水口快換鑄坯潔凈度分析與應用

武志杰 石建強 程 迪 姜麗梅 韓闖闖

（河北鋼鐵集團邯鋼公司）

0 前言

板坯連鑄機浸入式水口在線快速更換技術是提高連澆爐數(shù)、保證生產高效穩(wěn)定的關鍵技術[1]。由于浸入式水口在澆注過程中受高溫鋼水沖涮、Al2O3夾雜物在水口附近富集堵塞以及保護渣的侵蝕等作用，無法連續(xù)澆注，使中間包與浸入式水口的壽命不一致。浸入式水口在線快速更換技術能有效提高單中間包連澆爐數(shù)，較少產出因換包導致的鑄坯切頭、切尾以及中包澆余，提高了鑄坯收得率，具有較高的經濟效益。

浸入式水口快換過程屬于典型的非穩(wěn)態(tài)澆注過程，在水口更換過程中受到拉速變化、低拉速澆注、結晶器液面波動、鋼水二次氧化等諸多因素的影響，易造成夾雜物卷入、鋼水二次氧化、鋼中成分波動等一系列質量問題的產生[2-4]。

河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠擁有2 臺意大利達涅利公司設計制造的雙流板坯連鑄機，具有浸入式水口在線快速更換技術。自投產以來，針對高端汽車板和家電板的產品定位，通過技術攻關，總結出一套完整的水口快換標準化操作方法，對換水口過程中的塞棒關閉時間、液面補償高度、換水口后提拉速等操作均有明確規(guī)定，有效降低了非穩(wěn)態(tài)澆注過程中的鑄坯質量波動。

但是對換水口鑄坯潔凈度和優(yōu)化使用方面的研究較少，目前換水口鑄坯均采用直接降級處置，該方法較為粗放，會造成鑄坯質量不合格，導致生產成本升高。因此，需要對換水口部位鑄坯潔凈度進行細致分析，為鑄坯精細化和質量層級式管理提供理論基礎。

1 取樣方法

采用氮氧含量分析、大樣電解分析、掃描電解分析和能譜分析等手段對水口快換鑄坯潔凈度的變化規(guī)律進行了研究，從而指導換水口鑄坯質量細分和精細化利用，進一步提高了鑄坯利用率。

為分析換水口操作對鑄坯潔凈度的影響，選取典型超低碳鋼水口快換鑄坯和正常鑄坯，對二者進行取樣分析。在換水口位置前后每隔1 m 取鑄坯樣，前后各取4 m，并對所取鑄坯樣進行編號，換水口前的編號分別為1、2、3、4，換水口后的分別為A、B、C、D。取樣位置在鑄坯寬度方向1/4 處，取樣大小為100×100×240 （單位：mm），便于后續(xù)進行氮氧成分分析和大樣電解分析。正常鑄坯選取換水口前一塊鑄坯，取樣位置與換水口鑄坯相同。換水口鑄坯的取樣位置如圖1 所示。

2 實驗結果及分析

2.1 鋼中氮、氧含量分析

圖1 鑄坯取樣位置

鋼中氮、氧含量均是鋼水潔凈度的重要指標，鋼中氧含量即T[O]，是鋼中溶解氧與結合氧之和，其中結合氧以內生夾雜物和外來夾雜物的形式存在于鋼中，因此該成分可直接表征顯微夾雜物水平[5]。鋼中氮含量同樣是鋼中有害元素，會降低鋼的韌性、焊接性，增加鋼的脆性，造成開裂，因此高品質鋼均對氮含量有嚴格的控制要求。

為研究換水口鑄坯氮、氧含量的變化規(guī)律，對超低碳鋼的水口快換鑄坯和正常鑄坯的試樣進行了成分分析，其檢測結果見表1。

表1 氮氧含量分析 %

從表1 可以看出，在換水口前4 m 至3 m 部位，水口快換鑄坯的氮、氧含量與正常鑄坯的相同且變化不大。換水口前2 m 至換水口后2 m 位置，氮、氧存在明顯上升，氮含量平均為0.004 2%，最高達到0.004 5%，氧含量平均為0.002 6%，最高達到0.003 0%。換水口后3 m 和4 m 部位的氮氧含量均有所降低，并趨近于正常鑄坯水平。由此可見，換水口前后3 m 外位置的氮氧含量趨于正常，可正常使用。

2.2 鋼中夾雜物分析

2.2.1 夾雜物數(shù)量分析

大樣電解法是檢驗鋼中夾雜物的主要方法，采用大樣電解法對所取樣品的夾雜物數(shù)量進行統(tǒng)計分析，分析結果見表2。

表2 換水口鑄坯夾雜物數(shù)量統(tǒng)計

從表2 可以看出，夾雜物數(shù)量統(tǒng)計與氮、氧含量的規(guī)律基本相似。換水口前2 m 以外位置的夾雜物總量均在1 mg/10 kg 以下，但是2 m 部位存在80 ～140 μm大顆粒夾雜物；換水口前1 m 至換水口后2 m 部位，夾雜物數(shù)量較多，均存在80 ～140 μm 的大顆粒夾雜物；換水口后3 m 位置，夾雜物總量降至1 mg/10 kg以下，且無大顆粒夾雜物，趨近于正常水平。

因此，綜合夾雜物數(shù)量和尺寸，換水口位置前后3 m 外鑄坯夾雜物水平趨于正常，可正常使用。

2.2.2 夾雜物種類分析

不同換水口位置夾雜物宏觀結構主要為球狀或塊狀結構，如圖2 所示。對電解出的夾雜物進行掃描電鏡分析，球狀夾雜物主要為Al-Ca-Mg 類夾雜，部分含有K、Na 或Zr 元素，塊狀夾雜物主要為純Al2O3類夾雜和Al-Si 類夾雜，伴有K、Na 元素，如圖3 所示。

圖2 換水口鑄坯樣的夾雜物形貌

圖3 換水口鑄坯樣典型夾雜物掃描電鏡分析

分析認為，含Zr 元素夾雜物與水口耐材元素一致，應為換水口過程中水口耐材脫落進入鋼水中所致。純Al2O3類夾雜應為換水口過程中鋼水二次氧化造成。K、Na 元素為保護渣特有元素，因此，這類夾雜物應為換水口過程中保護渣卷入所致。

3 生產應用

通過氮氧含量分析、大樣電解分析、掃描電解和能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，水口快換對應鑄坯前后2 m 部位，氮氧含量、夾雜物數(shù)量均較高，且存在80 ～140 μm 的大顆粒夾雜物，2 m 外位置的趨近于正常坯水平?；谝陨戏治?，在實際生產過程中，換水口部位安排在鑄坯頭部或尾部，便于后續(xù)切割操作。切割長度為換水口位置前后3 m，3 m 外部分正常使用。為驗證換水口鑄坯前后3 m 位置的質量與正常鑄坯是否一致，進行了氮、氧含量分析對比，發(fā)現(xiàn)換水口鑄坯前后3 m 位置與正常鑄坯基本一致，具體數(shù)據(jù)見表3。

基于以上驗證，對該優(yōu)化方法進行推廣應用，通過后續(xù)軋鋼生產跟蹤以及用戶使用跟蹤，未出現(xiàn)批量的由大顆粒夾雜物導致的質量問題，產品實物質量良好。該方法推廣后，利于換水口鑄坯進一步質量細分和精細化使用，提高了鑄坯利用率，降低了生產成本。

表3 氮氧含量分析 %

4 結論

（1）根據(jù)氮氧含量和夾雜物總量分析，鑄坯換水口位置前后3 m 外部位的氮氧含量以及夾雜物數(shù)量趨于正常，可以正常使用。

（2）根據(jù)夾雜物種類分析，認為換水口鑄坯中的夾雜物主要為換水口過程中水口耐材脫落、鋼水二次氧化造成和保護渣卷入所致。

（3）基于換水口鑄坯潔凈度分析，在實際生產中，將換水口位置安排到鑄坯頭部或尾部，切割尺寸為換水口位置前后3 m。通過對軋鋼生產過程跟蹤以及用戶使用情況反饋，未出現(xiàn)批量的由大顆粒夾雜物導致的質量問題。

（4）該鑄坯優(yōu)化利用方法利于換水口鑄坯進一步質量細分和精細化使用，提高了鑄坯利用率，有效降低了生產成本。