GCr15鋼澆注過程浸入式水口結瘤的原因及控制

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]，導致浸入式水口結瘤。水口結瘤的影響為[4-8]：(1)影響結晶器內鋼液流場，不利于夾雜物上浮；(2)嚴重結瘤會堵塞水口，影響生產的正常進行；(3)大量結瘤物脫落進入鋼液將影響鑄坯質量；(4)縮短浸入式水口的使用壽命，降低生產率，增加生產成本。

本文對南鋼軸承鋼結晶器水口結瘤進行了分析，可為企業解決軸承鋼澆注過程水口結瘤問題提供參考。

1 試驗材料和方法

南鋼生產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爐軸承鋼結晶器浸入式水口結瘤進行了解剖分析，取樣部位如圖1所示。

圖1 水口結瘤的取樣部位

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

2 水口結瘤分析

2.1 水口結瘤的形貌

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

圖2 浸入式水口的A-A剖面

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

圖3 浸入式水口的B-B剖面

2.2 水口結瘤的成分

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

表1 結瘤的化學成分(質量分數)

由表1可知，結瘤的主要成分為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。

為了進一步分析結瘤的物相，將粉末試樣細磨過325目，然后進行X射線衍射(XRD)分析，結果如圖4所示。

圖4 結瘤的X射線衍射圖譜

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

此外，還對結瘤進行了檢測分析，包括其夾雜物的成分、形貌和尺寸等。從水口下部取樣進行掃描電鏡和能譜分析，取樣部位為圖3(b)所示的結瘤的外層、中間層和內層。結瘤外層的分析結果如圖5和表2所示。可見浸入式水口結瘤的白色外層(與水口耐火材料接觸側)夾雜物主要為片狀Al2O3，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中結瘤的化學成分(質量分數)

圖5 結瘤外層的掃描電鏡形貌

圖6～圖8、表3～表4為結瘤中間層的掃描電鏡和能譜分析結果，可見結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基體組成的黏結體(圖7)。此外，CaO-Al2O3(-MgO)基體中Ca含量(質量分數，下同)也有差異，為0.72%～9.91%和11.89%～28.06%。

圖8 結瘤中間層的掃描電鏡形貌及面掃描分析

表4 圖7中結瘤的化學成分(質量分數)

圖6 結瘤中間層的掃描電鏡形貌

圖7 結瘤中間層的掃描電鏡形貌

表3 圖6中結瘤的化學成分(質量分數)

圖9和表5為結瘤內層的掃描電鏡和能譜分析結果。結瘤與鋼液直接接觸的深灰色內層由大量片狀和針狀Al2O3及球狀鐵珠組成，這與結瘤外層(與水口耐火材料接觸側)片狀Al2O3夾雜十分相似。在鄰近表層的內部含有CaO-Al2O3(-MgO)復合夾雜，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中結瘤的化學成分(質量分數)

圖9 結瘤內層(內部)的掃描電鏡形貌

上述軸承鋼澆注過程結晶器水口結瘤的外層、中間層和內層的掃描電鏡和能譜分析結果表明鋼水澆注時夾雜物在水口內壁黏附形成結瘤的過程。開始時，鋼水與水口內壁接觸析出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反應生成Al2O3；(4)鋼液中Al與耐火材料中的SiO2反應生成Al2O3。

隨后，隨著澆注的進行，鋼液中MgO·Al2O3夾雜和CaO-Al2O3(-MgO)復合夾雜黏附在Al2O3沉積層上，由于這兩種夾雜在鋼液中隨機分布，導致其在Al2O3沉積層上黏附不均勻，有的顆粒狀MgO·Al2O3夾雜較多，有的形成結構致密的黏結體。結瘤表層存在與外層基本相同的片狀Al2O3，說明澆注過程中Al2O3在水口內壁的黏附是持續的。

3 控制水口結瘤的措施

根據水口結瘤的成分提出控制水口結瘤的措施為：

(1)減少鋼液中的Al2O3夾雜物。

(2)適當提高電爐出鋼的含碳量，同時電爐出鋼過程中進行精準化加入鋁丸，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。

(5)進行保護澆注，防止鋼水二次氧化和下渣等。

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

4 結論

(1)GCr15鋼澆注過程中結晶器浸入式水口出口處形成的結瘤厚度有差異。

(2)結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晶器水口結瘤要同時從脫氧工藝和中間包耐火材料兩方面進行。