GCr15钢浇注过程浸入式水口结瘤的原因及控制

李 林 江 野 吴建永 李 磊

(南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210000)

GCr15轴承钢熔炼时通常采用铝脱氧，脱氧后钢水中会形成大量的Al2O3夹杂物颗粒，因其表面能大，易吸附在高温耐火材料上[1-3]，导致浸入式水口结瘤。水口结瘤的影响为[4-8]：(1)影响结晶器内钢液流场，不利于夹杂物上浮；(2)严重结瘤会堵塞水口，影响生产的正常进行；(3)大量结瘤物脱落进入钢液将影响铸坯质量；(4)缩短浸入式水口的使用寿命，降低生产率，增加生产成本。

本文对南钢轴承钢结晶器水口结瘤进行了分析，可为企业解决轴承钢浇注过程水口结瘤问题提供参考。

1 试验材料和方法

南钢生产GCr15钢的工艺流程为：EAF—LF—VD—320 mm×480 mm连铸大方坯。对同一浇次的第3炉轴承钢结晶器浸入式水口结瘤进行了解剖分析，取样部位如图1所示。

图1 水口结瘤的取样部位

将部分结瘤试样制成粉末，采用 X 射线荧光光谱分析仪(XRF)分析结瘤的化学成分，采用X射线衍射(XRD)进行物相分析，还进行了扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析。

2 水口结瘤分析

2.1 水口结瘤的形貌

结晶器浸入式水口的A-A剖面形貌如图2所示。从图2可见，浸入式水口结瘤后的内径d1为51 mm，原内径d2为55 mm。由此可见，浸入式水口A-A部位的结瘤壁厚d3为2 mm。

图2 浸入式水口的A-A剖面

结晶器浸入式水口的B-B剖面及结瘤形貌如图3所示。如图3(a)所示，浸入式水口B-B部位结瘤的壁厚d4为8～9 mm，而水口上部A-A部位结瘤的壁厚d3为2 mm，因此水口下部结瘤的体积更大。图3(b)中 A、B、C 3个部位分别表示水口结瘤的外层、中间层和内层。观察发现，结瘤的外层呈白色，中间层呈浅灰色，内层呈深灰色。

图3 浸入式水口的B-B剖面

2.2 水口结瘤的成分

为了分析轴承钢浇注过程中结晶器浸入式水口结瘤的化学成分，从水口下部(邻近B-B部位)取样，捣碎后过200目筛分，对粉末试样进行X射线荧光光谱(XRF)分析，结果见表1。

表1 结瘤的化学成分(质量分数)

由表1可知，结瘤的主要成分为Al、Ca、Mg和O，Al含量最多，Ca、Mg含量基本相同。此外还含有少量Na和Si。

为了进一步分析结瘤的物相，将粉末试样细磨过325目，然后进行X射线衍射(XRD)分析，结果如图4所示。

图4 结瘤的X射线衍射图谱

由图4可见，结瘤的相组成主要是MgO·Al2O3和CaO·6Al2O3，化学成分也与XRF分析的Al2O3、CaO、MgO含量相吻合。

此外，还对结瘤进行了检测分析，包括其夹杂物的成分、形貌和尺寸等。从水口下部取样进行扫描电镜和能谱分析，取样部位为图3(b)所示的结瘤的外层、中间层和内层。结瘤外层的分析结果如图5和表2所示。可见浸入式水口结瘤的白色外层(与水口耐火材料接触侧)夹杂物主要为片状Al2O3，还有少量的Mg和Na，Mg源于钢水，Na源于水口耐火材料。

表2 图5中结瘤的化学成分(质量分数)

图5 结瘤外层的扫描电镜形貌

图6～图8、表3～表4为结瘤中间层的扫描电镜和能谱分析结果，可见结瘤的浅灰色中间层夹杂主要由小于10 μm的MgO·Al2O3颗粒和CaO-Al2O3(-MgO)基体组成。其形态有两种，一是由大量MgO·Al2O3颗粒组成的空隙较大的聚集体(图6)，二是由MgO·Al2O3颗粒和CaO-Al2O3-MgO基体组成的黏结体(图7)。此外，CaO-Al2O3(-MgO)基体中Ca含量(质量分数，下同)也有差异，为0.72%～9.91%和11.89%～28.06%。

图8 结瘤中间层的扫描电镜形貌及面扫描分析

表4 图7中结瘤的化学成分(质量分数)

图6 结瘤中间层的扫描电镜形貌

图7 结瘤中间层的扫描电镜形貌

表3 图6中结瘤的化学成分(质量分数)

图9和表5为结瘤内层的扫描电镜和能谱分析结果。结瘤与钢液直接接触的深灰色内层由大量片状和针状Al2O3及球状铁珠组成，这与结瘤外层(与水口耐火材料接触侧)片状Al2O3夹杂十分相似。在邻近表层的内部含有CaO-Al2O3(-MgO)复合夹杂，且孔隙度极不均匀，有的紧密、孔隙度小，有的疏松、孔隙度大。

表5 图9中结瘤的化学成分(质量分数)

图9 结瘤内层(内部)的扫描电镜形貌

上述轴承钢浇注过程结晶器水口结瘤的外层、中间层和内层的扫描电镜和能谱分析结果表明钢水浇注时夹杂物在水口内壁黏附形成结瘤的过程。开始时，钢水与水口内壁接触析出Al2O3，Al2O3的来源为[9-10]：(1)钢液中悬浮的Al2O3；(2)由于温度降低，Al-O平衡移动析出Al2O3；(3)钢液中Al与O2反应生成Al2O3；(4)钢液中Al与耐火材料中的SiO2反应生成Al2O3。

随后，随着浇注的进行，钢液中MgO·Al2O3夹杂和CaO-Al2O3(-MgO)复合夹杂黏附在Al2O3沉积层上，由于这两种夹杂在钢液中随机分布，导致其在Al2O3沉积层上黏附不均匀，有的颗粒状MgO·Al2O3夹杂较多，有的形成结构致密的黏结体。结瘤表层存在与外层基本相同的片状Al2O3，说明浇注过程中Al2O3在水口内壁的黏附是持续的。

3 控制水口结瘤的措施

根据水口结瘤的成分提出控制水口结瘤的措施为：

(1)减少钢液中的Al2O3夹杂物。

(2)适当提高电炉出钢的含碳量，同时电炉出钢过程中进行精准化加入铝丸，防止过氧化。

(3)LF精炼过程中控制渣系钙与铝的比例，改善熔渣的流动性和吸附Al2O3夹杂物的效果。

(4)VD保持软吹时间，控制软吹流量，既防止流量过大顶开渣面，又防止流量过小，形成较大死区。

(5)进行保护浇注，防止钢水二次氧化和下渣等。

(6)减少中包耐火材料的侵蚀，这主要是指精细砌筑中包和精细管理中包耐火材料，控制中包烘烤时间，防止烘烤温度偏低。

4 结论

(1)GCr15钢浇注过程中结晶器浸入式水口出口处形成的结瘤厚度有差异。

(2)结瘤物的物相有两种类型，一是由大量MgO·Al2O3颗粒聚集形成的空隙较大的聚集体；二是由MgO·Al2O3颗粒与CaO-Al2O3-MgO基体混合形成的黏结体。此外，CaO-Al2O3(-MgO)基体的含钙量也有差异，为0.72%～9.91%和11.89%～28.06%。

(3)控制轴承钢浇注过程中结晶器水口结瘤要同时从脱氧工艺和中间包耐火材料两方面进行。