部15～30 mm，對應于鑄坯的東側(cè)角部。表1為不同鋼種不同部位夾雜缺陷分布占比。

表1 高強鋼鋼卷分布占比

1.2 鑄坯表面夾渣成分及形成機制

1.2.1 鑄坯表面夾渣成分分析

夾渣是連鑄坯常見的表面缺陷之一。其主要來源是連鑄過程中結(jié)晶器內(nèi)的保護渣、水口沉積物及其他非二次氧化產(chǎn)物，由于各種原因被帶入鋼液，部分被生長的凝固坯殼捕捉，即發(fā)生卷渣現(xiàn)象[1]；或攜帶有夾雜物的氬氣泡未充分上浮留在皮下，形成夾渣缺陷。鑄坯夾渣會造成熱軋工序和冷軋工序嚴重的表面缺陷，如小白條、起皮、鼓包等等。

通過對應鑄坯軋制后跟蹤，通過熱軋表檢、連退表檢、熱軋實物對比表面存在的夾渣缺陷，并對夾渣部位進行電鏡分析（圖1為缺陷取樣的電鏡分析），發(fā)現(xiàn)夾渣缺陷部位含有鋁、鈣、鉀、鈉、硅、鎂、氧等元素，屬于保護渣成分。

圖1 缺陷取樣的電鏡分析

1.2.2 鑄坯表面夾渣形成機制分析

結(jié)晶器卷渣機理示意如圖2所示。由圖2可以看出，保護渣卷入鑄坯內(nèi)部的機制主要有以下幾個方面：

圖2 結(jié)晶器卷渣機理示意圖

（1）穩(wěn)定流動下折返流卷渣。主要是鋼水從浸入式水口流出后，形成上返流場，上返后的鋼水在下返過程中卷入保護渣。

（2）非穩(wěn)定流動下折返流卷渣。主要是浸入式水口堵塞后，結(jié)晶器內(nèi)流場分布不均勻，造成鋼水從浸入式水口側(cè)孔流出后，在一側(cè)較為活躍，另一側(cè)不活躍，活躍一側(cè)帶動鋼水流動，沖擊下返鋼水卷入保護渣。

（3）漩渦卷渣。由于水口對中不正、水口堵塞等原因造成結(jié)晶器內(nèi)偏流，從而形成漩渦，這種漩渦把保護渣卷入鋼水內(nèi)，形成皮下夾渣。

（4）Ar氣泡沖擊鋼－渣界面引起的卷渣。主要因氬氣氣泡隨鋼水流動，保護渣附著在氬氣泡上，在彎月面處卷入鋼水中形成卷渣。

（5）浸入式水口表面處壓力差造成卷渣。結(jié)晶器在鋼水內(nèi)部的靜壓力小于外界大氣壓力，保護渣通過大氣壓力帶入鋼水，形成卷渣。

2 鑄坯表面夾渣缺陷影響因素分析

2.1 液面波動對夾渣缺陷的影響

在使用保護渣澆鑄時，夾渣的根本原因在于結(jié)晶器液面不穩(wěn)定。水口的形狀及尺寸的變化、水口插入深度、水口堵塞、塞棒失控以及拉速的突變等均會引起結(jié)晶器液面的波動，嚴重時導致夾渣[2]。

唐山不銹鋼板坯連鑄機采用氬氣全密封保護。通過對塞棒氬氣、板間氬氣、上水口氬氣的改變，即將每路氬氣利用單一變量的原則，使每路氬氣逐個提升至原來的三倍流量，然后對不同氬氣變化量的鑄坯軋制情況跟蹤，發(fā)現(xiàn)，塞棒吹氬量的變化對鑄坯夾渣缺陷的產(chǎn)生有直接的影響。最原始的表現(xiàn)是在結(jié)晶器角部鋼水翻動的變化，塞棒氬氣提升越大，結(jié)晶器角部鋼水翻動越大，保護渣隨著鋼水液面的波動卷入鑄坯內(nèi)部。

2.2 保護渣性能對夾渣缺陷的影響

卷渣缺陷與保護渣的液渣在結(jié)晶器彎月面凝固時的黏附有關，隨著結(jié)晶器上下振動，保護渣附著在鋼液面上，伴隨著上下運動。若保護渣粘度較大和鋼水的附著性強，就會在結(jié)晶器彎月面處隨著初生坯殼形成鉤狀，伴隨結(jié)晶器的振動將保護渣鉤進鋼水內(nèi)進入坯殼皮下層，軋制過程展現(xiàn)出夾雜缺陷，故需要調(diào)整保護渣的粘度，減少卷渣缺陷的發(fā)生。

2.3 不同斷面水口插入深度對夾渣缺陷的影響

通過對不同斷面下水口插入深度的調(diào)整，使每個斷面對應不同的水口插入深度，并跟蹤分析鑄坯軋制出現(xiàn)卷渣缺陷的概率。高強鋼不同斷面、不同插入深度夾雜缺陷率如表2所示。由表2可以看出：小斷面，特別是“小斷面+淺插入深度”，更易出夾渣缺陷；大斷面和“小斷面+深插入深度”，夾渣缺陷比例較低。

表2 高強鋼不同斷面、不同插入深度夾雜缺陷率

3 降低鑄坯夾渣缺陷的改進實施

3.1 改變?nèi)纛愋蜏p少夾渣缺陷

為了降低塞棒吹氬引起的液面波動造成的卷渣缺陷，將塞棒由原來的六孔吹氬改為實心塞棒，并在唐山不銹鋼2號連鑄機，S6號中間包試進行試驗。塞棒使用17爐14.5小時，侵蝕非常輕微；生產(chǎn)SPHC-S、MRT-2.5、MRT-4三個鋼種17爐鑄坯94根，軋制鑄坯81根，無由于夾雜降判的鑄坯。塞棒類型對夾渣的影響如表3所示。由表3可以看出，以高硅含量的FL590X、FL590X1的熱軋結(jié)果來對比塞棒類型對夾渣的影響，實心塞棒的夾渣比例低于吹氬塞棒

表3 實心塞棒和吹氬塞棒對夾雜缺陷影響占比

3.2 調(diào)整保護渣理化性能降低夾渣缺陷

表4為保護渣廠家提供的YK2M-2和616AS3兩種類型保護渣的性能參數(shù)。

結(jié)合表4的給出的性能參數(shù)，從保護渣抗剪切卷渣能力方面分析：YK2M-2的粘度比616A-S3高0.033 Pa·s，YK2M-2的抗卷渣能力更強；YK2M-2含有5.5%的MnO，高于616A-S3，MnO可能與鋼水Al發(fā)生反應，極大降低鋼渣界面張力，反而不利于防止卷渣。

表4 YK2M-2和616A-S3保護渣性能參數(shù)

從控制傳熱方面分析：616A-S3相對于YK2M-2而言，堿度提高了0.03，熔化溫度提高了28℃，由綜合熱流和摩擦力系數(shù)實際情況可知，616A-S3保護渣的熱流密度較低，粘度較低的616A-S3保護渣的摩擦力系數(shù)反而更高，可推測出616A-S3的析晶能力更強，這對減輕振痕有一定的作用，從而降低卷渣風險。

通過三個澆次，對YK2M-2和616A-S3兩種保護渣鑄坯生產(chǎn)的熱卷及冷軋卷表面質(zhì)量情況進行了對比。表5為熱卷表面質(zhì)量對比，表6為連退工序冷軋卷表面質(zhì)量對比。從數(shù)據(jù)可見616A-S3保護渣使用效果要優(yōu)于YK2M-2保護渣使用效果?？梢姷驼扯缺Ｗo渣可有效降低夾渣缺陷產(chǎn)生機率。

表5 熱卷表面質(zhì)量對比

表6 連退工序表面質(zhì)量對比

3.3 優(yōu)化插入深度降低夾渣缺陷比例

通過對不同水口插入深度對夾渣缺陷產(chǎn)生影響的統(tǒng)計分析，認為生產(chǎn)過程中選用最深插入深度，采用定水口，停止水口自動調(diào)整渣線范圍，固定最深插入深度，可降低夾渣缺陷產(chǎn)生的概率。

4 實施效果

通過上述措施的實施，唐山不銹鋼公司高強汽車鋼夾渣發(fā)生比例大幅下降。圖3為2020年1～4月夾渣缺陷比例和2019年的對比。

由圖3可以看出：2020年1月份高強汽車鋼夾渣比例為1.02%，較2019年降低了0.56%；2月份高強汽車鋼夾渣比例為0.83%，較2019年高強汽車鋼夾渣比例降低0.75%；3月份二冷高強汽車鋼夾渣比例0.51%，較2019年夾渣比例降低1.07%；4月份高強汽車鋼夾渣比例0.23%，較2019年夾渣比例降低1.35%。

圖3 2020年1～4月和2019年夾渣缺陷比例對比

5 結(jié)語

本文研究了唐山不銹鋼公司高強鋼夾渣缺陷產(chǎn)生的原因，提出了降低鑄坯夾渣缺陷產(chǎn)生的改進措施，并對生產(chǎn)試驗獲得的成果進行了總結(jié)分析。

（1）采用實心塞棒可消除吹氬對結(jié)晶器液面的干擾，從而降低夾渣缺陷產(chǎn)生的機率。

（2）保護渣粘度大、附著性強，是造成夾渣缺陷的主要原因，優(yōu)選粘度較低的保護渣，可降低鑄坯夾渣缺陷產(chǎn)生。

（3）采用深的水口插入深度，水口出口至結(jié)晶器液面距離增加，結(jié)晶器內(nèi)上回流強度減弱，液面比較平穩(wěn)，角部翻騰程度減輕，可以抑制結(jié)晶器內(nèi)卷渣的發(fā)生。

（4）措施實施后，2020年4月高強汽車鋼夾渣比例較2019年降低了1.35%，噸鋼成本降低0.6元。