汽車用鋼鑄坯夾渣成因及控制

□ 劉麗華

2019年下半年以來，冷軋工序在軋制汽車用鋼板時，會檢測到不同程度的夾渣缺陷，嚴重時會導致批量封鎖和降級。不僅如此，汽車板用戶在沖壓各種零件時，也會出現因夾渣缺陷導致的零件開裂現象，嚴重時導致沖壓零件無法返修而報廢。汽車用鋼鑄坯的夾渣缺陷會嚴重影響生產作業效率和質量成本，持續減少夾渣缺陷一直是鋼鐵生產長期追求的目標。

一、夾渣形貌和成分分析

由于汽車用鋼在用戶使用材料時均軋制沖壓成規格為0.5～1.0mm的薄板零件，煉鋼鑄坯在經過軋制拉長后，夾渣缺陷在零件表面有長條狀貫穿，平行于軋制方向，嚴重時形成較大裂口。

分析用戶缺陷位置的取樣，切取試樣表面缺陷部位并制備截面金相樣，經掃描電鏡形貌觀察與分析，發現試樣截面處存在主要含碳、氧、氟、鈉、鎂、鋁、硅、硫、鈣、鈦、鐵等成分的皮下細小夾雜（渣），可以確定缺陷位置包含夾渣成分，由圖1分析結果可以得知，該缺陷是由于煉鋼過程中鑄坯夾渣所導致的。

圖1 夾渣缺陷部位形貌及成分分析結果

二、鑄坯夾渣來源和形成過程

鑄坯夾渣一般是由于結晶器內鋼水液面上的保護渣嵌入鑄坯表面所造成的。當結晶器內保護渣的熔點高、流動性差時，就會在鑄坯表面產生夾渣現象。

1.夾渣來源

對連鑄板坯中的夾渣來說，主要有以下幾種來源：一是鋼包鋼水在澆注結束時，鋼包水口關閉延遲導致鋼包渣進入中間包鋼水中，同時中間包耐材和水口的浸蝕也會進入鋼水中形成夾渣；二是保護渣性能不良，在結晶器液面沒有均勻熔融，導致保護渣結殼卷入鋼水中；第三種則是由冶煉鋼水中的鋁酸鹽夾雜物導致。這些鋼包渣、中間包、水口浸蝕脫落的夾雜物及保護渣在澆注的鋼水中都會成為夾渣的來源。

2.夾渣缺陷形成過程

夾渣缺陷形成有2種形式[1]：一種是卷入鋼水內部，另一種是粘附在鑄坯表面。

連鑄在澆鑄時，當中間包水口處于結晶器中心，水口兩側的流場應該對稱。但在鋼水紊流的作用下，會在水口附近出現漩渦，特別是當結晶器液面發生波動時，漩渦出現的幾率明顯增加。這說明漩渦的產生與結晶器的穩定程度有直接關系。隨著拉速的提升，上升鋼水流在彎月面引起的波動加劇，液面流速明顯增大, 鋼水和液渣卷混嚴重，保護渣很容易被鋼水卷入內部從而形成夾渣。

在澆注速度較高的情況下，結晶器窄面附近容易發生保護渣卷入現象。鋼流沿窄面上升, 在沖擊彎月面后由于受到阻力改變流動方向，從而沿鋼水和保護渣界面向水口方向流動。因此，結晶器窄面的渣層由于鋼水的沖刷變薄，極易產生鋼水裸漏。同時，由于界面張力的存在，部分保護渣受力跟隨鋼液流動，造成保護渣在水口與窄面的中間位置附近聚集，部分保護渣被流動的鋼水卷入形成表面夾渣。

不論鋼水表面還是內部液渣的卷入，均與渣鋼界面紊流有關。中間包水口偏離中心位置導致鋼水流動不對稱，產生偏流，使水口左右兩側的流速不均勻；同時，過量的氬氣流及高拉速造成的液面波動會使這一狀況更加惡化，液渣的粘附主要發生于彎月面，粘附在坯殼表面的渣體極易在振痕形成過程中被壓在皮下而形成永久缺陷。

三、鑄坯夾渣的影響因素

通過分析鋼水卷渣的形成過程可以看出，連鑄渣性能、澆注過程中吹氬的流量、結晶器液面穩定情況、水口對中及澆注速度都會影響連鑄鑄坯卷渣的程度。

1.連鑄渣的影響

連鑄結晶器使用的保護渣熔融層厚度和單耗對鑄坯表面質量有重要影響。理想的保護渣熔融層厚度應為12～15 mm，消耗量為0.40～0.60 kg/t鋼。由表1可以看到，生產汽車用鋼采用的保護渣粘度較大、堿度較低，因此要求結晶器內保護渣流入和熔化速度之間的匹配達到平衡。而保護渣的流入多少指的是消耗，由粘度決定；而熔化速度指的是保護渣本身的熔化速度，所以在連鑄生產現場，保護渣的粘度和熔化速度極為重要。保護渣在實際使用過程中，在保證合適的熔融層厚度的前提下一定要有消耗量。單耗過低或過高都容易造成彎月面處液渣流入不均勻，從而使初生坯殼傳熱不良，導致鑄坯產生表面卷渣缺陷。

表1 汽車用鋼保護渣物理性能與其他保護渣物理性能對比

此外，在鋼包澆注結束后，連接在鋼包上的下渣檢測系統會自動關閉，一旦關閉延遲，會出現鋼包渣進入中間包。在鋼包換包過程中，由于物流等各種原因，換包時間長，就會出現中間包內的液位較低，此時，鋼水中的夾雜物來不及上浮就和鋼包渣連同中間包覆蓋劑等被卷入鑄坯形成夾渣，降低了鋼水純凈度。此外，鋼包交接時，澆注速度、液面及其他生產異常狀況都會給交接板坯質量帶來較為嚴重的影響。

2.水口吹氬的影響

在連鑄澆注過程中，為防止水口堵塞，則需要向中間包水口及塞棒等內壁進行吹氬處理，目的是對水口進行清掃，以防止結瘤堵塞及鋼水二次氧化的產生，延長水口壽命。在結晶器中的氬氣急劇上浮，有利于減少鋼水中的夾雜物。調查分析汽車用戶夾渣抱怨的爐次，發現這些爐次在澆鑄時存在吹氬量過大的情況。若吹氬量過大，則極易造成結晶器液面波動較大，甚至翻騰在鑄坯表面形成夾渣缺陷。

3.中間包鋼水溫度的影響

對于煉鋼連鑄澆注過程，中間包鋼水溫度過熱度會影響其流動性。過熱度越高，鋼水流動性越好，同時鋼水溫度和成分均勻效果也更加明顯。當中間包鋼水的過熱度下降到15℃或更低水平時，鋼水粘度變大，鋼水中的夾雜物來不及充分上浮而殘留在鑄坯中。而且在連鑄澆注時，由于過熱度低導致水口堵塞，必須采用沖水口或增大吹氬等措施來確保澆注連續，因此導致最終鑄坯的夾雜物增多。在生產汽車用鋼等高要求鋼種時，應控制鋼水過熱度保持在15℃～40℃，只要嚴格按照標準操作，鋼水溫度和流動性即可保證。

4.結晶器液面波動的影響

在正常澆注時，由于結晶器液面上下波動，未熔化的渣粉及浮在液面上的夾雜物如三氧化二鋁，沒有被保護渣熔融渣層充分溶解吸收而卷入坯殼表面成為夾渣。根據對結晶器鋼水液面波動的觀測，液面波動越大，則鑄坯表面夾渣缺陷增加越多。在連鑄澆鑄過程中，由于拉速波動大、吹氬量大、中間包水口堵塞等原因，注入到結晶器的鋼流使結晶器液面沖擊區形成紊流，引起鋼水表面波動及沿鋼渣界面的震蕩和沖刷，將渣子卷入鋼水中，形成鑄坯表面夾渣。通過對用戶抱怨的爐次調查結果顯示，結晶器液面波動幅度越大，鑄坯表面夾渣的風險也就越大。

在實際生產過程中，連鑄拉速、結晶器液位及鋼水溫度是相互影響、相互制約的，這些因素同時影響著澆注過程運行及鑄坯質量。

5.澆注速度的影響

當生產澆注時的拉速不斷提高，浸入式水口出口處的鋼水流動速度會隨之增大，鋼水流動沖擊速度也相應增加，上升鋼水流在彎月面處引起的波動加劇，液面流速明顯增大，鋼水液面卷渣嚴重，使保護渣進入鋼水形成夾渣。同時，下降流的流速增大，使鋼水的沖擊深度增加，鋼中夾雜物上浮去除的幾率變小。因此，澆注速度的不斷變化，加重了鑄坯夾渣缺陷程度[2]。

6.水口的影響

結晶器水口的使用對夾渣缺陷的影響主要包括2個方面：水口對中和水口的液面插入深度[3]。從澆注參數監視來看，如果水口對中不良，必然引起結晶器鋼水產生偏流，導致結晶器液面翻滾，使鑄坯表面和皮下產生夾渣，嚴重時可能引起漏鋼生產事故。浸入式水口的浸入深度對鑄坯表面夾渣影響較大，水口浸入深度較淺，鑄坯表面卷渣嚴重；浸入深度太深，夾雜物上浮困難。

四、夾渣的改進措施

1.防止下渣

首先，從保護渣控制角度看，應根據鋼種的不同選擇合適的保護渣，主要考慮保護渣熔點與鋼種液相線的匹配，保證合適的熔化速度（控制好熔融層厚度），在保證消耗量的前提下提高保護渣的粘度；目前，生產汽車用鋼時采用的保護渣，相對于其他鋼種使用的保護渣，其特點是熔點高、粘度大、堿度低。提高液渣粘度和降低渣鋼潤濕性可有效解決這一問題。此外，粘度的增加有助于振痕的降低，也有利于消除夾渣。

其次，提高鋼包下渣檢測系統控制精度，防止在鋼包澆注結束時底部的鋼包渣進入中間包，同時應盡量采用較大容量的中間包。

2.水口吹氬量的精準控制

通過與耐材供應商溝通交流，對中間包上水口結構和尺寸進行改進，同時加強氬氣管路的點檢工作，確保準確控制連鑄時的吹氬量。針對夾渣特別嚴重的鋼種，在連鑄過程中，根據澆鑄時結晶器的液面波動狀態適宜地調整并降低氬氣的流量。

如圖2所示，為了做好對比，將2019年7—12月份的吹氬量（改進前）和2020年1—6月份的吹氬量（改進后）進行統計，在改進過程中氬氣當量由最初的平均2.2降至1.6。使調整后的水口吹氬量降低了27.8%。可以看出，改進后水口吹氬流量逐步降低，這不僅可以有效防止吹氬量較大導致的鑄坯卷渣缺陷，還可有效保證結晶器液面的穩定，更好地提高鑄坯表面質量。

圖2 改進前后水口吹氬當量

3.結晶器液面波動控制

為了嚴格控制結晶器液面波動范圍，確保鋼液不會發生劇烈波動而導致卷渣等異常現象的出現。液面波動改進內容主要包括：穩定液面測量裝置并排除干擾，優化相關工藝操作參數，渣線處理采用固定渣線的方式替代原有的自動調節工藝。在逐步調控過程中，結晶器液面波動合格指數變化如圖3所示。可以看出，在經過一系列的調整措施后，液面波動合格指數也從2020年1月的5.05提升至2020年6月的9.33，提高幅度達40%。可見，改進后，結晶器液面波動得到了有效控制。

圖3 2020年1—6月改進后的液面波動合格指數

4.恒拉速澆注

針對汽車用鋼生產規格與技術指標，推進恒拉速澆注，制定嚴格的斷面、拉速和通鋼量標準，確保連鑄過程處于相對恒拉速的條件下運行。同時，協調好物流，在正常澆注情況下，嚴格控制澆注速度增大和減少的幅度。此外，還要減少澆注過程中的調寬次數。上述改進措施可有效促進夾雜物上浮，防止卷渣現象發生。

目前，在澆注汽車用鋼時，恒拉速指標也不斷提升，2020年1月的恒拉速為82.83%，到2020年6月提高至93.18%。如圖4所示。

圖4 2020年1—6月改進過程中的恒拉速

除了采取的以上措施，在澆注過程中，提高中間包鋼水過熱度、水口對中及防止異鋼種連澆過程中噸位過低都能減少鋼水卷渣風險。

五、結論

通過一系列改進措施，汽車用鋼鑄坯在軋制工序的夾渣封鎖率有了明顯的下降，從2020年1月的6.3%減少至2020年6月的3.6%，每月由于鑄坯夾渣缺陷從下工序返修的板坯量大幅減少，不僅節約了清理缺陷的機清和人工費用，而且還減少了物流不暢帶來的生產成本；與此同時，汽車用戶端夾渣抱怨次數下降50%，每月用戶異議帶來的直接經濟損失下降70%。改進后的經濟效益明顯，由此也得到了以下結論：

——連鑄澆注時結晶器液面的穩定控制是減少鋼水卷渣的關鍵要素；

——減少水口吹氬量和提高澆注恒速率有助于結晶器液面的穩定，從而減少鋼水卷渣；

——提高鋼水純凈度，減少鋼水中的夾雜物有利于改善水口堵塞，穩定澆鑄過程，降低卷渣風險；

——產品質量的提高可有效降低生產成本，經濟效益顯著。