不同澆鑄階段高強鋼鑄坯潔凈度研究

彭其春，于學森，熊 偉，周明偉，張亮洲，周劍豐

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢，430081；2.湖南華菱集團漣源鋼鐵公司，湖南婁底，417009）

在鋼水澆鑄過程中，非穩態澆鑄是指開澆、換鋼包前后以及澆鑄結束等鋼水液面波動較大、拉速變化頻繁的狀態［1－3］。由于此狀態下鋼水的二次氧化及卷渣較嚴重，造成鋼中夾雜物增加，降低了鑄坯質量。為了了解開澆、澆鑄末期鑄坯的潔凈度，本文針對某廠高強鋼一個澆次的頭坯、正常坯和尾坯的潔凈度進行了詳細的研究，以期為改善澆鑄工藝和控制鑄坯潔凈度提供參考。

1 試驗

某廠生產高強鋼采用轉爐冶煉，擋渣出鋼。采用金屬錳、Si－Fe和Al錠脫氧合金化，合金加入順序為：金屬錳→Si－Fe→Al錠。合金加入時間：出鋼1／3時開始加入，出鋼3／4時加完。爐后進入氬站吹氬，再送LF爐進行精煉，依次進行造白渣操作、加入鈮鐵和鈦鐵調整成分、鈣處理，然后進入連鑄工藝。生產的鑄坯規格為1 500 mm×230 mm。表1所示為高強鋼的中間包鋼水成分。

在一個澆次中，在線切取頭坯、正常坯和尾坯各3 m。在頭、尾坯代表位置各取硫印坯3塊，在正常坯上切取硫印坯2塊。在硫印坯寬度邊緣和1／4處分別取氧氮分析試樣和金相試樣，在硫印坯中心取大樣電解試樣。

采用Tc500型氧氮分析儀對鋼中T［O］、氮含量進行分析；采用LIM－2000型圖像分析儀對試樣中顯微夾雜物（尺寸小于50μm）的數量、尺寸分布進行統計分析；采用大樣電解分析對試樣中的大型夾雜物數量進行分析；采用XL30型掃描電鏡及能譜分析儀對大型夾雜物和顯微夾雜物的成分及形貌進行分析。

表1 高強鋼中間包鋼水化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of high strength steel in the tundish

2 結果與分析

2.1 T［O］和氮含量

圖1所示為不同澆鑄階段鑄坯中的T［O］和氮含量。由圖1（a）中可知，正常坯在寬度邊緣和寬度1／4處的氮含量分別為43×10－6和43.5×10－6，與正常坯相比，頭坯在寬度邊緣和寬度1／4處的氮含量均有大幅度的提高，而尾坯中的氮含量變化不大，表明連鑄開澆過程中鋼水的二次氧化比較嚴重，澆鑄末期的保護澆鑄水平與穩態澆鑄階段相差不大，鋼水的二次氧化比較輕微。由圖1（b）中可見，與正常坯相比較，頭、尾坯中的T［O］均有不同程度的上升，頭坯中寬度邊緣和寬度1／4處的T［O］分別上升了約81.5%和80.6%，尾坯中寬度邊緣和寬度1／4處的T［O］分別上升了約25.3%和15.1%。造成頭、尾坯中T［O］升高的原因可能是各種渣的卷入，另外根據不同澆鑄階段氮含量的變化可知，開澆過程中鋼水二次氧化嚴重也是頭坯中T［O］升高的原因之一。

圖1 不同澆鑄階段鑄坯中T［O］和氮含量Fig.1 T［O］and［N］contents in slabs produced in different casting stages

2.2 顯微夾雜物

不同澆注階段鑄坯中顯微夾雜物的數量（平均值）如圖2所示。從圖2中可以看出，與正常坯相比較，頭坯、尾坯中顯微夾雜物數量都明顯上升。同一澆鑄階段鑄坯寬度邊緣的顯微夾雜物數量均少于寬度1／4處，這是因為鑄坯凝固過程中產生選分結晶，溶質元素在凝固前沿不斷富集并形成夾雜物，隨著鋼水凝固的進行，夾雜物數量逐漸增多，寬度邊緣鋼水早于寬度1／4處凝固，故寬度邊緣鑄坯顯微夾雜物數量要少于寬度1／4處。

圖2 不同澆鑄階段鑄坯中顯微夾雜物數量Fig.2 Micro－inclusions amounts in slabs produced in different casting stages

利用掃描電鏡及能譜分析可發現，盡管不同澆鑄階段鑄坯顯微夾雜物數量不同，但其類型基本一致，顯微夾雜物主要為TiN、Al2O3－TiN和球狀鈣鋁酸鹽類復合夾雜物，如圖3所示。鋼中Al2O3－TiN夾雜物均是以Al2O3為核心，外面包裹TiN（如圖4所示），表明Al2O3是TiN的異質形核中心，［Ti］和［N］是在Al2O3上形成TiN并長大的。另外并未發現單純的Al2O3夾雜物，表明喂鈣線對Al2O3改性效果很好。

2.3 大型夾雜物

圖5所示為不同澆鑄階段鑄坯中大型夾雜物的數量（平均值）。從圖5中可以看出，頭坯中大型夾雜物數量最多，達到8.77 mg／10 kg；其次是尾坯，大型夾雜物數量為5.71 mg／10 kg；正常坯中最少，大型夾雜物數量為1.75 mg／10 kg。

鑄坯中電解出來的大型夾雜物主要有TiN、SiO2、Al2O3－SiO2和Al2O3－SiO2－CaO，另外還有少量的MgO－CaO夾雜物和含有TiO2的復合夾雜物，其SEM照片和EDS圖譜如圖6所示。

頭坯和尾坯中大多數大型夾雜物含有Na和K，表明開澆和澆鑄末期結晶器卷渣很嚴重。相比較其他澆鑄階段鑄坯，尾坯中MgO－CaO夾雜物數量并沒有顯著提高，表明澆鑄結束時，中間包內鋼水余量充裕，澆鑄末期沒有發生嚴重的中間包漩渦卷渣。根據以上分析，可適當減少中間包內鋼水余量，以提高鋼水的利用率，提高企業的經濟效益。

［Ti］主要來源于精煉過程加入的鈦鐵，除此之外，還有另外兩種可能：一是鋼液自身中含有Ti；二是渣中含有少量的TiO2在鋼液循環流動時被帶入鋼液中。

［Ti］轉變為TiO2夾雜可能的方式主要有以下兩種：

（1）［Ti］在高溫條件下能與SiO2、Mg O等物質反應還原出Si、Mg［4］，從而生成更穩定的TiO2，反應式如下：

上述反應是在w（［Al］）大于0.01%的條件下進行的。由表1可知鋼水中w（［Al］）大于0.027%，可見，TiO2夾雜物生成的熱力學條件成熟。

（2）TiN是鋼水在凝固過程中析出的［5］，析出的TiN被鋼液中的氧氧化成TiO2。鋼中的TiN析出數量隨鈦、氮的質量分數增大而增加［6］。

圖3 鑄坯中典型顯微夾雜物的SEM照片和EDS圖譜Fig.3 SEM images and EDS spectra of the typical micro－inclusions in the slab

圖4 鋼中Al2 O3－TiN夾雜物Fig.4 Al2 O3－TiN inclusions

圖5 不同澆鑄階段鑄坯中大型夾雜物數量Fig.5 Large－inclusions amounts in slabs produced in different casting stages

TiN與鋼液中氧反應的反應式如下：

綜合以上分析可知，與正常坯相比較，該廠高強鋼頭坯潔凈度最差，尾坯次之。這是由于高強鋼鋼水在開澆時鋼水二次氧化及結晶器卷渣嚴重，而在澆鑄末期，其二次氧化和中間包漩渦卷渣輕微，主要是嚴重的結晶器卷渣導致尾坯潔凈度下降。

圖6 鑄坯中典型夾雜物的SEM照片和EDS圖譜Fig.6 SEM images and EDS spectra of the typical inclusions in the slab

3 結論

（1）某廠高強鋼鑄坯中，與正常坯相比較，頭坯和尾坯中T［O］均有不同程度的提高；頭坯中氮含量升高的幅度很大，而尾坯氮含量變化很小。

（2）鑄坯顯微夾雜物主要為TiN、Al2O3－TiN和球狀鈣鋁酸鹽類復合夾雜物。與正常坯相比較，頭坯、尾坯中顯微夾雜物數量都有明顯上升。

（3）頭坯中大型夾雜物含量最高（8.77 mg／10 kg），尾坯次之（5.71 mg／10 kg），正常坯最少（1.75 mg／10 kg）。大型夾雜物主要有TiN、SiO2、Al2O3－SiO2和Al2O3－SiO2－CaO，另外還有少量的MgO－CaO夾雜物和含有TiO2的復合夾雜物。大型夾雜物主要來源于結晶器卷渣。

（4）減少開澆和澆鑄末期結晶器卷渣以及提高開澆過程中保護澆鑄水平，可以提升該廠高強鋼頭坯和尾坯的潔凈度水平。

［1］ 張彩軍，王琳，蔡開科，等.非穩態澆鑄對鋼水潔凈度的影響［J］.特殊鋼，2002，23（6）：46－48.

［2］ 蔡起良.非穩態澆注時鑄坯裂紋的控制措施［J］.連鑄，2009（4）：31－32.

［3］ 羅高強，唐萍，文光華，等.梅山2號板坯連鑄低碳鋼鑄坯質量研究［J］.鋼鐵，2007，42（8）：36－40.

［4］ 鄭宏光，陳偉慶，薄世明.鈦穩定化不銹鋼中夾雜物的形成和變化［J］.鋼鐵，2005，40（5）：21－23.

［5］ 李海波，王郢，王新華，等.超低氧鋼20Cr Mo H和60Si2Mn A中TiN夾雜物的控制［J］.特殊鋼，2008，29（2）：44－46.

［6］ Ozturk B.Thermodynamics of inclusion formation in Fe2Cr2Ti2N alloys［J］.Metallurgy and Material Transaction B，1995，26（6）：563－564.