不同浇铸阶段高强钢铸坯洁净度研究

彭其春，于学森，熊 伟，周明伟，张亮洲，周剑丰

（1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉，430081；2.湖南华菱集团涟源钢铁公司，湖南娄底，417009）

在钢水浇铸过程中，非稳态浇铸是指开浇、换钢包前后以及浇铸结束等钢水液面波动较大、拉速变化频繁的状态［1－3］。由于此状态下钢水的二次氧化及卷渣较严重，造成钢中夹杂物增加，降低了铸坯质量。为了了解开浇、浇铸末期铸坯的洁净度，本文针对某厂高强钢一个浇次的头坯、正常坯和尾坯的洁净度进行了详细的研究，以期为改善浇铸工艺和控制铸坯洁净度提供参考。

1 试验

某厂生产高强钢采用转炉冶炼，挡渣出钢。采用金属锰、Si－Fe和Al锭脱氧合金化，合金加入顺序为：金属锰→Si－Fe→Al锭。合金加入时间：出钢1／3时开始加入，出钢3／4时加完。炉后进入氩站吹氩，再送LF炉进行精炼，依次进行造白渣操作、加入铌铁和钛铁调整成分、钙处理，然后进入连铸工艺。生产的铸坯规格为1 500 mm×230 mm。表1所示为高强钢的中间包钢水成分。

在一个浇次中，在线切取头坯、正常坯和尾坯各3 m。在头、尾坯代表位置各取硫印坯3块，在正常坯上切取硫印坯2块。在硫印坯宽度边缘和1／4处分别取氧氮分析试样和金相试样，在硫印坯中心取大样电解试样。

采用Tc500型氧氮分析仪对钢中T［O］、氮含量进行分析；采用LIM－2000型图像分析仪对试样中显微夹杂物（尺寸小于50μm）的数量、尺寸分布进行统计分析；采用大样电解分析对试样中的大型夹杂物数量进行分析；采用XL30型扫描电镜及能谱分析仪对大型夹杂物和显微夹杂物的成分及形貌进行分析。

表1 高强钢中间包钢水化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of high strength steel in the tundish

2 结果与分析

2.1 T［O］和氮含量

图1所示为不同浇铸阶段铸坯中的T［O］和氮含量。由图1（a）中可知，正常坯在宽度边缘和宽度1／4处的氮含量分别为43×10－6和43.5×10－6，与正常坯相比，头坯在宽度边缘和宽度1／4处的氮含量均有大幅度的提高，而尾坯中的氮含量变化不大，表明连铸开浇过程中钢水的二次氧化比较严重，浇铸末期的保护浇铸水平与稳态浇铸阶段相差不大，钢水的二次氧化比较轻微。由图1（b）中可见，与正常坯相比较，头、尾坯中的T［O］均有不同程度的上升，头坯中宽度边缘和宽度1／4处的T［O］分别上升了约81.5%和80.6%，尾坯中宽度边缘和宽度1／4处的T［O］分别上升了约25.3%和15.1%。造成头、尾坯中T［O］升高的原因可能是各种渣的卷入，另外根据不同浇铸阶段氮含量的变化可知，开浇过程中钢水二次氧化严重也是头坯中T［O］升高的原因之一。

图1 不同浇铸阶段铸坯中T［O］和氮含量Fig.1 T［O］and［N］contents in slabs produced in different casting stages

2.2 显微夹杂物

不同浇注阶段铸坯中显微夹杂物的数量（平均值）如图2所示。从图2中可以看出，与正常坯相比较，头坯、尾坯中显微夹杂物数量都明显上升。同一浇铸阶段铸坯宽度边缘的显微夹杂物数量均少于宽度1／4处，这是因为铸坯凝固过程中产生选分结晶，溶质元素在凝固前沿不断富集并形成夹杂物，随着钢水凝固的进行，夹杂物数量逐渐增多，宽度边缘钢水早于宽度1／4处凝固，故宽度边缘铸坯显微夹杂物数量要少于宽度1／4处。

图2 不同浇铸阶段铸坯中显微夹杂物数量Fig.2 Micro－inclusions amounts in slabs produced in different casting stages

利用扫描电镜及能谱分析可发现，尽管不同浇铸阶段铸坯显微夹杂物数量不同，但其类型基本一致，显微夹杂物主要为TiN、Al2O3－TiN和球状钙铝酸盐类复合夹杂物，如图3所示。钢中Al2O3－TiN夹杂物均是以Al2O3为核心，外面包裹TiN（如图4所示），表明Al2O3是TiN的异质形核中心，［Ti］和［N］是在Al2O3上形成TiN并长大的。另外并未发现单纯的Al2O3夹杂物，表明喂钙线对Al2O3改性效果很好。

2.3 大型夹杂物

图5所示为不同浇铸阶段铸坯中大型夹杂物的数量（平均值）。从图5中可以看出，头坯中大型夹杂物数量最多，达到8.77 mg／10 kg；其次是尾坯，大型夹杂物数量为5.71 mg／10 kg；正常坯中最少，大型夹杂物数量为1.75 mg／10 kg。

铸坯中电解出来的大型夹杂物主要有TiN、SiO2、Al2O3－SiO2和Al2O3－SiO2－CaO，另外还有少量的MgO－CaO夹杂物和含有TiO2的复合夹杂物，其SEM照片和EDS图谱如图6所示。

头坯和尾坯中大多数大型夹杂物含有Na和K，表明开浇和浇铸末期结晶器卷渣很严重。相比较其他浇铸阶段铸坯，尾坯中MgO－CaO夹杂物数量并没有显著提高，表明浇铸结束时，中间包内钢水余量充裕，浇铸末期没有发生严重的中间包漩涡卷渣。根据以上分析，可适当减少中间包内钢水余量，以提高钢水的利用率，提高企业的经济效益。

［Ti］主要来源于精炼过程加入的钛铁，除此之外，还有另外两种可能：一是钢液自身中含有Ti；二是渣中含有少量的TiO2在钢液循环流动时被带入钢液中。

［Ti］转变为TiO2夹杂可能的方式主要有以下两种：

（1）［Ti］在高温条件下能与SiO2、Mg O等物质反应还原出Si、Mg［4］，从而生成更稳定的TiO2，反应式如下：

上述反应是在w（［Al］）大于0.01%的条件下进行的。由表1可知钢水中w（［Al］）大于0.027%，可见，TiO2夹杂物生成的热力学条件成熟。

（2）TiN是钢水在凝固过程中析出的［5］，析出的TiN被钢液中的氧氧化成TiO2。钢中的TiN析出数量随钛、氮的质量分数增大而增加［6］。

图3 铸坯中典型显微夹杂物的SEM照片和EDS图谱Fig.3 SEM images and EDS spectra of the typical micro－inclusions in the slab

图4 钢中Al2 O3－TiN夹杂物Fig.4 Al2 O3－TiN inclusions

图5 不同浇铸阶段铸坯中大型夹杂物数量Fig.5 Large－inclusions amounts in slabs produced in different casting stages

TiN与钢液中氧反应的反应式如下：

综合以上分析可知，与正常坯相比较，该厂高强钢头坯洁净度最差，尾坯次之。这是由于高强钢钢水在开浇时钢水二次氧化及结晶器卷渣严重，而在浇铸末期，其二次氧化和中间包漩涡卷渣轻微，主要是严重的结晶器卷渣导致尾坯洁净度下降。

图6 铸坯中典型夹杂物的SEM照片和EDS图谱Fig.6 SEM images and EDS spectra of the typical inclusions in the slab

3 结论

（1）某厂高强钢铸坯中，与正常坯相比较，头坯和尾坯中T［O］均有不同程度的提高；头坯中氮含量升高的幅度很大，而尾坯氮含量变化很小。

（2）铸坯显微夹杂物主要为TiN、Al2O3－TiN和球状钙铝酸盐类复合夹杂物。与正常坯相比较，头坯、尾坯中显微夹杂物数量都有明显上升。

（3）头坯中大型夹杂物含量最高（8.77 mg／10 kg），尾坯次之（5.71 mg／10 kg），正常坯最少（1.75 mg／10 kg）。大型夹杂物主要有TiN、SiO2、Al2O3－SiO2和Al2O3－SiO2－CaO，另外还有少量的MgO－CaO夹杂物和含有TiO2的复合夹杂物。大型夹杂物主要来源于结晶器卷渣。

（4）减少开浇和浇铸末期结晶器卷渣以及提高开浇过程中保护浇铸水平，可以提升该厂高强钢头坯和尾坯的洁净度水平。

［1］ 张彩军，王琳，蔡开科，等.非稳态浇铸对钢水洁净度的影响［J］.特殊钢，2002，23（6）：46－48.

［2］ 蔡起良.非稳态浇注时铸坯裂纹的控制措施［J］.连铸，2009（4）：31－32.

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［6］ Ozturk B.Thermodynamics of inclusion formation in Fe2Cr2Ti2N alloys［J］.Metallurgy and Material Transaction B，1995，26（6）：563－564.