栗紅，呂志升，康偉，關(guān)勇，廖相巍，陳本文

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要： 對比分析超低碳IF 鋼澆次頭坯、過渡坯和尾坯的潔凈度發(fā)現(xiàn)，非穩(wěn)態(tài)頭坯潔凈度遠(yuǎn)差于其它鑄坯，換鋼包交接坯和尾坯潔凈度滿足質(zhì)量要求。提出了改善頭坯潔凈度的措施，即澆鑄前中間包吹氬以減少澆鑄初期鋼水的二次氧化、優(yōu)化中間包堰壩結(jié)構(gòu)以增加中間包堰壩吸附夾雜物的能力。采取措施后，澆次頭坯潔凈度得到了提高，鋼種夾雜廢品率降低。

關(guān)鍵詞： 超低碳鋼；頭坯；潔凈度；夾雜物

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產(chǎn)超低碳汽車板鋼時質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)夾雜廢品，影響了產(chǎn)品在市場的信譽(yù)和占有率。統(tǒng)計(jì)分析出現(xiàn)廢品的罐次發(fā)現(xiàn),非穩(wěn)態(tài)頭坯出現(xiàn)的幾率較高，表明澆次初期各種非穩(wěn)定因素對頭坯潔凈度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為弄清非穩(wěn)態(tài)工藝對連鑄坯的影響程度， 開展工業(yè)試驗(yàn)，并對該類鋼的澆次頭坯、過渡坯和尾坯的潔凈度進(jìn)行對比研究， 確定了開澆時非穩(wěn)態(tài)工藝對頭坯的影響程度較大。文中從控制二次氧化和提高中間包去除夾雜物能力兩方面入手， 對連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化， 降低了開澆初期工藝對頭坯的污染程度， 為穩(wěn)定超低碳鋼產(chǎn)品質(zhì)量提供了可行的技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)及取樣方法

以超低碳汽車板鋼為研究對象， 進(jìn)行一個澆次4 罐鋼的工業(yè)試驗(yàn)。取中間包澆鑄初期、中期和末期的鋼樣，澆次的頭坯、第一罐末塊坯、穩(wěn)態(tài)坯、換鋼包交接坯和澆次尾坯。分析方法：鋼水樣分析Als、T.O 和N 含量， 連鑄坯分析氧氮和夾雜物指標(biāo)， 比較非穩(wěn)態(tài)工藝與穩(wěn)態(tài)工藝下連鑄坯的潔凈度，研究非穩(wěn)態(tài)工藝對連鑄坯質(zhì)量的影響程度。

2 連鑄坯潔凈度分析

2.1 氧氮分析結(jié)果

每罐鋼中間包澆鑄中期鋼水T.O 含量， 第一罐為0.003 2%，其余為0.002 2%~0.002 4%。各種連鑄坯的氧、氮含量見表1。其中穩(wěn)態(tài)澆注為第二罐第2 塊坯取樣，尾坯為澆次的第4 罐。

表1 中數(shù)據(jù)表明，頭坯澆鑄到4.0 m 左右T.O含量仍然為0.003 6%，澆鑄到第一罐末塊坯時T.O含量降低到0.002 0%。試驗(yàn)還分析了精煉搬出到中間包澆鑄初期鋼水中Als 和N 的變化， 澆鑄到4 m 時，Als 降低了大約25%，N 含量增加了30%～35%。精煉結(jié)束到澆鑄初期鋼水中Als 和氧氮含量的變化表明，澆鑄過程卷入空氣，鋼水發(fā)生了二次氧化，開澆初期各種因素的影響對鑄坯T.O含量影響長度至少4 m 以上。換罐的交接坯和穩(wěn)態(tài)坯T.O 含量0.001 5% 以下。本澆次試驗(yàn)交接坯沒有體現(xiàn)出鋼包更換對T.O 含量的影響。尾坯的T.O 含量與穩(wěn)態(tài)坯沒有區(qū)別， 但N 含量比中間包鋼水高0.000 8%～0.001 0%， 尾坯Als 損失24%。分析認(rèn)為，澆鑄末期，中間包流場變化是鋼水與空氣接觸所致， 也可以說明澆鑄末期鋼水發(fā)生一定程度二次氧化，但由于末期澆鑄速度降低許多，二次氧化生成的夾雜物有上浮時間， 因此T.O 含量沒有明顯升高。

2.2 夾雜物分析結(jié)果

頭坯中氧氮含量遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)鑄坯， 因此頭坯中夾雜物含量高、成分復(fù)雜。顯微鏡下觀察，與穩(wěn)態(tài)坯相比，頭坯中夾雜物有聚集分布的簇狀A(yù)l₂O₃夾雜和Al₂O₃-TiN 顆粒，分別見圖1、圖2。

顯微鏡和SEM 觀察分析限于連鑄坯試樣的表面， 出現(xiàn)幾率大的夾雜物如氧化鋁夾雜物容易捕捉到，但出現(xiàn)幾率小的卷渣和耐材等外來夾雜物很難發(fā)現(xiàn)。因此將頭坯連鑄坯試樣加工成Φ60 mm×150 mm 大小，采用大樣電解法將大型夾雜物分離出來， 分離出的夾雜物顆粒形貌見圖3和圖4。夾雜物尺寸多數(shù)大于50 μm，采用SEM 能譜分析夾雜物類型。

圖3 中，A、B、C 顆粒分別代表Al-Si-O 型、Si-Al-Na-O 型和Ca-Mg-O 型夾雜。圖4 中，D、E、F、G 顆粒分別代表Ca-Al-Ti -O 型、Mg-Ca-Al-O 型、Mg-Al-Si-O 型和Na-Al- Si-Ca- O 型夾雜。

電解后分離出的夾雜物中，氧化鋁顆粒較少，由于簇狀氧化鋁夾雜當(dāng)量直徑大， 它們是由鋼的基體連接起來的，電解過程中基體被腐蝕，簇狀夾雜物變?yōu)樾☆w粒夾雜，淘洗過程中跑掉一部分^［1］。

換鋼包的交接坯、尾坯夾雜物主要為氧化鋁、TiN、氧化鋁與TiN 復(fù)合夾雜。A1₂O₃-TiN 復(fù)合夾雜物是以A1₂O₃為核心，外面包裹TiN，這說明A1₂O₃是TiN 的異質(zhì)形核中心， 鋼中的［Ti］ 和［N］ 是在A1₂O₃上形成TiN 并長大的^［2］。

3 夾雜物來源分析

對頭坯中典型的夾雜物進(jìn)行分析。圖1 大型簇狀A(yù)12O3夾雜物主要來源于澆鑄初期注流二次氧化。初始澆鑄時，中間包內(nèi)存留空氣，注入中間包內(nèi)鋼水迅速與空氣中氧反應(yīng)，生成大量的A12O3夾雜，由于其易聚集的特性上浮過程中形成簇狀，一部分上浮到渣中， 未來得及上浮的滯留在連鑄坯內(nèi)，存留這些夾雜物的鑄坯被軋制成薄板后，出現(xiàn)表面廢品的幾率大大增加。這些夾雜物主要分布在開始澆鑄的3～4 m 以內(nèi)，隨著澆注進(jìn)行，由于澆鑄過程穩(wěn)定和中間包覆蓋劑的保護(hù)作用， 簇狀夾雜物大大降低，到達(dá)澆鑄4 m 以上時，夾雜物基本以10 μm 以下的A12O3顆粒為主， 多數(shù)呈分散分布，發(fā)現(xiàn)聚集分布的A12O3只有幾十個微米，接近穩(wěn)定態(tài)鑄坯夾雜物水平。

圖3 中，顆粒A 為鋁硅酸鹽夾雜物。如果鋁充分脫氧的鋼出現(xiàn)硅酸鹽夾雜應(yīng)判定為二次氧化產(chǎn)物［1］，因?yàn)楣杷猁}夾雜多數(shù)在鋼液中以液態(tài)形式存在，鋼包中非常容易排除。分析認(rèn)為，A 顆粒鋁硅酸鹽夾雜物可能是中包覆蓋劑SiO2卷入到鋼液中與A12O3結(jié)合的產(chǎn)物。圖3 中B 顆粒和圖4 中G顆粒夾雜物中含有一定的Na， 根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)推斷，含Na 的夾雜物歸于結(jié)晶器卷渣，來源主要是保護(hù)渣［3］。對于超低碳鋼來說，澆注時結(jié)晶器彎月面下產(chǎn)生的凝固鉤長（hook）且不均勻，增加保護(hù)渣和氣泡被捕獲的機(jī)會， 更容易產(chǎn)生夾渣缺陷［4］。

對于圖3 中顆粒C、圖4 中顆粒D、E、和F 等含有Ca、Mg、Al、Ti 的氧化物夾雜， 分析是中間包內(nèi)襯和中間包覆蓋劑等的影響。

圖2 中，A12O3-TiN 顆粒為以脫氧產(chǎn)物氧化鋁為核形成的復(fù)合夾雜。圖2 和圖4 中顆粒H 是超低碳汽車板中常見的夾雜物。

換包交接坯和尾坯的夾雜物與穩(wěn)態(tài)連鑄坯一致，澆鑄過程中發(fā)生二次氧化和卷渣較少，交接坯和尾坯潔凈度較高，這和文獻(xiàn)［5］研究結(jié)果一致。尾坯潔凈度較好表明， 澆鑄末期結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動狀態(tài)發(fā)生波動，對鋼水未造成嚴(yán)重不良影響。根據(jù)上述分析結(jié)果研究頭坯潔凈度， 提出合適的頭坯控制建議對穩(wěn)定鑄坯質(zhì)量和節(jié)約成本具有重要意義［6］。

4 采取的措施

根據(jù)頭坯夾雜物的來源分析， 采取了優(yōu)化措施，主要包括兩個方面，一是在鋼水注入中間包之前吹氬，充分排除包內(nèi)殘留的空氣。文獻(xiàn)7 提出了中包氣幕充氬對改善頭坯潔凈度的作用明顯。二是優(yōu)化中間包堰壩結(jié)構(gòu)，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在壩的下方密排一列導(dǎo)流管， 經(jīng)過水模試驗(yàn)確定導(dǎo)流管直徑和排列方式， 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)既能滿足鋼水的正常澆鑄， 同時延長鋼水在中間包內(nèi)停留時間，增加了吸附夾雜物面積。

5 效果

5.1 中間包導(dǎo)流管內(nèi)殘留物分析

對使用后的中間包導(dǎo)流管觀察發(fā)現(xiàn)， 內(nèi)吸壁吸附大量鋼渣混合物。分析成分為金屬氧化物，以氧化鋁為主， 還含少量Ca、Mg、Si、Mn 等元素，表明該結(jié)構(gòu)從某種程度上對鋼水中的夾雜物起到了一定的過濾作用，頭坯潔凈度得到改善。

5.2 連鑄坯T.O 含量和夾雜物

取優(yōu)化前2 罐和優(yōu)化后4 罐鋼比較頭坯T.O含量，中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后頭坯T.O 含量的對比見圖5。優(yōu)化前2 罐頭坯澆鑄到2.0 m 時，T.O含量達(dá)到0.004 0%以上，優(yōu)化后4 罐頭坯澆鑄到2.0 m時，鋼水T.O 含量均低于0.003 2%，最低達(dá)0.002 2%， 比優(yōu)化前降低0.000 8%～0.001 0% 。

對穩(wěn)態(tài)坯和尾坯進(jìn)行了跟蹤，T.O 含量均在0.001 5%~0.002 0%。中間包優(yōu)化后，導(dǎo)流管內(nèi)對吸附夾雜物具有較好的作用， 并且隨著澆鑄的進(jìn)行， 吸附的夾雜物沒有對后續(xù)鋼水T.O 含量造成惡劣影響。優(yōu)化后頭坯2.0 m 以后，超過50 μm 的簇狀氧化鋁很少，呈彌散分布。

5.3 頭坯中大型夾雜物

取樣位置為頭坯2 m 處， 寬度1/4 內(nèi)弧表面和內(nèi)弧中心，采用大樣電解法分析。結(jié)果為優(yōu)化前內(nèi)弧表面和厚度中心的電解試樣量為2.927 kg 和3.005 kg，優(yōu)化后為2.851 kg 和3.073 kg。優(yōu)化前后頭坯大型夾雜物比較見表2。由表2 看出， 內(nèi)弧表面50～100 μm 的大型夾雜物較中心高，優(yōu)化后大型夾雜物數(shù)量減少，內(nèi)弧表面減少23.8%，厚度中心減少13.3%。

跟蹤優(yōu)化后工業(yè)生產(chǎn)的8 個澆次超低碳鋼冷軋板表面質(zhì)量， 只有一罐頭坯出現(xiàn)了少量夾雜廢品，其余頭坯質(zhì)量均滿足要求，廢品率大大降低。工藝優(yōu)化后提高了連鑄坯的潔凈度。

6 結(jié)論

（1） 澆鑄初期， 非穩(wěn)態(tài)工藝嚴(yán)重影響頭坯潔凈度，頭坯澆鑄4 m 時T.O 含量比第一罐末塊坯高0.001 6%。換鋼包的交接坯和尾坯時出現(xiàn)的液面波動對鋼水潔凈度影響較小， 幾乎不影響T.O 含量。

（2） 頭坯中夾雜物主要以Al₂O₃為主，來源于澆鑄初期注流的二次氧化，此外，開始澆鑄時精煉渣、保護(hù)渣與中包內(nèi)襯等外來夾雜也嚴(yán)重影響鋼水潔凈度，至少影響澆鑄4.0 m 長度。

（3） 澆鑄前中間包內(nèi)吹氬和優(yōu)化中間包堰壩結(jié)構(gòu)可以改善頭坯潔凈度，頭坯澆鑄到2.0 m 時，T.O 含量由0.004 0%以上降到0.003 2%以下，最低達(dá)到0.002 2%。

參考文獻(xiàn)

［1］ 董履仁，劉新華. 鋼中大型非金屬夾雜物［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

［2］ 易正明，肖慧. 超低碳鋼連鑄頭坯夾雜物研究［J］. 鋼鐵釩鈦，2013，34（3）: 60-62.

［3］ 楊鶴， 王洋， 崔衡. 非穩(wěn)態(tài)澆鑄條件下IF 鋼鑄坯中大型夾雜物分析［J］． 連鑄， 2017, 42（2）： 40-42.

［4］ 董金剛，劉永勤，余茂華，等. 寶鋼二連鑄板坯表面質(zhì)量分析［C］∥2001 中國鋼鐵年會論文集， 北京： 中國金屬學(xué)會，2001：744-746.

［5］ 單慶林， 賈劉兵， 彭國仲， 等. 非穩(wěn)態(tài)澆鑄連鑄坯控制技術(shù)［J］. 連鑄， 2017， 42（1）： 30-34.

［6］ 張立峰，方文，任英，等. 冷鐓鋼SWRCH22A 頭坯潔凈度研究［J］． 煉鋼， 2016, 32（1） ：55-60．

［7］ 崔衡，包燕平，劉建華． 中間包氣幕擋墻水模與工業(yè)試驗(yàn)研究［J］． 煉鋼， 2010， 26（2）：45-47．