結晶器電磁攪拌電流對鋁鎮靜鋼中夾雜物去除的影響

趙顯久 張捷宇 許 晉

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；3.寶鋼股份有限公司中央研究院，上海 200941）

鋼板坯在熱軋過程中經常出現翹皮及黑線。輕微缺陷可以修磨處理；嚴重缺陷需要切頭切尾，對原料收得率造成不利影響，導致合同無法正常履行。寶鋼寶山基地1930工序熱軋生產流程為KR脫硫→300 t轉爐→RH精煉→1930直弧型連鑄→加熱爐加熱→2050軋機熱軋。通常認為，熱軋板卷的條紋缺陷是保護渣卷入造成的［1-2］，也有認為是缺陷區存在不完全再結晶的大晶粒和脫碳現象，以及內氧化質點原生缺陷在高溫加熱和軋制共同作用下產生的［3］。王國棟等［4］針對幾種典型的熱軋鋼板表面翹皮缺陷，采用金相和能譜分析認為，氧化鐵、二次氧化顆粒、夾渣是引起熱軋板表面翹皮缺陷的主要原因。薛正良等［5］研究了連鑄板坯表面及皮下夾渣的分布、類型、成分特點，認為保護渣卷渣和水口沉積物脫落的大型脫氧產物是連鑄坯表面及皮下夾渣的主要來源。Yuan等［6］對汽車鋼熱軋板和冷軋板的表面缺陷進行成分分析，發現保護渣是引起汽車板線狀缺陷的主要原因，并認為通過提高鋼水純凈度和優化流場，可降低軋板表面線狀缺陷的發生率。Yamada等［7］認為，一些氣泡表面附著的大量氧化鋁顆粒是造成熱軋板條狀缺陷的主要原因。總體來說，已有文獻確定的引起熱軋板表面缺陷的主要原因有二次氧化顆粒、水口脫落結瘤物及結晶器內保護渣的卷入。

電磁攪拌是去除夾雜物的有效方法之一［8］。鋼液在電磁攪拌的作用下做旋轉運動，同時促進夾雜物向中心集聚并上浮去除。王赟等［9-10］研究了電磁攪拌對中間包鋼液潔凈度的影響，提出由電磁力驅動的鋼液復雜流動能大大增加夾雜物相互接觸和碰撞的機會，促進其聚合長大并有較充分的時間上浮進入頂渣而分離。金小禮等［11］采用數值模擬方法，對電磁攪拌下板坯結晶器內的流場進行了計算，結果表明施加電磁攪拌能有效提高流場均勻性，但較大的攪拌電流會增大卷渣概率。為了獲得較好的攪拌效果，攪拌電流推薦值為400～500 A。然而，現有的報道對電磁攪拌作用下夾雜物的去除和卷渣尚無定論，電磁攪拌效果缺乏試驗依據。

本文通過試驗探索電磁攪拌作用下結晶器內夾雜物去除與保護渣卷入之間的關系，并進行了不同電磁攪拌電流對比試驗。

1 試驗材料及方法

1.1 電磁攪拌電流對比試驗

試驗在某廠的連鑄機上進行，一機兩流，電磁攪拌器電流設置：奇數流為400 A，偶數流為500 A，頻率為4.5 Hz。生產鋼種為超低碳鋁鎮靜鋼，其化學成分如表1所示。

表1 熱軋超低碳鋁鎮靜鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the hot-rolled ultralow carbon aluminum-killed steel（mass fraction）%

1.2 取樣分析

分別在精煉處理后、中間包、兩流鋼水和鑄坯取樣，編號為S1、S2、S3-1／2 和S4-1／2。其中，對精煉后鋼水（S1）和中間包（S2）取提桶樣，分別插入鋼包和鋼液面以下500 mm處，后者在塞棒位置取樣。彎月面鋼水樣（S3-1／2）利用取氫樣的真空玻璃管插入彎月面下方100 mm處，自然吸取到樣品腔內，長度約80 mm。鑄坯樣（S4-1／2）取自板坯冷卻后該爐次第3塊板坯的端部縱向部位，如圖1陰影部分所示。

圖1 鑄坯取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling position in the billet

對上述試樣進行切割、鑲嵌和打磨，經丙酮超聲清洗后，使用配備Oxford X-20Max能譜儀的Zeiss-EVO18型掃描電子顯微鏡對試樣中夾雜物進行觀察和成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 精煉夾雜物

圖2是精煉處理后S1試樣中典型夾雜物的形貌和能譜分析結果。從分析結果看，夾雜物以脫氧產物Al2O3為主，還有少量簇狀CaO-Al2O3復合夾雜物，如圖3所示。

圖2 精煉處理后S1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.2 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S1 after melt refining treatment

圖3 精煉處理后S1試樣中CaO-Al2O3夾雜物的形貌及線掃描分析Fig.3 Morphology and linear scanning analysis of CaO-Al2O3inclusion in sample S1 after refining treatment

2.2 中間包夾雜物

如圖4所示，中間包內夾雜物同樣以Al2O3為主，附帶部分MnS及Ti類夾雜物。對該夾雜物進行面掃描，結果如圖5所示。可見O和Al構成了夾雜物的主體，Ti、N、Mn和S元素主要聚集于中間小顆粒處，據此可判斷該夾雜物是以Al2O3為基體，以TiN和MnS為輔的組成。

圖4 中間包S2試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.4 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S2 taken from the tundish

圖5 中間包S2試樣中夾雜物的面掃描分析Fig.5 Area scanning analysis of inclusion in sample S2 taken from the tundish

2.3 鑄流彎月面夾雜物

為了考察不同電磁攪拌電流下彎月面夾雜物類型，從奇流彎月面取樣S3-1、偶流彎月面取樣S3-2。圖6是S3-1試樣中夾雜物的形貌和能譜分析。從圖6可以看出，夾雜物主要為Al2O3和MgO，還有微量Ti類夾雜物。該夾雜物的面掃描結果如圖7所示，主要含有O和Al元素以及部分MgO，另有微量的Ti及雜質元素Cu。除了Al2O3和MgO類夾雜物，還發現了保護渣類夾雜物，呈圓形，為較低熔點夾雜物，如圖8（a）所示；從能譜分析看（圖8（b）），夾雜物含有Mg、Ca、Al、K、Na等元素，來源于保護渣卷入。該夾雜物的面掃描結果如圖9所示，可見夾雜物主要由Ca、Al、O、Na元素構成，還有微量的Mg和K。另外在圓形夾雜物邊緣還有含S夾雜物（圖9（g））以及含Ti夾雜物（圖9（h））。

圖6 彎月面S3-1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析Fig.6 Morphology and energy spectrum analysis of inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖7 彎月面S3-1試樣中夾雜物的面掃描分析Fig.7 Area scanning analysis of inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖8 彎月面S3-1試樣中圓形夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.8 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

圖9 彎月面S3-1試樣中圓形夾雜物的面掃描分析Fig.9 Area scanning analysis of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

綜上，彎月面S3-1試樣中典型夾雜物主要有兩種，一種以Al2O3為主，另一種是低熔點的保護渣類夾雜。

圖10是偶流彎月面S3-2試樣中夾雜物的形貌和能譜分析。從圖10可以看到，夾雜物呈圓形，含Si、O、Al、Mg、Ca、Na 等元素。從元素組成來看，該夾雜物來源于保護渣卷入。夾雜物的面掃描結果如圖11所示，其主要成分與能譜分析的結果基本一致。

圖10 彎月面S3-2試樣中圓形夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.10 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of round inclusion in sample S3-2 taken from the meniscus

圖11 彎月面S3-2試樣中圓形夾雜物的面掃描分析Fig.11 Area scanning analysis of round inclusion in sample S3-1 taken from the meniscus

綜上，彎月面處S3-1試樣中夾雜物以Al2O3夾雜為主，S3-2試樣以保護渣類夾雜為主，尺寸為30 ～50 μm。

2.4 鑄坯夾雜物

圖12是鑄坯S4-1試樣中夾雜物的形貌及能譜分析。從圖12可以看出，夾雜物以Al2O3為主，尺寸約26 μm，還有少量的Mn和Ti元素。夾雜物的線掃描結果如圖13所示，可見夾雜物主要由O和Al元素組成，可以斷定該位置夾雜物主要是簇狀Al2O3夾雜，其左下角還有少量MnS夾雜。

圖12 鑄坯S4-1試樣中夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.12 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of inclusion in sample S4-1 taken from the slab

圖13 鑄坯S4-1試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.13 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-1 taken from the slab

圖14是鑄坯S4-2試樣中夾雜物的形貌及能譜分析。可以看出，夾雜物主要是Al2O3，還有少量的Mn和Ti元素。夾雜物的線掃描結果如圖15所示，可見O和Al是該夾雜物的主要組成元素。該處Al2O3呈明顯的破碎狀，這說明聚合后的簇狀Al2O3被重新打碎，氧化鋁簇長26 μm，打碎后長5 μm。S4-2試樣其他位置的線掃描分析也發現了破碎的氧化鋁簇，如圖16所示。

圖14 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的形貌（a）及能譜分析（b）Fig.14 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

圖15 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.15 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

圖16 鑄坯S4-2試樣中夾雜物的線掃描分析Fig.16 Linear scanning analysis of inclusion in sample S4-2 taken from the slab

3 分析與討論

精煉處理后夾雜物以Al2O3夾雜為主，其邊緣有CaO類夾雜物。中間包以Al2O3夾雜為主，其邊緣有MgO類夾雜物。鑄流的彎月面處有Al2O3夾雜和保護渣類夾雜。鑄坯位置以Al2O3夾雜為主，但在不同攪拌電流下Al2O3的形態有明顯區別。所以針對上述不同位置夾雜物的種類、形態，有必要展開具體討論，獲得有效控制夾雜物的方法。

3.1 精煉夾雜物

該處夾雜物以脫氧產物Al2O3為主，但是氧化鋁邊緣黏附的CaO來源需進一步探討。該爐次精煉處理前后，鋼包頂渣組成如表2所示。從表2可知，精煉處理后鋼包渣中CaO量明顯減少，Al2O3量明顯增加，MgO量基本不變。其中Al2O3是脫氧產物，上浮至鋼包頂渣后導致該組分含量增加。據報道［12-13］，渣中CaO與鋼液中［Al］sol反應生成［Ca］，如式（1）所示。鋼水中［Ca］生成后，由于其活性較大，微量就能與Al2O3生成尖晶石類夾雜物［14］，導致CaO含量減少。渣中MgO也能發生類似式（1）的反應［12］。但根據該爐次及相關冶煉渣系，精煉處理前后渣中MgO量變化較小，這表明MgO的反應機制與CaO不同。查閱CaO-MgO-SiO2三元渣系相圖［15］（w（Al2O3）＝20%），CaO 的溶解度（質量分數，下同）為30.9%（w（CaO+MgO+SiO2）占精煉渣總量的55%，相圖中溶解度為60%，換算成精煉渣則為33%）。這說明當w（CaO）大于33%時，CaO將以游離狀態存在；而當w（CaO）為33%時，游離態CaO消化完畢，剩余都被固化在渣組分中，不再與鋼液中酸溶鋁發生反應。查閱文獻［16］，如表3所示，CaO-SiO2-Al2O3三元渣系中，當w（CaO）為61.9%時，CaO 的活度為1；當w（CaO）為22.7%時，其活度為0.013。也即當CaO的活度較高時，進行反應（1），反應進行到CaO活度較低時，反應（1）達到平衡，這與表2精煉處理前后CaO含量的變化趨勢較為相符。因此可以判斷，氧化鋁邊緣黏附的CaO來源于渣中組分與鋼液中酸溶鋁的反應：

表2 精煉處理前后渣組分（質量分數）Table 2 Compositions of slag before and after refining treatment（mass fraction） %

表3 渣系組分與CaO活度Table 3 Slag compositions and activity of CaO

3.2 中間包夾雜物

中間包夾雜物以脫氧產物Al2O3為主，并伴有MgO。MgO不是來源于渣中，最可能來源于鋼包襯或者中間包襯，即發生反應：

查閱CaO-MgO-SiO2三元相圖［15］（w（Al2O3）為20%）發現，在1 600℃以下，MgO的溶解度為5.5%左右（w（CaO+MgO+SiO2）占精煉渣總量的55%，相圖中溶解度為10%，換算成精煉渣則為5.5%），一旦覆蓋劑中w（MgO）超過5.5%，剩余的MgO則以游離狀態存在。游離的MgO與鋼液中酸溶鋁發生反應，即式（2），生成Mg進入鋼液，由于Mg活性較高很快與鋼水中的氧反應生成MgO。而在精煉過程中，w（MgO）一般為5%左右，基本溶于渣中，沒有游離態的MgO，不析出純物質，不與酸溶鋁發生反應，所以精煉渣中MgO量基本不變。根據Ohta等［17］的報道，MgO活度隨其含量的增加而提高。當w（MgO）為14.9%時，其活度為1；當w（MgO）為3.1% 時，活度僅0.15，具體數值如表4所示。中間包涂層發生如圖17所示的剝落及侵蝕時，覆蓋劑中MgO的活度提高，且剝落的方鎂石直接與鋼水接觸。當中間包包襯被侵蝕后，進入覆蓋劑，之后與鋼水中鋁發生反應，進入鋼水。進入鋼水中的微量Mg就能與氧化鋁反應生成鎂鋁尖晶石類夾雜［14］。

圖17 中間包涂層侵蝕后形貌Fig.17 Morphology of tundish coating after erosion

表4 渣系組分與MgO活度Table 4 Slag composition and activitiy of MgO

3.3 鑄流位置及鑄坯夾雜物

鋼水從中間包進入結晶器后，從浸入式水口流出，分成上下兩個流股。奇數流彎月面處夾雜物以脫氧產物為主，并有保護渣類夾雜；偶數流彎月面處未發現脫氧夾雜，均為球狀保護渣類夾雜。這說明在500 A攪拌電流下易發生卷渣，低熔點保護渣被卷入彎月面下方，并仍保持球狀。在400 A攪拌電流下，脫氧產物呈團簇狀；而在500 A攪拌電流下，脫氧產物呈破碎狀，說明團簇狀的氧化鋁夾雜被重新打碎成單個大顆粒。夾雜物越小，對鋼的沖壓性能影響越小。從這個角度考慮，500 A電流是合理的，甚至可進一步增大電流，以促進脫氧產物氧化鋁的破碎減小。但從鑄流彎月面位置看，500 A電流較大，應減小電流，避免卷渣。

4 結論

（1）精煉處理后夾雜物以脫氧產物氧化鋁為主，并伴有CaO夾雜。CaO來源于鋼包頂渣與鋼液中［Al］sol的反應。中間包內夾雜物仍以脫氧產物氧化鋁為主，并復合少量MgO。MgO來源于中間包襯的侵蝕。

（2）在400 A攪拌電流下，脫氧產物氧化鋁呈團簇狀；而在500 A攪拌電流下，團簇狀氧化鋁顆粒被打碎，其危害性減小，但電流較大易導致卷渣。

致謝：感謝寶鋼中央研究院煉鋼所何平顯高級實驗師對本文成分分析所提供的幫助。