超低碳IF鋼頭坯潔凈度的研究

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）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠(chǎng)生產(chǎn)超低碳汽車(chē)板鋼時(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)夾雜廢品，影響了產(chǎn)品在市場(chǎng)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(duì)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(duì)連鑄坯的影響程度，開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)，并對(duì)該類(lèi)鋼的澆次頭坯、過(guò)渡坯和尾坯的潔凈度進(jìn)行對(duì)比研究，確定了開(kāi)澆時(shí)非穩(wěn)態(tài)工藝對(duì)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(duì)連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低了開(kāi)澆初期工藝對(duì)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(chē)板鋼為研究對(duì)象，進(jìn)行一個(gè)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(duì)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(jiàn)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 連鑄坯的氧氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

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(shí)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(shí)，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(guò)程卷入空氣，鋼水發(fā)生了二次氧化，開(kāi)澆初期各種因素的影響對(duì)鑄坯T.O含量影響長(zhǎng)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(méi)有體現(xiàn)出鋼包更換對(duì)T.O含量的影響。尾坯的T.O含量與穩(wěn)態(tài)坯沒(méi)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(chǎng)變化是鋼水與空氣接觸所致，也可以說(shuō)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(shí)間，因此T.O含量沒(méi)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(jiàn)圖1、圖2。

圖1 頭坯中簇狀A(yù)l2O3夾雜物

圖2 頭坯中Al2O3-TiN顆粒

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(lái)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(lái)，分離出的夾雜物顆粒形貌見(jiàn)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(lèi)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。

圖3 大樣電解法分離的夾雜物顆粒（×50）

圖4 大樣電解法分離的夾雜物顆粒（×200）

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(lái)的，電解過(guò)程中基體被腐蝕，簇狀?yuàn)A雜物變?yōu)樾☆w粒夾雜，淘洗過(guò)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(shuō)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(zhǎng)大的［2］。

3 夾雜物來(lái)源分析

對(duì)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(lái)源于澆鑄初期注流二次氧化。初始澆鑄時(shí)，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(guò)程中形成簇狀，一部分上浮到渣中，未來(lái)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(kāi)始澆鑄的3～4 m以?xún)?nèi)，隨著澆注進(jìn)行，由于澆鑄過(guò)程穩(wěn)定和中間包覆蓋劑的保護(hù)作用，簇狀?yuàn)A雜物大大降低，到達(dá)澆鑄4 m以上時(shí)，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(gè)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(lái)源主要是保護(hù)渣［3］。對(duì)于超低碳鋼來(lái)說(shuō)，澆注時(shí)結(jié)晶器彎月面下產(chǎn)生的凝固鉤長(zhǎng)（hook）且不均勻，增加保護(hù)渣和氣泡被捕獲的機(jī)會(huì)，更容易產(chǎn)生夾渣缺陷［4］。對(duì)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(chē)板中常見(jiàn)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(guò)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(dòng)狀態(tài)發(fā)生波動(dòng)，對(duì)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(duì)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(lái)源分析，采取了優(yōu)化措施，主要包括兩個(gè)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(duì)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(guò)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(mǎn)足鋼水的正常澆鑄，同時(shí)延長(zhǎng)鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)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(duì)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(duì)鋼水中的夾雜物起到了一定的過(guò)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(duì)比見(jiàn)圖5。優(yōu)化前2罐頭坯澆鑄到2.0 m時(shí)，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(shí)，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(duì)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(duì)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(méi)有對(duì)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(guò)50 μm的簇狀氧化鋁很少，呈彌散分布。

圖5 中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后頭坯T.O含量的對(duì)比

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(jiàn)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%。

表2 優(yōu)化前后頭坯大型夾雜物比較 mg

跟蹤優(yōu)化后工業(yè)生產(chǎn)的8個(gè)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(mǎn)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(shí)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(shí)出現(xiàn)的液面波動(dòng)對(duì)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(lái)源于澆鑄初期注流的二次氧化，此外，開(kāi)始澆鑄時(shí)精煉渣、保護(hù)渣與中包內(nèi)襯等外來(lái)夾雜也嚴(yán)重影響鋼水潔凈度，至少影響澆鑄4.0 m長(zhǎng)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(shí)，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%。

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