熱軋帶鋼孔洞缺陷的形成原因與控制措施

金柱元，李 亮，朱志強，晏 武，趙 斌

(日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800)

隨著國內(nèi)粗鋼產(chǎn)能日益過剩，各大鋼鐵企業(yè)都在關(guān)注高品質(zhì)、高附加值產(chǎn)品，這使得連鑄坯潔凈度受到高度重視。連鑄坯中的大型夾雜物會引起后序熱軋、冷軋過程引起孔洞、起皮、線形缺陷等帶鋼表面缺陷，進(jìn)而降低成品收得率，增加鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本[1]。2018年以來，日鋼生產(chǎn)的熱軋帶鋼在滅火器、空調(diào)壓縮機罐體、鋼桶、焊絲及輪轂的應(yīng)用上，頻繁出現(xiàn)孔洞類質(zhì)量缺陷，給日鋼帶來較大的損失。本文針對數(shù)十起孔洞缺陷質(zhì)量異議，采用生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、孔洞缺陷實物掃描電鏡分析以及鋼包精煉渣、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣、浸入式水口內(nèi)壁結(jié)瘤物的化學(xué)成分分析，深入研究了這類缺陷的產(chǎn)生原因，并提出了優(yōu)化改進(jìn)的措施。

1 孔洞類夾雜物的成分特征

針對2018年以來日鋼生產(chǎn)的熱軋帶鋼SPHC在用戶后續(xù)沖壓工序出現(xiàn)的孔洞缺陷進(jìn)行掃描電鏡分析(SEM)，取樣位置如圖1所示。

圖1 孔洞缺陷宏觀形貌及取樣位置

從缺陷鋼卷孔洞處的電鏡掃描結(jié)果來看，缺陷處的夾雜物主要是Al2O3，其次是CaO以及MgO，以及少量的Na、Cr、F、Zr等非金屬夾雜物。其中，以MgO含量最高的氧化物夾雜的案例占比約5%，含量達(dá)22%(SiO2含量為13%)；以Al2O3含量最高的氧化物夾雜的案例占比95%，其中以CaO含量為次高的案例占比約70%(Al2O320%～35%、CaO 5%～10%)，以MgO含量為次高的案例占比約30%(Al2O316%～30%、MgO 3%～10%)。這些以Al2O3為主的夾雜物中，僅10%的案例檢測出了SiO2，且含量極低(<0.2%)。典型夾雜物如圖2所示。

圖2 孔洞缺陷處典型夾雜物形貌

日鋼生產(chǎn)的熱軋帶鋼采用LF精煉Ca處理工藝以保證可澆性，而Ca處理的目的是形成低熔點的12CaO·7Al2O3，從CaO-Al2O3二元相圖上看(如圖3[3]所示)，如果形成的夾雜物位于CaO·Al2O3和3CaO·Al2O3之間時，可獲得低熔點的夾雜物。此時，Ca/Al原子比應(yīng)在0.5～1.5之間。從檢測的夾雜物的成分來看，實際的Ca/Al在較低的水平，其均值僅為0.325，75%的夾雜物Ca/Al原子比低于0.47。可見，孔洞處的夾雜物主要是CaO·Al2O3+CaO·2Al2O3+CaO·6Al2O3的高熔點復(fù)合夾雜組成，其熔點要高于1605 ℃以上[3]。

圖3 CaO-Al2O3體系二元相圖

對于檢測出的含MgO為主的夾雜物，其含量高達(dá)22%，遠(yuǎn)高于大包精煉渣、結(jié)晶器保護渣中的含量，應(yīng)為耐火材料侵蝕后卷入鑄坯中導(dǎo)致。因此，導(dǎo)致成品出現(xiàn)穿孔、滲漏等質(zhì)量異議的原因主要為鈣鋁酸鹽類高熔點夾雜物以及被侵蝕后卷入的耐火材料等大型夾雜。

2 孔洞處夾雜物來源分析

根據(jù)夾雜孔洞的成分特征，相關(guān)文獻(xiàn)研究[2]指出，可能來源于SEN內(nèi)壁結(jié)瘤物的脫落、鋼包精煉渣、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣的卷入以及鋼水的二次氧化等。本文根據(jù)其各自成分分布特征進(jìn)行了對比分析。

2.1 SEN結(jié)瘤物分析

針對澆次結(jié)束后SEN內(nèi)壁的附著物進(jìn)行了掃描電鏡分析，原始SEN內(nèi)壁附著物為致密分布的黃白色物質(zhì)，實物如圖4所示。對SEN內(nèi)壁耐材進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)瘤物如圖5所示，能譜結(jié)果如表1所示。

圖4 SEN內(nèi)壁附著物實物照片

圖5 浸入式水口結(jié)瘤物的微觀形貌

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，浸入式水口結(jié)瘤的主要成分為Al2O3，其次為CaO和MgO的夾雜。Ca/Al原子比分別為0.04、0.25、0.40；對應(yīng)為CaO·6Al2O3、CaO·2Al2O3及CaO·Al2O3或其混合物的鈣鋁酸鹽高熔點夾雜物，以及鎂鋁尖晶石。這些成分與成品鋼卷缺陷處檢測到的主要成分分布特征是基本一致的。

表1 圖5中各位置的能譜檢驗結(jié)果 單位：%

2.2 鋼包精煉渣、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣的成分特點分析

根據(jù)鋼水夾雜物成分分布特征，對可能卷入鋼包精煉渣、中包渣、結(jié)晶器保護渣的成分分布特征做對比分析，如表2所示。

我們不能懷疑魯迅的公正，但他選的作品，許多已被研究者淡忘，沈從文的作品卻越來越被大家重視，是不爭的事實。可以說，魯迅編選的原則、標(biāo)準(zhǔn)和方式可能確實存在著一些疑問。去世之前，在與美國作家斯諾的談話中，魯迅曾將沈從文排入新文學(xué)運動以來出現(xiàn)的“最好作家”之列。“最好作家”之一的作品卻沒有體現(xiàn)在編選的作品里面，這不能不說是一個非常大的遺憾。

表2 鋼包渣、中間包覆蓋劑及結(jié)晶器保護渣的主要成分 單位：%

鋼包精煉渣的主要成分是CaO和Al2O3，以及少量的SiO2、MgO，其中堿度控制在24～28，CaO/Al2O3為1.65～1.93。可見，其主要成分分布與成品鋼卷缺陷處檢測到的主要成分明顯不同。

中間包下層覆蓋劑主要成分是CaO、Al2O3和少量MgO、SiO2，堿度達(dá)到10，上層酸性覆蓋劑基本為SiO2，其次是Al2O3，此外還有少量的MgO和CaO，基本呈酸性。兩者均含有少量的Na2O，可見Na并不是結(jié)晶器保護渣的特征元素，成品中的含Na的夾雜物也有可能是中包渣卷入導(dǎo)致的。整體來看，成品孔洞處缺陷成分與中包覆蓋劑成分差異較大。

結(jié)晶器保護渣的主要成分是CaO和SiO2，另外還有相當(dāng)含量的MgO和Al2O3，Na2O的含量也將近10%。此成分組成也與孔洞處夾雜物成分差異較大。

2.3 連鑄保護澆注的影響

統(tǒng)計表明，出現(xiàn)夾雜類孔洞爐次連鑄過程Als損失平均為30 ppm，控制在60 ppm以內(nèi)的過程能力指數(shù)Cpk為1.06，孔洞處夾雜物成分未發(fā)現(xiàn)純的Al2O3，保護澆注基本正常。因此，連鑄二次氧化不是導(dǎo)致成品鋼卷出現(xiàn)大型夾雜的主要原因。

由以上分析可知，成品鋼卷上的孔洞類缺陷處夾雜物成分分布特征與鋼包精煉渣、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣相比存在顯著差異，排除其直接卷入可能。連鑄過程Als損失均小于50 ppm，處于正常范圍內(nèi)，孔洞夾雜也沒有發(fā)現(xiàn)單純的Al2O3夾雜，可排除連鑄過程直接二次氧化導(dǎo)致的可能。從與SEN內(nèi)壁附著物成分的對比來看，二者基本組成非常相似。因此，可以看出，成品帶鋼上孔洞處的夾雜主要來源于SEN內(nèi)壁附著物在澆注過程中的脫落鋼水在澆注過程中，非金屬夾雜逐漸在SEN內(nèi)壁的吸附、長大、脫落，如在結(jié)晶器中未上浮而被凝固坯殼捕獲則鑄坯中形成大型夾雜物，進(jìn)而在成品鋼卷中出現(xiàn)孔洞缺陷。

3 鑄坯大型夾雜物的控制措施

上述對夾雜檢測結(jié)果的分析表明，鋼水盡管進(jìn)行了Ca處理，保證了流動性，但其中仍然存在大量的未變性的高熔點鈣鋁酸鹽夾雜，這些夾雜物在SEN的富集是導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)大型夾雜的主要來源。同時，也不排除鋼包下渣卷入、中包渣卷入以及結(jié)晶器保護渣卷入導(dǎo)致其成為夾雜物的次要來源。

在這些孔洞夾雜的檢測中，除了鈣鋁酸鹽，還發(fā)現(xiàn)了引流砂成分Cr，保護渣成分F、Na，以及較高含量的MgO，這說明SEN上的結(jié)瘤物部分混合了保護渣、鋼包渣、中包渣等雜質(zhì)。

3.1 Ca處理深度的優(yōu)化

對成品出現(xiàn)鈣鋁酸鹽夾雜類孔洞爐次鋼水的Ca處理深度——[Ca]/[Al]比進(jìn)行了分析，夾雜爐次LF離站[Ca]/[Al]比與檢測夾雜物中Ca/Al原子的關(guān)系如圖6所示。LF精煉離站鋼水的[Ca]/[Al]為0.09左右，中包鋼水則下降到0.072左右，從鋼水中夾雜物的主要成分來看，Al的氧化物含量依然最高，其中Ca與Al的原子比大部分在0.5以下，遠(yuǎn)離低熔點的0.5～1.5區(qū)域。

圖6 LF離站鋼水[Ca]/[Al]比與所檢測夾雜物中Ca/Al原子比的關(guān)系

從圖6可以看出，孔洞缺陷的夾雜物中Ca/Al原子比和離站鋼水[Ca]/[Al]成線性相關(guān)，提高[Ca]/[Al]比，可以降低高熔點鈣鋁酸鹽夾雜物在水口內(nèi)壁的吸附。

有研究表明[4,5]，當(dāng)T[Ca]/[Al]s為0.10～0.14時，可防止水口堵塞，說明Al2O3系夾雜變性處理效果良好。按目前中間包鋼水[Al]s在260 ppm左右，則中間包鋼水[Ca]應(yīng)在26 ppm左右。也有用鋼中總氧T[O]和T[Ca]比值來監(jiān)控夾雜物變性程度。當(dāng)T[Ca]/T[O]>0.77時，生成液態(tài)的12CaO·7Al2O3。目前日鋼低碳鋼的中間包鋼水T[O]為35 ppm左右，則中間包鋼水[Ca]應(yīng)達(dá)到27 ppm左右。

產(chǎn)生夾雜類孔洞的爐次中，中間包鋼水[Ca]中值為18 ppm，與26 ppm的要求的中間包鋼水[Ca]含量相差較大。

可見，針對目前的低碳鋼，目前夾雜物的變性處理未達(dá)到效果。需進(jìn)一步增大Ca線用量，提高中間包鋼水[Ca]/[Al]比到0.1，使Al2O3系夾雜物良好變性，降低其在水口內(nèi)壁的富集。

3.2 中間包流場優(yōu)化

孔洞處檢測出的夾雜物中的Cr2O3應(yīng)來源于引流砂，高含量的MgO應(yīng)來源于中間包耐火材料的侵蝕，二者均應(yīng)在中間內(nèi)上浮去除，但鋼卷中存在此類物質(zhì)表明存在引流砂、中包耐火材料的卷入。連鑄中間包物理模擬的流場特征顯示中間包內(nèi)存在短路流現(xiàn)象，如圖7、圖8中標(biāo)紅色區(qū)域所示。鋼水從鋼包長水口澆注到?jīng)_擊區(qū)后，沿中包底部直接流向浸入式水口，這種流動將導(dǎo)致鋼水中卷入的中間包耐火材料、引流砂等上浮時間不足而直接進(jìn)入結(jié)晶器。

圖7 中間包內(nèi)短路流現(xiàn)象(27s)

圖8 中間包內(nèi)短路流現(xiàn)象(74s)

3.3 保護澆注的穩(wěn)定控制

從LF精煉至中間包，如果鋼水保護不好，鋼水吸氧導(dǎo)致鋼水與夾雜物的平衡被打破，一方面由于[Ca]/[Al]s比下降，CaO/Al2O3比向減小方向移動；另一方面鋼水吸氧，鋼水[O]增加，就可使反應(yīng)向著生成液相區(qū)邊界移動，生成大量高熔點的xCaO·yAl2O3夾雜物。因此，連鑄工序需進(jìn)一步做好二次氧化的控制。

3.4 結(jié)晶器液面波動的控制

雖然檢測結(jié)果表明結(jié)晶器保護渣直接卷入導(dǎo)致大型夾雜的可能性不大，但檢測出的部分含有Na、Zr的氧化物成分表明，仍有少量保護渣被卷入結(jié)晶器中。目前連鑄過程存在兩個主要頻率的波動，一種是鼓肚導(dǎo)致的，頻率為0.4～0.5Hz，結(jié)合拉速計算波長為200 mm左右，為扇形段的輥間距，需要強化扇形段的二次冷卻；另一種是鋼水流動導(dǎo)致的，頻率為1.2～1.6Hz，波長約為70 mm，與結(jié)晶器內(nèi)鋼水自由流動相關(guān)[6]，可通過優(yōu)化塞棒動作控制程序、塞棒抗鼓肚模型進(jìn)行控制。

根據(jù)上述分析，日鋼在生產(chǎn)熱軋帶鋼時，采取提高Ca處理的深度：中包鋼水[Ca]/[Al]s≥0.1，優(yōu)化連鑄過程保護澆注、優(yōu)化覆蓋劑的成分性能減少二次氧化，采取滿包操作、優(yōu)化中間包的流場，降低結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動強度、降低結(jié)晶器的液面波動等措施，成品鋼卷在使用過程中，由大型夾雜物導(dǎo)致的孔洞缺陷率由平均4.7個/t下降至1.0個/t。

4 結(jié)論

(1)導(dǎo)致成品出現(xiàn)孔洞類缺陷的大型夾雜物主要是由CaO·Al2O3+CaO·2Al2O3+CaO·6Al2O3組成的高熔點的鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜，其主要來源是SEN內(nèi)壁此類結(jié)瘤物的脫落。

(2)鋼包精煉Ca處理深度不夠，中間包鋼水[Ca]/[Al]s低、T[Ca]/T[O]偏低，導(dǎo)致高熔點鈣鋁酸鹽夾雜物的形成，由于尺寸細(xì)小，漂浮于鋼液中而不能上浮排除。

(3)為改善日鋼熱軋帶鋼大尺寸夾雜導(dǎo)致的孔洞缺陷，通過提高Ca處理深度以減少鈣鋁酸鹽夾雜在SEN內(nèi)壁的聚集，優(yōu)化中間包流場以促進(jìn)夾雜物的碰撞、長大及上浮去除，優(yōu)化中間包覆蓋劑的成分及操作以減少二次氧化。針對不同原因?qū)е陆Y(jié)晶器液面波動，制定相應(yīng)的控制措施以防止保護渣的卷入。綜合措施應(yīng)用效果表面，由大型夾雜物導(dǎo)致的孔洞缺陷率由平均4.7個/t下降至1.0個/t，下降比例達(dá)79%。