熱軋卷板表面夾渣缺陷來源分析及控制現(xiàn)狀
任英1，李鑫哲1，袁天祥2，陳威2，周海忱1，張立峰3
(1. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083；2. 燕山大學(xué)機械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066044；3. 燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066044)
摘要：熱軋卷板的表面夾渣缺陷對熱軋板的質(zhì)量及產(chǎn)品性能會產(chǎn)生極其惡劣的影響，會導(dǎo)致產(chǎn)品品級的下降乃至報廢等問題，并對產(chǎn)品的服役期限及性能造成一定影響。隨著冶煉過程中鋼液潔凈度的不斷提高，夾渣缺陷所造成的質(zhì)量問題顯得尤為嚴(yán)重。而不同生產(chǎn)工藝下表面夾渣缺陷的來源方式略有差異，缺陷的來源主要有精煉過程中鋼包渣的卷渣、非穩(wěn)態(tài)澆注時期的鋼包下渣、穩(wěn)態(tài)澆注過程中的中間包覆蓋劑卷入、結(jié)晶器卷渣等。熱軋卷板表面夾渣缺陷的控制優(yōu)化對提高熱軋卷板表面質(zhì)量有重要意義?？偨Y(jié)分析了熱軋卷板表面夾渣缺陷的來源，包括鋼包精煉渣、中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣、耐火材料內(nèi)襯等。著重總結(jié)分析了結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動、保護渣性質(zhì)、結(jié)晶器彎月面行為等對卷渣機理的影響。同時對國內(nèi)外關(guān)于熱軋卷板表面夾渣缺陷控制的方法及措施進行了綜述和分析，并提出了指導(dǎo)性意見，在浸入式水口處添加電磁線圈，通過直流磁場直接作用以減弱旋渦；在長水口處加入擋板等提高鋼包出口偏心率；改變水口參數(shù)以減弱鋼液回流所形成的剪切力；改變保護渣性質(zhì)或施加電磁力來平衡渣-鋼界面所需表面張力；優(yōu)化吹氬流量等連鑄工藝參數(shù)。
關(guān)鍵詞：熱軋卷板；表面夾渣缺陷；卷渣來源；連鑄；控制
文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 0449-749X（2022）01-0013-15
Source analysis and control status of slag defects on surface of hot-rolled coil
REN Ying1，LI Xin-zhe1，YUAN Tian-xiang2,CHEN Wei2，ZHOU Hai-chen1，ZHANG Li-feng3
(1. School of Metallurgical and Ecological Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China；2. School of Mechanical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066044， Hebei， China；3. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology， Yanshan University， Qinhuangdao 066044， Hebei， China)
Abstract： The slag entrainment defects on the surface of hot-rolled coils have an extremely bad effect on the quality and product performance of hot-rolled coils, resulting in the degradation of product grades and even scrapping, and deteriorate the service deadline and performance of the products to a certain extent. With the continuous improvement of the cleanliness of the molten steel in the smelting process, the quality problems caused by slag entrainment defects appear to be particularly serious. The sources of surface slag entrainment defects under different production processes are slightly different. The main sources of defects are ladle slag entrapment during refining, ladle roughing slag during unsteady pouring, tundish covering agent involvement during steady pouring, mold slag entrapment, and so on. The control and optimization of slag entrainment defects on the surface of hot-rolled coils are of great significance to improve its surface quality. The sources of slag entrainment defects were summarized and analyzed, including the ladle refining slag, tundish covering agent, mold flux, refractory lining, and so on. The effect of the fluid flow of the molten steel inside the mold, mold flux properties, and meniscus behavior on the mechanism of the slag entrainment were summarized and analyzed. The methods to control slag entrainment defects on the surface of hot-rolled coils at home and abroad were summarized and analyzed. Some guiding suggestions were putting forward, adding electromagnetic coils around the submerged entry nozzle to reduce the vortex through the direct action of the DC magnetic field, adding a baffle at the tundish shroud to improve the eccentricity of the ladle outlet, changing the nozzle parameters to reduce the shear force induced by the upper recirculation steel fluid flow, changing properties of the mold flux or adding the electromagnetic force to balance the surface tension of the slag-steel interface, and optimizing casting parameters such as the argon flow rate.
Key words：hot-rolled coil；surface slag entrainment defect；source of slag entrapment；continues casting; control
熱軋卷板是以板坯(主要為連鑄坯)為原料，在高溫條件下由粗軋機組及精軋機組制成帶鋼。從軋機出來的熱鋼帶通過層流冷卻至設(shè)定溫度，由卷取機卷取并冷卻得到鋼帶卷。根據(jù)用戶的不同需求，軋制后的熱軋卷板經(jīng)過不同的精整作業(yè)線加工成為鋼板、平整卷及縱切鋼帶產(chǎn)品。隨著熱軋卷板尺寸精度、板形、表面質(zhì)量等控制新技術(shù)的日益成熟以及新產(chǎn)品的不斷問世，熱軋鋼板、帶產(chǎn)品得到了越來越廣泛的應(yīng)用并在市場上具有越來越強的競爭力。熱軋卷板產(chǎn)品由于具有強度高，韌性好，易于加工成型及良好的可焊接性等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于冷軋基板、船舶、汽車、橋梁、建筑、機械、輸油管線、壓力容器等制造行業(yè)。
隨著潔凈鋼冶煉技術(shù)的提高，熱軋卷板中的雜質(zhì)元素含量已能降至較低水平，而在連鑄生產(chǎn)過程鋼液中夾雜物上浮聚集及冶金渣卷入鋼液被凝固前沿坯殼捕獲造成的表面及內(nèi)部質(zhì)量缺陷嚴(yán)重惡化了鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。夾雜物通過降低連鑄金屬的韌性從而降低鋼的力學(xué)性能，增加最終產(chǎn)品機械或腐蝕失效的風(fēng)險。針對熱軋卷板連鑄過程中夾渣缺陷控制的基礎(chǔ)研究對中國企業(yè)實現(xiàn)高端熱軋卷板的自主生產(chǎn)具有重大意義。
1 表面夾渣缺陷對熱軋卷板質(zhì)量的影響及來源分析
熱軋卷板表面和內(nèi)部質(zhì)量缺陷主要有微裂紋、氣泡、表面翹皮、層狀(條狀)缺陷、夾渣缺陷等，其中夾渣缺陷尤為普遍，且夾渣缺陷對裂紋、偏析、層狀缺陷等有不同程度的影響，對鑄坯質(zhì)量影響最為嚴(yán)重。造成夾渣缺陷的夾雜物來源主要有兩種，分別為內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物，主要為結(jié)晶器保護渣、水口脫落物和其他非二次氧化產(chǎn)物。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展和對質(zhì)量要求的進一步提高，通過對夾渣缺陷處成分進行分析以及示蹤劑的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鋼包精煉渣、中間包覆蓋劑、中間包/鋼包壁面以及浸入式水口耐火層侵蝕物等也會一定程度成為卷渣的來源。國內(nèi)部分鋼廠熱軋卷板表面主要缺陷種類及成分分析、示蹤法等所測得的夾雜物來源以及質(zhì)量現(xiàn)狀見表1。
典型表面夾渣缺陷形貌如圖1所示。寶鋼方坯連鑄產(chǎn)品近表面及邊部觀察到大顆粒夾雜物(大于100 μm)的存在，通常會導(dǎo)致后期加工過程中的表面脫落和開裂現(xiàn)象，如圖1(a)所示，圖中標(biāo)注了缺陷處的主要成分，Na2O的存在表明夾渣缺陷主要來源于結(jié)晶器保護渣的卷入。圖1(b)為在生產(chǎn)過程中由卷渣引起的典型的翹皮缺陷形貌。熱軋卷板的夾渣缺陷總體形貌為黑色或黑白相間的線條狀，與整體顏色差別明顯，并常伴有翹皮的出現(xiàn)，如圖1(c)所示。對圖1（c）缺陷處進行成分分析，表明缺陷處含有一定比例的Na、Mg、Al等結(jié)晶器保護渣代表性元素，因此可以認(rèn)為，此處缺陷是由卷入且未及時上浮的結(jié)晶器保護渣在凝固前沿被凝固坯殼捕獲并形成表面及皮下夾渣缺陷。圖1(d)為某鋼廠連鑄生產(chǎn)中水口結(jié)瘤物脫落導(dǎo)致的鑄坯表面缺陷，缺陷位置有較大的裂痕和凹坑，且伴隨一定程度的碎片化，缺陷形狀無明顯規(guī)律，在垂直軋制方向及沿軋制方向均觀察到缺陷發(fā)生。
部分保護渣被卷入鋼液后，并沒有直接在彎月面處被凝固前沿坯殼捕獲造成夾渣缺陷，而是在鋼液中停留一定的時間，并與鋼液反應(yīng)導(dǎo)致成分發(fā)生變化。采用耦合熱力學(xué)平衡和動力學(xué)擴散模型計算結(jié)果，如圖2所示，以結(jié)晶器保護渣初始成分為起點，通過模型計算保護渣在卷入鋼液后與鋼液相互作用一定時間內(nèi)的成分變化過程。通過成分對比發(fā)現(xiàn)，部分缺陷處成分與保護渣在鋼液中反應(yīng)一段時間后所變化的成分相似，表明卷渣發(fā)生一定時間后，鋼液會與殘留的部分未能上浮去除的保護渣反應(yīng)并被凝固坯殼捕獲造成夾渣缺陷。
2 連鑄過程結(jié)晶器卷渣機理
連鑄過程是熔融鋼液凝固成鑄坯的重要步驟，當(dāng)鋼液凝固后，后續(xù)的加工步驟很難再對其質(zhì)量有本質(zhì)上的影響。結(jié)晶器連鑄過程中，相較保護渣的成分不當(dāng)對卷渣的影響，由流動和傳熱不均所導(dǎo)致的卷渣現(xiàn)象對夾渣缺陷產(chǎn)生的影響尤為明顯，且在連鑄過程中，由于吹氬、拉速及水口浸入深度等參數(shù)的實時調(diào)整更為便捷有效。傳熱和流動所引起的卷渣機理有以下兩大方面：彎月面行為，凝固鉤卷渣，液位波動；結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)，剪切卷渣，旋渦卷渣，氬氣泡沖擊渣鋼界面，水口結(jié)瘤。
2.1 彎月面行為對卷渣的影響
彎月面行為引起卷渣的機理如圖3所示，彎月面處由于熱量傳遞不及時導(dǎo)致鋼液出現(xiàn)枝晶凝固或倒鉤、液位突然下降使鋼絞線頂部突然暴露在液態(tài)渣中、液面出現(xiàn)湍流等液面波動現(xiàn)象、鋼水流出浸入式水口后撞擊結(jié)晶器窄面產(chǎn)生的回流沖擊彎月面等行為均對凝固前沿處卷渣產(chǎn)生一定的影響，影響到熱軋卷板表面夾渣缺陷的形成。
2.1.1 凝固鉤的產(chǎn)生
凝固鉤的不同類型如圖4所示，凝固鉤有完整葉狀、雙凝固鉤狀、彎曲截斷狀及二次凝固型4種不同類型，倒鉤出現(xiàn)的根本原因是因為傳遞到彎月面的熱量不足導(dǎo)致凝固鉤出現(xiàn)，特別是溫度往往最低的窄面。彎月面凝固會導(dǎo)致凝固鉤捕捉到正在上升的氬氣泡、保護渣液滴或是固體夾雜物。彎月面處被凝固鉤捕獲的夾雜物再次進入鋼液導(dǎo)致夾渣缺陷的過程示意圖如圖5所示，當(dāng)被彎月面支撐起的熔融鋼液溢出時，就會攜帶和捕捉保護渣進到剛剛形成的倒鉤上面，與鋼液中夾雜物數(shù)量相比，倒鉤區(qū)域大尺寸夾雜物的數(shù)量明顯增多。
2.1.2 液位波動的影響
結(jié)晶器振動也會很大程度上影響彎月面結(jié)構(gòu)。盡管在生產(chǎn)過程中結(jié)晶器的振蕩導(dǎo)致液面的輕微變化，但是結(jié)晶器流動過程中的瞬時變化導(dǎo)致了可以產(chǎn)生卷渣現(xiàn)象的更大程度的波動。如果液面波動相對于渣層厚度足夠劇烈，這種機理甚至能夠?qū)е鹿虘B(tài)保護渣直接被卷入。除了湍流和結(jié)晶器振動外，鋼液上表面波動也有可能是由上游流量控制設(shè)備引起的，例如滑動水口或塞棒，或是二次冷卻過程中型殼的突起。塞棒和上水口處不同吹氬流量對彎月面液位波形、分布及波動的影響如圖6所示，隨著吹氬流量的增加，結(jié)晶器內(nèi)流場由雙環(huán)流過渡至復(fù)雜流，最終到單環(huán)流，同時液位波動大小逐步增大，一定程度上增大了卷渣的風(fēng)險。
2.2 結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)對卷渣的影響
流體流動也影響著熱傳遞、凝固過程和溶質(zhì)運輸，很大程度上影響了最終鋼產(chǎn)品的顆粒結(jié)構(gòu)和內(nèi)部質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)引起卷渣的機理如圖7所示，卷渣現(xiàn)象主要為剪切卷渣、旋渦卷渣、氬氣泡沖擊渣-鋼界面、水口結(jié)瘤影響界面失穩(wěn)等原因引發(fā)的卷渣，結(jié)晶器的液面波動是鑄坯在連鑄過程中引入夾雜物的直接原因。
2.2.1 剪切卷渣
鋼水流動與結(jié)晶器保護渣剪切流動的不穩(wěn)定性是結(jié)晶器卷渣的重要原因之一，結(jié)晶器保護渣的運動黏度對夾渣缺陷的形成有重要影響。在實際生產(chǎn)中，連鑄過程中夾渣深度和澆注速度是影響剪切層失穩(wěn)的兩個直接因素，進而導(dǎo)致卷渣的發(fā)生。
2.2.2 旋渦卷渣
由于鋼液自身具有旋轉(zhuǎn)慣性力，即科氏力。出鋼過程中產(chǎn)生的旋渦與科氏力有著密切的關(guān)系，中間包內(nèi)鋼水液位低于臨界高度時，鋼液向出鋼口中線匯集，從而極易在澆鑄過程中產(chǎn)生旋渦，造成渦芯卷氣或在向下澆鑄過程中卷渣。渦流是由于射流的瞬時搖動對表面流動產(chǎn)生了強烈沖擊且方向不斷改變，浸入式水口附近渦流最嚴(yán)重。塞棒左側(cè)錯位的情況下，速度上明顯的左右不對稱導(dǎo)致了左側(cè)部分相較右側(cè)有更多的渦流形成，更易造成旋渦卷渣。
2.2.3 氬氣泡沖擊渣鋼界面
為了防止鋼液吸氣出現(xiàn)二次氧化，以及達到攪拌鋼液的目的，在結(jié)晶器上部進行吹氬。氬氣在噴嘴出口處高速噴射后形成氣泡，氣泡夾帶周圍的鋼液上升，并形成了氣泡湍流。在高氣速條件下，氣泡會破壞渣層，形成渣眼，引起渣-鋼界面的劇烈波動，促進鋼液與頂部合成還原渣的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)渣眼過大時，氧氣會被從大氣吸入到鋼水中。同時，氣體流量較大時也可能發(fā)生卷渣現(xiàn)象。
2.2.4 水口結(jié)瘤
水口結(jié)瘤后結(jié)晶器內(nèi)水口兩側(cè)流場不均，未堵塞側(cè)流速流量更大，回流面積更大；堵塞側(cè)水口底部傾角較小，射流對液面產(chǎn)生沖擊，與上部回流產(chǎn)生旋渦，造成結(jié)晶器內(nèi)部流動形態(tài)失穩(wěn)以及結(jié)瘤物脫落，導(dǎo)致卷渣現(xiàn)象產(chǎn)生。多鋼種水口結(jié)瘤成分分析見表2。
此外，流動控制系統(tǒng)(滑動水口開度、塞棒位置、拉速、結(jié)晶器振動幅度等連鑄參數(shù))，外加電磁場、水口特性等工藝參數(shù)也是影響結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動的重要因素，需要在實際生產(chǎn)過程中使其設(shè)置在最佳范圍內(nèi)。
3 表面夾渣缺陷控制方法
3.1 控制結(jié)晶器流場流動
夾渣缺陷的重要來源為結(jié)晶器卷渣，對結(jié)晶器卷渣的控制主要著眼于單位時間內(nèi)吹氬量、拉速的調(diào)節(jié)，使結(jié)晶器內(nèi)流場保持雙環(huán)流穩(wěn)定流動。同時針對特殊鋼種應(yīng)用特殊水口以優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動，以達到提高鋼液潔凈度以及減小卷渣風(fēng)險的目的。不同水口浸入深度、通鋼量及不同吹氬速率下，結(jié)晶器內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)變圖如圖8所示，可得到單、雙環(huán)流邊界線所對應(yīng)的吹氬流量與通鋼量之間關(guān)系的擬合方程。應(yīng)用自動吹氬系統(tǒng)實時控制不同拉速下的吹氬流量，在改善水口結(jié)瘤的同時保持結(jié)晶器內(nèi)部鋼液雙環(huán)流流態(tài)，使上部鋼液面平滑流動，減少卷渣現(xiàn)象發(fā)生。流態(tài)轉(zhuǎn)變圖表明通鋼量越大，吹氬流量越小，越容易形成雙環(huán)流。
馮巍等認(rèn)為：鋼包出水口直徑越大，初始切向流速就越大，導(dǎo)致臨界起旋高度越高；提高鋼包出口偏心率，可有效抑制末端的旋渦流動，減少卷渣的發(fā)生。鄧小旋等通過對首鋼京唐、日本JFE以及韓國浦項的高速連鑄技術(shù)進行研究指出，為了達到高速連鑄并保證鑄坯質(zhì)量，浸入式水口傾角增大有利于降低結(jié)晶器的渣-鋼界面的液面波動和凝固坯殼生成初期的卷渣風(fēng)險。國內(nèi)外學(xué)者對水口特性的工業(yè)試驗和模擬分析見表3，通過對比，可以針對不同鋼種分別選擇適宜的水口進行連鑄過程的澆注。
3.2 控制凝固鉤的產(chǎn)生
在連鑄過程中，通常采用對結(jié)晶器外加電磁場以穩(wěn)定流動狀態(tài)并改善熱量傳遞不均的現(xiàn)象。影響凝固鉤類型的因素如圖9所示。不同磁場、水口浸入深度、拉速、過熱度均會對距窄面中心不同距離處的平均凝固鉤深度產(chǎn)生較大影響，高拉速下施加磁場會減小所產(chǎn)生凝固鉤的深度；提高鋼液澆鑄溫度，減小水口浸入深度，提高結(jié)晶器上表面鋼液溫度，從而抑制凝固鉤的形成。
結(jié)晶器內(nèi)不同強度電磁攪拌對鑄坯偏析的影響如圖10所示。圖10(a)中各圓坯在施加不同強度的結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌情況下，二次枝晶臂間距大小變化趨勢相同，但長度有所差異。二次枝晶臂間距大小對后期的退火等工藝以及對最終產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響，可通過控制電磁攪拌強度間接控制二次枝晶臂間距大小。圖10(b)為不同電磁攪拌強度對等軸晶區(qū)所占比例和半宏觀偏析比率的影響，施加電磁攪拌使偏析斑點數(shù)量和大小最大化。通過對二次枝晶間距大小和半宏觀偏析率的控制，可優(yōu)化鑄坯品質(zhì)及性能。
3.3 控制氬氣泡的聚集
在單位時間內(nèi)吹氬流量較大時，會導(dǎo)致氬氣泡的聚集，大量上浮的氬氣泡致使鋼液上表面波動幅度較大，結(jié)晶器內(nèi)出現(xiàn)單環(huán)流或復(fù)雜流動。因此在連鑄過程中，對結(jié)晶器內(nèi)熔融鋼液施加電磁攪拌或電磁制動可以控制鋼液流動，改善鋼液內(nèi)部傳熱不均現(xiàn)象及局部鋼液由于氬氣泡大量上浮所導(dǎo)致的流動紊亂，從而減小鋼液在彎月面處發(fā)生卷渣的風(fēng)險。同時還可以在結(jié)晶器不同部位施加電磁攪拌，在二冷區(qū)施加可以改變晶體類型、加速等軸晶區(qū)的形成、改善鑄坯品質(zhì)；在凝固末端施加可以促使液芯區(qū)域均勻冷卻，有效抑制偏析現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。
吹氫時間15 s時，施加電磁攪拌和未施加電磁攪拌下結(jié)晶器內(nèi)氬氣泡分布示意圖如圖11所示，對比不施加電磁攪拌的情況，施加電磁攪拌氣泡上升得更慢，由于施加電磁攪拌后，流動更慢且阻力系數(shù)在磁場存在的情況下更高，減緩了氬氣流沖擊鋼液上表面所引起的液位波動。同時更少的氣泡被帶入到了結(jié)晶器更深的區(qū)域，更少的氣泡被帶入到了窄邊，有效地緩解了氬氣泡在鋼液中的擴散程度，改善了鑄坯質(zhì)量。結(jié)晶器附加電磁場對流場的控制見表4，根據(jù)不同的需求對連鑄過程施加電磁攪拌及制動，從而實現(xiàn)對鑄坯夾渣缺陷的控制方案。
3.4 控制鋼中夾雜物含量
鋼液中總氧含量直接影響鋼中夾雜物含量，在保證精煉過程中鋼中總氧含量下降至規(guī)定范圍內(nèi)的情況下，通過調(diào)節(jié)精煉渣、中間包覆蓋劑以及結(jié)晶器保護渣成分，增強對鋼中夾雜物的吸附能力，同時優(yōu)化渣的堿度、黏度和表面張力等特性，降低液面波動引起卷渣的風(fēng)險，預(yù)防結(jié)晶器彎月面凝固鉤對保護渣的捕獲，控制鋼中夾雜物含量。保護渣成分變化對性質(zhì)的影響如圖12所示，通過改變保護渣的成分將保護渣的黏度和表面張力兩項本無直接聯(lián)系的性質(zhì)結(jié)合在一起，共同作用于保護渣，通過對堿度進行調(diào)控，從而在兼顧黏度的情況下增大保護渣的表面張力，既提高保護渣對夾雜物的吸附能力，又維持保護渣具有足夠的表面張力以減小卷渣的風(fēng)險。保護渣成分變化對其理化性質(zhì)起到?jīng)Q定性作用，根據(jù)不同鋼種對保護渣成分進行合理的優(yōu)化，從而達到改進鑄坯質(zhì)量的作用，國內(nèi)外保護渣改進方案見表5。
4 結(jié)語
(1)通過在浸入式水口處將直流電磁線圈圍繞鋼包下座磚出鋼孔內(nèi)壁外側(cè)，從而使電磁線圈產(chǎn)生的直流磁場直接作用到鋼液上以減弱旋渦效果。
(2)在水口處加入擋板、提高鋼包出口偏心率來抑制旋渦的切向流動。
(3)改變水口的孔大小、開孔數(shù)量、孔形狀、插入深度等各項參數(shù)來減弱鋼液回流形成的剪切力。
(4)提高保護渣黏度、對保護渣施加電磁力以改變保護渣黏度、加入添加劑等來影響保護渣性質(zhì)和鋼-渣界面的表面張力以達到所需平衡點。
(5)通過智能控制氬氣流量或試驗?zāi)M針對不同鋼種在非穩(wěn)態(tài)澆注過程所需的氬氣流量以及實時控制來應(yīng)對，利用智能吹氬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋來提高吹氬對鋼坯表面質(zhì)量的影響。
