浸入式水口结瘤引起的夹杂结疤缺陷特征及预防措施

2015-12-30供稿侯钢铁HOUGangtie

金属世界 2015年5期

供稿|侯钢铁 / HOU Gang-tie

用于连铸耐火材料的“四大件”，即浸入式水口、长水口、整体塞棒及滑板、定径水口，起到输送钢水、隔断气体和控制钢流的作用。特别是浸入式水口在连铸中用于中间包与结晶器之间，使钢流得到保护，防止钢水二次氧化，促进夹杂物上浮，防止敞开浇铸时钢水对结晶器液面的冲击，减少钢水卷渣，现场生产中正在使用的浸入式水口见图1。其材质主要有融熔石英质和铝碳质两大类[1]，熔融石英质以SiO2为主，SiO2含量≥99%，常温耐压强度40 MPa，显气孔率≤18%，体积密度约1.84 g/cm3；铝碳质本体部位以Al2O3为主，C及SiO2为辅，Al2O3占35%，C占20%，渣线部位C占20%，ZrO2占70%，常温耐扭强度23.34 MPa，显气孔率≤16%，体积密度2.5 g/cm3左右。

在浇注过程中，中间包浸入式水口结瘤不仅会阻碍钢液从中间包注入结晶器，还会影响结晶器内钢液的流场和钢液中夹杂物的上浮，进而影响内部质量；尤其是当结瘤物被冲刷掉卷入凝固的铸坯中。当进入热轧工序后，会在带钢表面出现夹杂、结疤等缺陷，严重影响了热轧带钢的表面质量和使用性能。本文通过对结瘤钢种的跟踪，借助扫描电镜等工具，对结瘤物及钢中夹杂进行了定性分析，找出了改进措施，取得了良好效果。

结瘤钢种统计

邯钢邯宝炼钢厂出现多起连铸生产时浸入式水口结瘤后脱落现象，造成浇铸困难和板坯修磨严重，以及最终产品产生表面缺陷等问题。浸入式水口结瘤后脱落主要出现在低碳软钢系列产品，超低碳汽车钢系列产品较多，高强钢相对较少。

出现浸入式水口结瘤的钢种分布广，无论是低碳钢SPHD、SPHC、DC03、DC04、DX56D+Z、DX54D+Z、HX260LAD+Z，还是中碳钢SS400、低合金高强钢CR340/590DP均出现不同程度的水口结瘤现象。形成结瘤物影响结晶器内钢液流动模式和流场，影响钢液中夹杂物上浮，引起结晶器液面波动，影响铸坯内部质量，特别是当结瘤物受钢液冲刷后掉入凝固的铸坯中，将形成较大的夹杂和结疤缺陷。进入下一工序热轧时，在带钢表面出现长条状、手掌状等多种形态、甚至贯穿上下表面的结疤缺陷，严重影响了热轧带钢的表面质量和使用性能，作为热轧商品卷，使用时会产生成型裂纹、断裂等；作为冷轧备料，在酸轧过程中会造成断带。

图1 现场浸入式水口

四种典型的浸入式水口结瘤缺陷

浸入式水口结瘤引起的第一类结疤缺陷

图2(a)为利用热轧厂表面质量检测仪检测到的结疤缺陷图，可以看出该类缺陷部分区域呈现黑—灰—亮白等不同灰度的大面积缺陷，说明缺陷高低不平呈现凸起和凹陷，缺陷形状无规律，即有可能沿着轧制方向，也有可能垂直于轧制方向。从实物图2(b)来看，缺陷位置出现较大的裂纹和凹坑，且有破碎状。

图2 第一类结疤缺陷

第一类结疤缺陷能谱图片见图3所示，从电镜结果来看，缺陷位置含有Ca、S、Ba、Al、Si、O元素，Ba来源于炼钢环节(浸入式水口脱落物或钢渣)，Ca、Al、Si、O元素等来源于保护渣或者钢渣带来的杂质，目前将此类缺陷定义为：浸入式水口结瘤引起的第一类结疤缺陷。

图3 第一类结疤缺陷能谱图片

浸入式水口结瘤引起的第二类结疤缺陷

从图4(a)可以看出该类缺陷呈现不同灰度的大块状，常出现在带钢的上表面，分布于带钢的头部、中间位置、尾部，白色亮带区域中心存在深色凹陷，且有一定长度和宽度。图4(b)可以看出，缺陷位置处有轻微翘起，且翘起部分比较长，宽窄不一，颜色呈现白色亮条，带有金属光泽。

该类缺陷属于典型的边部结疤缺陷，基体正常位置组织为——铁素体和少量珠光体，缺陷位置存在异常组织，同时也有少量基体组织，说明缺陷处外来物与基体融为一体，金相照片见图5所示。

图4 第二类结疤缺陷

图5 第二类结疤缺陷不同位置的金相照片（放大100倍）

第二类结疤缺陷能谱图片见图6所示，从电镜结果来看，缺陷位置含有Ca、Na、S、Ba等元素，Ca可能来源于精炼渣或者保护渣，Ba来源于炼钢环节(浸入式水口脱落物或钢渣)，在冶炼此类普通低碳钢时结晶器使用铝碳质浸入式水口，水口外层与保护渣接触的渣线部位含有Ba元素。

Ba元素来源于浸入式水口结瘤到一定程度后，夹杂着其他杂质如Al、Mg、O、Ca等元素脱落在结晶器钢水内，经过连铸—轧制后形成该类缺陷。目前将该类缺陷定义为：浸入式水口结瘤引起的第二类结疤缺陷。

图6 典型缺陷二缺陷位置能谱图片

浸入式水口局部脱落引起的第三类表面结疤缺陷

表面质量检测仪图片显示缺陷位置沿着轧制方向有较长的延伸，呈现灰度不同的亮、暗不规则的条纹，如图7(a)所示。宏观照片显示，缺陷部分呈现一层很薄的皮状凸起，且有小部分皮状凸起已经裂开，缺陷呈条状，宽2～7 mm，最长达到5 m。

典型第三类表面结疤缺陷金相图片如图8所示，金相图8(b)显示薄皮状凸起部分与基体分离最大处达到110 mm，由于凸起较多且较薄，取样和加工试样时，用手工就可以将缺陷撕掉。

图7 第三类表面结疤缺陷

图8 第三类表面结疤金相图片

扫描电镜能谱分析如图9所示，首先选取带有菱角的、类似球状的位置打点进行能谱分析，结果显示该处含有Zr、Al、Ca、Na等元素，且Zr元素呈现峰值，含量比例达到32.18%，其余为Fe、O等元素，在冶炼此类普通低碳钢时结晶器使用铝碳质浸入式水口，水口外层与保护渣接触的渣线部位含有Zr元素。目前将该类缺陷定义为：浸入式水口局部脱落引进的第三类表面结疤缺陷。

图9 第三类表面结疤缺陷能谱图片

浸入式水口结瘤引起的第四类夹杂缺陷

该类缺陷较多出现在带钢上表面，表面检测仪图10(a)显示呈长条状，且宽度较宽，缺陷沿着带钢长度上、宽度上多处分布，出现该类缺陷的带钢，缺陷位置处呈现大片白色粉末状物质，且该物质比较硬脆，受到外力极容易脱落。

此类缺陷微观组织检测结果见图11所示，表面也呈现翘起，且裂纹根源有一条较长的沿晶裂纹。当放大500倍时，沿着晶界裂纹处翘起部位含有夹杂，见图11(b)所示。

图10 第四类夹杂缺陷

图11 典型缺陷四金相照片

裂纹处能谱分析图片见图12所示，可以看出缺陷位置含有Zr、Al、Mg、O、Ca等元素，且 Zr、Al呈现一定的峰值，Al来源于LF精炼脱氧工序；Mg可能来源于转炉、精炼、或者耐材；Ca可能来源于精炼渣或者保护渣。在冶炼此类普通低碳钢时结晶器使用铝碳质浸入式水口，水口外层与保护渣接触的渣线部位含有Zr元素。

Zr元素来源于浸入式水口结瘤到一定程度后，夹杂着其他杂质如Al、Mg、O、Ca等元素脱落在结晶器钢水内，经过连铸—轧制后形成该类缺陷。目前将该类缺陷定义为：浸入式水口结瘤引起的第四类夹杂缺陷。

图12 第四类夹杂缺陷能谱图

结瘤物来源及其结瘤机理分析

浸入式水口结瘤机理

浸入式水口位于中间包与结晶器之间主要起到输送钢液，隔绝空气防止钢液二次氧化和促进夹杂物上浮等作用。当高温钢液流经浸入式水口时，水口内壁的涂料层很快就会被冲刷掉，水口耐火材料中的C裸露出来，C在钢液浇铸温度(1500～1550 ℃)下极易被氧化，形成厚度约0.5～1.0 mm、凹凸不平的黑褐色脱碳层为夹杂物的粘附提供了有利的环境[2]。

当钢液流经浸入式水口时，由于边界层的存在，水口壁附近处钢液流速几乎为零，钢液中的高熔点夹杂极易与水口壁吸附。有研究表明具有高界面能的三氧化二铝与钢液的润湿角为140°，钢水与三氧化二铝的界面张力较大，极易与水口内壁发生粘附，有文献指出两个10μm的三氧化铝夹杂发生粘结时只有0.031s。同时，由于钢液在流动过程中还会有湍流现象发生，这使得钢液中高温夹杂相互碰撞的几率大大增加，加速了水口结瘤的发生。

浸入式水口结瘤物的主要成分

浇注结束后，将浸入式水口剖开后发现有大量如菜花头状的结瘤物粘附在水口内壁，结瘤物厚度约有9 mm，粘附物成灰白色，紧贴水口壁一侧比较致密，靠近钢液侧比较疏松。对结瘤物进行取样分析，成分见表1。通过表1发现结瘤物主要为Al2O3。

采用扫描电镜对结瘤物进行微观分析，主要物相包括大量的氧化物和弥散分布钢粒。采用EMS自带的能谱分析仪对其进行分析发现主要元素为Al、Ca、O，结合其元素比例说明该结瘤物的主要成分为Al2O3，CaO·Al2O3或CaO·2Al2O3。在靠近水口壁处壁附近的视场中还发现了Mg元素和少量Zr元素，其中Zr元素可能是水口材质本身带入。在Mg周围还有O和Al元素出现，说明结瘤物中也应有Al2O3-MnO-MgO系复合夹杂物存在；在视图中还发现了Si和S元素，其中S主要分布在靠近钢液的一侧，说明结瘤物中还有Al2O3-CaO-SiO2系复合夹杂和硫化钙夹杂存在。

浸入式水口结瘤物来源

由于发生结瘤的大部分钢种为低碳铝脱氧镇静钢，由检测结果可知结瘤物主要为三氧化铝系列夹杂，通过对钢水成分检测，精炼炉渣检测发现三氧化铝主要来源于以下几个方面：

(1) 通过对低碳铝镇静钢(SPHD)钢液成份进行统计，发现钢液中w(Als)/w(Alt)仅在18.2%～21.5%之间，钢中酸熔铝比例偏低，三氧化铝含量较高，钢中三氧化铝排除不充分。悬浮于钢液中的三氧化铝在流经浸入式水口时粘附在水口内壁上形成结瘤。

(2) 通过对精炼炉渣取样检测，精炼炉渣成分见表2。通过表2可以发现精练渣中MnO含量仅为0.058%，而从水口内壁结瘤物中探测到的MnO含量均在1.0%，根据氧化锰的成分变化情况可知钢液存在二次氧化情况，说明结瘤物中的三氧化二铝夹杂有一部分是来自钢液的二次氧化。

表1 浸入式水口结瘤物的主要成分(质量分数) %

(3) 耐材或炉渣中SiO2、MnO、FeO与钢中游离Al发生反应生成Al2O3夹杂粘附在水口内壁。另外，钢液在浇注过程中会发生温降，使化学平衡转移，钢中会有氧元素析出，析出的氧会与钢中游离的铝元素发生反应生成三氧化二铝夹杂[2]。

(4) 由于邯宝炼钢厂的低碳铝镇静钢均采用了钙处理技术，有研究表明采用钙处理钢液时，钙首先改变氧化物特性，首先形成CaO·2Al2O3，随着钙活度的增加然后形成CaO·Al2O3，最终形成低熔点12CaO·7Al2O3夹杂，但是当钢液中的钙铝比过低时会在钢中只形成高熔点CaO·2Al2O3或CaO·Al2O3。在水口结瘤物中集中发现的Al，Ca，O元素也说明了这一点。此外，在进行钙处理时如果钢中S元素过多，Ca会首先与钢中S元素发生反应生成高熔点CaS，造成水口结瘤。

预防浸入式水口结瘤措施

出钢工艺控制

转炉采用滑板挡渣技术，严格控制转炉内的高FeO的炉渣流露钢包内，使钢包中的炉渣厚度控制在60 mm左右，另外，在出钢前先向钢包内加入200 kg小粒石灰，出钢结束后加入150 kg含Al约25%的炉渣调渣剂，减少钢渣的氧化性。

表2 精练炉渣成分(质量分数) %

精炼工艺控制

(1) 针对结瘤严重的低碳钢将原来的出站时的一次喂铝线法，改为现在的两次喂铝线法，以利于钢中三氧化铝的排除。

(2) 优化钙处理工艺，提高钙铝比，通过多次跟踪实验，发现将钢中的钙铝比提高到0.13时较少发生水口结瘤现象。

(3) 合理控制吹氩强度，适当延长吹氩时间，保证精炼处理后，吹氩时间不低于7 min。

连铸二次氧化控制

(1) 提高钢包自动开浇率，减少钢包烧眼次数，在滑动水口与长水口连接处增加密封垫，并进行吹氩密封，防止由于钢液下流负压吸氧。采用钢包下渣检测装置，减少钢包下渣。

(2) 开浇前中包吹氩，浇注过程中稳定中包液面，杜绝钢液裸露，并对浸入式水口进行氩封，防止浸入式水口吸氧。

(3) 塞棒吹氩，可将浸入式水口的少量粘附吹掉，减缓结瘤长大速度。

合理选用水口材质

在浇铸铝镇静钢时，采用熔融石英质水口，通过生成含SiO2多的玻璃层来降低玻璃黏度，可以在一定程度上减少水口堵塞。在浇铸高锰钢时，在铝碳质水口的外表面包上一层耐火材料进行保温，有利于防止水口堵塞。浇铸普碳钢、低合金钢应该选用锆质和石英质水口。浇铸含铝钢种或锰含量高于0.65%的钢种应采用石墨高铝质水口。