固態(tài)渣膜和錠模圓角對鋼錠缺陷的影響研究

唐雯聃  趙俊學(xué)  劉詩薇  馬占彪  牛 亮

（西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院  陜西  西安  710311）

摘  要：本文基于錠尾圓角和固態(tài)渣膜兩個(gè)變量對17CrNiMo6鋼錠的組織缺陷進(jìn)行研究。主要是在兩個(gè)變量交叉變化的情況下，解析鋼錠組織的缺陷在宏觀和微觀上的變化。所采用的研究方法包括：缺陷種類的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、成分分析、微觀物相分析、數(shù)值模擬。研究表明：1）固態(tài)渣膜的存在會形成鋼液的污染源，去除固態(tài)渣膜有利于提高鋼錠質(zhì)量。2）耐火材料的脫落會影響鋼液的純凈度，在控制好鋼錠凝固速度和順序的情況下，可以控制夾雜物的尺寸和數(shù)量。3）錠尾圓角有利于錠尾鋼液從下至上的凝固和減少鋼錠的組織缺陷；但固態(tài)渣膜的存在會讓雜質(zhì)無法充分上浮，從而形成皮下夾雜。

關(guān)鍵詞：固態(tài)渣膜 錠尾圓角 鋼錠 夾雜物

Study on the Effect of Solid mould Flux Film and Ingot End Circular Bead on Steel Ingot Defects

TANG Wen-Dan, ZHAO Jun-Xue, Liu Shi-Wei, MA Zhan-Biao, NIU Liang

(School of Metallurgical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract: In this paper the micro-defect of 17CrNiMo6 steel ingot was studied based on two variables of ingot end circular bead and solid mould flux film. Mainly, in the case of intersection of two variables, the macroscopic and microscopic variations of the defects in the ingot are analyzed. The methods include statistical analysis of defects, com-positional analysis, microscopic phase analysis, and numerical simulation. The results show that: 1) Solid mould flux film can form the pollution source of molten steel, and the removal of the film is beneficial to improve the quality of ingot. 2) The purity of molten steel will be affected the dropping of refractory material; and the size and quantity of inclusions can be controlled uby controlling the solidification speed and order of the ingot. 3) Circular bead of ingot end is beneficial to solidification of molten steel from bottom to top and reduction of defects in ingot; but the existence of solid mould flux film will make the impurities can not fully float, thus forming subsurface inclusion.

Key words: solid mould flux film, ingot end circular bead, ingot, inclusion

1 介紹

在錠尾設(shè)計(jì)圓角或倒角，并使鋼錠底部形成凸底，除了可以減少鋼錠切除質(zhì)量提高成坯率，還可以在澆注開始時(shí)控制保護(hù)渣的噴濺，使鋼水穩(wěn)定上升，有利于提高鋼錠質(zhì)量[1-4]。其原理在于改善鋼液在尾部的流動(dòng)，但圓角部位受到的沖刷可能會增強(qiáng)。隨著澆注和凝固的進(jìn)行，保護(hù)渣熔化后在模壁上附著、固結(jié)，難以完全清除[4-6]。若不及時(shí)并徹底的清除，在錠模周轉(zhuǎn)過程中會形成成分不同于保護(hù)渣成分的固態(tài)渣膜。在有圓角的錠模中，被增強(qiáng)的鋼液沖刷會使固態(tài)渣膜重復(fù)掉落和吸附，并在一定程度上改變錠模的導(dǎo)熱性[7-8]，最終在鋼錠中下部形成成分、形貌復(fù)雜的夾渣缺陷。為研究固態(tài)渣膜、錠尾圓角對鋼錠組織結(jié)構(gòu)的影響，本文設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)研究鋼錠組織缺陷的變化，并通過數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行一定的驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)

某企業(yè)生產(chǎn)一種6.8t的17CrNiMo6鋼錠，針對這種鋼錠原本所用的鋼錠模，設(shè)計(jì)出2種新的錠模，其中a為原始結(jié)構(gòu)、b、c為新結(jié)構(gòu)，三種錠模被同時(shí)用于該企業(yè)的現(xiàn)行生產(chǎn)。新的錠模與原有相比，區(qū)別在于尾部圓角加大（圓角半徑分別為0、100、150mm）、鋼錠長度拉長75mm（約3.3%）、耳軸位置升高75mm，具體形貌如圖1所示。針對現(xiàn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)兩階段實(shí)驗(yàn)，詳見表1。采用錠模a、b、c制造的鋼錠組分別編號為A、B、C。

實(shí)驗(yàn)分為保留固態(tài)渣膜和除去固態(tài)渣膜兩階段實(shí)驗(yàn)。每個(gè)階段生產(chǎn)數(shù)量均為15枚，共30枚。渣膜去除采取角磨機(jī)、機(jī)械刷結(jié)合的方式，至鑄模內(nèi)壁完全裸露、再用砂紙打磨光滑。兩個(gè)階段檢測項(xiàng)目如表1所示。其中，缺陷部位、類型、數(shù)量按階段統(tǒng)計(jì)，分析缺陷與渣膜的相關(guān)聯(lián)程度。

表1 實(shí)驗(yàn)過程中的研究方法

研究方法包括：宏觀統(tǒng)計(jì)、金相分析、氧氮含量分析、渣的成分分析、數(shù)學(xué)模擬。鋼錠圓角的變化會導(dǎo)致錠尾鋼液的流動(dòng)和傳熱，因此采用procast軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，重點(diǎn)對比如圖2所示的錠尾不同位置的溫度變化趨勢，取點(diǎn)位置如圖2紅點(diǎn)所示；該趨勢會顯示出錠尾鋼液的凝固速度和順序。鋼液的化學(xué)成分及相關(guān)的工藝參數(shù)如表2和表3所示。

表2.鋼錠化學(xué)成分（%）

Table 2. Chemical composition of ingot

注：[H]≤1.5ppm，[O]≤15ppm。

表3 鋼錠澆注工藝參數(shù)

Table 3. Parameters of ingot Filling Process

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 缺陷統(tǒng)計(jì)分析

鋼錠缺陷的宏觀統(tǒng)計(jì)如圖3所示。三種錠型在強(qiáng)行清除模壁渣之后，缺陷類型的分布有明顯變化。在第一階段，錠尾夾渣缺陷鋼錠B和C是鋼錠A的2倍以上，說明有充分模壁渣的情況下，錠尾圓角可能導(dǎo)致錠尾質(zhì)量惡化；但第二階段錠尾夾渣出現(xiàn)概率卻明顯低于第一階段，說明在模壁渣少的時(shí)候，錠尾夾渣缺陷能得到控制。第二階段鋼錠B的錠尾裂紋較第一階段減輕，鋼錠A和C的錠尾裂紋卻在提高；同階段而言，鋼錠B錠尾裂紋最少，鋼錠C次之；說明錠尾圓角能在一定程度上控制錠尾裂紋缺陷，但不是越大越好。因此可以推測，圓角的大小與錠尾缺陷出現(xiàn)概率不具有單一線性關(guān)系，合適大小的圓角才有利于錠尾缺陷的整體控制。而硬度不均缺陷的概率隨圓角大小而輕微提升，有可能鋼液成分不均或錠模尾部傳熱變化使組織產(chǎn)生偏析所致，說明錠尾圓角對鋼錠質(zhì)量的影響可能是多元的。

這個(gè)問題也反映在錠身缺陷變化上。總體而言錠模B和C可以有效降低錠身裂紋缺陷的出現(xiàn)概率，但是在第二階段錠身裂紋缺陷出現(xiàn)的概率高于第一階段；此外，對應(yīng)的錠身密集性缺陷在第二階段有所降低，但同階段而言，新錠模使密集性缺陷出現(xiàn)概率提高。據(jù)文獻(xiàn)，錠尾采用圓角可以降低尾部噴濺造成的表面質(zhì)量變差，使鋼水平穩(wěn)上升。但該設(shè)計(jì)只是部分達(dá)到設(shè)計(jì)目的，使其他缺陷和總的缺陷數(shù)量升高（見圖4），并使探傷合格率下降（第一階段）。初步估計(jì)可能是錠尾結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致對模壁渣的沖刷和對渣的滯留能力增強(qiáng)，鋼液的迅速凝固使渣被固定在鋼錠皮下，具體原因還需研究。

三種錠模對應(yīng)的缺陷數(shù)量、鋼錠利用率、探傷合格率，在兩個(gè)階段有不同的變化。第二階段產(chǎn)生的缺陷數(shù)量低于低于第一階段，鋼錠利用率的變化趨勢則與之相反呢，說明清除模壁渣對生產(chǎn)有利。尤其是錠模C在清除模壁渣后（第二階段）缺陷數(shù)量和探傷合格率較其他兩個(gè)錠型有明顯的改善，而在不清除模壁渣的情況下缺陷數(shù)量卻更多。可以認(rèn)為錠模C可以有效改善錠尾的凝固質(zhì)量，但是如果不清除模壁渣，會獲得完全相反的結(jié)果。

3.2 夾雜物分布及氧氮含量分析

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，分別對每個(gè)錠型選擇1支探傷合格的鋼錠進(jìn)行夾雜物和氧氮含量的檢測。在每支鋼錠的帽口、錠身中央、錠尾截取一定數(shù)量的氣體樣，做氧氮含量檢測。圖5為三種鋼錠在兩個(gè)階段的氧氮含量圖。

由圖5可知，三支鋼錠的氧含量均超過控制標(biāo)準(zhǔn)，氮含量則在控制范圍內(nèi)；說明鋼水在澆注過程中卷入空氣的量不多，氧含量高應(yīng)該是前一流程脫氧不充分所致。就同階段而言，錠模B和C生產(chǎn)的鋼錠氧含量普遍較錠模A高，其中第一階段鋼錠B最高，第二階段鋼錠B和C最高。其中，帽口部位高2~4ppm，錠身部位高0~4ppm，錠尾部位高0~6ppm；而鋼錠B、C在第二階段的平均氮含量卻較第一階段低，鋼錠A則相反，說明鋼錠B、C卷入空氣的量比鋼錠A少。但這和氮含量檢測反映的結(jié)果矛盾，說明錠尾圓角可能會減少空氣的卷入，增氧是其他原因?qū)е隆Ｆ渌�原因則包括渣膜對鋼液潔凈度的影響，應(yīng)對比夾雜物的分布做進(jìn)一步分析。

在三種鋼的帽口、錠身中央、錠尾部分別截取皮下及中心的鋼樣，研磨拋光后利用金相顯微鏡統(tǒng)計(jì)夾雜物數(shù)量，按照尺寸分類后，計(jì)算當(dāng)量直徑的夾雜物數(shù)量。由圖6可知，三種鋼錠在不同部位的夾雜物分布具備一致性。在帽口部位，以中等尺寸夾雜物為主，細(xì)小和大型夾雜物相對較少；在錠身中段部位以細(xì)小夾雜物為主，中等尺寸夾雜物約為前者的1/3~1/2，超過100μm的夾雜物極少；錠尾以大型夾雜物為主，其中大部分尺寸在50μm以上。三種鋼錠第二階段夾雜物的總數(shù)少于第一階段。

三者的區(qū)別有3點(diǎn)。第一，就總的夾雜物數(shù)量而言，在第一階段鋼錠B和C高于鋼錠A，在第二階段則相反，說明存在渣膜時(shí)錠尾圓角會增加對鋼液的污染，不存在渣膜時(shí)錠尾圓角則會降低對鋼液的污染；在第一階段，鋼錠B夾雜物總數(shù)約等于鋼錠C，在第二階段則略高于鋼錠C，說明較大的圓角對夾雜物分布的影響更強(qiáng)。第二，鋼錠B和C在第二階段大型夾雜物明顯減少，其中鋼錠C減少更多，0-10μm的夾雜物增多，同時(shí)夾雜物總數(shù)減少，說明鋼錠C總體要優(yōu)于其他兩個(gè)。第三，第一階段鋼錠C的大型夾雜物數(shù)量較第二階段鋼錠C、第一階段鋼錠A和B要高，驗(yàn)證圖3中宏觀統(tǒng)計(jì)得出的矛盾結(jié)果。上述三點(diǎn)描述與圖5顯示的結(jié)果相同。因此可推測，徹底去除錠模內(nèi)部的渣膜和一定的圓角對鋼錠大型夾雜物的控制是有利的。為驗(yàn)證對渣膜的推測，對兩個(gè)階段鋼錠C尾部的夾雜物種類和來源進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.3 夾雜物類型及來源分析

取兩個(gè)階段鋼錠C尾部的金相樣品共2個(gè)，利用掃描電鏡和能譜分析儀檢測分析夾雜物的形貌和成分。表4為第一階段鋼錠C尾部夾雜物的分析結(jié)果，與圖7對應(yīng)；表5為第二階段鋼錠C尾部夾雜物的分析結(jié)果，與圖8對應(yīng)。編號含義為：小圖編號-圖內(nèi)譜圖編號。

表4 第一階段鋼錠C錠尾的夾雜物成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Table 4. Inclusion composition of ingot C end in stage 1 (%)

第一階段鋼錠C錠尾的夾雜物種類主要分三類：1）Al2O3-MgO夾雜；2）含SiO2的夾雜，包括單純的SiO2、Al2O3-SiO2和MgO-SiO2；3）含TiN或MnS的2）和3）中的夾雜。1、4、5、6號夾雜物呈較淺的孔洞，存在含SiO2的脆性夾雜物，易導(dǎo)致鍛造開裂。此外，其他夾雜物為含Al2O3或SiO2的脆性夾雜物，塑性夾雜物極少。

表5 第二階段鋼錠C錠尾的夾雜物成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Table 5. Inclusion composition of ingot C end in stage 2 (%)

第二階段鋼錠C錠尾的夾雜物種類主要分兩類：1）Al2O3-MgO夾雜為主，含有CaO或硫化物CaS、MnS；2）TiN-MnS夾雜。同樣存在較淺的孔洞，但孔洞中的夾雜物為Al2O3-MgO；此外還存在部分TiN-MnS塑性夾雜，隨鍛造延展。兩個(gè)階段夾雜物類型最典型的區(qū)別在于第一階段存在大量的含SiO2的夾雜。SiO2可能來源于渣膜，而渣膜成分則來源于周轉(zhuǎn)過程中保護(hù)渣、夾雜物在模壁上的沉積。實(shí)驗(yàn)所用的保護(hù)渣及渣膜成分如表5所示，耐火材料成分如表6。

表6 實(shí)驗(yàn)用保護(hù)渣及模壁渣成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Table 6. Composition of covering slag and solid mould flux film in the experiment

表7 耐火材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Table 7. Refractory composition in the experiment

由表6，保護(hù)渣和渣膜成分的明顯差異：渣膜比保護(hù)渣含有更多的SiO2。由表7，用過的澆鋼磚成分與新的澆鋼磚相比，SiO2降低使Al2O3升高，磚中的Al2O3未大量流失。對比表5和表6的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，渣膜中的Al2O3含量比保護(hù)渣和澆鋼磚都要低，而鋼中的Al2O3較普遍，說明保護(hù)渣中的Al2O3部分進(jìn)入鋼液中形成脆性夾雜物；耐火材料中的SiO2在澆注時(shí)進(jìn)入鋼液，大部分在渣膜上沉積，如不去除渣膜，鋼錠中含SiO2的夾雜物會變多。

可知，采用合理的錠尾圓角和除去渣膜能控制含SiO2的夾雜，但在澆注時(shí)仍然會產(chǎn)生大型的脆性夾雜。因所用保護(hù)渣成分的特殊性，可主要通過控制脆性夾雜物的數(shù)量和尺寸來控制鋼錠質(zhì)量。而鋼錠尾部的凝結(jié)冷卻順序?qū)�夾雜物控制有重要影響，通過對鋼錠尾部凝固進(jìn)行數(shù)值模擬來說明。

3.4 數(shù)值模擬分析

通過圖9比較模型錠尾底部和側(cè)面節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)三種模型的整體變化趨勢是一致的，均為下降-上升-下降，符合鋼液凝固的機(jī)理。此外，在鋼液初步凝固之前，側(cè)面節(jié)點(diǎn)的溫度要高于底面；初步凝固之后，則相反。



但局部的差距在于：第一，模型a的點(diǎn)1在凝固時(shí)溫度迅速降低到鋼液液相線以下固相線以上（該鋼種液相線為1508℃，固相線為1437℃），然后迅速回升后緩慢冷卻；而點(diǎn)2一直保持在鋼液液相線以上。模型b和c在開始凝固時(shí)溫度下降幅度較小，并始終高于液相線。第二，三種模型的錠尾鋼液初步凝固是在600s左右；其中c最慢（慢100s左右），a最快；模型a的點(diǎn)1因?yàn)樵诔跗跍囟鹊陀诠滔嗑�，因此可能較早的凝固出一定程度的坯殼。第三，模型a和c在凝固中，側(cè)面的點(diǎn)（點(diǎn)2、6）會后于底面的點(diǎn)（點(diǎn)1、5）凝固；模型b可能出現(xiàn)側(cè)面的點(diǎn)（點(diǎn)4）先于底面的點(diǎn)（點(diǎn)3）凝固（快100s左右）。第四，在1437℃到1508℃之間時(shí)，溫降速率為：點(diǎn)1> 點(diǎn)3 >點(diǎn)5，點(diǎn)2> 點(diǎn)4 >點(diǎn)6，模型c傳熱速度最慢，可能是因?yàn)殄V尾局部厚度變化所致。

以上說明，模型c（R=150mm）的凝固趨勢為從下到上；模型a（R=0）的凝固趨勢雖然也是從下到上，但液相線之后點(diǎn)1和點(diǎn)2的溫差較小（10℃左右），卷渣上浮可能不太理想；模型b在卷渣的情況下，則有可能造成比模型a更差的效果。模擬結(jié)果與前面測試內(nèi)容相符，驗(yàn)證關(guān)于模型b和c的討論。

4 結(jié)論

保護(hù)渣在澆注過程中的變化及造成的影響：

（1）在鋼錠澆注的過程中，保護(hù)渣熔化并填充在鋼液和模壁之間，同時(shí)吸附耐火材料中損失的SiO2形成新的渣層；冷卻后形成固態(tài)渣膜，并在下一次的澆注中部分熔損，從而成為新的鋼中夾雜物來源（含SiO2夾雜物）；

（2）本次澆注加入的保護(hù)渣也會部分熔損，熔損的這部分有一定比例進(jìn)入鋼液中——本例主要是指Al2O3、MgO、CaO等成分，并在凝固的過程中形成相應(yīng)的夾雜物。當(dāng)這些夾雜物足夠多，會聚集成較大型的夾雜物，甚至形成皮下夾渣。

錠尾圓角在澆注過程中的作用及產(chǎn)生作用的原因：

（1）錠尾圓角有利于錠尾鋼液的從下至上的凝固，有序的凝固有利于減少鋼錠的組織缺陷，本例中采取較大的圓角(R=150)效果更好。最好的狀況是在去除固態(tài)渣膜的情況下，鋼液可以按照從下到上的順序凝固，否則卷入的雜質(zhì)無法上浮進(jìn)而滯留在組織中，使夾雜物的數(shù)量增多、尺寸增大。也就是說如果不去除模壁上的渣層，圓角會造成相對沒有圓角時(shí)的更差的結(jié)果。

（2）產(chǎn)生這樣的作用的原因有兩點(diǎn)：1）圓角雖然會延長錠尾鋼液凝固時(shí)間，但這樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的鋼液回旋會席卷保護(hù)渣至鋼液內(nèi)部，也會沖刷渣膜使更多的雜質(zhì)脫離，從而讓夾雜物的數(shù)量超過無圓角的狀況。2）而錠尾鋼液在不斷凝固，鋼液的粘度在緩慢增加，使夾雜物能夠上浮的時(shí)間有限；當(dāng)混入的夾雜物數(shù)量太多時(shí)，大部分夾雜物無法充分上浮，最終被凝固的鋼液固定在離模壁不遠(yuǎn)的地方；這也是形成皮下夾渣的原因。

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