結(jié)晶器電磁攪拌電流對鋁鎮(zhèn)靜鋼中夾雜物去除的影響

趙顯久 張捷宇 許 晉

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.寶鋼股份有限公司中央研究院，上海 200941）

鋼板坯在熱軋過程中經(jīng)常出現(xiàn)翹皮及黑線。輕微缺陷可以修磨處理；嚴(yán)重缺陷需要切頭切尾，對原料收得率造成不利影響，導(dǎo)致合同無法正常履行。寶鋼寶山基地1930工序熱軋生產(chǎn)流程為KR脫硫→300 t轉(zhuǎn)爐→RH精煉→1930直弧型連鑄→加熱爐加熱→2050軋機(jī)熱軋。通常認(rèn)為，熱軋板卷的條紋缺陷是保護(hù)渣卷入造成的［1-2］，也有認(rèn)為是缺陷區(qū)存在不完全再結(jié)晶的大晶粒和脫碳現(xiàn)象，以及內(nèi)氧化質(zhì)點(diǎn)原生缺陷在高溫加熱和軋制共同作用下產(chǎn)生的［3］。王國棟等［4］針對幾種典型的熱軋鋼板表面翹皮缺陷，采用金相和能譜分析認(rèn)為，氧化鐵、二次氧化顆粒、夾渣是引起熱軋板表面翹皮缺陷的主要原因。薛正良等［5］研究了連鑄板坯表面及皮下夾渣的分布、類型、成分特點(diǎn)，認(rèn)為保護(hù)渣卷渣和水口沉積物脫落的大型脫氧產(chǎn)物是連鑄坯表面及皮下夾渣的主要來源。Yuan等［6］對汽車鋼熱軋板和冷軋板的表面缺陷進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣是引起汽車板線狀缺陷的主要原因，并認(rèn)為通過提高鋼水純凈度和優(yōu)化流場，可降低軋板表面線狀缺陷的發(fā)生率。Yamada等［7］認(rèn)為，一些氣泡表面附著的大量氧化鋁顆粒是造成熱軋板條狀缺陷的主要原因?？傮w來說，已有文獻(xiàn)確定的引起熱軋板表面缺陷的主要原因有二次氧化顆粒、水口脫落結(jié)瘤物及結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的卷入。

電磁攪拌是去除夾雜物的有效方法之一［8］。鋼液在電磁攪拌的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)促進(jìn)夾雜物向中心集聚并上浮去除。王赟等［9-10］研究了電磁攪拌對中間包鋼液潔凈度的影響，提出由電磁力驅(qū)動(dòng)的鋼液復(fù)雜流動(dòng)能大大增加夾雜物相互接觸和碰撞的機(jī)會(huì)，促進(jìn)其聚合長大并有較充分的時(shí)間上浮進(jìn)入頂渣而分離。金小禮等［11］采用數(shù)值模擬方法，對電磁攪拌下板坯結(jié)晶器內(nèi)的流場進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明施加電磁攪拌能有效提高流場均勻性，但較大的攪拌電流會(huì)增大卷渣概率。為了獲得較好的攪拌效果，攪拌電流推薦值為400～500 A。然而，現(xiàn)有的報(bào)道對電磁攪拌作用下夾雜物的去除和卷渣尚無定論，電磁攪拌效果缺乏試驗(yàn)依據(jù)。

本文通過試驗(yàn)探索電磁攪拌作用下結(jié)晶器內(nèi)夾雜物去除與保護(hù)渣卷入之間的關(guān)系，并進(jìn)行了不同電磁攪拌電流對比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 電磁攪拌電流對比試驗(yàn)

試驗(yàn)在某廠的連鑄機(jī)上進(jìn)行，一機(jī)兩流，電磁攪拌器電流設(shè)置：奇數(shù)流為400 A，偶數(shù)流為500 A，頻率為4.5 Hz。生產(chǎn)鋼種為超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 熱軋超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the hot-rolled ultralow carbon aluminum-killed steel（mass fraction）%

1.2 取樣分析

分別在精煉處理后、中間包、兩流鋼水和鑄坯取樣，編號為S1、S2、S3-1／2 和S4-1／2。其中，對精煉后鋼水（S1）和中間包（S2）取提桶樣，分別插入鋼包和鋼液面以下500 mm處，后者在塞棒位置取樣。彎月面鋼水樣（S3-1／2）利用取氫樣的真空玻璃管插入彎月面下方100 mm處，自然吸取到樣品腔內(nèi)，長度約80 mm。鑄坯樣（S4-1／2）取自板坯冷卻后該爐次第3塊板坯的端部縱向部位，如圖1陰影部分所示。

圖1 鑄坯取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling position in the billet

對上述試樣進(jìn)行切割、鑲嵌和打磨，經(jīng)丙酮超聲清洗后，使用配備Oxford X-20Max能譜儀的Zeiss-EVO18型掃描電子顯微鏡對試樣中夾雜物進(jìn)行觀察和成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 精煉夾雜物

圖2是精煉處理后S1試樣中典型夾雜物的形貌和能譜分析結(jié)果。從分析結(jié)果看，夾雜物以脫氧產(chǎn)物Al2O3為主，還有少量簇狀CaO-Al2O3復(fù)合夾雜物，如圖3所示。

圖2 精煉處理后S1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.2 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S1 after melt refining treatment

圖3 精煉處理后S1試樣中CaO-Al2O3夾雜物的形貌及線掃描分析Fig.3 Morphology and linear scanning analysis of CaO-Al2O3inclusion in sample S1 after refining treatment

2.2 中間包夾雜物

如圖4所示，中間包內(nèi)夾雜物同樣以Al2O3為主，附帶部分MnS及Ti類夾雜物。對該夾雜物進(jìn)行面掃描，結(jié)果如圖5所示。可見O和Al構(gòu)成了夾雜物的主體，Ti、N、Mn和S元素主要聚集于中間小顆粒處，據(jù)此可判斷該夾雜物是以Al2O3為基體，以TiN和MnS為輔的組成。

圖4 中間包S2試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.4 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S2 taken from the tundish

圖5 中間包S2試樣中夾雜物的面掃描分析Fig.5 Area scanning analysis of inclusion in sample S2 taken from the tundish

2.3 鑄流彎月面夾雜物

為了考察不同電磁攪拌電流下彎月面夾雜物類型，從奇流彎月面取樣S3-1、偶流彎月面取樣S3-2。圖6是S3-1試樣中夾雜物的形貌和能譜分析。從圖6可以看出，夾雜物主要為Al2O3和MgO，還有微量Ti類夾雜物。該夾雜物的面掃描結(jié)果如圖7所示，主要含有O和Al元素以及部分MgO，另有微量的Ti及雜質(zhì)元素Cu。除了Al2O3和MgO類夾雜物，還發(fā)現(xiàn)了保護(hù)渣類夾雜物，呈圓形，為較低熔點(diǎn)夾雜物，如圖8（a）所示；從能譜分析看（圖8（b）），夾雜物含有Mg、Ca、Al、K、Na等元素，來源于保護(hù)渣卷入。該夾雜物的面掃描結(jié)果如圖9所示，可見夾雜物主要由Ca、Al、O、Na元素構(gòu)成，還有微量的Mg和K。另外在圓形夾雜物邊緣還有含S夾雜物（圖9（g））以及含Ti夾雜物（圖9（h））。

圖6 彎月面S3-1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.6 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖7 彎月面S3-1試樣中夾雜物的面掃描分析Fig.7 Area scanning analysis of inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖8 彎月面S3-1試樣中圓形夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.8 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖9 彎月面S3-1試樣中圓形夾雜物的面掃描分析Fig.9 Area scanning analysis of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

綜上，彎月面S3-1試樣中典型夾雜物主要有兩種，一種以Al2O3為主，另一種是低熔點(diǎn)的保護(hù)渣類夾雜。

圖10是偶流彎月面S3-2試樣中夾雜物的形貌和能譜分析。從圖10可以看到，夾雜物呈圓形，含Si、O、Al、Mg、Ca、Na 等元素。從元素組成來看，該夾雜物來源于保護(hù)渣卷入。夾雜物的面掃描結(jié)果如圖11所示，其主要成分與能譜分析的結(jié)果基本一致。

圖10 彎月面S3-2試樣中圓形夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.10 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of round inclusion in sample S3-2 taken from the meniscus

圖11 彎月面S3-2試樣中圓形夾雜物的面掃描分析Fig.11 Area scanning analysis of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

綜上，彎月面處S3-1試樣中夾雜物以Al2O3夾雜為主，S3-2試樣以保護(hù)渣類夾雜為主，尺寸為30 ～50 μm。

2.4 鑄坯夾雜物

圖12是鑄坯S4-1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析。從圖12可以看出，夾雜物以Al2O3為主，尺寸約26 μm，還有少量的Mn和Ti元素。夾雜物的線掃描結(jié)果如圖13所示，可見夾雜物主要由O和Al元素組成，可以斷定該位置夾雜物主要是簇狀A(yù)l2O3夾雜，其左下角還有少量MnS夾雜。

圖12 鑄坯S4-1試樣中夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.12 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of inclusion in sample S4-1 taken from the slab

圖13 鑄坯S4-1試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.13 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-1 taken from the slab

圖14是鑄坯S4-2試樣中夾雜物的形貌及能譜分析?？梢钥闯?，夾雜物主要是Al2O3，還有少量的Mn和Ti元素。夾雜物的線掃描結(jié)果如圖15所示，可見O和Al是該夾雜物的主要組成元素。該處Al2O3呈明顯的破碎狀，這說明聚合后的簇狀A(yù)l2O3被重新打碎，氧化鋁簇長26 μm，打碎后長5 μm。S4-2試樣其他位置的線掃描分析也發(fā)現(xiàn)了破碎的氧化鋁簇，如圖16所示。

圖14 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.14 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

圖15 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.15 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

圖16 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.16 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

3 分析與討論

精煉處理后夾雜物以Al2O3夾雜為主，其邊緣有CaO類夾雜物。中間包以Al2O3夾雜為主，其邊緣有MgO類夾雜物。鑄流的彎月面處有Al2O3夾雜和保護(hù)渣類夾雜。鑄坯位置以Al2O3夾雜為主，但在不同攪拌電流下Al2O3的形態(tài)有明顯區(qū)別。所以針對上述不同位置夾雜物的種類、形態(tài)，有必要展開具體討論，獲得有效控制夾雜物的方法。

3.1 精煉夾雜物

該處夾雜物以脫氧產(chǎn)物Al2O3為主，但是氧化鋁邊緣黏附的CaO來源需進(jìn)一步探討。該爐次精煉處理前后，鋼包頂渣組成如表2所示。從表2可知，精煉處理后鋼包渣中CaO量明顯減少，Al2O3量明顯增加，MgO量基本不變。其中Al2O3是脫氧產(chǎn)物，上浮至鋼包頂渣后導(dǎo)致該組分含量增加。據(jù)報(bào)道［12-13］，渣中CaO與鋼液中［Al］sol反應(yīng)生成［Ca］，如式（1）所示。鋼水中［Ca］生成后，由于其活性較大，微量就能與Al2O3生成尖晶石類夾雜物［14］，導(dǎo)致CaO含量減少。渣中MgO也能發(fā)生類似式（1）的反應(yīng)［12］。但根據(jù)該爐次及相關(guān)冶煉渣系，精煉處理前后渣中MgO量變化較小，這表明MgO的反應(yīng)機(jī)制與CaO不同。查閱CaO-MgO-SiO2三元渣系相圖［15］（w（Al2O3）＝20%），CaO 的溶解度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為30.9%（w（CaO+MgO+SiO2）占精煉渣總量的55%，相圖中溶解度為60%，換算成精煉渣則為33%）。這說明當(dāng)w（CaO）大于33%時(shí)，CaO將以游離狀態(tài)存在；而當(dāng)w（CaO）為33%時(shí)，游離態(tài)CaO消化完畢，剩余都被固化在渣組分中，不再與鋼液中酸溶鋁發(fā)生反應(yīng)。查閱文獻(xiàn)［16］，如表3所示，CaO-SiO2-Al2O3三元渣系中，當(dāng)w（CaO）為61.9%時(shí)，CaO 的活度為1；當(dāng)w（CaO）為22.7%時(shí)，其活度為0.013。也即當(dāng)CaO的活度較高時(shí)，進(jìn)行反應(yīng)（1），反應(yīng)進(jìn)行到CaO活度較低時(shí)，反應(yīng)（1）達(dá)到平衡，這與表2精煉處理前后CaO含量的變化趨勢較為相符。因此可以判斷，氧化鋁邊緣黏附的CaO來源于渣中組分與鋼液中酸溶鋁的反應(yīng)：

表2 精煉處理前后渣組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Compositions of slag before and after refining treatment（mass fraction） %

表3 渣系組分與CaO活度Table 3 Slag compositions and activity of CaO

3.2 中間包夾雜物

中間包夾雜物以脫氧產(chǎn)物Al2O3為主，并伴有MgO。MgO不是來源于渣中，最可能來源于鋼包襯或者中間包襯，即發(fā)生反應(yīng)：

查閱CaO-MgO-SiO2三元相圖［15］（w（Al2O3）為20%）發(fā)現(xiàn)，在1 600℃以下，MgO的溶解度為5.5%左右（w（CaO+MgO+SiO2）占精煉渣總量的55%，相圖中溶解度為10%，換算成精煉渣則為5.5%），一旦覆蓋劑中w（MgO）超過5.5%，剩余的MgO則以游離狀態(tài)存在。游離的MgO與鋼液中酸溶鋁發(fā)生反應(yīng)，即式（2），生成Mg進(jìn)入鋼液，由于Mg活性較高很快與鋼水中的氧反應(yīng)生成MgO。而在精煉過程中，w（MgO）一般為5%左右，基本溶于渣中，沒有游離態(tài)的MgO，不析出純物質(zhì)，不與酸溶鋁發(fā)生反應(yīng)，所以精煉渣中MgO量基本不變。根據(jù)Ohta等［17］的報(bào)道，MgO活度隨其含量的增加而提高。當(dāng)w（MgO）為14.9%時(shí)，其活度為1；當(dāng)w（MgO）為3.1% 時(shí)，活度僅0.15，具體數(shù)值如表4所示。中間包涂層發(fā)生如圖17所示的剝落及侵蝕時(shí)，覆蓋劑中MgO的活度提高，且剝落的方鎂石直接與鋼水接觸。當(dāng)中間包包襯被侵蝕后，進(jìn)入覆蓋劑，之后與鋼水中鋁發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)入鋼水。進(jìn)入鋼水中的微量Mg就能與氧化鋁反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石類夾雜［14］。

圖17 中間包涂層侵蝕后形貌Fig.17 Morphology of tundish coating after erosion

表4 渣系組分與MgO活度Table 4 Slag composition and activitiy of MgO

3.3 鑄流位置及鑄坯夾雜物

鋼水從中間包進(jìn)入結(jié)晶器后，從浸入式水口流出，分成上下兩個(gè)流股。奇數(shù)流彎月面處夾雜物以脫氧產(chǎn)物為主，并有保護(hù)渣類夾雜；偶數(shù)流彎月面處未發(fā)現(xiàn)脫氧夾雜，均為球狀保護(hù)渣類夾雜。這說明在500 A攪拌電流下易發(fā)生卷渣，低熔點(diǎn)保護(hù)渣被卷入彎月面下方，并仍保持球狀。在400 A攪拌電流下，脫氧產(chǎn)物呈團(tuán)簇狀；而在500 A攪拌電流下，脫氧產(chǎn)物呈破碎狀，說明團(tuán)簇狀的氧化鋁夾雜被重新打碎成單個(gè)大顆粒。夾雜物越小，對鋼的沖壓性能影響越小。從這個(gè)角度考慮，500 A電流是合理的，甚至可進(jìn)一步增大電流，以促進(jìn)脫氧產(chǎn)物氧化鋁的破碎減小。但從鑄流彎月面位置看，500 A電流較大，應(yīng)減小電流，避免卷渣。

4 結(jié)論

（1）精煉處理后夾雜物以脫氧產(chǎn)物氧化鋁為主，并伴有CaO夾雜。CaO來源于鋼包頂渣與鋼液中［Al］sol的反應(yīng)。中間包內(nèi)夾雜物仍以脫氧產(chǎn)物氧化鋁為主，并復(fù)合少量MgO。MgO來源于中間包襯的侵蝕。

（2）在400 A攪拌電流下，脫氧產(chǎn)物氧化鋁呈團(tuán)簇狀；而在500 A攪拌電流下，團(tuán)簇狀氧化鋁顆粒被打碎，其危害性減小，但電流較大易導(dǎo)致卷渣。

致謝：感謝寶鋼中央研究院煉鋼所何平顯高級實(shí)驗(yàn)師對本文成分分析所提供的幫助。