水平连铸圆坯非金属夹杂物的研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.01.021 北创铁学院学报 48121月 Journal of Beijing liniversity Ne.1 湾4圳 of Iron and Steel Technology Dec,1986 水平连铸圆坯非金属夹杂物的研究 蔡开科邢文彬李秀文刘新华 (北京钢产院) 章仲禹风兆海闾守琏李月朴 马控纲代公司) 摘 要 阀中非金属史朵物对产品研量有重要形响，木文调了连不史华彩 怎.组成和分布，并对铸还夹杂作物半源做了初业分析。 关键词：水平连铸，非金属夹杂物。 Investigation of Non-Metal Oxide Inclusions in the Strand of Horizontal Continuous Casting Cai Kaike,Xing Wenbin,Li Xiouwen,Liu Xinhua Chang Zhongyu,Feng Zhaohai,Lu Shoulian,f.i Yulin Abstract The oxide inclusions in stcel have a important influence on the qualitics of rolled product. In this paper,the quantity,morphology,composition and dimensional dist- ribution of oxide inclusions for the strand of horizontal continuous casting has been studied,As well as the origin of oxide inclusions in the strand of continuous castihg is discussed. Key words:Horizontal continuons casting,Non-metal oxide inclusion, 198-3-09收列

匕 京 准 少门 、乞 、 ， 钢 铁 学 院 学 报 月 飞丁 。 ， 、 、 丁 ’ 一 。 线 争 水平连铸圆坯非金属夹杂物的研究 蔡开科 邢 文彬 李秀 文 刘新华 匕京钢谈学 院 章仲 禹 风 兆海 间守琏 李月林 ‘ 今鞍 山钢 谈 公司 摘 要 钢 中 一 仁金属突 杂物对产品质 量 育重要影响 木文调杳 厂众 下 宝铸 明 坏夹杂物形 态 、 组成和分布 ， 并对铸还 中夹 杂物来源做 了初步分析 。 关键词 水平连铸 ， 非 金属夹杂物 一 义、 ， ， ， 了 ， 飞 ， 。 ， 丫 一 、 脚书护， ，， 、 。 〔 。 、 至 ， ， ， ， ， 、 、 士 ， 七 、 〔 反 · 线 ， 一 一 一 女至 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．04．021

引 言 钢中非金属夹杂物，破坏了钢的连续性，重地危害钢材质量，降低钢的使用寿命。因 此，减少炼钢生产过程中钢水的沾污，提高钢的纯净度是冶金工作者十分重要的任务。 钢中非金属氧化物夹杂有两个分布模型1)：一是细小的或单们（如A12O。)的显微夹 杂物，平均直径<20：二是宏观夹杂物（大颗粒夹朵），它是A1O,群簇状夹杂，或是 复合的氧化物夹杂，平均直径大于50um,有的甚至达1000μm以上。这种夹杂物的特点是颗 粒火、多种组成、来源复杂，在钢中呈偶然性分布，它对产品质量有决定性影响。 生产无缝钢管的圆坯对火杂物的要求是非常苛刘的。圆坏中心部穿孔后成了钢管的内 表面，而圆坯内夹杂物可能成为管壁缺陷和产生裂纹的根源。因此，人们常把铸坏中氧化物 火杂作为评价管坯质量的一个重要指标。 水平连铸机的中间包与结品器是密封连接的，减少了钢流的二次氧化，这对提高铸坯的 纯净度是非常有利的。 在马钢水平连铸试验期间，我们系统地进行了取样，调查了圆坯中夹杂物的状况。根据 试验结果，分析了圆坯中夹杂物的类型、分布和尺寸，讨论了二次氧化和夹杂物的来源。 1研究方法 由两个500kg约中频感应炉供应钢水，钢水用锰铁、硅铁和A1脱氧合金化。出钢温度为 1690~1700℃，钢包内钢水温度为1640~1650℃。钢水成分(%)：C:0.19~0.22,Si: 0.22~0.30,Mn:0.450.60,S:0.0150.020,P:0.020~0.028。 水平连铸机的中间包为一吨，中间包钢水过热度一般为30一50℃（液相线TL=1510℃ 左右).生产Φ80mm圆坏，正常拉速为2~2.8m/min,拉坯时间为11~12min,拉坯长度为 23~25m。圆坯用于穿无缝钢管。 从钢包和铸坯取试样，分析钢中气、总〔O〕和溶解A【。从铸坯的头部(3m)、中 部(13~15m)和尾部(19~20m)取横向试样，然后，从横向试样沿拉坯方向的上部到下部 取金相试样（图1），用Q一900图象分析仪进行夹杂物的定量分析，对典型夹杂物进行扫 描电镜能谱分析。从不同炉次的头中尾部取一段圆坏，车成中60×150mm试样，用S1ims法 电解试样，分离钢中的大颗粒夹杂物，进行定量和夹杂物粒度分级。 2 试验结果和讨论 2.1夹杂物的类型 对试样中夹杂物的金相鉴定和能谱分析结果表明，圆坏中夹杂物可分为以下类型： A,A12O3夹杂，如图2(a)s B,复相球状钙铝酸盐CaO一A12O3一SiO2系，如图2(b), C,复相钙铝酸盐CaO一A1zO3-SiO2一MgO,如图2（c); D,少量的硫化物夹杂MnS一FeS,如图2(d)。 8

引 言 钢 中非 金 属夹 杂物 ， 破 坏 了钢 的连续 性 ， 严重 地 危 害钢 材质量 ， 降低钢的 使用寿命 。 因 此 ， 减 少炼钢 生 产过 程 中钢 水 的 洁污 ， 提 高钢 的纯净度 是 冶金 工 作者 十分 重 要 的任 务 。 钢 中非 金属 氧化 物夹 杂有两个分布模型〔 ‘ 〕 一 是 细 小的 或单 相 如 。 的 显 微 夹 杂 物 ， 乒均直 径 卜。 二 是 宏观夹 杂 物 大 颗 粒夹 杂 ， 它 是 群簇状夹 杂 ， 或 是 复合的氧化 物夹 杂 ， 平 均直 径 大 于 ， 有的甚 至 达 乒 以 上 。 这种夹 杂 物的 特点 是颗 粒 大 、 多种组 成 、 来源 复杂 ， 在钢 中呈偶然性 分 布 ， 它 对 产 品 质量 有 决定性 影 响 。 生 产无缝钢 管的 圆坯 对 夹杂 物的要 求 是非 常 苛 刻 的 。 圆坏 中心部穿 孔后成 了钢 管 的 内 表 面 ， 而 圆坯 内夹杂 物 可能 成为 管壁 缺 陷和产生 裂 纹 的根 源 。 因此 ， 人们 常 把铸坯 中氧 化 物 夹 杂 作 为 评 价管坯 质量 的 一个重 要 指标 。 水平连 铸机的 中间包与结 晶器是 密封连 接的 ， 减 少 了钢 流 的二 次 氧 化 ， 这 对提 高铸坏的 纯 净度 是非 常有利 的 。 在马钢 水 平连 铸试 验期 间 ， 我们 系 统地 进行 了取样 ， 调查 了圆坯 中夹杂 物的状 况 。 根 据 试 验结 果 ， 分 析 了圆坯 中夹 杂 物的 类型 、 分 布和尺 寸 ， 讨论 了二 次氧化和夹杂 物的来源 。 研究方法 由两 个 为中频 感 应炉 洪应钢 水 ， 钢 水 用锰铁 、 硅铁 和 脱氧 合金 化 。 出钢 温度 为 一 ， 钢 包内钢水温度 为 ℃ 。 钢 水 成分 ， ， ， ， 一 。 水平连 铸机的 中间包为一吨 ， 中间包钢水过热度 一 般 为 一 ℃ 液 相线 ℃ 左 右 。 生 产少 圆坯 ， 正常 拉速 为 ， 拉坯时 间为 ， 拉 坯 长 度 为 一 。 圆坯用于穿 无缝钢 管 。 从钢 包和铸坯取试 样 ， 分析钢 中氮 、 总 〔 〕 和溶 解 。 从铸坯的头部 、 中 部 和尾 部 取 横 向试样 ， 然 后 ， 从横 向试样沿拉坯 方 向的 上部到下部 取 金 相试样 图 ， 用 一 图象分析仪进行 夹杂 物的定量分 析 ， 对典型夹 杂 物 进 行 扫 描 电镜能 谱分 析 。 从 不 同炉次 的 头 中尾 部取一 段 圆坯 ， 车 成。 试样 ， 用 法 电解试样 ， 分 离钢 中的 大颗粒 夹 杂 物 ， 进 行定 量 和 夹杂 物粒度分级 。 试验结果和讨论 夹杂物 的类 型 对试样 中夹杂 物的 金 相鉴定和 能谱分析结 果表 明 ， 圆坏 中夹 杂物可分为 以下 类型 ， 夹杂 ， 如 图 ， 复相球 状钙铝酸盐 一 一 系 ， 如 图 ， 复相钙 铝酸 盐 一 。 一 一 ， 如 图 ， 少量 的硫 化 物夹 杂 一 ， 如 图

Upper Ob●rHng 工垂G曹 图1取金相试样示意图 Fig,1 Schematic diagram of sampling from the round billet (a) (b) (c) (d) 图2圆坯中夹杂物形态，X400 Fig.2 Inclusion morphology in the round billet,x 400 夹杂物的组成见表1。 表1 夹杂物组 成(%) Table 1 Composition of inclusions (% Type Si Ma Al Ca Fe Ti Mg 0.78 0.45 79.9 8,4 10.4 一 b 27,3 0.76 39,2 29.8 1.6 0.76 0.60 0 4.0 2.8 68,2 4.1 0.56 0.13 20.4 d 0.10 33.5 38.8 37,6 由表可知，a类夹杂物含A1达80%，估计是脱氧产物。b、c类夹杂含有较高的Ca, Mg、Ti,估计中间包耐火材料的侵蚀和炉渣质点的卷入是重要来源。 2.2圆还中夹杂物的分布 从8个炉号的水平连铸圆坯，共取126块试样，以观察拉坯方向圆坯上表面到下表面火 9

加月 口日 万 下日 口口 万 万 口口 声 图 取金相试样示意 图 。 硕 闷口‘ 瓣羚 缪 图 圈坯中夹杂物形态 ， 洲 七 妞 ， 夹杂物的组成见表 。 表 夹 杂 物 组 成 犷。 。 。 。 。 一 。 。 一 。 。 。 。 。 。 ，叫 醉 由表 可知 ， 类夹杂物含 达 ， 估计 是脱 氧 产 物 。 、 类 夹 杂 含有较 高 的 、 、 ， 估计 中间包耐火材料的 侵蚀 和 炉渣质点的 卷 人是 重要 来源 。 回坯 中夹杂物 的分布 从 个 炉号的 水 平连 铸圆坯 ， 共取 块试样 ， 以观察拉 坯方 向圆 坯上表而 到 下表 面 夹

杂物的变化。 167heat 用Q一900图象仪，每个试样统计40个视 场中的夹杂物尺寸和夹杂物所占面积的百分数 作为评价圆坯纯净度的指标。圆坯中夹杂物的： 分布如图3。 由图可知，圆坯横断面夹杂物分布特点是， 北京钢院 在圆坯中心线以上有夹杂物集聚现象，一般是 位于半径的处。这可能是与夹杂物上浮、液相 109 heat .Surface percent x Number of 穴内钢液回流运动和凝固时热中心上移有关。 inclusion 2.3夹杂物尺寸 so 由图象仪统计结果表明，夹杂物尺寸几乎 五 全部都是小于20um,其中80%夹杂物小于 10μm。 机 2.4大颗粒夹杂物 用Slims法电解试样后，分离出大颗粒夹 03 0.4 Surface of inclueion x1o-1% 杂数量见表2，大颗粒夹杂尺寸分布见表3。 的7 Number of inclusion field. 大颗粒夹杂物形貌见图4。 图3圆坯中夹杂物分布 Fig.8 Distribution of the 第 inclusions in the round billet 代 (a) (b) 图4大央杂物形貌，X50 Tig.4 Large oxide inclusion extracted from steel samples of round billet,×50 10

一京北钢院 了羚飞 ， 一 刀︺昌叭目，卜。 ‘。川时公妇日。﹄ 妇口山已卜口 口目 二材‘。仪，八 杂物的变化 。 用 一 图象仪 ， 每个试样统计 个 视 场 中的夹杂物尺寸和夹 杂物所 占面积的百分数 作为 评价圆坯纯净度 的指标 。 圆坯 中夹杂物的 分布如 图 。 由 图可知 ， 圆坯横断面夹杂物分布 特 点是 在 圆坯 中心线 以 上有夹 杂物集聚现象 ， 一般是 ‘ 二 二 二 、 ， 二 ， ， 一 、 ， ， 位于半径的于处 。 这 可能 是 与夹 杂 物上浮 、 液相 件 〕 一 ’ 一 ‘ 沙 。 切 “ ‘ ‘ 了 、 、 一 ，习 一 、 外 ‘ 目 穴 内钢 液 回 流运 动 和凝 固时热 中心上移有关 。 夹杂物 尺 寸 由图象仪统计结 果表 明 ， 夹杂物尺 寸 几 乎 全部都 是小 于 卜 ， 其 中 夹 杂 物 小 于 林 。 大 颗粒夹杂物 用 法 电解试样后 ， 分离 出大颗 粒 夹 杂数量 见表 ， 大颗粒夹杂尺寸分布见表 。 大颗粒夹杂 物形貌 见 图 。 “ 叫 号 习 曰自户目的份 吕 日 工 一 ， ‘ 二 砂一一 一一一 一 一 一 王林 土 一代第 图 圆坯中夹杂物分布 。 “ 图 大塑夹杂物形貌 ， ， 又

表2连铸还中大颗粒夹杂量 Table 2 Quanlity of inclusion in billet Head Middle Tail Average Heat,No mg/10kg mg/10kg mg/10kg mg/10kg H.C.C 129 16,7 1,13 1.79 6.54 ⑦80 131 3 16 43 20.6 C.C.C,[2Imm 1 113.4 190 139.5 ·147,63 123X123 % 94.8 43,8 157.7 98.76 表3连铸坯中大颗粒夹杂物的尺寸分布 Table 3 Distribution of inclusions size in c.c.billet Type of machine 300μm 300-140μm 140-80μm <80μm H.C.C, 32,61 60,87 6.52 C.C.C, 19.06 39.46 19.8 21.73 由表2可知，与小方坯弧形连铸机相比，水平连铸坯大颗粒夹杂显著减少，大约是弧形 铸坯的1/7~1/15。这是由于水平连铸中间包与结晶器密封连接，大大减轻了钢流的二次氧化 之故。 2.5钢包注流的二次氧化 水平连铸中间包与结晶器密封连接，杜绝了注流的二次氧化。但是钢包至中间包的注流 还是敝开浇注，还存在二次氧化。注流从空气吸氧的同时也吸收氛，故从钢包到中间包钢水 中的〔N)含量是增加的（表4）。因注流吸氧量无法测定，可以从吸氮量按以下方程式来 计算吸氧量。 △〔0)=KoPQ2·4og×1031n C-C8 CCN (1) PMKN 22.4 式中：M02一氧气分子量 C:一氛在铁液中饱和溶解度440ppm PM一钢水密度7.0g/cm3 C9一钢包中钢水含氮量 KN一吸氮速度常数1.0×102cm/s CN一铸坯中含氮量 Ko-吸氧速度常数0.26cm3/cm2s·atm Po2一大气中氧的分压，atm。 代入已知数据，计算钢包注流的吸氧量平均约为31Ppm(表4)，而圆坯中的总氧量 平均为97pPm,空气中吸氧占铸坯总氧约32%，也就是说铸坯中氧化物夹杂有约32%来自 于钢包注流的二次氧化。从钢包到中间包钢水酸溶A1平均减少0.0014一0.0020%，也证明 了这点。 小方坯连铸机从钢包→中间包→结晶器钢水平均吸氧为80,2PPm(3),而水平连铸钢水平 均吸氧为31PP。可见由于水平连，中间包与结晶器密封连接，杜绝了二次氧化，可减少吸 氧49.2Ppm,从而i电减少了钢中夹杂物，这是水平连铸重要优点之-·。为进-·步提高纲的纯 净度，钢包注流应采用保护浇注。 11

表 连 铸 坯 中 大 颗 粒 夹 杂 盆 ， 名 扭 。 八 ， 。 必 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 飞，︸几召 山叮曰几，今 口︸ 表 连铸坯 中大颗粒夹杂物 的尺 寸分布 林 一 林 一 林 卜 心 。 ‘ ， 男 ， 书 。 。 一 。 。 一 。 由表 可知 ， 与小方坯弧形连 铸机相比 ， 水平连 铸坯大颗粒夹杂显著减少 ， 大约 是弧形 铸坯的 。 这是 由于水平连铸 中间包与结 晶器密封连接 ， 大大减轻 了钢流的二次氧化 之故 。 钢包注流 的二 次粼化 水平连铸 中间包与结 晶器密封连接 ， 杜绝 了注流的二次氧化 。 但是钢包至 中间包的注流 还是敝开浇注 ， 还存在二次氧化 。 注流从空气吸氧的 同时也吸收氮 ， 故从钢包到 中间包钢水 中的 〔 〕 含量是增加的 表 。 因注流吸氧量 无法测定 ， 可以从吸 氮量按以下方程式 来 计算吸氧量 。 式 中 ， △ 〔 〕 竺坐招生 一 士坚卫乌 一 ” 。 一氧气分 子量 一钢水 密度 。 、 一吸 氮速度常 数 一 ’ 一吸 氧速度 常数 ” · · 蕊一 盆 吕 、 昌一氮在铁液 中饱 和溶解度 盆一钢 包 中钢 水含氮量 、 一铸坯 中含氮量 。 一大 气中氧的分压 ， 。 代 入已知数据 ， 计 算钢 包注 流的吸氧量平均约 为 表 ， 而 圆坯 中的 总 氧 量 平 均为 ， 空气 中吸 氧 占铸 坯 总 氧约 ， 也就 是 说 铸坯 中氧 化物夹杂 有 约 来 自 于钢 包注 流的二 次氧化 。 从钢 包到 中间包钢水 酸溶 平均减 少 。 。 一 。 ， 也 证 明 了这点 。 小方坯连 铸机从钢 包、 中间包，结 晶器钢 水 平均吸 氧为 〔 ” 〕 ， 而 水平连铸钢水 平 均吸氧为 。 可见 由于水 平连 铸 中间包与 结 晶器 密封连 接 ， 杜绝 了二次氧化 ， 可减少吸 氧 ， 从而 也减 少 钢 中夹杂 物 ， 这 是 水 平连铸重 要优 点之一 。 为进 一步提 高钢的纯 净度 ， 钢 包注流 应采 用 保护 浇注

表4水平连铸还平均吸氯量 Table 4 Average pick-up O2 in H.C.C billet Heat.No 165 167 168 169 170 Av.pick-up Na 10 口 g 11 北京钢 of billet (ppm) ∑O,in billet(PPm) 100 100 91 Av.pick-up Ozaccording to 26,69 32.94 19.88 39.80 31.86 calculation (ppm) 3结 语 (1)水平连铸20钢铸坯夹杂物主要是细小的A12O3和复相的铝酸盐等氧化物。 (2)沿拉坯方向圆坯横断面从上到下，夹杂物呈不对称性分布。在圆坯中心向上约半 径的3/4处有夹杂物集聚现象，且夹杂物尺寸几乎全部小于20μm。 (3)初步分析表明，水平连铸圆坯大颗粒夹杂物平均含量比小方坯弧形连铸机铸坯显 第 著减少，仅是1/7~1/15。 (4)水平连铸钢包→中间包注流吸氧约为31PPm,而中间包与结晶器密封连接，可减少 代 吸氧约49.2Ppm,从而提高了钢的纯净度，这是水平连铸的重要优点。 (5)大包→中间包采用保护浇注，改善中间包材质和钢水在中间包内的停留时间、分 布等是进一步提高水平连铸坯纯净度的有效措施。 五 参考文献 机 1 Kruger,B.et al:MPT,5 (1983),6 (2]Liu Xinhua et al:Proccedings of Shanghai Symposium on Continuos Casting,1985,19.1 〔8)蔡开科等：北京钢铁学院学报4(1984)，1 孟 12

表 水 平 连 铸 坯 平 均 吸 载 铭 · 一 。 ︸北岭京钢 丫 一 含 卜 侣 艺 川 “ 甲 一 。 。 。 。 。 。 结 语 一第代 号机五 水 平连 铸 钢铸坯夹 杂 物主 要 是 细小的 和 复相的铝 酸 盐等氧化物 。 沿 拉坯方 向圆坯横 断面 从上 到 下 ， 夹杂物呈 不对称性分 布 。 在 圆坯 中心 向上约 半 径的 处有夹杂物集聚现象 ， 且夹杂 物尺 寸几 乎全部小 于 林 。 初步分析表明 ， 水平连铸 圆坯大颗粒夹杂物平均含量 比小方坯弧形连 铸机铸坯显 著减少 ， 仅 是 。 水平连 铸钢 包、 中间包注流吸 氧约为 二 ， 而 中间包与结 晶器密封连 接 ， 可减少 吸氧约 ， 从而提 高 了钢 的纯净度 ， 这 是水 平连 铸的重要优 点 。 大包， 中间包采 用 保护浇注 ， 改善 中间包材质和钢水在 中间包内的停留时 间 、 分 布等是进一步提 高水平连 铸 坯 纯净度 的有效措施 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ， ， 〔 名 〕 ， ， 〔 〕 蔡开科等 北京钢铁学 院学 报