SAE8620H齒輪鋼連鑄水口結(jié)瘤的原因及預(yù)防措施

王高峰 曹晨巍 李 杰 周 蕾 曾志崎 付建勛

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實驗室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，上海 200444； 4.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

水口結(jié)瘤是高效連鑄面臨的一大難題[1]，不僅增加生產(chǎn)的難度，還易降低鋼液潔凈度，使成品鋼材產(chǎn)生質(zhì)量缺陷[2]，必須予以解決。結(jié)瘤在水口內(nèi)壁長大，導(dǎo)致中間包浸入式水口堵塞[3- 5]，降低連鑄拉速，甚至使鋼液缺流停澆，顯著降低鋼液的可澆注性[6- 8]和連鑄生產(chǎn)率[9- 10]。Devi等[11]采用SEM- EDS、FactSage熱力學(xué)軟件及數(shù)據(jù)庫研究了水口結(jié)瘤的特征，認(rèn)為其形成與鋼中硫含量和氧、鋁總含量有關(guān)。Li等[12]通過試驗和熱力學(xué)計算得出，18Cr不銹鋼浸入式水口結(jié)瘤主要由冷凝鋼和夾雜物組成，為液相+尖晶石相或液相+晶石相。Lee等[13]為了揭示Ti- ULC(含Ti超低碳)鋼連鑄水口堵塞的原因，采用旋轉(zhuǎn)手指法進(jìn)行了一系列試驗，發(fā)現(xiàn)堵塞沉積物是還原鐵金屬液滴與CaO- AlO- TiO- ZrO- SiO2氧化物的混合物，在純液態(tài)鐵的情況下，F(xiàn)eO未被還原而保留在沉積物中。

本文采用X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀、Jade6.5軟件、光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡對國內(nèi)某鋼廠在8爐連澆SAE8620H齒輪鋼的末期出現(xiàn)的液面波動、塞棒曲線上升以及結(jié)瘤的成分和金屬氧化物類型及其含量進(jìn)行了分析，找到了水口結(jié)瘤的原因，提出了預(yù)防措施，可為改善鋼液的可澆注性、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。

1 生產(chǎn)工藝及參數(shù)

某鋼廠生產(chǎn)SAE8620H齒輪鋼的工藝過程為80 t轉(zhuǎn)爐冶煉→90 t LF爐精煉→100 t RH真空處理→喂鈣線夾雜變性→φ520 mm圓坯連鑄機(jī)連鑄。連鑄機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 連鑄機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

2 水口結(jié)瘤物檢測

澆鑄和自然冷卻后，清除浸入式水口外層的耐火材料，分析結(jié)瘤的內(nèi)層。該水口結(jié)瘤的宏觀形貌和局部形態(tài)分別如圖1和圖2所示。

圖1 水口結(jié)瘤的宏觀形貌

圖2 水口結(jié)瘤的局部形態(tài)

水口內(nèi)壁結(jié)瘤厚約3.5 mm，呈灰黑色，表面粗糙，質(zhì)地堅硬。為了進(jìn)一步弄清結(jié)瘤物的成分和相組成，刮取結(jié)瘤的表層并研成粉末，如圖3所示，再用磁鐵吸去鋼粒。對粉末進(jìn)行X射線熒光光譜分析，結(jié)果如表2所示；通過X射線衍射分析其相組成，結(jié)果如表3所示。

圖3 水口結(jié)瘤粉末

從表2可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)瘤中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為43.43%，這與結(jié)瘤中含有冷凝鋼有關(guān)；Al、O、Ca、Mn和Mg含量也較高，與鋼中Al2O3夾雜物和鈣鎂合金包芯線的喂入有關(guān)。表3表明結(jié)瘤中除Fe2O3外，Al2O3、CaO、SiO2和MgO的含量也較高。

表2 水口結(jié)瘤的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 水口結(jié)瘤中的金屬氧化物及其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

為進(jìn)一步探明結(jié)瘤是否由Al2O3、MgO和CaO組成，將XRD原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Jade 6.5軟件，分峰擬合后用標(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行對比匹配，得到結(jié)瘤的XRD圖譜如圖4所示。

圖4表明,結(jié)瘤中鐵含量最高，這與其中有很多冷凝鋼有關(guān)。同時根據(jù)上述元素和氧化物的XRF分析結(jié)果，結(jié)瘤的物相為MgAl2O4、CaO·Al2O3和MgO·Fe2O3。據(jù)此可以斷定，澆鑄時鋼液中的Al2O3、MgO與CaO發(fā)生了反應(yīng)，生成了熔點(diǎn)更高的MgAl2O4、CaO·Al2O3和MgO·Fe2O3并相互熔合，黏附在水口內(nèi)壁，是水口結(jié)瘤的起始點(diǎn)。

圖4 結(jié)瘤的 XRD圖譜

結(jié)瘤的截面形貌如圖5所示，可以看到結(jié)瘤內(nèi)部是白亮色的冷凝鋼。采用蔡司金相顯微鏡檢測了結(jié)瘤的微觀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 結(jié)瘤的橫截面形貌

圖6表明，結(jié)瘤的黑色和灰色區(qū)域相互混合，灰色區(qū)域為冷凝鋼基體，冷凝鋼基體內(nèi)的黑色區(qū)域為結(jié)瘤物，其余黑色區(qū)域為鑲嵌試樣的樹脂。結(jié)瘤大部分位于水口圓弧外側(cè)，結(jié)瘤外側(cè)比內(nèi)側(cè)粗糙，說明此處MgAl2O4、CaO·Al2O3和MgO·Fe2O3等的黏附聚集更嚴(yán)重。結(jié)瘤從外向內(nèi)逐漸生長成樹枝狀，并與冷凝鋼結(jié)合，促進(jìn)了結(jié)瘤層的形成。

圖6 結(jié)瘤的微觀結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析結(jié)瘤的形貌和組成，采用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，結(jié)瘤有形狀不規(guī)則的黑色和灰色區(qū)域。結(jié)瘤與基體相互混合，結(jié)瘤有間隙并相互熔合，菱形和不規(guī)則狀結(jié)瘤顆粒相互黏附、熔合。根據(jù)結(jié)瘤的生長過程，其外側(cè)為黑色、灰色兩部分相互混合，黏附在水口耐火材料上生長。由外至內(nèi)，黑色部分結(jié)瘤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑?，彌散分布在冷凝鋼中。結(jié)瘤內(nèi)側(cè)冷凝鋼較多。

圖7 結(jié)瘤與耐火材料界面(a)、混合區(qū)(b)和結(jié)瘤與冷凝鋼界面(c)的掃描電鏡形貌

結(jié)瘤面掃描形貌及能譜分析結(jié)果如圖8所示。圖8表明：結(jié)瘤主要含有Fe、Al、Ca、Mg、Mn、C和O元素，灰色區(qū)域含Mg、Al和O元素，結(jié)合上述XRF分析結(jié)果和XRD圖譜可以斷定，該物質(zhì)為MgAl2O4。結(jié)瘤中黑色區(qū)域含C，說明鋼液侵蝕了鋁碳質(zhì)耐火材料， 在高溫下耐火材料中的C被進(jìn)一步分解出來，隨著結(jié)瘤的生長遷移，生成含C黑色物。有孔隙的灰色不規(guī)則區(qū)域主要成分為Al、Ca、Mg和O，可斷定為MgAl2O4與CaO·Al2O3的混合物。

圖8 結(jié)瘤面掃描形貌(a)及能譜分析(b)

根據(jù)對結(jié)瘤的檢測和分析可以認(rèn)為，SAE8620H鋼連鑄水口結(jié)瘤的原因是水口耐火材料被鋼液侵蝕，其中的C被分解出來，并且鋼液中生成的MgAl2O4和CaO·Al2O3在水口內(nèi)壁黏附聚集，C沿結(jié)瘤遷移。水口耐火材料的侵蝕和MgAl2O4、CaO·Al2O3的黏附增加了水口內(nèi)壁的粗糙度，導(dǎo)致水口內(nèi)壁鋼液絮流、停留時間延長，發(fā)生降溫凝結(jié)，使結(jié)瘤進(jìn)一步長大。MgAl2O4、CaO·Al2O3和冷凝鋼相互黏結(jié)、搭橋，促使結(jié)瘤物從內(nèi)壁向中心延伸，從而縮小了水口內(nèi)徑，使?jié)茶T時液面波動，塞棒曲線上漲，降低了鋼液的可澆注性，從而形成結(jié)瘤。

3 改進(jìn)措施

3.1 調(diào)整包芯線成分

適當(dāng)減少鈣含量、提高鐵含量，降低反應(yīng)程度，提高安全性；增加包芯線鐵皮的厚度，增加融化時間，提高包芯線插入深度，促進(jìn)鋼液充分反應(yīng)。

3.2 優(yōu)化喂線工藝

適當(dāng)提高喂線的速度，采用分段喂線，減緩反應(yīng)劇烈程度，避免鋼液噴濺；適當(dāng)增加渣層厚度，增加鋼液的平穩(wěn)性，減少鋼液的氧化；優(yōu)化渣系組成，提高渣系的吸附性能和流動性；喂線后提供足夠的吹氬時間，促進(jìn)鋼液中的夾雜物上浮去除。

3.3 改善鋼液潔凈度

控制鋼液中Al、O含量和加Al的時間；過低的O含量需更多的脫氧劑，影響鋼液的可澆注性。

3.4 改進(jìn)水口材料

在水口內(nèi)壁涂抹致密涂層增加其光滑度，減少鋼液的絮流；采用更致密的材料，減緩其對鋼液的侵蝕，降低水口內(nèi)壁的粗糙度，減少結(jié)瘤的黏附。

4 結(jié)論

(1)SAE8620H齒輪鋼連鑄水口結(jié)瘤含有Fe、O、Al、Ca和Mg等，物相為Fe、MgAl2O4、CaO·Al2O3和MgO·Fe2O3。

(2)結(jié)瘤主要位于水口圓弧的外側(cè)，從外向內(nèi)生長成樹枝狀，并與冷凝鋼相結(jié)合，促進(jìn)了結(jié)瘤的形成。

(3)水口耐火材料的侵蝕和MgAl2O4、CaO·Al2O3的黏附增加了水口內(nèi)壁的粗糙度，導(dǎo)致水口內(nèi)壁鋼液絮流、停留時間增加，發(fā)生降溫凝結(jié)，使結(jié)瘤進(jìn)一步長大。

(4)改進(jìn)包芯線、優(yōu)化喂線工藝、提高鋼液潔凈度和更改水口材料等可改善鋼液的可澆注性，從而減少水口結(jié)瘤的形成。