非稳态连铸坯洁净的定量研究

1、非稳态连铸坯洁净度的定量研究朱国森1，王新华2，邓小旋2，季晨曦1，陈斌1(1首钢技术研究院，北京 100043；2北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)摘 要：采用Aspex Explorer电镜对“KR铁水脱硫转炉脱磷转炉脱碳RH精炼板坯连铸”工艺路线生产的DC06(IF钢)连铸坯洁净度进行了定量研究，试样检测面积在9382852061mm2。研究发现：IF钢铸坯中的夹杂物主要有5种类型，分别是簇群状Al2O3夹杂物、块状Al2O3、Al2O3·TiOx系类球状夹杂物、保护渣卷入造成的夹杂物和“气泡+Al2O3”类夹杂物。正常铸坯具有很高的洁净度，(TO)=0001

2、0%00013%，大于50m夹杂物平均为031个cm2，并且未检测到来源于保护渣卷入形成的50m以上夹杂物。在试验采用的拉速范围内(1015mmin)，正常浇铸铸坯试样中检测到的大于50m夹杂物数量随拉速增加而降低。在各类非稳态浇铸铸坯中，开浇阶段第1块铸坯(头坯)品质降低最为严重，不能用于生产有表面质量要求的汽车、家电等冷轧钢板；开浇阶段第2块铸坯、快换水口铸坯和尾坯中50m以上夹杂物数量明显高于正常铸坯，用于汽车钢板生产应采用表面清理或降级；交换钢包交接坯和倒数第2块铸坯和正常铸坯洁净度水平相当，可以用于汽车钢板的生产。关 键 词：IF钢；非金属夹杂物；非稳态；保护渣；连铸随着汽车行业对优

3、质冷轧钢板需求的快速增长，对汽车钢板，尤其是O5级面板的表面质量的要求也日益苛刻。其中，与冶炼、连铸过程密切相关的表面缺陷主要有：鼓包、翘皮、灰线和孔洞。这些缺陷是由连铸坯皮下气泡、气泡+Al2O3、保护渣“卷渣”以及表面夹渣等缺陷“遗传”形成的1-5。因此，汽车板生产企业都开发了连铸坯质量判定系统，即通过冶炼、连铸过程的工艺参数来判断连铸坯的洁净度是否满足不同等级汽车钢板的质量需求。但是，随着工艺技术的进步，有必要持续对连铸坯，尤其是非稳态连铸坯的洁净度进行研究，以减少误判或漏判。钢铁企业对钢中夹杂物的评价主要按照ASTM标准，采用光学显微镜检验钢中A、B、C、D和Ds类夹杂物。在科学研究过

4、程中，还会采用扫描电镜SEM(+EDS，+EPMA)、透射电镜TEM(+EPMlA、+EDS)、原位PDA、电解等方法6-10。这些方法具有共同的缺点，即检测的试样面积小、分析检验耗时很长，但分析检验结果(如夹杂物数量、尺寸、成分、位置)可信度却不高。为获得尽可能可信的结果，Awajiya Y11针对超低碳钢，分别在铸坯内外弧沿宽度方向每隔18宽度取2个30mm×30mm的试样，共28个试样，检测总面积为25200mm2试样中的非金属夹杂物，以每平方厘米大型夹杂物的数量来判断铸坯的洁净度。所研究的3次试验铸坯试样中，铸坯表层大型夹杂物主要为簇群状Al2O3和气泡+簇群状Al2O3两种

5、类型，50m以上夹杂物数量分别为048、051、052个cm2。为弄清非稳定态浇铸对铸坯中非金属夹杂物的影响，王新华12和宝钢、鞍钢等合作，对非稳态浇铸时期(中间包开浇、交换钢水包)和不同拉速变化时铸坯中的非金属夹杂物含量进行了试验研究。研究非稳态铸坯中非金属夹杂物采用扫描电镜，分析试样的面积约600mm2。研究不同拉速变化时铸坯中的非金属夹杂物采用原位统计分布分析仪(OPA)，分析试样的面积为2400mm2。首钢为进一步提高钢板的品质，与北京科技大学合作，对不同连铸条件(正常连铸和各种非稳态连铸)汽车板用铸坯中非金属夹杂物进行了定量研究。本文所研究的“非稳态”是指连铸过程工艺发生较大变化的状

6、态，如连铸开浇、停浇等阶段拉速变化、换包阶段中间包液面降低、水口堵塞后快换水口等状态。1 研究内容及方法研究钢种为DC06钢，生产工艺路线为“KR铁水脱硫转炉脱磷转炉脱碳RH精炼板坯连铸”，钢水质量300t，铸坯尺寸1200mm×237mm×9700mm。试验6炉钢，成品成分见表1，试验浇次拉速变化情况见图1。11 取样方法将6个试验炉次拉速稳定条件下浇铸的第3块铸坯(大包浇铸130t)作为正常浇铸铸坯，取一厚度(拉坯方向)为100mm横截面试样，然后再对此横截面试样沿内弧沿宽度方向每隔18宽度长取一小试样(70mm×50mm×25mm)。对每个小试样上

7、表面进行研磨抛光去掉05mm后，对非金属夹杂物进行分析检验，每个小试样分析检验面积为2000mm2(由于表面平整度原因，部分试样分析检测面积少于2000mm2)。除分析夹杂物外，还对小试样的总氧和氮含量进行分析测定。对于非稳态浇铸铸坯，主要包括浇次开浇阶段、浇次结束阶段、大包换包阶段和快换浸入式水口4种情况下浇铸铸坯，沿拉坯方向在铸坯侧边取宽度为100mm长条试样，然后再对此长条试样(图2所示)，每隔250mm切割出100mm×70mm×25mm小块试样，其中一部分做TO和氮含量分析，另一部分用来做夹杂物分析。用于夹杂物检验的试样尺寸为70mm×50mm×

8、;25mm，将其上表面去掉05mm，研磨抛光后进行分析检验，每小块试样分析检验面积为2000mm2(由于表面平整原因，部分试样分析检测面积少于2000mm2)。表2为试验炉次非稳态浇铸铸坯取样情况。12 非金属夹杂物检验分析供非金属夹杂物分析切取的铸坯试样尺寸为70mm×50mm×25mm，由于试样尺寸大而无法用人工方法进行抛光制样。该研究采用了自动制样机，其具备试样切割、粗磨、精磨、抛光等功能，粗磨时采用220、600、1200号金刚石磨盘，精磨采用9m抛光布(配合9m金刚石悬浮抛光液)和3m抛光布(配合3m金刚石悬浮抛光液)，可一次完成5个试样的粗磨、精磨、抛光。对制备

9、好的试样，采用Aspex Explorer型扫描电镜，对非金属夹杂物进行分析检验。该电镜除具备扫描电镜的常规检验功能外，能够对较大尺寸试样进行自动分析(最大100mm×80mm)，得到所检验面积内的夹杂物数量、尺寸、位置、组成等。低碳铝镇静钢、IF钢为铝脱氧钢，许多夹杂物为簇群状Al2O3夹杂物，在试样检测面上表现为分散的颗粒，因此用Aspex电镜自动分析方法对簇群状Al2O3夹杂物进行检测，在夹杂物数量、尺寸、形貌方面会造成较大误差。为了解决该问题，在Aspex电镜对试样分析完成后，对其分析结果数据文件进行审核，找到那些相邻很近(数微米内)夹杂物(它们实际上属于一个夹杂物簇群)，利

10、用Aspex系统的“再定位”功能，将视场重新定位于该簇群某个颗粒，然后缩小放大倍数，直至显现出该颗粒所属整个夹杂物簇群。为了验证对簇群状Al2O3夹杂物的分析精度，对同一试样2066mm2表面上的Al2O3夹杂物，分别采用人工与上述Aspex再定位方法进行分析检测，主要分析钢种20m以上的大尺寸夹杂物。由表3可知，本研究采用的Aspex电镜分析方法可以保证很高的分析精度。2 研究结果21 铸坯中的非金属夹杂物类型图3为铸坯中发现的各类型夹杂物的典型照片，夹杂物主要有5种类型，分别是：1)簇群状Al2O3夹杂物(图3a)，尺寸在20m以上，按照尺寸大小，在后续研究过程中，分别分析了小型簇群状Al

11、2O3(2050m)、中型簇群状Al2O3(50100m)、大型簇群状Al2O3(100300m)和超大型簇群状Al2O3(>300m)的数量；2)块状Al2O3(图3b)，尺寸在10m以下；3)Al2O3·TiOx系类球状夹杂物(图3c)，尺寸在20m以下；4)保护渣卷入造成的夹杂物(图3d)，尺寸在几十到几百微米之间，该夹杂物除了球状外、还有块状、条状、颗粒状，其共同特点是含较高CaO和SiO2(两者含量相近)，并含一定量Na2O。该夹杂物在头坯、尾坯和快换水口铸坯中较多；5)“气泡+Al2O3”类夹杂物(图3e)，尺寸可以达到毫米级，Al2O3夹杂物可以在气泡壁上，也可以

12、在气泡内部。22 正常铸坯的洁净度表4为试验炉次正常浇铸铸坯试样的总氧和氮含量分析结果，铸坯试样(TO)=(1013)×10-6，(N)=(1624)×10-6，达到了较好洁净度水平。对第1、3、5、6炉次浇铸的第3块铸坯(大包浇铸130t左右)，在内弧表层沿宽度方向共取7个试样，进行夹杂物检测分析，铸坯中尺寸20m以上的夹杂物数量密度见表5。正常铸坯中大于50m的夹杂物数量在02110441个cm2，平均为03155个cm2，与总氧含量表征的结果类似，说明正常铸坯具有了很高的洁净度。本次试验第1、3、5、6炉正常坯浇铸拉速分别为13、10、15和14mmin，图4为这4个

13、炉次浇铸正常坯拉速与大于50m夹杂物数量的关系。随拉速提高，铸坯表层大于50m夹杂物数量快速减少。其主要原因是，拉速提高，负滑脱时间缩短、弯月面处钢水温度升高，渣圈对弯月面坯壳的作用力减少，hook状坯壳的厚度减薄，捕捉气泡和夹杂物的几率大大降低，从而降低了铸坯表层的大型夹杂物13。23 开浇阶段拉速变化时铸坯的洁净度图5为本浇次前3块连铸坯TO、氮含量和大于50m的夹杂物数量密度的变化，由图5a可见：头坯(097m)总氧和氮含量变化非常大，随浇铸长度增加，该块铸坯(TO)由00071%降低至00019%，(N)由00052%降低至00028%。第2块铸坯总氧和氮含量继续降低，至该块坯末端(1

14、94m)，(TO)降低至00015%，仍略高于正常坯(第3块坯)的(TO)(00011%)。而当浇铸长度增加至20m后(约浇铸90t)，铸坯总氧才最终降低至正常坯含量。由图5b可见：1)头坯中大型夹杂物数量随浇铸长度增加而减少，由铸坯头部(开浇05m)的3614个cm2减少至头坯尾部的0729个cm2，与该炉正常坯夹杂物数量相比(0369个cm2)，即便在头坯尾部，大型夹杂物数量仍然显著高于正常值；2)头坯中检测到的大型夹杂物另一特点是来源于结晶器保护渣的夹杂物较多，在所检测的18个试样中，有9个试样检测出了结晶器保护渣卷渣；3)与头坯相比，第2块铸坯表层试样大型夹杂物数量显著减少，已基本与该

15、炉次正常坯试样夹杂物数量相当。其与正常坯试样差别主要表现在来源于结晶器保护渣夹杂物数量方面，在该炉正常坯试样中检测不到大于50m来源于保护渣夹杂物，但第2块坯所检测的10块试样中，有3块检测到来源于保护渣夹杂物，其中包括大于100m保护渣夹杂物。24 钢包换包交接坯的洁净度对第4和第5炉间交换大包时浇铸的交接坯进行取样，此过程对应的铸坯浇铸长度为23282518m，图6为该时间段中间包钢水量、交接坯表层试样总氧和氮含量、大于50m的夹杂物数量密度的变化情况。可见：1)在此次大包交换过程，中间包钢水量由67t降低至最低597t，然后又快速回升至67t。2)开始交换钢包(2328m浇铸长度)和交换

16、钢包后开浇的前4m(234238m)，铸坯试样(TO)呈上升趋势(由00014%增加至00017%)，随后开始下降(第5炉钢水总氧含量低所致)，在第5炉开浇约10m左右(至244m浇铸长度)，铸坯(TO)稳定在00013%左右，但仍高于至该炉次正常坯试样总氧含量。如前文所述，第4炉正常坯试样(TO)和(N)分别为00013%和00022%，第5炉正常坯试样(TO)和(N)分别为00010%和00017%。3)开始交换大包后，中间包钢水重量减少，但铸坯试样夹杂物数量基本没有增加。但当第5炉钢包开始浇铸后(中间包钢水量开始增加)，铸坯试样中大型夹杂物数量出现较明显增加，且波动增大。铸坯表层试样大型

17、夹杂物增加这一趋势在中间包钢水恢复至正常容量后并没有立即停止，在该交接坯最后4m处，夹杂物数量才稳定在该炉正常坯数量水平(0211个cm2)。但是，在交接坯试样中多次检测到来源于结晶器保护渣卷入形成的大型夹杂物。25 快换水口铸坯的洁净度试验在浇铸第5炉过程进行快换水口操作，图7为快换水口过程拉速、结晶器钢水液面的变化以及浇铸铸坯表层试样TO、氮含量和大于50m的夹杂物数量。可见：1)在浇铸至第281m时开始降低拉速，浇铸至第285m时拉速降低至最低(08mmin)，在2885m时开始提升拉速，至292m时拉速回升至正常水平(12mmin)。2)该炉次正常坯试样(TO)和(N)分别为00010

18、%和00017%，快换水口铸坯中(TO)较正常坯试样平均增加000035%，个别试样达到00020%。氮含量则没有提高。3)该炉次正常坯中大于50m夹杂物数量为0211个cm2，而快换水口坯夹杂物含量高且波动很大，为00480599个cm2，平均为035个cm2。此外，在检测的19个快换水口坯试样中，4次检测到来源于结晶器保护渣卷入形成的大型夹杂物。26 停浇阶段拉速变化时铸坯的洁净度图8为停浇阶段浇铸铸坯表层试样TO、氮含量和大于50m的夹杂物数量情况的变化情况，可见，1)在浇铸至尾坯末端6m左右之前，铸坯表层总氧含量变化很小，而当浇铸至距末端6m之后，(TO)有一明显增加，但随后又恢复到0

19、0012%左右正常水平。整个尾坯氮含量变化不大。2)本炉次正常坯中大于50m的夹杂物数量为0241个cm2，与之相比，倒数第2块铸坯由于拉速基本未变化，夹杂物数量差别不大，所检测8个试样中大于50m的夹杂物数量平均为0261个cm2。而在尾坯浇铸过程，拉速逐步降低，夹杂物数量波动很大，且浇铸至尾坯末端75m后，大型夹杂物数量明显高于正常坯的试样增多，且检测到来源于保护渣卷入的大型夹杂物，表明尾坯轧制后钢板表面缺陷较正常坯会有明显增多。还可以看出，尽管尾坯夹杂物数量较正常坯增加，但与开浇阶段相比，尾坯品质降低程度远低于头坯。这表明，在液面波动和钢水严重二次氧化这两个影响大型夹杂物数量因素中，钢水

20、严重二次氧化造成的不良影响要大得多。3 分析与讨论表6为各非稳态浇铸铸坯试样夹杂物平均数量与正常坯试样的比较。1)尽管正常坯试样检测面积最大，但均未检测到大于50m来源于结晶器保护渣的夹杂物存在。而各类非稳态铸坯表层试样中均检测到来源于保护渣夹杂物，表明各非稳态过程结晶器内钢水流动状态改变导致保护渣卷入增多；2)在各类非稳态浇铸铸坯中，开浇阶段第1块铸坯(头坯)品质降低最为严重，不能用于生产汽车、家电等有表面质量等级要求的冷轧薄板；3)开浇第2块铸坯大于100m夹杂物数量较多高于正常坯试样，并发现有来源于结晶器保护渣夹杂物存在，用于汽车钢板生产应采用表面清理或降级；4)交接坯簇群状夹杂物平均含

21、量(包括大于100m夹杂物)与正常坯相当，其差别主要表现在保护渣卷入造成的夹杂物数量不同；5)快换水口坯大于50m夹杂物平均含量与正常坯差别不大，但来源于保护渣卷入和大于100m有害夹杂物数量高于正常坯试样，在生产汽车板时也必须降级或采用表面清理；6)结束浇铸阶段倒数第2块铸坯大于50m夹杂物平均含量与正常坯相当，来源于结晶器保护渣卷入和大于100m有害夹杂物数量多于正常坯；7)尾坯中大于50m夹杂物数量与正常坯相当，但大于100m夹杂物数量，尤其是来源于保护渣卷入形成的大型夹杂物数量明显多于正常坯试样。4 结论1)铸坯中的夹杂物主要有5种类型，分别是：簇群状Al2O3夹杂物、块状Al2O3、

22、Al2O3·TiOx系类球状夹杂物、保护渣卷入造成的夹杂物和“气泡+Al2O3”类夹杂物。2)试验炉次正常浇铸铸坯试样(第3块坯)(TO)=00010%00013%，大于50m夹杂物数量在02010434个cm2，平均为031个cm2，并且未检测到来源于保护渣卷入形成的50m以上夹杂物。3)在试验采用拉速范围(1015mmin)，正常浇铸铸坯试样中检测到的大于50m夹杂物数量随拉速增加而降低。4)开浇头坯总氧和氮含量变化非常大，随浇铸长度增加(TO)由00071%降低至00019%，(N)由00052%降低至00028%。第2块坯总氧和氮含量继续降低，至该块坯末端，(TO)降至000

23、15%，仍略高于正常坯(第3块坯)总氧含量。5)开浇头坯试样大于50m夹杂物数量平均为162个cm2，远高于正常坯大于50m夹杂物数量(0369个cm2)，其中大于100m有害夹杂物数量平均高达0387个cm2，不能用于生产汽车、家电等有表面质量等级要求的冷轧薄板。开浇第2块铸坯大于50m夹杂物数量平均为041个cm2，已基本与该炉次正常坯试样夹杂物数量相当。但主要差别是大于100m有害夹杂物平均数量高达0095个cm2，用于汽车钢板生产应采用表面清理或降级。6)试验炉次交换钢包浇铸的铸坯、尾部倒数第2块铸坯中大于50m的簇群状Al2O3夹杂物平均含量(包括大于100m夹杂物)与正常坯试样相当

24、，可以用于汽车钢板的生产。快换水口过程浇铸铸坯试样中，大于50m夹杂物平均含量(包括大于100m夹杂物)均高于正常坯试样，在生产汽车板时也必须降级或采用表面清理。尾坯中大于50m夹杂物的数量密度波动很大，尤其在浇铸至尾坯末端75m后，来源于结晶器保护渣卷入和大于100m有害夹杂物数量明显多于正常坯，在生产汽车板时也必须降级或采用表面清理。7)在试验检测的各种非稳态浇铸铸坯试样中，开浇头坯品质降低程度远远大于其它非稳态浇铸铸坯，表明在结晶器内钢水流动状态发生波动和钢水严重二次氧化这两个影响铸坯大型夹杂物含量因素中，钢水严重二次氧化造成的不良影响要大得多。参 考 文 献：1 袁方明，王新华，李宏，

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