高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”分析及改进_陈兴润.pdf

通信作者：陈兴润（），男，博士生，教授级高级工程师；：；收稿日期：高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”分析及改进陈兴润，马国财，魏维岗，胡桓彰，刘斌，潘吉祥（酒钢集团 宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 ）摘要：通过对“结晶器结鱼”物和中间包夹杂物检测，系统分析了高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”现象发生的根本原因。结果表明：“结晶器结鱼”物和中间包中夹杂物类型主要为纯的 和以镁铝尖晶石为核心的 。夹杂物是导致“结晶器结鱼”产生的根本原因。结合热力学计算和试验结果，夹杂物在 的液相线温度下就会析出。通过控制钢水（），中间包钢水温度大于 ，可以避免“结晶器结鱼”的发生。关键词：高硅含钛奥氏体不锈钢；氮化钛；结晶器结鱼；中间包中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，：；不锈钢浇铸过程中，水口堵塞是比较常见的技术难题。针对水口堵塞问题，许多科研工作者都进行过相关报道。等人研究了高硅不锈钢水口堵塞的问题，指出镁铝尖晶石和其团簇的数量增加，是这类钢种浇铸过程中堵塞的主要原因。为了防止 不锈钢水口堵塞问题，提出了改进措施，例如优化水口形状、提高钢水洁净度、浇铸过程防止二次氧化、在添加稀土合金之前通过吹氩搅拌减少 夹杂物和稀土类夹杂物的数量等。在所有系列不锈钢中，含钛不锈钢的浇铸问题体现得尤为突出。冶炼和连铸控制不好，容易导致水口絮流、结晶器“结鱼”、板坯表面夹杂、冷轧板表面线鳞、线缺陷等问题。其中，随着成分设计中钛含量越高，生产难度越大，质量问题越多。针对含钛不锈钢的生产，近期又成 为 一 个 研 究 热 点。等 人研 究 了 超纯铁素体不锈钢浇铸过程中浸入式水口（）堵塞物特征和氧化物夹杂的演变，指出浸入式水口堵塞物主要由冷钢和夹杂物组成，夹杂物类型主要为富含（）的 。等人通过对钢液和轧制产品的系统取样，研究了铸锭法生产的钛稳定 奥氏体不锈钢中夹杂物的形成机理，指出钢液中（），喂入钛线后夹杂物类型主要为 和以 为核心的 。从以上的文献报道来看，浸入式水口堵塞问题研究的比较多，对“结晶器结鱼”相关报道不多。郑宏光等人 针对钛稳定化 奥氏体不锈钢连铸结晶器“结鱼”进行了相关研究。本文研究的高硅含钛奥氏体不锈钢，钛含量要求比 奥氏 年月第 卷 第期炼钢 体不锈钢更高，在浇铸过程中出现了严重的“结晶器结鱼”，影响了浇铸顺行。本文通过对“结晶器结鱼”物和中间包夹杂物检测分析，系统分析“结晶器结鱼”现象发生的根本原因，从而为高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”问题的解决提供技术指导。生产工艺及问题酒钢生产的高硅含钛奥氏体不锈钢，在连铸结晶器中“结鱼”严重，只能通过捞渣来保证顺利浇铸。结晶器中捞出的“结鱼”物见图所示。可以看出，“结鱼”物整体为黑色块状物质，局部呈金黄色，“结鱼”物存在大量气孔。为查明“结晶器结鱼”产生原因，对生产工艺进行梳理。高硅含钛奥氏体不锈钢采用“电炉 连铸”工艺路线。废钢、镍铁和铬铁在电炉熔化后兑入 炉进行冶炼。炉依次进行脱碳、还原和脱硫步骤。还原采用硅铝复合 脱 氧，钢 液 中 目 标 铝 质 量 分 数 。在 炉 进 行 钼 和 铜 的 合 金 化。炉处理完毕后，钢包吊到扒渣站进行扒渣，将炉渣扒除干净后吊运到 进行精炼。首先加入石灰、精炼渣和萤石进行造渣，通电化渣后进行钙处理；后进行钛合金化，钛质量分数的目标为 。当成分和温度达到工艺要求后弱吹氩 ，后将钢包吊运到连铸平台进行浇铸。浇 铸 断 面 为 ，拉 速 ，中包钢水温度 。高硅含钛奥氏体不锈钢（炉次）中间包中钢水化学成分见表所示，保护渣化学成分见表所示。图结晶器“结鱼”照片 “”表高硅含钛奥氏体不锈钢化学成分（）表保护渣化学成分（）“结晶器结鱼”检测分析生产工艺过程未见异常，因此重点对“结晶器结鱼”物进行检测分析。采用线切割对样品进行加工，加工后的样品使用扫描电镜进行形貌和成分分析。图为“结晶器结鱼”物不同部位的微观形貌。图 为“结晶器结鱼”物在小倍数下的照片，从图中可以看出样品中有孔洞和坑存在。在坑的位置继续放大倍数，可以看到有大量立方体的物 质 存 在，尺 寸 不 一 致，最 大 的 尺 寸 达 到，见图 。对另外一个样品进行检测分析，观察到的结果跟图 观察到的结果是一致的，坑中有大量的立方体物质，一部分立方体中有黑色物质存在。为了掌握结晶器“结鱼”中立方体物质的成分，进行扫描电镜元素面分布检测，结果见图所示。从图 中可以看出，结晶器“结鱼”物主要为 ，占据了非常大的面积。除了 ，还存在、元素，外面被 包围。图 中，除了 外，其它位置存在、和 元素，跟保护渣成分进行对比，基本是一致的。图 中可以更明显地发现，结晶器“结鱼”中立方体物质的成分主要为 ，一部分 分两层，核心为镁铝尖晶石。炼钢第 卷图结晶器“结鱼”微观形貌 “”第期陈兴润，等：高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”分析及改进图结晶器“结鱼”元素分布图 “”中间包夹杂物检测分析对柱状取样器取到的中间包钢液样品进行夹杂物检测分析，结果见图所示。可以看出，中间包中主要存在种类型的夹杂物，第种为菱形的夹杂物，尺寸比较小，在左右，见图 所示。第种为带核心的不规则夹杂物，夹杂物分两层，见图 和图，好几个夹杂物团聚在一起。这种类型的夹杂物尺寸相对较大，尺寸基本都在以上。第种夹杂物为圆球状的夹杂物，尺寸较大，达到，见图。几种类型的夹杂物通常团聚在一起。对中间包中的夹杂物进行元素面分布检测，结果见图所示。从图可以看出，纯的菱形夹杂物为氮化钛。带核心的不规则夹杂物核心为镁铝尖晶石，外层为氮化钛。大尺寸球状的夹杂物，成分为 。炼钢第 卷图中间包中典型夹杂物形貌 图中间包中典型夹杂物元素分布图 采用扫描电镜自带的 软件对中间包中夹杂物类型和数量进行统计分析，选取夹杂物尺寸大于，结果发现，中间包中氧化物夹杂物数量密度为 个，夹杂物数量密度第期陈兴润，等：高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”分析及改进为 个。“结晶器结鱼”原因分析及改进采用热力学软件计算高硅含钛奥氏体不锈钢的平衡凝固相图。计算炉次成分下高硅含钛奥氏体不锈钢的液相线温度，计算结果见图所示。可以看出，随着温度降低，在 时液相中首先析出高温铁素体，因此高硅含钛奥氏体不锈钢的液相线温度为 。图高硅含钛奥氏体不锈钢平衡凝固相图 采 用 热 力 学 软 件 分 别 计 算 、下氮化钛析出曲线，结果见图 所示。将炉次的 含量和 含量标记到图中。可以看出，高 硅 含 钛 奥 氏 体 不 锈 钢 夹 杂 物 在 的液相线温度下就会析出。通过将钢液中（）控制 以下，中间包钢水温度大于 ，可以避免 的生成。图不同温度下氮化钛析出曲线 高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”现象产生的主要原因为：高硅含钛奥氏体不锈钢成分设计中 要 求（），钢 液 中（），（），中 间 包 浇 铸 温 度 为 ，由于高的钛、氮含量和低的过热度，导致钢液中析出了纯的 夹杂物。此外，钢液中镁铝尖晶石为 的析出提供了形核质点，钢液中析出了以镁铝尖晶石为核心的 夹杂物。当中间包的钢液通过浸入式水口流入结晶器后，随着温度降低，除了中间包中已经存在的 夹杂物，又会形成新的 夹杂物。跟保护渣中的 、会发生式（）式（）的反应。这些化学反应都是吸热反应，随着反应的不断进行，保护渣会出现“结鱼”现象，结晶器“结鱼”尺寸越来越大，影响浇铸顺行。现场通过捞渣解决结晶器“结鱼”现象，又会导致液面波动，卷渣现象的发生。“结晶器结鱼”物中气孔主要是由于反应产生氮气导致的。（）（）（）高硅含钛奥氏体不锈钢成分设计对钛含量下限有要求，因此控制“结晶器结鱼”现象发生，最重要就是控制氮含量和中包过热度。热力学计算结果表明通过将钢水（）控制到 以下，中间包温度大于 ，可以避免氮化钛在中间包和结晶器中大量析出，从而解决“结晶器结鱼”的问题。年采取以上措施共生产高硅含钛奥氏体不锈钢 炉，炉高硅含钛奥氏体不锈钢钛含量和氮含量控制见图所示，未发生“结晶器结鱼”问题，冷轧板一级品率 。图高硅含钛奥氏体不锈钢钛含量和氮含量 炼钢第 卷结论）高硅含钛奥氏体不锈钢中间包中主要存在种类型的夹杂物，第种为菱形的 夹杂物，第种为以镁铝尖晶石为核心的氮化钛，第种为氧化物夹杂物，成分为 。中间包中氧化物夹杂物数量密度为 个，夹杂物数量密度为 个。）高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”物中主要为纯 和以镁铝尖晶石为核心的 。夹杂物是导致“结晶器结鱼”产生的根本原因。）通过将钢水（）控制到 以下，中间包钢水温度大于 ，可以避免高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”的发生。参 考 文 献 ，（）：，（）：，（）：，（）：王杏娟，曲硕，刘然，等高钛钢专用连铸保护渣研究现状及展望材料导报，（增刊）：王启明，成国光含 不锈钢冶金工艺进展工程科学学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：郑建超，潘超，崔崇炜，等 不锈钢浸入式水口结瘤研究 工程科学学报，（增刊）：，（）：郑宏光 含钛不锈钢连铸水口结瘤和结晶器“结鱼”宝钢技术，（）：郑宏光，陈伟庆，陈宏，等 钛稳定化 不锈钢连铸结晶器“结鱼”的研究 特殊钢，（）：成东全，陈兴润 硅含量对含钛不锈钢全氧和夹杂物的影响 炼钢，（）：（上接第 页）参 考 文 献朱国森，于会香，王万军，等 钢冷轧板表面缺陷研究钢铁，（）：王新华 高品质冷轧薄板钢中非金属夹杂物控制技术钢铁，（）：冀云卿，王新华，邓小璇，等 冷轧薄板表面缺陷成因研究及控制 炼钢，（）：王敏，包燕平，杨荃钛合金化过程对钢液洁净度的影响 北京科技大学学报，（）：崔衡，陈斌，王敏，等 精炼过程中 钢洁净度控制北京科技大学学报，（增刊）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：潘明，于会香，季晨曦，等 精炼过程中吹氧量对 钢洁净度的影响 工程科学学报，（）：万万 钢冶炼过程中非金属夹杂物的演变规律研究沈阳：东北大学，：徐敏，刘中财，严晓，等容量增量内阻一致性在线检测方法 储能科学与技术，（）：李朋欢，包燕平，岳峰，等 脱碳过程中极低氧钢液的碳氧反应机理 北京科技大学学报，（）：袁保辉，刘建华，周海龙，等 强制脱碳与自然脱碳工艺生产 钢精炼效果分析 工程科学学报，（）：岳峰，崔衡，李朋欢，等 冶炼超低碳钢的最优工艺研究 北京科技大学学报，（增刊）：，（）：第期陈兴润，等：高硅含钛奥氏体不锈钢“结晶器结鱼”分析及改进