连铸钢中的夹杂物 zaidu.docx

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《山东冶金》　　2005年第2期

连铸钢中的夹杂物

张立峰1，王新华2

（1DepartmentMechanicalandIndustrialEngineering,UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign；

2北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083）

摘　要：

首先论述了连铸过程中夹杂物的来源，包括内生与外来夹杂，着重于二次氧化产物、卷渣、内衬侵蚀以及在内衬耐火材料上的夹杂物聚集；其次，论述了由夹杂物导致产品的各类缺陷，总结了目前评估钢洁净度的“技术状况”，讨论了多种直接和间接的方法。

最后论述了在中间包和连铸机方面改善钢的洁净度的操作实践。

关键词：

杂物；缺陷；板坯连铸机；工厂测试；检测方法

中图分类号：

TG143.1+3　　文献标识码：

　　文章编号：

1004-4620（2005）02-0001-05

（接上期第5页）

4.2.7浸入式水口（SEN）堵塞由于堵塞造成的浸入式水口寿命缩短表明钢水洁净度很差。

生产低碳铝镇静钢时典型的堵塞物成分为：

51.7%Al2O3，44%Fe，2.3%MnO，1.4%SiO2，0.6%CaO。

可以看出水口堵塞常常是由于小Al2O3夹杂物和凝固钢水同时聚集造成的。

因此，SEN堵塞发生次数是另一个可以评价钢水洁净度的粗略的方法。

Kemeny和Thomas曾经论述过SEN堵塞原因和防止方法。

5成品测试

　　洁净度的最终测定是采用破坏性的机械测试来测量钢板成品的变形性能、深冲性能或弯曲性能，或者是测试样本或样品的疲劳寿命。

钢板的另外一些测试还包括氢致裂纹测试和磁检验。

另一个例子是在超声波疲劳测试中的夹杂物检测法。

需要用这些测试来证实一些事实，例如极小夹杂物（小于1μm）的潜在益处，并不影响洁净度。

　　讨论表明评估钢的洁净度没有一个简单划一的方法，一些方法用于质量监测较好而另一些方法更适用于问题研究。

因此，针对一定的生产操作，需要结合几种方法来对钢的洁净度作一个准确的评估。

例如，Nippen钢厂对小夹杂物采用测定总氧和电子束熔化方法评估，而采用Slime大样电解法和EB－EV法检测大型夹杂物。

Usinor钢厂对小夹杂物采用总氧测定加上FTD、OES－PDA、IA和SEM方法，对大型夹杂物采用电解和MIDAS法。

宝钢对小夹杂物采用总氧测定、MMO、XPS和SEM，对大型夹杂物采用Slime电解和SEM，根据吸氮量判断二次氧化，分析渣成分用来研究吸收夹杂物和卷渣。

　　因为外来夹杂物能产生于几种来源的共同作用，所以防止产生外来夹杂物的方法就不可能是单一的。

只有把所有这些来源以及去除机理正确结合起来，才能减少钢中大型非金属夹杂物的存在。

为检测钢中外来夹杂物，下列方法较为合适：

超声波扫描，显微镜观察，硫印，Slime（电解），X射线，SEM，渣成分分析，耐火材料观察。

6洁净钢的连铸生产操作

　　连铸生产操作控制着钢的洁净度。

例如，一个去除夹杂物的系统研究发现，钢包处理使夹杂物减少65%～75％；虽然有时出现二次氧化，中间包仍可去除20%～25％；结晶器去除5%～10％。

中间包操作极大地影响钢的洁净度，McLean和Schade对此有详尽的论述。

下面重点讨论以下因素：

中间包深度和容量，浇铸过渡，中间包内衬耐火材料，中间包覆盖剂，气体搅拌和中间包流场控制。

6.1顶渣

　　钢包和中间包的顶渣有以下作用：

使钢水隔热（减少热量散失）和隔绝空气防止二次氧化；吸收夹杂物，有一定的精炼效果。

　　一种普通的中间包覆盖剂是碳化稻壳，价格便宜，绝热效果好，覆盖良好并且不结壳。

但是稻壳的SiO2含量高（约80％），能够成为夹杂物的一种来源。

而且含许多灰尘，碳含量高（约10％），可以污染超低碳钢。

　　浇铸低碳铝镇静钢时碱性覆盖剂（基本成分为CaO-Al2O3-SiO2，SiO2<10%）理论上优于稻壳，可以使中间包内钢水保持低氧含量。

例如，川崎制钢水岛钢厂（Mizushima）测得碱度从0.83增加到11时，T.O.含量从（25～50）×10-6减少至（19～35）×10-6。

浦项光阳钢厂（Gwangyang）改进了这种碱性覆盖剂，使用后据说结晶器内总氧含量降低了，盘条缺陷减少。

但更多情形下，因为碱性覆盖剂容易在表面结壳所以效果不好，这是由于碱性覆盖剂熔化速度快，结晶化温度高。

结壳导致在浇铸时钢包长水口周围形成无渣的敞开区域，这不仅造成严重的二次氧化，而且产生大量的热辐射。

此外，碱性覆盖剂通常粘度较低，容易引起卷渣。

为避免这些问题，AK制钢Ashland厂建议采用双层渣，底层为低熔点的碱性保护渣用来吸收夹杂物，顶层为碳化稻壳用来隔热，这种方法使T.O.含量从22.4×10-6降至16.4×10-6。

6.2中间包深度、容量和流场控制装置

　　中间包流场类型的设计必须能够增加钢水停留时间，防止“短循环”和促进夹杂物上浮。

中间包流场取决于它的几何形状、高度、入口（长水口）设计和流动控制装置（如冲击板、堰、坝、挡板和过滤器）。

大容量的深中间包增加了钢水和颗粒的停留时间，可以促进夹杂物去除。

深中间包还可以防止漩涡形成，换包时有更长的过渡时间以防止卷渣。

在过去二十多年里，在世界范围内生产低碳铝镇静钢的中间包容量逐年增加，较典型的已达到了60～80t，深度超过1778mm。

　　正确的罐型再加上堰、坝和冲击板，能够改善钢的洁净度，尤其是在换钢包时。

例如在LTV钢厂，增加冲击板可以在换钢包过渡期间使Al2O3含量从48×10-6减至15×10-6。

在Lukens钢厂，半圆形的冲击板更换为罩式冲击板，T.O.含量从26×10-6减至22×10-6。

浦项钢厂在坝上开了77个孔使其部分的具有过滤器的作用，钢的洁净度得到改善。

Nisshin钢厂也采用了类似技术同样改善了钢的洁净度。

稳定的浇铸状态下，采用挡板再加上中间包盖，可以使中间包内的T.O.含量从（39±8）×10-6降至（24±5）×10-6。

陶瓷过滤器和CaO过滤器对去除夹杂物非常有效，然而成本高以及在堵塞之前的有效运行时间短，限制了它们的使用。

　　中间包底部吹入惰性气体可以均匀钢水，促进夹杂物的碰撞和去除。

Lukens钢厂使用该技术成功地将中间包内的钢水T.O.降至16×10-6。

这种技术的不利之处是吸附夹杂物的气泡有可能卷入铸坯中造成较严重的缺陷。

据报道，使用和不使用这项技术相比，中间包内钢中氧化物比例（10-3%）减少了25％。

6.3浇铸过渡

　　浇铸过渡出现在一个浇铸周期的开浇阶段、换钢包、换水口以及浇铸末期。

大部分洁净度方面的缺陷都在这一时期发生。

在过渡期间经常产生夹杂并且持续较长一段时间，这样会污染很多钢液。

第一炉开浇初期的条形缺陷指数5倍于第一炉浇铸中间时期这一指数，并超过随后炉次的15倍。

在这些不稳定的浇铸时期经常出现卷渣、吸入空气，引起二次氧化问题。

　　有一种“自行”打开水口的钢包不需用氧枪去烧水口。

氧枪烧水口必须移开长水口，这就产生二次氧化，铸坯前635～1270cm尤其严重。

氧枪烧开的炉次总氧含量比自行打开的炉次要高10×10-6。

认真填充钢包水口砂有助于实现钢包自行打开。

钢包砂由于SiO2含量高，也是二次氧化的一个来源。

　　图30说明第一炉总氧含量比中间炉次高。

一种改进换钢包过渡阶段质量的操作方法是关闭进入结晶器的钢流直至中间包充满并且通过塞棒吹入气体促进夹杂物上浮。

另一改进是打开新换钢包时采用浸入式开浇。

采用这种方法Dofasco钢厂将总氧从（41±14）×10-6降至（31±6）×10-6，大大改善了浇铸周期内过渡段的铸坯质量。

图30 不同炉次中间包T.O.含量和时间的关系

　　例如，National钢厂中间包T.O.含量在过渡时期为（50～70）×10-6，相比较而言稳定浇铸状态时只有（25～50）×10-6。

其他一些钢厂，这个差值只有3×10-6。

Lukens钢厂过渡期只有19.2×10-6，稳定期为16×10-6。

Dofasco钢厂过渡期总氧为（27±5）×10-6，稳定期（24±5）×10-6。

Nippen钢厂开浇初期中间包吸氮量为（5～12）×10-6，开浇12.5min后降至（0～2）×10-6。

　　在钢包浇铸末期，钢包渣可能进入中间包，部分原因是靠近钢包水口处钢水形成了漩涡。

这种现象的存在使得钢包关闭之前必须留一部分钢水（如留钢4t）。

此外，Dofasco生产实践表明，钢包关闭之后中间包液位下降，影响正常流场，可产生漩涡和卷渣，增加结晶器内钢水总氧含量。

6.4套管保护、氩气保护和密封

　　从钢包到结晶器的钢水套管保护包括钢包滑动水口套管、钢包上水口、钢包长水口连接、中间包上水口砖和中间包滑动水口上滑板。

McPherson和McLean论述过中间包至结晶器操作的各个方面，重点在于水口保护设计的不同。

　　在钢水传递操作中采用最佳的套管保护系统可以显著减少二次氧化。

例如，宝钢使用钢包长水口后吸氮量从敞开浇铸的24×10-6降至3×10-6。

美国钢公司Fairfield厂用钢包长水口和坝替代中间包注入箱后吸氮量从7.5×10-6降至4×10-6，并且减少了过渡时期的卷渣。

英国钢公司Ravenscraig厂改进了钢包到中间包的长水口系统，吸氮量从14×10-6降至3×10-6。

另外一家钢厂钢包到中间包铸流采用套管保护后溶解铝损失量从130×10-6降至70×10-6，T.O.增加量减少了12×10-6。

当注流没有水口套管保护时（方坯生产较为常见），注流的紊流程度非常重要。

平滑注流吸入氧量低于紊流或“丝状”注流。

为使中间包至结晶器的注流平滑，必须经常测量水口边缘尖锐程度，避免中间包内钢水高速流经水口。

中间包包盖边缘良好的密封，可使T.O.含量从41.5×10-6降至38×10-6。

　　采用各种惰性气体套管保护系统也有益处。

在钢包和中间包之间采用长水口套管保护后，板坯中（低碳铝镇静钢）总氧从48.3×10-6降至28.6×10-6，再加上氩气密封后，降至23.0×10-6。

　　保护套管接头处的密封对改善钢的洁净度和防止堵塞非常重要。

改进钢包水口和钢包长水口套管之间的连接系统后，吸氮量从8×10-6减至1×10-6以下。

加强浸入式水口连接系统和维修工作，使吸氮量从最初的1.8×10-6降至0.3×10-6。

　　惰性气体在很多方面能够保护钢水不受二次氧化。

在开浇初期为防止卷入空气，在钢包水口打开之前，中间包可以充入惰性气体（驱除空气），能够降低开浇时期的总氧含量和吸氮量。

吹入氩气使套管内加压能够防止钢水在通过连接处或漏缝处被空气二次氧化。

在其他地方都可采用保持最小的氩气流量确保水口内为正压力的方法。

此外，使连接处充满氩气可确保接缝吸入的是氩气而不是空气。

中间包塞棒吹氩以及改善密封能够使中间包到铸坯的吸氮量从5×10-6减至1.8×10-6，铸坯总氧从31×10-6减至22×10-6，减小了板坯中点簇状Al2O3尺寸，也减少了堵塞。

另外，塞棒吹氩使夹杂物数量（MIDAS法检测）减少了25%～80％。

滑动水口上滑板吹氩使50～100μm的夹杂物数量从每平方厘米3个减至0.6个，100～200μm的大型夹杂物从每平方厘米1.4个减至0.4个。

6.5堵塞与浸入式水口新技术

　　水口是为数不多的变化调整相当容易然而又能明显影响流场甚至质量的几个控制参数之一。

水口参数包括孔径、出口角度和出口尺寸、水口壁厚、出口形状（圆形、方形或椭圆形）、出口个数（双侧还是多孔）、水口底部设计（凹、平还是斜）以及浸入深度。

浸入深度太大和太小均可造成纵向裂纹和横向凹陷的问题。

　　早在1949年Snow和Shea就发现在用于浇铸铝镇静钢模锭的水口孔表面覆盖有金钢砂（Al2O3）。

1967年Duderstadt等人发现水口堵塞物Al含量高，水口横断面上显示出Al2O3从水口壁向孔中心方向的枝状晶生长。

1971年Farrell和Hilty观察到堵塞物含Al、Zr、Ti和稀土元素。

其他还有很多研究者用实验方法研究了钢中Al2O3夹杂引起的水口堵塞。

Kemeny和Thomas全面论述了浸入式水口堵塞的原因和防止方法。

　　水口堵塞的原因是二次氧化物或者是固态氧化物和硫化物的聚集，如钢水中的Al2O3和CaS。

除了影响生产，中间包水口或浸入式水口堵塞在很多方面影响钢的洁净度。

首先，脱落的堵塞物易被捕捉卷入钢中或进入渣中改变渣的成分，从而引起另一些缺陷。

其次，堵塞改变了水口内流动形态和水口出口处的出流特性，这会引起结晶器流场扰动，导致卷渣和表面缺陷。

第三，由于流量控制装置（塞棒或滑动水口）必须补偿堵塞引起的流量减小，因此堵塞影响结晶器液位控制。

　　解决水口堵塞问题的方法包括改进钢包操作以提高钢水洁净度，采用光滑且稳定的耐火材料，控制水口内流态确保流动平滑。

Dofasco钢厂采用塞棒控制系统取代三滑板式滑动水口来减少水口堵塞。

还有其他一些实例表明有很多操作能够用来减少堵塞。

除了采用常规方法减少夹杂物外，还能够通过控制水口耐火材料成分（如去除Na、K和Si杂质），或在水口壁上覆盖纯Al2O3、BN或其他抗腐蚀的材料来防止由于耐火材料侵蚀引起的堵塞。

　　关于浸入式水口有几项新技术用来改善流场类型和改进夹杂物去除，例如旋转水口技术、步式水口技术、多孔水口和椭圆形补偿孔节流板。

6.5.1旋转水口技术浸入式水口钢流入口端放置一个固定叶片使水口内产生旋转流。

旋转流产生的离心力能够使钢水分成两个相等的部分从两个出口流出。

因为带有离心力的钢水流在水口壁附近具有最大速度，优先从出口的上部流出，因此，传统水口在出口的下部具有较高速度值的速度分布得到均衡。

有关文献称在连铸生产中采用这种旋转水口，与传统水口相比，最终产品（盘条）的缺陷率下降了1/4，拉速提高了30％。

它的成本仅比传统水口高20％，低于使用电磁制动。

通过水口电磁搅拌也能产生这种旋转流场，同样也能改善铸坯凝固结构。

6.5.2椭圆形补偿孔节流板在传统滑动水口系统中，滑板节流导致中间包进入结晶器的通道内滑板上、下钢流发生较大的倾斜和偏转。

在补偿孔系统中可以显著减轻这些效应（图31）。

补偿孔水口的设计使钢水流更靠近水口中心。

因此该系统可以减少水口壁上的堆积，延长水口的使用寿命，使得连浇炉数增多。

在实际使用中，也发现补偿孔水口的滑板内的堵塞比传统水口要明显减轻。

图31传统设计和补偿孔水口设计比较和水口附近流场类型

6.6结晶器和铸机操作

　　连铸结晶器区域是最后一步精炼环节，在此处，夹杂物要么被安全去除进入保护渣层，要么被捕捉进入凝固坯壳形成产品中永久的缺陷。

1985年，Mcpherson使用了“结晶器冶金”这个词来强调结晶器改善钢洁净度的重要性。

结晶器流场形态对避免缺陷非常重要，因为它影响着颗粒的传输：

进入渣被去除还是被凝固坯壳捕捉。

6.6.1上表面控制直接向上表面流动的钢流过多会产生表面缺陷，这是由非稳定态、弯月面处的扰动以及卷渣引起的夹杂物造成的。

但是表面流动太弱同样会产生问题，包括由于弯月面过于平静引起的表面缺陷以及钢水中由于冲击卷入太深而来不及上浮去除的夹杂物颗粒比例增大而造成的表面缺陷。

因此必须均衡考虑以选择最佳的流动参数。

　　表面缺陷最常见的来源是弯月面处外来夹杂物被捕捉进入凝固坯壳。

如果钢流注入过深或过热度太小，就会使钢液表面过于平静，温度就会过低。

这能够导致钢水弯月面冻结，加重弯月面钩的形成，引起夹杂物和气泡被捕捉，后者形成板坯的皮下针孔。

例如，表面流速低于0.4m/s时表面针孔缺陷就会增加。

为避免这些问题，流场类型的设计应当使表面流速高于临界最小值（估计约为0.1~0.2m/s）。

　　水口浸入深度较深和拉速较慢产生卷渣的可能性较小。

为避免横切方式卷渣，表面流速必须低于一个临界值。

此临界值作为粘度和其他参数的函数可以从水－油模型实验测得。

减薄渣层厚度、增大渣的粘度和表面张力都可以减少卷渣。

　　水口吹氩流量的最大限度值据研究与拉速存在函数关系，超过限度值就会产生卷渣。

　　拉速提高易造成瞬时干扰波动，加剧流场不对称的发展，对液面波动造成有害的影响。

为改善钢的洁净度必须限定最高拉速，如内陆钢厂（Inland）限制拉速以避免铅笔芯缺陷。

降低拉速和避免变拉速操作均可减少条形缺陷的发生。

更准确的来说，为了控制水口出口的钢流速度，降低钢水总流量（即降低拉速）是很重要的措施。

6.6.2流体流动形态结晶器流场形态由一些可调节的参数来控制，如水口几何形状、水口浸入深度、氩气流量和采用电磁力。

同样，流场形态也受控于一些通常不可调节的参数，例如水口堵塞、拉速、铸坯宽度和厚度。

所有这些参数共同形成了一个系统，该系统的设计必须能够产生一个最佳的流场形态以适用于一个特定的生产操作。

　　吹入水口和结晶器的气泡对于钢质量控制来说有五个影响作用：

有利于减少水口堵塞；有利于影响和控制结晶器内流场形态；产生剧烈的液面波动，如果吹气量过大甚至造成乳化效应；在钢水中流动时捕捉夹杂物；粘附夹杂物的气泡被凝固坯壳捕捉导致产生表面条形或内部缺陷。

　　图32表明低吹氩量易形成双回流形态，而高吹氩量产生单回流流场。

早在1983年就已经研究了这种现象。

为保持一个稳定的双回流流场形态（通常认为是最佳的形态），吹氩量必须保持在低于一个临界值的安全范围。

过多的吹氩量可能对铸流产生瞬时变动，引起结晶器内流场不对称，增加表面波动。

氩气泡还有可能被凝固坯壳捕捉而形成皮下气泡缺陷，例如成品中的铅笔芯缺陷。

图32典型的结晶器流场形态和相应的上表面形状以及保护渣层行为

（左图：

4.0SLPM，3.7％气体；右图：

6.3SLPM，8.6%气体）

　　据观察铸坯每一侧卷渣情况都不一样，这表明卷渣与下部回流区域的瞬时流场结构的变化和流场形态上的不对称性这些因素有关系。

图33所示的水口堵塞、Thoms等人（数学模拟）和Gupta（水模型）研究的扰动以及过多的氩气吹入量均能够导致流场不对称。

尤其重要的是保持结晶器液面、保护渣添加速度、拉速、吹气量、水口开度以及水口位置（对中和浸入深度）这些参数的基本恒定。

图33浸入式水口堵塞造成流场不对称引起的连铸板坯夹杂物分布的不对称性

（N为MIDAS方法测定的夹杂物指数）

　　电磁力可以充分改变铸坯内部的流场形态。

TimkenHarrison钢厂采用铸坯外部电磁搅拌改善钢的洁净度，使方坯T.O.含量从30×10-6降至20×10-6。

另一个例子是电磁制动（EMBR），能够使注流弯曲，缩短注流的冲击深度，可以减少铸坯深部凝固坯壳捕捉夹杂的可能性。

6.6.3铸机弧度对弧形连铸机来说，由于夹杂物颗粒在随着下回旋区的钢水回流盘旋逐步向上运动时是朝内弧方向（图34），因此弧形结晶器连铸机与直立式（垂直）结晶器连铸机相比，会捕捉更多的夹杂物颗粒。

在弯月面以下1～3m范围大部分夹杂物颗粒会被捕捉，与拉速无关，而沿铸坯厚度方向上对应存在一个明确的距离值。

通常，夹杂物聚集在表层和距内弧表面1/8至1/4厚度处（图35）。

图36表示弧形铸机（S型）和立弯式铸机（VB型）沿板坯厚度方向上夹杂物和针孔分布的差异。

相比弧形铸机，立弯式铸机夹杂物和针孔较少，且分布较深。

如果立弯式铸机垂直段长度大于2.5m，就能够减少卷渣缺陷（如铅笔芯缺陷）。

图34弧形连铸机和立弯式连铸机流场和夹杂物运动示意图

图35沿连铸板坯厚度方向夹杂物分布

图36铸机弧度对钢洁净度的影响

左：

夹杂物分布；右：

针孔分布

7结论

　　钢中内生夹杂物来自脱氧产物和冷却及凝固过程的沉淀析出。

外来夹杂物的主要来源是钢的二次氧化、卷渣和内衬侵蚀。

检测钢的洁净度没有单一的方法，最好是结合几种方法来作更精确的评估。

许多钢厂在低碳铝镇静钢的生产中控制总氧含量和吸氮量。

在改善钢的洁净度的生产操作方面，中间包操作应当使用大容量的深中间包、稳定的内衬和稳定的碱性覆盖剂，应当控制流场进行优化如冲击板之类，以去除夹杂物，尤其是在过渡期间。

钢水传递方面的操作应当采用最佳的自开浇钢包、耐火材料稳定的长水口保护、氩气保护、密封和注意避免二次氧化、卷渣以及水口堵塞。

结晶器操作应该优化拉速、水口几何形状、吹气、浸入深度和电磁力，以保持一个稳定的结晶器流场，促进夹杂物上浮，同时避免产生新的缺陷。

应当采用立弯式铸机以减少内弧侧夹杂物和气泡的卷入。