超低碳IF钢头坯洁净度的研究

栗红，吕志升，康伟，关勇，廖相巍，陈本文

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

鞍钢股份有限公司炼钢总厂生产超低碳汽车板钢时质量不稳定，出现夹杂废品，影响了产品在市场的信誉和占有率。统计分析出现废品的罐次发现,非稳态头坯出现的几率较高，表明浇次初期各种非稳定因素对头坯洁净度产生严重的影响。为弄清非稳态工艺对连铸坯的影响程度，开展工业试验，并对该类钢的浇次头坯、过渡坯和尾坯的洁净度进行对比研究，确定了开浇时非稳态工艺对头坯的影响程度较大。文中从控制二次氧化和提高中间包去除夹杂物能力两方面入手，对连铸工艺进行优化，降低了开浇初期工艺对头坯的污染程度，为稳定超低碳钢产品质量提供了可行的技术途径。

1 试验及取样方法

以超低碳汽车板钢为研究对象，进行一个浇次4罐钢的工业试验。取中间包浇铸初期、中期和末期的钢样，浇次的头坯、第一罐末块坯、稳态坯、换钢包交接坯和浇次尾坯。分析方法：钢水样分析Als、T.O和N含量，连铸坯分析氧氮和夹杂物指标，比较非稳态工艺与稳态工艺下连铸坯的洁净度，研究非稳态工艺对连铸坯质量的影响程度。

2 连铸坯洁净度分析

2.1 氧氮分析结果

每罐钢中间包浇铸中期钢水T.O含量，第一罐为0.003 2%，其余为0.002 2%～0.002 4%。各种连铸坯的氧、氮含量见表1。其中稳态浇注为第二罐第2块坯取样，尾坯为浇次的第4罐。

表1 连铸坯的氧氮含量（质量分数） %

表1中数据表明，头坯浇铸到4.0 m左右T.O含量仍然为0.003 6%，浇铸到第一罐末块坯时T.O含量降低到0.002 0%。试验还分析了精炼搬出到中间包浇铸初期钢水中Als和N的变化，浇铸到4 m时，Als降低了大约25%，N含量增加了30%～35%。精炼结束到浇铸初期钢水中Als和氧氮含量的变化表明，浇铸过程卷入空气，钢水发生了二次氧化，开浇初期各种因素的影响对铸坯T.O含量影响长度至少4 m以上。换罐的交接坯和稳态坯T.O含量0.001 5%以下。本浇次试验交接坯没有体现出钢包更换对T.O含量的影响。尾坯的T.O含量与稳态坯没有区别，但N含量比中间包钢水高0.000 8%～0.001 0%，尾坯Als损失24%。分析认为，浇铸末期，中间包流场变化是钢水与空气接触所致，也可以说明浇铸末期钢水发生一定程度二次氧化，但由于末期浇铸速度降低许多，二次氧化生成的夹杂物有上浮时间，因此T.O含量没有明显升高。

2.2 夹杂物分析结果

头坯中氧氮含量远高于稳态铸坯，因此头坯中夹杂物含量高、成分复杂。显微镜下观察，与稳态坯相比，头坯中夹杂物有聚集分布的簇状Al2O3夹杂和Al2O3-TiN颗粒，分别见图1、图2。

图1 头坯中簇状Al2O3夹杂物

图2 头坯中Al2O3-TiN颗粒

显微镜和SEM观察分析限于连铸坯试样的表面，出现几率大的夹杂物如氧化铝夹杂物容易捕捉到，但出现几率小的卷渣和耐材等外来夹杂物很难发现。因此将头坯连铸坯试样加工成Φ60 mm×150 mm大小，采用大样电解法将大型夹杂物分离出来，分离出的夹杂物颗粒形貌见图3和图4。夹杂物尺寸多数大于50 μm，采用SEM能谱分析夹杂物类型。

图 3中，A、B、C颗粒分别代表 Al-Si-O型、Si-Al-Na-O型和Ca-Mg-O型夹杂。图4中，D、E、F、G 颗粒分别代表 Ca-Al-Ti-O 型、Mg-Ca-Al-O型、Mg-Al-Si-O型和Na-Al-Si-Ca-O型夹杂。

图3 大样电解法分离的夹杂物颗粒（×50）

图4 大样电解法分离的夹杂物颗粒（×200）

电解后分离出的夹杂物中，氧化铝颗粒较少，由于簇状氧化铝夹杂当量直径大，它们是由钢的基体连接起来的，电解过程中基体被腐蚀，簇状夹杂物变为小颗粒夹杂，淘洗过程中跑掉一部分［1］。

换钢包的交接坯、尾坯夹杂物主要为氧化铝、TiN、氧化铝与TiN复合夹杂。A12O3-TiN复合夹杂物是以A12O3为核心，外面包裹TiN，这说明A12O3是TiN的异质形核中心，钢中的［Ti］和［N］是在A12O3上形成 TiN 并长大的［2］。

3 夹杂物来源分析

对头坯中典型的夹杂物进行分析。图1大型簇状A12O3夹杂物主要来源于浇铸初期注流二次氧化。初始浇铸时，中间包内存留空气，注入中间包内钢水迅速与空气中氧反应，生成大量的A12O3夹杂，由于其易聚集的特性上浮过程中形成簇状，一部分上浮到渣中，未来得及上浮的滞留在连铸坯内，存留这些夹杂物的铸坯被轧制成薄板后，出现表面废品的几率大大增加。这些夹杂物主要分布在开始浇铸的3～4 m以内，随着浇注进行，由于浇铸过程稳定和中间包覆盖剂的保护作用，簇状夹杂物大大降低，到达浇铸4 m以上时，夹杂物基本以10 μm以下的A12O3颗粒为主，多数呈分散分布，发现聚集分布的A12O3只有几十个微米，接近稳定态铸坯夹杂物水平。

图3中，颗粒A为铝硅酸盐夹杂物。如果铝充分脱氧的钢出现硅酸盐夹杂应判定为二次氧化产物［1］，因为硅酸盐夹杂多数在钢液中以液态形式存在，钢包中非常容易排除。分析认为，A颗粒铝硅酸盐夹杂物可能是中包覆盖剂SiO2卷入到钢液中与A12O3结合的产物。图3中B颗粒和图4中G颗粒夹杂物中含有一定的Na，根据研究经验推断，含Na的夹杂物归于结晶器卷渣，来源主要是保护渣［3］。对于超低碳钢来说，浇注时结晶器弯月面下产生的凝固钩长（hook）且不均匀，增加保护渣和气泡被捕获的机会，更容易产生夹渣缺陷［4］。对于图3中颗粒C、图4中颗粒D、E、和F等含有Ca、Mg、Al、Ti的氧化物夹杂， 分析是中间包内衬和中间包覆盖剂等的影响。

图2中，A12O3-TiN颗粒为以脱氧产物氧化铝为核形成的复合夹杂。图2和图4中颗粒H是超低碳汽车板中常见的夹杂物。

换包交接坯和尾坯的夹杂物与稳态连铸坯一致，浇铸过程中发生二次氧化和卷渣较少，交接坯和尾坯洁净度较高，这和文献［5］研究结果一致。尾坯洁净度较好表明，浇铸末期结晶器内钢水流动状态发生波动，对钢水未造成严重不良影响。根据上述分析结果研究头坯洁净度，提出合适的头坯控制建议对稳定铸坯质量和节约成本具有重要意义［6］。

4 采取的措施

根据头坯夹杂物的来源分析，采取了优化措施，主要包括两个方面，一是在钢水注入中间包之前吹氩，充分排除包内残留的空气。文献7提出了中包气幕充氩对改善头坯洁净度的作用明显。二是优化中间包堰坝结构，在原有结构的基础上，在坝的下方密排一列导流管，经过水模试验确定导流管直径和排列方式，优化后的结构既能满足钢水的正常浇铸，同时延长钢水在中间包内停留时间，增加了吸附夹杂物面积。

5 效果

5.1 中间包导流管内残留物分析

对使用后的中间包导流管观察发现，内吸壁吸附大量钢渣混合物。分析成分为金属氧化物，以氧化铝为主， 还含少量 Ca、Mg、Si、Mn 等元素，表明该结构从某种程度上对钢水中的夹杂物起到了一定的过滤作用，头坯洁净度得到改善。

5.2 连铸坯T.O含量和夹杂物

取优化前2罐和优化后4罐钢比较头坯T.O含量，中间包结构优化前后头坯T.O含量的对比见图5。优化前2罐头坯浇铸到2.0 m时，T.O含量达到0.004 0%以上，优化后4罐头坯浇铸到2.0 m时，钢水T.O含量均低于0.003 2%，最低达0.002 2%，比优化前降低0.000 8%～0.001 0%。对稳态坯和尾坯进行了跟踪，T.O含量均在0.001 5%～0.002 0%。中间包优化后，导流管内对吸附夹杂物具有较好的作用，并且随着浇铸的进行，吸附的夹杂物没有对后续钢水T.O含量造成恶劣影响。优化后头坯2.0 m以后，超过50 μm的簇状氧化铝很少，呈弥散分布。

图5 中间包结构优化前后头坯T.O含量的对比

5.3 头坯中大型夹杂物

取样位置为头坯2 m处，宽度1/4内弧表面和内弧中心，采用大样电解法分析。结果为优化前内弧表面和厚度中心的电解试样量为2.927 kg和3.005 kg，优化后为2.851 kg和3.073 kg。优化前后头坯大型夹杂物比较见表2。由表2看出，内弧表面50～100 μm的大型夹杂物较中心高，优化后大型夹杂物数量减少，内弧表面减少23.8%，厚度中心减少13.3%。

表2 优化前后头坯大型夹杂物比较 mg

跟踪优化后工业生产的8个浇次超低碳钢冷轧板表面质量，只有一罐头坯出现了少量夹杂废品，其余头坯质量均满足要求，废品率大大降低。工艺优化后提高了连铸坯的洁净度。

6 结论

（1）浇铸初期，非稳态工艺严重影响头坯洁净度，头坯浇铸4 m时T.O含量比第一罐末块坯高0.001 6%。换钢包的交接坯和尾坯时出现的液面波动对钢水洁净度影响较小，几乎不影响T.O含量。

（2）头坯中夹杂物主要以Al2O3为主，来源于浇铸初期注流的二次氧化，此外，开始浇铸时精炼渣、保护渣与中包内衬等外来夹杂也严重影响钢水洁净度，至少影响浇铸4.0 m长度。

（3）浇铸前中间包内吹氩和优化中间包堰坝结构可以改善头坯洁净度，头坯浇铸到2.0 m时，T.O含量由0.004 0%以上降到0.003 2%以下，最低达到0.002 2%。

［1］董履仁，刘新华.钢中大型非金属夹杂物［M］.北京：冶金工业出版社，1991.

［2］易正明，肖慧.超低碳钢连铸头坯夹杂物研究［J］.钢铁钒钛，2013，34（3）:60-62.

［3］杨鹤，王洋，崔衡.非稳态浇铸条件下IF钢铸坯中大型夹杂物分析［J］.连铸， 2017,42（2）： 40-42.

［4］董金刚，刘永勤，余茂华，等.宝钢二连铸板坯表面质量分析［C］∥2001中国钢铁年会论文集，北京：中国金属学会，2001：744-746.

［5］单庆林，贾刘兵，彭国仲，等.非稳态浇铸连铸坯控制技术［J］.连铸， 2017， 42（1）： 30-34.

［6］张立峰，方文，任英，等.冷镦钢SWRCH22A头坯洁净度研究［J］.炼钢， 2016,32（1） ：55-60.

［7］崔衡，包燕平，刘建华.中间包气幕挡墙水模与工业试验研究［J］.炼钢， 2010， 26（2）：45-47.