高强钢板坯夹渣缺陷的控制

赵晓虎，郭银涛，秦 聪，朱 双

（河钢集团唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

唐山不锈钢公司供二冷轧的高强汽车板，是唐钢系统内高强汽车板生产的战略布局，从坯料的质量、产品的匹配等方面需要不锈钢公司全力配合。目前供二冷轧的高强产品共计有30多个，基本满足二冷轧的需求，但是在质量控制方面，仍然存在一定程度的波动，2019年产品夹渣类缺陷的比例达到1.58%。

本文分析了成品板表面夹渣缺陷产生的机理，追溯了表面夹渣产生的工艺环节，提出了减少连铸板坯表面夹渣的措施，通过优化保护渣理化性能、优化结晶器水口插入深度、改变结晶器内钢水流场，来降低钢水在结晶器中卷渣可能性。

1 表面夹渣缺陷的现状及形成机理分析

1.1 表面夹渣缺陷现状

通过柏拉图工具，对不锈钢公司2019年10月～2020年1月10日供二冷轧高强板夹渣缺陷的情况进行了统计，分析发现，高强板分钢种夹渣缺陷占比前4的钢种为T240ZK、FL450X、FL590X和FL590X1，夹渣主要在卷板的上表面，也就是铸坯的外弧，轧机操作侧（OS）占比67.49%，驱动侧（DS）占比30.05%。冷轧卷夹渣分布于钢卷上下表面，主要集中在操作侧，距离边部15～30 mm，对应于铸坯的东侧角部。表1为不同钢种不同部位夹杂缺陷分布占比。

表1 高强钢钢卷分布占比

1.2 铸坯表面夹渣成分及形成机制

1.2.1 铸坯表面夹渣成分分析

夹渣是连铸坯常见的表面缺陷之一。其主要来源是连铸过程中结晶器内的保护渣、水口沉积物及其他非二次氧化产物，由于各种原因被带入钢液，部分被生长的凝固坯壳捕捉，即发生卷渣现象[1]；或携带有夹杂物的氩气泡未充分上浮留在皮下，形成夹渣缺陷。铸坯夹渣会造成热轧工序和冷轧工序严重的表面缺陷，如小白条、起皮、鼓包等等。

通过对应铸坯轧制后跟踪，通过热轧表检、连退表检、热轧实物对比表面存在的夹渣缺陷，并对夹渣部位进行电镜分析（图1为缺陷取样的电镜分析），发现夹渣缺陷部位含有铝、钙、钾、钠、硅、镁、氧等元素，属于保护渣成分。

图1 缺陷取样的电镜分析

1.2.2 铸坯表面夹渣形成机制分析

结晶器卷渣机理示意如图2所示。由图2可以看出，保护渣卷入铸坯内部的机制主要有以下几个方面：

图2 结晶器卷渣机理示意图

（1）稳定流动下折返流卷渣。主要是钢水从浸入式水口流出后，形成上返流场，上返后的钢水在下返过程中卷入保护渣。

（2）非稳定流动下折返流卷渣。主要是浸入式水口堵塞后，结晶器内流场分布不均匀，造成钢水从浸入式水口侧孔流出后，在一侧较为活跃，另一侧不活跃，活跃一侧带动钢水流动，冲击下返钢水卷入保护渣。

（3）漩涡卷渣。由于水口对中不正、水口堵塞等原因造成结晶器内偏流，从而形成漩涡，这种漩涡把保护渣卷入钢水内，形成皮下夹渣。

（4）Ar气泡冲击钢－渣界面引起的卷渣。主要因氩气气泡随钢水流动，保护渣附着在氩气泡上，在弯月面处卷入钢水中形成卷渣。

（5）浸入式水口表面处压力差造成卷渣。结晶器在钢水内部的静压力小于外界大气压力，保护渣通过大气压力带入钢水，形成卷渣。

2 铸坯表面夹渣缺陷影响因素分析

2.1 液面波动对夹渣缺陷的影响

在使用保护渣浇铸时，夹渣的根本原因在于结晶器液面不稳定。水口的形状及尺寸的变化、水口插入深度、水口堵塞、塞棒失控以及拉速的突变等均会引起结晶器液面的波动，严重时导致夹渣[2]。

唐山不锈钢板坯连铸机采用氩气全密封保护。通过对塞棒氩气、板间氩气、上水口氩气的改变，即将每路氩气利用单一变量的原则，使每路氩气逐个提升至原来的三倍流量，然后对不同氩气变化量的铸坯轧制情况跟踪，发现，塞棒吹氩量的变化对铸坯夹渣缺陷的产生有直接的影响。最原始的表现是在结晶器角部钢水翻动的变化，塞棒氩气提升越大，结晶器角部钢水翻动越大，保护渣随着钢水液面的波动卷入铸坯内部。

2.2 保护渣性能对夹渣缺陷的影响

卷渣缺陷与保护渣的液渣在结晶器弯月面凝固时的黏附有关，随着结晶器上下振动，保护渣附着在钢液面上，伴随着上下运动。若保护渣粘度较大和钢水的附着性强，就会在结晶器弯月面处随着初生坯壳形成钩状，伴随结晶器的振动将保护渣钩进钢水内进入坯壳皮下层，轧制过程展现出夹杂缺陷，故需要调整保护渣的粘度，减少卷渣缺陷的发生。

2.3 不同断面水口插入深度对夹渣缺陷的影响

通过对不同断面下水口插入深度的调整，使每个断面对应不同的水口插入深度，并跟踪分析铸坯轧制出现卷渣缺陷的概率。高强钢不同断面、不同插入深度夹杂缺陷率如表2所示。由表2可以看出：小断面，特别是“小断面+浅插入深度”，更易出夹渣缺陷；大断面和“小断面+深插入深度”，夹渣缺陷比例较低。

表2 高强钢不同断面、不同插入深度夹杂缺陷率

3 降低铸坯夹渣缺陷的改进实施

3.1 改变塞棒类型减少夹渣缺陷

为了降低塞棒吹氩引起的液面波动造成的卷渣缺陷，将塞棒由原来的六孔吹氩改为实心塞棒，并在唐山不锈钢2号连铸机，S6号中间包试进行试验。塞棒使用17炉14.5小时，侵蚀非常轻微；生产SPHC-S、MRT-2.5、MRT-4三个钢种17炉铸坯94根，轧制铸坯81根，无由于夹杂降判的铸坯。塞棒类型对夹渣的影响如表3所示。由表3可以看出，以高硅含量的FL590X、FL590X1的热轧结果来对比塞棒类型对夹渣的影响，实心塞棒的夹渣比例低于吹氩塞棒

表3 实心塞棒和吹氩塞棒对夹杂缺陷影响占比

3.2 调整保护渣理化性能降低夹渣缺陷

表4为保护渣厂家提供的YK2M-2和616AS3两种类型保护渣的性能参数。

结合表4的给出的性能参数，从保护渣抗剪切卷渣能力方面分析：YK2M-2的粘度比616A-S3高0.033 Pa·s，YK2M-2的抗卷渣能力更强；YK2M-2含有5.5%的MnO，高于616A-S3，MnO可能与钢水Al发生反应，极大降低钢渣界面张力，反而不利于防止卷渣。

表4 YK2M-2和616A-S3保护渣性能参数

从控制传热方面分析：616A-S3相对于YK2M-2而言，碱度提高了0.03，熔化温度提高了28℃，由综合热流和摩擦力系数实际情况可知，616A-S3保护渣的热流密度较低，粘度较低的616A-S3保护渣的摩擦力系数反而更高，可推测出616A-S3的析晶能力更强，这对减轻振痕有一定的作用，从而降低卷渣风险。

通过三个浇次，对YK2M-2和616A-S3两种保护渣铸坯生产的热卷及冷轧卷表面质量情况进行了对比。表5为热卷表面质量对比，表6为连退工序冷轧卷表面质量对比。从数据可见616A-S3保护渣使用效果要优于YK2M-2保护渣使用效果。可见低粘度保护渣可有效降低夹渣缺陷产生机率。

表5 热卷表面质量对比

表6 连退工序表面质量对比

3.3 优化插入深度降低夹渣缺陷比例

通过对不同水口插入深度对夹渣缺陷产生影响的统计分析，认为生产过程中选用最深插入深度，采用定水口，停止水口自动调整渣线范围，固定最深插入深度，可降低夹渣缺陷产生的概率。

4 实施效果

通过上述措施的实施，唐山不锈钢公司高强汽车钢夹渣发生比例大幅下降。图3为2020年1～4月夹渣缺陷比例和2019年的对比。

由图3可以看出：2020年1月份高强汽车钢夹渣比例为1.02%，较2019年降低了0.56%；2月份高强汽车钢夹渣比例为0.83%，较2019年高强汽车钢夹渣比例降低0.75%；3月份二冷高强汽车钢夹渣比例0.51%，较2019年夹渣比例降低1.07%；4月份高强汽车钢夹渣比例0.23%，较2019年夹渣比例降低1.35%。

图3 2020年1～4月和2019年夹渣缺陷比例对比

5 结语

本文研究了唐山不锈钢公司高强钢夹渣缺陷产生的原因，提出了降低铸坯夹渣缺陷产生的改进措施，并对生产试验获得的成果进行了总结分析。

（1）采用实心塞棒可消除吹氩对结晶器液面的干扰，从而降低夹渣缺陷产生的机率。

（2）保护渣粘度大、附着性强，是造成夹渣缺陷的主要原因，优选粘度较低的保护渣，可降低铸坯夹渣缺陷产生。

（3）采用深的水口插入深度，水口出口至结晶器液面距离增加，结晶器内上回流强度减弱，液面比较平稳，角部翻腾程度减轻，可以抑制结晶器内卷渣的发生。

（4）措施实施后，2020年4月高强汽车钢夹渣比例较2019年降低了1.35%，吨钢成本降低0.6元。