連鑄中間包過濾器在無取向硅鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用實踐

余小琴 裴 偉 楊小剛 冷燁旻 萬 偉

（1. 新余鋼鐵集團有限公司； 2. 江西理工大學(xué)）

0 引言

鋼中夾雜物對無取向硅鋼的質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，其中氧化鋁類夾雜物容易導(dǎo)致硅鋼冷軋卷表面出現(xiàn)翹皮或孔洞缺陷[1-2]，有一段時間新鋼公司生產(chǎn)的無取向硅鋼的孔洞降級率一直居高不下。為了減少硅鋼孔洞的發(fā)生，在中間包內(nèi)使用鈣質(zhì)過濾器，可以吸附去除鋼水中的夾雜物，過濾器主要是由氧化鈣和氧化鎂制作而成的，試驗在新鋼公司的冷軋無取向硅鋼上進行，主要研究了中間包過濾器對無取向硅鋼中氧化鋁夾雜物的控制效果以及對硅鋼質(zhì)量的影響。

1 中間包過濾器的應(yīng)用試驗

1.1 過濾器的作用及其使用原理

中間包凈化鋼液用過濾器主要有泡沫型和直通孔型兩種。泡沫過濾器具有很強的捕捉30 μm以下夾雜物的能力，過濾效率高，然而它在連鑄過程中很容易堵塞孔眼，即使孔隙密度為3～5 ppi（ppi表示單位英寸長度上的平均孔數(shù)）的泡沫過濾器也僅限于在澆鑄通鋼量很少的情況下使用。直通孔型過濾器的孔徑多在20～60 mm之間，捕捉夾雜物的能力，特別是捕捉細小夾雜物的能力明顯減弱，過濾效率低。為此，筆者在中間包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開發(fā)了通道式中間包過濾器，通過通道的特殊結(jié)構(gòu)和材質(zhì)來吸附Al2O3等小顆粒脫氧產(chǎn)物，從而進一步提高了中間包內(nèi)夾雜物的去除率。

1.2 過濾器的構(gòu)造、安裝及試驗方法

中間包過濾器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，安裝方法如圖2所示。試驗過程中將中間包擋墻和過濾器中心線離中間包中間線的距離分別控制為1 100 mm和1 200 mm，抑湍器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸為340 mm，過濾器通道的直徑為60 mm，為了評價過濾器的使用效果，試驗過程保持冶煉、熱軋、常化、酸洗、冷軋和退火過程工藝參數(shù)都不變。

1.3 取樣

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，第一次試驗為一個澆次7爐鋼連澆（爐號分別為1-6462、1-6463、1-6464、2-7644、1-6467、1-6468、1-6469），分別對第 1、3、5、7爐的鋼水、鋼包頂渣進行取樣。

圖1 中間包過濾器結(jié)構(gòu)

圖2 中間包過濾器控流裝置

（1）鋼包取樣。渣樣：RH出站頂渣取樣和連鑄平臺大包頂渣取樣；鋼樣：氣體樣（球拍樣）、提桶樣（夾雜物Aspex分析）。

（2）中間包取樣（取樣位置如圖3所示）。在第1、3、5、7爐鋼水的澆注終點取鋼樣：沖擊區(qū)（取樣位置1）取提桶樣、澆注區(qū)（取樣位置2）取球拍樣與提桶樣。

圖3 中間包取樣位置

2 試驗過程評價

2.1 Als成分與渣樣分析

試驗坯的斷面為230 mm×1 250 mm，拉速為1.0 m/min，中間包液位為1.0 m。試驗過程中間包沖擊區(qū)與澆注區(qū)兩側(cè)的液位差較小，最大差值為80 mm。中間包過濾試驗爐RH出站和中間包鋼水中的Als含量見表1，中間包過濾試驗爐RH出站渣樣檢測結(jié)果見表2。

表1 中間包過濾試驗爐RH出站和中間包鋼水中的Als含量 %

表2 中間包過濾試驗爐RH出站渣樣檢測結(jié)果

從表1和表2可以看出，從真空出站到連鑄澆注Als損失偏大，最大達到了0.049%；渣中∑（FeO+MnO）較低（第1、3、5、7爐鋼水RH出站時分別為4.92%、4.69%、3.21%、4.28%），說明鋼渣的氧化性較低；RH出站至連鑄中間包Als損失偏大、N含量增量不大，說明連鑄保護澆注做得較好，主要原因是渣中的氧通過渣鋼界面進入到鋼水中，造成二次氧化生成Al2O3夾雜。

2.2 試驗后過濾器濾芯的宏觀形貌

澆注后的中間包過濾器通道內(nèi)的填充物如圖4所示。

從圖4可以看出，每個濾芯的兩層鋼之間都包裹著白色的Al2O3夾雜物，說明過濾器有較強的吸附Al2O3類夾雜物的能力，同時整個澆注過程中塞棒沒有漲桿、水口沒有堵塞也說明中間包過濾器在控制Al2O3類夾雜物方面起到了重要作用，減少了鋼液中的夾雜物殘留，提高了鋼液的潔凈度。

3 試驗效果分析

3.1 鋼水全氧分析

由于鋼中的氧主要以非金屬夾雜物的形式存在，分析總氧含量（T.O.）可反映鋼中非金屬夾雜物的總量，同時基于氮含量的變化，可判斷冶煉過程中吸氣量和鋼液二次氧化的程度（保護澆注的優(yōu)劣）。鋼中的氧氮分析結(jié)果既能提供鋼產(chǎn)品的質(zhì)量信息，又能為冶煉工藝改進提供依據(jù)，已成為評價產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。

圖4 試驗結(jié)束后的過濾器濾芯

試驗爐次鋼水在RH出站、連鑄平臺時鋼包和中間包鋼液中的全氧含量和氮含量見表3。

表3 過程鋼水中的全氧、氮含量

從表3可以看出，鋼包從RH出站到達連鑄平臺時，鋼水的二次氧化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，全氧含量最大值達到了53×10-6，但經(jīng)過中間包過濾器的過濾后，中間包澆注區(qū)的全氧含量分別為25×10-6、30×10-6、25×10-6、40×10-6，這說明過濾器對氧化物夾雜的去除效果較好。

3.2 試樣中夾雜物的Aspex分析

3.2.1 夾雜物分析方法

試驗采用Aspex自動掃描電鏡分析法對鋼樣進行檢測分析，通過夾雜物總量、夾雜物粒徑及夾雜物分布等特征對試驗結(jié)果進行評價。該設(shè)備除具備常規(guī)掃描電鏡的基本功能外，還能夠?qū)^大尺寸的試樣（最大檢測尺寸為80 mm×10 mm）進行自動分析，得到檢測區(qū)域夾雜物的信息。Aspex設(shè)備的檢測原理[3]（如圖5所示）：（1）圖5（a）中網(wǎng)格點覆蓋的區(qū)域表示試樣的檢測區(qū)域，陰影區(qū)域表示夾雜物；較大的黑點表示搜索點，其包圍區(qū)域為搜索網(wǎng)格；較小的黑點表示測量點，其包圍區(qū)域為測量網(wǎng)格。電子射束采用較大步長即搜索網(wǎng)格進行移動掃描。（2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)夾雜物后，改用較小步長，即測量網(wǎng)格，使用旋轉(zhuǎn)弦算法尋找特征的中心，并以22.5°為間隔繪制8條通過中心的弦，從而得到夾雜物的計量參數(shù)，包括平均值、最大和最小直徑、方位和質(zhì)心。（3）如果所測數(shù)值通過了用戶定義的形態(tài)接受標(biāo)準(zhǔn)（如要求檢查夾雜物尺寸＞1 μm），則使用EDS，以該夾雜物為中心采集EDS光譜并進行量化。（4）對檢測區(qū)域重復(fù)此過程，最終得到夾雜物的數(shù)量、尺寸、位置、組成等信息。

圖5 Aspex掃描電鏡工作原理

3.2.2 夾雜物的Aspex檢測分析結(jié)果

在連鑄中間包沖擊區(qū)和澆注區(qū)提桶樣近表面處取樣，加工制成金相樣，采用Aspex explorer自動掃描電鏡與能譜儀對金相樣進行大面積掃描和分析，得到夾雜物的成分、尺寸、數(shù)量等特征，試驗僅討論其中一爐鋼水的Aspex分析，包括夾雜物最大粒子直徑（面積大?。┖统煞纸M成。

沖擊區(qū)和澆注區(qū)試樣，分別選取面積為28.32 mm2和24.78 mm2的區(qū)域進行非金屬夾雜物自動分析檢測，分別檢測到1 246 個和543 個夾雜物，試樣中夾雜物的數(shù)量密度分別為44.00 個/mm2和 21.91 個/mm2，兩個試樣中夾雜物的分類數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

夾雜物的分析檢測結(jié)果說明，沖擊區(qū)檢測試樣中的夾雜物主要分三類：（1）氧化類夾雜物578個，其中 Al含量占 74%；（2）Al2O3類夾雜物 310 個；（3）以Al2O3為核心的Al2O3-MgO夾雜物299個，含有少量的MnS、CaS等復(fù)合夾雜物。澆注區(qū)檢測試樣中夾雜物的類別與沖擊區(qū)基本一樣，以Al2O3為核心的Al2O3-MgO夾雜208 個、氧化類夾雜189 個、Al2O3類夾雜68 個，并含有少量以MnS、CaS為核心的氧化物夾雜。通過分析發(fā)現(xiàn)，使用中間包過濾器后，鋼水中夾雜物的數(shù)量密度降低了一半，主要為Al2O3類和以Al2O3為核心的絮狀夾雜物去除較明顯。從夾雜物的大小來看，沖擊區(qū)和澆注區(qū)試樣中最大粒徑長度分別為29.74 μm和21.10 μm，最大夾雜物面積分別為 450.88 μm2和 97.06 μm2，說明鑄坯中大顆粒的夾雜物非常少，過濾器對吸附大顆粒，特別是以Al2O3為核心的夾雜物效果較為顯著。

圖6 Aspex夾雜物分析檢測結(jié)果

3.3 終端產(chǎn)品的磁性能改善及缺陷控制

3.3.1 成品電磁性能

第一次中間包過濾試驗板坯共計65 塊，在?；髮γ繝t鋼進行取樣，做金相夾雜物檢測，檢測結(jié)果見表4。退火后試驗卷頭、尾部磁性能見表5。

表4 XG470WG中間包過濾試驗卷?；笕訖z測結(jié)果

表5 XG470WG中間包過濾試驗卷與原工藝卷連退后電磁性能比對

從表4和表5可以看出，該試驗澆次的夾雜物含量較少，澆注尾爐夾雜物稍有增加，說明中間包過濾器在澆注前期效果顯著，后期效果逐漸減弱；與原工藝相比，磁感結(jié)果變化不大，但是50W470平均鐵損降低0.09 W/kg，35W440平均鐵損降低0.08 W/kg。磁化過程夾雜物對磁疇轉(zhuǎn)動有阻礙作用，使磁化困難，磁滯損耗增加，鐵損提高。使用中間包過濾器后，鋼中夾雜物大大減少，對磁疇轉(zhuǎn)動的阻礙作用也減少，因此有利于減少磁滯損耗，降低鐵損，提高了產(chǎn)品的電磁性能。

3.3.2 產(chǎn)品表面缺陷情況

試驗的65 卷產(chǎn)品共計1 166 t，表面質(zhì)量情況見表6?？锥慈毕萁导壍匿摼砑s18.4 t，降級率為1.57%。與原工藝狀況下出現(xiàn)孔洞降級率3.74%相比，因孔洞原因造成的降級率大大降低了，這說明使用中間包過濾器能大大減少鋼中Al2O3類夾雜物，進而減少因Al2O3夾雜物經(jīng)軋制造成的孔洞發(fā)生率。

表6 試驗卷表面缺陷情況

3.4 中間包過濾器的工業(yè)化推廣應(yīng)用

第一次中間包過濾試驗取得較好效果后，逐步推廣到冷軋無取向硅鋼的其他幾個牌號，統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)冷軋退火卷的鐵損都有一定程度的降低，具體情況見表7。

表7 部分牌號硅鋼孔洞情況

從表7可以看出，使用中間包過濾器后，冷軋無取向硅鋼退火卷因Al2O3夾雜物造成的孔洞比例大大降低，各牌號降低幅度約50%，提高了成品的成材率，降低了生產(chǎn)成本，有良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

（1）中間包過濾試驗結(jié)果表明，使用中間包過濾器生產(chǎn)冷軋無取向硅鋼，能有效去除鋼水中Al2O3類夾雜物的含量，提高鋼水的潔凈度，成品卷孔洞降級比例與原工藝相比降低約50%。

（2）使用中間包過濾器減少鋼水中的夾雜物，有利于降低冷軋無取向硅鋼的鐵損，對磁感性能影響不大。