李 鎮(zhèn)，張 波，孫 群，劉承軍，姜茂發(fā)

(1．東北大學 多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點實驗室，沈陽110819;2．鞍鋼集團公司，遼寧 鞍山114014)

鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸及分布規(guī)律對鑄坯質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，特別是非穩(wěn)態(tài)澆注條件下，由于卷渣及二次氧化等原因，將大大增加鑄坯質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的概率［1～3］．同時，由于脫氧工藝的不同，導致連鑄坯中非金屬夾雜物種類、數(shù)量、尺寸等發(fā)生明顯的變化，從而影響電工硅鋼的潔凈度和使用性能［4～7］．

低牌號無取向電工硅鋼精煉過程主要采用鋁脫氧．本研究針對國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)鋁脫氧無取向電工硅鋼生產(chǎn)過程中的非金屬夾雜物控制問題，通過工業(yè)試驗及取樣分析，系統(tǒng)研究在開澆、換包、澆注結(jié)束等非穩(wěn)態(tài)條件下，鋁脫氧電工硅鋼連鑄坯厚度方向上下表層及內(nèi)部非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸及分布的變化規(guī)律，研究成果對于電工硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有指導意義［8，9］．

1 實驗方法

該企業(yè)鋁脫氧無取向電工硅鋼生產(chǎn)工藝路線如圖1所示．本實驗所取硅鋼試樣包括中間包鋼水樣和連鑄坯樣．中間包鋼水樣分別在第1 爐開澆時、第1～2 爐交接時、第2 爐正常澆注時及最后1 爐停澆前在中間包水口上方鋼液面以下300～400 mm 深度處取得;連鑄坯試樣分別在第1 爐的開澆坯2 m、開澆坯4 m、開澆坯6 m、第1～2爐之間的交接坯、第2 爐的中間坯和最后一爐的尾坯中在鑄坯寬度1/4 處延連鑄方向切取長度為150 mm 的試樣．中間包鋼水取樣位置與連鑄坯取樣位置一一對應(yīng)．

圖1 無取向電工硅鋼生產(chǎn)工藝路線Fig.1 Production routing of the non-oriented electrical Si-steel

實驗過程換包期間拉速無變化，大包停澆至下一包開澆時間間隔1 min，中間包質(zhì)量變化約為10 t．停澆時，隨中間包質(zhì)量變化逐漸減低拉速，直至拉速降至0.3 m/min．

在所取連鑄坯樣中沿鑄坯厚度方向取定量金相試樣5 個，試樣編號從內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)分別用數(shù)字1～5 表示，具體加工方案及編號如圖2所示．

圖2 鑄坯加工方案Fig.2 Sketch map of slab sample cutting

將全部試樣加工成尺寸為10 mm ×10 mm ×10 mm 的柱狀，利用金相顯微鏡在500 倍條件下連續(xù)觀察50 個視場并拍照，單個視場面積為5 9284 μm2，總面積為2.965 mm2．采用Image－Pro Plus 6.0 圖像分析儀，對圖片中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和面積進行統(tǒng)計，并計算單位面積夾雜物個數(shù)及夾雜物面積分率等參數(shù)．其中非金屬夾雜物單位面積個數(shù)(N0/ St)計算方法為視場中非金屬夾雜物總數(shù)(N0)除以所拍視場總面積(St);非金屬夾雜物面積分率(S0/St)計算方法為視場中非金屬夾雜物總面積(S0)除以視場總面積(St)．

2 結(jié)果與討論

2.1 連鑄頭坯中非金屬夾雜物

表1～表3 中數(shù)據(jù)分別是連鑄坯開澆頭坯2 m、4 m、6 m 三個澆注時期不同取樣位置的定量金相統(tǒng)計結(jié)果．由表中數(shù)據(jù)可知，隨著澆注的進行，連鑄頭坯2 m、4 m、6 m 處鑄坯中夾雜物的平均數(shù)量和面積分率逐漸減少，分別為50.4 個/mm2、44.1 個/mm2、35.2 個/mm2和0.0184 %、0.0119 %、0.0057 %．其中連鑄頭坯6 m 對應(yīng)時刻中間包內(nèi)鋼液中非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率為整個澆注過程中的最小值．

與中間包內(nèi)鋼液相比較，連鑄頭坯2 m、4 m處的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率均明顯升高，說明在開澆初期，連鑄結(jié)晶器內(nèi)存在較為嚴重的渣金混卷和二次氧化現(xiàn)象．這種現(xiàn)象在開澆6 m時得到了有效抑制，此時連鑄坯中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率均低于中間包內(nèi)鋼液．同時，中間包內(nèi)鋼液中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率在開澆6 m 時達到整個澆注過程中的最小值，可見中間包內(nèi)流場控制在此時得到改善．

表1 連鑄頭坯2 m 處試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Quantitative metallography result of steel sample from 2 m of start-casting slab

表2 連鑄頭坯4 m 處試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Quantitative metallography result of steel sample from 4 m of start-casting slab

表3 連鑄頭坯6 m 處試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Quantitative metallography result of steel sample from 6 m of start-casting slab process

2.2 連鑄正常坯中非金屬夾雜物

表4 為連鑄正常坯中的定量金相統(tǒng)計結(jié)果．由表4 可知，連鑄正常坯中非金屬夾雜物的數(shù)量和面積分率均處于最低水平，夾雜物的平均數(shù)量為25.9 個/mm2，面積分率為0.003 1%．與中間包鋼液相比較，連鑄正常坯中非金屬夾雜物的數(shù)量和面積分率均明顯降低．

這說明正常澆注時期，電工硅鋼的保護澆注效果良好，連鑄結(jié)晶器內(nèi)無明顯的卷渣及二次氧化現(xiàn)象，同時鋼液中的非金屬夾雜物也得到了有效的上浮去除．

表4 連鑄正常坯試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Quantitative metallography result of steel sample from the steady-casting slab

2.3 連鑄交接坯中非金屬夾雜物

表5 是鋁脫氧硅鋼連鑄交接坯不同取樣位置的定量金相統(tǒng)計分析結(jié)果．由表5 可知，連鑄交接坯中非金屬夾雜物的平均數(shù)量和面積分率為33.0 個/mm2和0.005 9%．交接坯內(nèi)外弧表層的非金屬夾雜物含量均明顯低于內(nèi)弧1/4 位置處，內(nèi)弧1/4 位置處為非金屬夾雜物的富集分布區(qū)域，夾雜物的面積分率達到最大值，為0.010 5%．這說明，在換包期間，硅鋼連鑄結(jié)晶器內(nèi)無明顯的渣金混卷和二次氧化現(xiàn)象．但是，與正常澆注時期相比較，換包期間連鑄中間包內(nèi)鋼液中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率均明顯增大．這說明，換包期間中間包內(nèi)的流場控制有待于優(yōu)化，以有效抑制中間包內(nèi)的液面波動，從而提高鋼液的潔凈度水平．

2.4 連鑄尾坯中非金屬夾雜物

表6 為連鑄尾坯中的定量金相統(tǒng)計結(jié)果．由表6 可知，連鑄尾坯中非金屬夾雜物的平均數(shù)量和面積分率較正常坯有明顯的增加，分別從25.9 個/mm2增加到42.5 個/mm2，從0.003 1%增加到0.016 0%．這說明，在澆注末期，如降拉速控制不當，液面波動明顯，將會導致連鑄結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生較為嚴重的渣金混卷和二次氧化現(xiàn)象，從而嚴重影響鑄坯質(zhì)量．同時，與正常澆注時期相比較，澆注末期連鑄中間包內(nèi)鋼液中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率均明顯增大．可見，澆注末期中間包內(nèi)的流場控制也有待于優(yōu)化．

表5 連鑄交接坯試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Quantitative metallography result of steel sample from the steel grade mixing slab

表6 連鑄尾坯試樣的定量金相統(tǒng)計結(jié)果Table 6 Quantitative metallography result of steel sample from the slab of casting over

2.5 不同澆注時期連鑄坯中非金屬夾雜物變化規(guī)律

圖3 為不同澆注時期電工硅鋼中間包和連鑄坯中非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率的變化情況．由圖可知，隨著澆注的進行，連鑄坯中非金屬夾雜物的平均數(shù)量和面積分率均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢;當開澆坯達到6 m 時，連鑄坯中的非金屬夾雜物控制水平接近于穩(wěn)態(tài)控制水平;在穩(wěn)態(tài)澆注時期，連鑄坯中的非金屬夾雜物的平均數(shù)量和面積分率均達到最小值;換包過程中，中間包液面下降，下一包鋼水開澆時對中間包流場及頂渣有較強沖擊作用，隨后中間包補流使得液面再次上升，換包過程中間包液面波動較大，造成了中間包內(nèi)的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率明顯增大，從而影響連鑄坯的潔凈度控制水平;在澆注末期，中間包液面逐漸下降，鋼水靜壓力變小，控流裝置開度變大，造成結(jié)晶器內(nèi)液面極不穩(wěn)定，加之拉速逐漸降低，造成了連鑄坯中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率明顯增大．

從圖中還可以看出，開澆時中間包夾雜物平均數(shù)量較鑄坯中多，而穩(wěn)態(tài)澆注條件下，鑄坯夾雜物平均數(shù)量少于中間包，說明穩(wěn)態(tài)澆注時期保護澆注效果較好，同時鋼液流動狀態(tài)較為穩(wěn)定，有利于夾雜物上浮去除．

圖3 中間包及鑄坯中非金屬夾雜物的變化規(guī)律Fig.3 Distribution of non-metallic inclusions in tundish and slab

3 結(jié) 論

(1)正常澆注條件下，鋁脫氧電工硅鋼連鑄坯中非金屬夾雜物平均數(shù)量和面積分率分別為25.9 個/mm2和0.003 1%．

(2)在開澆初期、換包及澆注末期，連鑄中間包內(nèi)鋼液中的非金屬夾雜物數(shù)量和面積分率均有不同程度的增加．在非穩(wěn)態(tài)澆注時期的中間包流場有待于進一步優(yōu)化控制．

(3)在鋁脫氧工藝條件下，電工硅鋼連鑄坯的合理切頭長度為6 m．

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