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、保證生產高效穩定的關鍵技術[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，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態澆注過程，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定，有效降低了非穩態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量進行統計分析，分析結果見表2。

表2 換水口鑄坯夾雜物數量統計

從表2 可以看出，夾雜物數量統計與氮、氧含量的規律基本相似。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現，水口快換對應鑄坯前后2 m 部位，氮氧含量、夾雜物數量均較高，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。基于以上分析，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，發現換水口鑄坯前后3 m 位置與正常鑄坯基本一致，具體數據見表3。

基于以上驗證，對該優化方法進行推廣應用，通過后續軋鋼生產跟蹤以及用戶使用跟蹤，未出現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量趨于正常，可以正常使用。

（2）根據夾雜物種類分析，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，未出現批量的由大顆粒夾雜物導致的質量問題。

（4）該鑄坯優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。