GCr15鋼澆注過程浸入式水口結(jié)瘤的原因及控制

李 林 江 野 吳建永 李 磊

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210000)

GCr15軸承鋼熔煉時通常采用鋁脫氧，脫氧后鋼水中會形成大量的Al2O3夾雜物顆粒，因其表面能大，易吸附在高溫耐火材料上[1-3]，導(dǎo)致浸入式水口結(jié)瘤。水口結(jié)瘤的影響為[4-8]：(1)影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場，不利于夾雜物上浮；(2)嚴(yán)重結(jié)瘤會堵塞水口，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行；(3)大量結(jié)瘤物脫落進(jìn)入鋼液將影響鑄坯質(zhì)量；(4)縮短浸入式水口的使用壽命，降低生產(chǎn)率，增加生產(chǎn)成本。

本文對南鋼軸承鋼結(jié)晶器水口結(jié)瘤進(jìn)行了分析，可為企業(yè)解決軸承鋼澆注過程水口結(jié)瘤問題提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

南鋼生產(chǎn)GCr15鋼的工藝流程為：EAF—LF—VD—320 mm×480 mm連鑄大方坯。對同一澆次的第3爐軸承鋼結(jié)晶器浸入式水口結(jié)瘤進(jìn)行了解剖分析，取樣部位如圖1所示。

圖1 水口結(jié)瘤的取樣部位

將部分結(jié)瘤試樣制成粉末，采用 X 射線熒光光譜分析儀(XRF)分析結(jié)瘤的化學(xué)成分，采用X射線衍射(XRD)進(jìn)行物相分析，還進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)分析。

2 水口結(jié)瘤分析

2.1 水口結(jié)瘤的形貌

結(jié)晶器浸入式水口的A-A剖面形貌如圖2所示。從圖2可見，浸入式水口結(jié)瘤后的內(nèi)徑d1為51 mm，原內(nèi)徑d2為55 mm。由此可見，浸入式水口A-A部位的結(jié)瘤壁厚d3為2 mm。

圖2 浸入式水口的A-A剖面

結(jié)晶器浸入式水口的B-B剖面及結(jié)瘤形貌如圖3所示。如圖3(a)所示，浸入式水口B-B部位結(jié)瘤的壁厚d4為8～9 mm，而水口上部A-A部位結(jié)瘤的壁厚d3為2 mm，因此水口下部結(jié)瘤的體積更大。圖3(b)中 A、B、C 3個部位分別表示水口結(jié)瘤的外層、中間層和內(nèi)層。觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)瘤的外層呈白色，中間層呈淺灰色，內(nèi)層呈深灰色。

圖3 浸入式水口的B-B剖面

2.2 水口結(jié)瘤的成分

為了分析軸承鋼澆注過程中結(jié)晶器浸入式水口結(jié)瘤的化學(xué)成分，從水口下部(鄰近B-B部位)取樣，搗碎后過200目篩分，對粉末試樣進(jìn)行X射線熒光光譜(XRF)分析，結(jié)果見表1。

表1 結(jié)瘤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表1可知，結(jié)瘤的主要成分為Al、Ca、Mg和O，Al含量最多，Ca、Mg含量基本相同。此外還含有少量Na和Si。

為了進(jìn)一步分析結(jié)瘤的物相，將粉末試樣細(xì)磨過325目，然后進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)瘤的X射線衍射圖譜

由圖4可見，結(jié)瘤的相組成主要是MgO·Al2O3和CaO·6Al2O3，化學(xué)成分也與XRF分析的Al2O3、CaO、MgO含量相吻合。

此外，還對結(jié)瘤進(jìn)行了檢測分析，包括其夾雜物的成分、形貌和尺寸等。從水口下部取樣進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，取樣部位為圖3(b)所示的結(jié)瘤的外層、中間層和內(nèi)層。結(jié)瘤外層的分析結(jié)果如圖5和表2所示。可見浸入式水口結(jié)瘤的白色外層(與水口耐火材料接觸側(cè))夾雜物主要為片狀A(yù)l2O3，還有少量的Mg和Na，Mg源于鋼水，Na源于水口耐火材料。

表2 圖5中結(jié)瘤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖5 結(jié)瘤外層的掃描電鏡形貌

圖6～圖8、表3～表4為結(jié)瘤中間層的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果，可見結(jié)瘤的淺灰色中間層夾雜主要由小于10 μm的MgO·Al2O3顆粒和CaO-Al2O3(-MgO)基體組成。其形態(tài)有兩種，一是由大量MgO·Al2O3顆粒組成的空隙較大的聚集體(圖6)，二是由MgO·Al2O3顆粒和CaO-Al2O3-MgO基體組成的黏結(jié)體(圖7)。此外，CaO-Al2O3(-MgO)基體中Ca含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)也有差異，為0.72%～9.91%和11.89%～28.06%。

圖8 結(jié)瘤中間層的掃描電鏡形貌及面掃描分析

表4 圖7中結(jié)瘤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖6 結(jié)瘤中間層的掃描電鏡形貌

圖7 結(jié)瘤中間層的掃描電鏡形貌

表3 圖6中結(jié)瘤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖9和表5為結(jié)瘤內(nèi)層的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果。結(jié)瘤與鋼液直接接觸的深灰色內(nèi)層由大量片狀和針狀A(yù)l2O3及球狀鐵珠組成，這與結(jié)瘤外層(與水口耐火材料接觸側(cè))片狀A(yù)l2O3夾雜十分相似。在鄰近表層的內(nèi)部含有CaO-Al2O3(-MgO)復(fù)合夾雜，且孔隙度極不均勻，有的緊密、孔隙度小，有的疏松、孔隙度大。

表5 圖9中結(jié)瘤的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖9 結(jié)瘤內(nèi)層(內(nèi)部)的掃描電鏡形貌

上述軸承鋼澆注過程結(jié)晶器水口結(jié)瘤的外層、中間層和內(nèi)層的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果表明鋼水澆注時夾雜物在水口內(nèi)壁黏附形成結(jié)瘤的過程。開始時，鋼水與水口內(nèi)壁接觸析出Al2O3，Al2O3的來源為[9-10]：(1)鋼液中懸浮的Al2O3；(2)由于溫度降低，Al-O平衡移動析出Al2O3；(3)鋼液中Al與O2反應(yīng)生成Al2O3；(4)鋼液中Al與耐火材料中的SiO2反應(yīng)生成Al2O3。

隨后，隨著澆注的進(jìn)行，鋼液中MgO·Al2O3夾雜和CaO-Al2O3(-MgO)復(fù)合夾雜黏附在Al2O3沉積層上，由于這兩種夾雜在鋼液中隨機(jī)分布，導(dǎo)致其在Al2O3沉積層上黏附不均勻，有的顆粒狀MgO·Al2O3夾雜較多，有的形成結(jié)構(gòu)致密的黏結(jié)體。結(jié)瘤表層存在與外層基本相同的片狀A(yù)l2O3，說明澆注過程中Al2O3在水口內(nèi)壁的黏附是持續(xù)的。

3 控制水口結(jié)瘤的措施

根據(jù)水口結(jié)瘤的成分提出控制水口結(jié)瘤的措施為：

(1)減少鋼液中的Al2O3夾雜物。

(2)適當(dāng)提高電爐出鋼的含碳量，同時電爐出鋼過程中進(jìn)行精準(zhǔn)化加入鋁丸，防止過氧化。

(3)LF精煉過程中控制渣系鈣與鋁的比例，改善熔渣的流動性和吸附Al2O3夾雜物的效果。

(4)VD保持軟吹時間，控制軟吹流量，既防止流量過大頂開渣面，又防止流量過小，形成較大死區(qū)。

(5)進(jìn)行保護(hù)澆注，防止鋼水二次氧化和下渣等。

(6)減少中包耐火材料的侵蝕，這主要是指精細(xì)砌筑中包和精細(xì)管理中包耐火材料，控制中包烘烤時間，防止烘烤溫度偏低。

4 結(jié)論

(1)GCr15鋼澆注過程中結(jié)晶器浸入式水口出口處形成的結(jié)瘤厚度有差異。

(2)結(jié)瘤物的物相有兩種類型，一是由大量MgO·Al2O3顆粒聚集形成的空隙較大的聚集體；二是由MgO·Al2O3顆粒與CaO-Al2O3-MgO基體混合形成的黏結(jié)體。此外，CaO-Al2O3(-MgO)基體的含鈣量也有差異，為0.72%～9.91%和11.89%～28.06%。

(3)控制軸承鋼澆注過程中結(jié)晶器水口結(jié)瘤要同時從脫氧工藝和中間包耐火材料兩方面進(jìn)行。