連鑄坯中存在的非金屬夾雜物對鋼產品的質量將會帶來極大的危害。因此減少連鑄坯中非金屬夾雜物，使其具有高清潔度以保證鋼的質量對連鑄生產至關重要。連鑄坯中非金屬夾雜物的來源比較復雜，有脫氧生成物、空氣氧化、爐渣、覆蓋劑、保護渣及耐火材料的熔損等。因為從出鋼后到中間包開澆，鋼水二次氧化機會多、出鋼過程的脫氧產物、擋渣失敗、與耐火材料接觸時間長等都易使鋼水被污染。另外結晶器保護渣的卷入及結晶器內鋼水的強制對流，夾雜物被帶到液相穴深處無法上浮，也將導致鑄坯夾雜缺陷。所以連鑄生產過程中采用合理的操作工藝及技術，采取一切措施盡可能最大限度地去除鋼中的非金屬夾雜物，已成為連鑄生產的關鍵。隨著技術的發(fā)展，鋼中的夾雜物的濃度可控制得越來越低、即使存在一定的夾雜物也可使其變性。
1 連鑄及鑄坯非金屬夾雜物的來源及性狀
1.1 鋼中非金屬夾雜物的分類
鋼中的非金屬夾雜物主要是指鋼中不具有金屬性質的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物等。夾雜物的產生按其來源可以分為外來夾雜物和內生夾雜物。外來夾雜物主要是在冶煉或凝固過程中混入而未及時浮出的爐渣或耐火材料等；而內生夾雜物主要是脫氧、脫硫等過程的產物，也叫一次脫氧（硫）產物，以及在冷卻和凝固過程中由于某些元素（氧、硫、氮等）溶解度下降而形成的化合物（二、三次脫氧產物），當來不及排除而留在鋼中時產生的。非金屬夾雜物從尺寸、大小來分可分為：顯微夾雜物和宏觀夾雜物。顯微夾雜物尺寸比較小，不大于50μm，一般在20μm以下，此類夾雜物均勻地分布在鋼中，主要來自鋼中的脫氧產物、澆注過程中的二次氧化產物。宏觀夾雜物為大型夾雜物，尺寸大于50μm，這類夾雜物顆粒大，數量少，主要是外來夾雜。此類夾雜物在鋼中呈偶然性分布，對產品質量危害最大。根據夾雜物化學成份的不同可分為：氧化物系夾雜、硫化物系夾雜和氮化物系夾雜。氧化物夾雜有：簡單的單質氧化物，F(xiàn)eO、Fe2O3 、Al2O3、SiO2、MnO等，在鎮(zhèn)靜鋼中，用硅鐵或鋁脫氧時，則SiO2和Al2O3比較常見；復雜氧化物，包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽，F(xiàn)eO.Al2O3、MnO.Al2O3、MgO.Al2O3等；硅酸鹽和硅酸鹽玻璃，此類夾雜物組成復雜，常常是多相的。其化學通用式為：1 FeO.m MnO.n Al2O3.p SiO2.。硫化物夾雜主要是：FeS、MnS等。一般鋼中硫化物夾雜的成份取決于鋼中的含錳量和含硫量的比值，[Mn]比 [Fe]對[S]具有較大的親和力，向鋼中加入的錳優(yōu)先形成的是MnS。所以通常鋼中的硫化物主要是MnS。當鋼中有Al、Ti、Zr等元素存在將形成氮化物夾雜。鋼中AlN的顆粒非常小。TiN或ZrN在鋼中實際不溶解。根據夾雜物的形態(tài)來分類有：塑性夾雜、脆性夾雜和不變形夾雜。塑性夾雜在加工過程中沿加工方向延伸成條帶狀，較低熔點的硅酸鹽以及FeS、MnS夾雜屬于這一類。而脆性夾雜在加工過程中不變形，沿加工方向破裂成串。尖晶石型復合氧化物以及釩、鈦、鋯的氧化物等高熔點、高硬度夾雜屬于這一類。不變形夾雜在加工過程保持原來的球點狀。SiO2、含SiO2較高（﹥70％）的硅酸鹽、鈣的鋁酸鹽和高熔點的硫化物（CaS等）為這一類型夾雜。
由于外來夾雜物、宏觀夾雜物、一次脫氧產物往往比較粗大，形狀不定，對鋼的危害大，要努力避免。內生夾雜從其產生的機理看，是無法完全避免的，但可以對其數量、大小、類型、分布等進行控制來降低其危害作用。
1.2連鑄坯中夾雜物的來源
連鑄坯內的夾雜物來源比較廣泛和復雜，主要包括以下幾個方面：
?。?）煉鋼過程脫氧產物。
這部分夾雜主要是氧化物，是鋼液中未上浮的脫氧產物，其尺寸小于20μm者居多，通常都在50μm以下，與鋼中的氧含量有關。鋼中氧含量過高，則角狀夾雜物及宏觀夾雜物增多，易于發(fā)生脆性斷裂。這類夾雜通常是單相的晶體和尺寸較大的串族狀Al2O3及硅酸鹽的復合相，在鋼水的精煉過程中采用合適的精練工藝大部分是可以將其去除的。
（2）澆注過程中鋼液的二次氧化產物
鋼水中的元素在澆注過程中與空氣中的氧、耐火材料和爐渣中的氧化物發(fā)生化學反應產生大量二次氧化產物。這些反應包括，注流與空氣接觸的直接氧化、注流卷入的空氣與鋼水的相互作用、包襯耐火材料與鋼水的相互作用以及機械卷入鋼液內部懸浮液滴與鋼水作用。在鋼包→中間包→結晶器澆鋼過程中，長水口及浸入式水口直徑小，與鋼水接觸面積大，若長水口吹氬保護不好而吸入空氣，或鋼包不能自動開澆，鋼水長時間暴露在空氣中，中間包覆蓋劑加入不及時等現(xiàn)象出現(xiàn)導致鋼水與空氣接觸，二次氧化更為嚴重。根據文獻介紹，從鋼包開澆到鋼水進入結晶器過程中，鋼水中[Al]的變化為：鋼包→中間包鋼水中[Al]的氧化占總氧化損失的35％，中間包注流沖擊區(qū)卷入空氣導致[Al]的氧化損失為30％，包襯和卷入渣子導致[Al]氧化損失約25％，水口耐火材料使[Al]的氧化損失為10％?？梢婁撍c空氣接觸二次氧化使[Al]損失占總損失的60％以上，所以長水口吹氬保護不好二次氧化是嚴重的。這些過程中所產生的二次氧化產物，一部分在中間包內上浮分離，一部分由注流帶入結晶器卷入液相穴深部成為鑄坯夾雜物。因此減少鋼中夾雜物，采取嚴格的保護措施，防止鋼水的二次氧化是十分重要的。
中間包在澆鑄開始、更換鋼包和浸入式水口期間也易造成鋼水污染，在這些非正常澆鑄期間，很可能夾渣和吸入大氣，誘發(fā)二次氧化問題。 澆鑄第一個爐次時，由于鋼包開澆的干擾，中間包澆鑄室內空氣和爐渣夾渣同時發(fā)生，造成中間包內開澆時總氧含量高，是整個爐次正常澆鑄期間的兩倍。
鋼水二次氧化的另一個重要原因是轉爐出鋼帶渣進入鋼包，轉爐渣富含F(xiàn)eO和MnO，二次氧化位能大，這些氧化物同鋼水中溶解[Al]發(fā)生氧化發(fā)生，生成Al2O3夾雜，鋼材中的許多裂紋源于鋼包渣中的FeO引起的二次氧化的產物。
?。?）精煉—連鑄過程中鋼包渣、中間包覆蓋劑、結晶器卷入滯留在鋼中形成的夾雜物
鋼水在進行成分微調、提溫、脫氧等精煉操作時帶來的非金屬夾雜物。這些精練工序的完成，一是要向鋼水加入適量的合金，二是要造合適的渣以利于去除S等雜質，三是需要噴吹適當量的Ar2對鋼水進行攪拌以確保成分、溫度均勻及有效地去除雜質等。但是Ar2的攪拌以及電極電弧對鋼水的攪拌易使渣卷入到鋼水中并滯留在鋼中產生夾雜物。另外合金元素的加入有少量與鋼中氧[O]反應形成脫氧產物滯留在鋼中，也將是夾雜物產生的主要原因之一。鋼水在進行真空處理過程中，大Ar2氣量的吹入以及鋼液面上方壓力的降低使C+O激烈反應，使鋼水產生激烈的運動，都可將鋼渣卷入到鋼水中，這些也都將使鋼中夾雜物增多。中間包液面加入覆蓋劑的目的是利于鋼水的保溫、吸附夾雜物，如果開澆過早或即將換中間包時液位控制過低，覆蓋劑就有可能被卷入到注流中進入到結晶器內，不能及時上浮，在鑄坯中產生大型的外來夾雜物。結晶器保護渣在鋼液面控制不穩(wěn)定波動較大、侵入式水口插入過淺等情況下都有卷入鋼中的可能，被凝固的鋼水所捕捉，形成鋼中夾雜物。究竟在鑄坯中產生何種夾雜，取決于鋼包渣、中間包覆蓋劑、結晶器保護渣的成分。
?。?）精煉及澆注過程中所用耐火材料的侵蝕物和剝落物
在鋼水的精練過程中，鋼包耐火材料不斷受到鋼水的沖刷侵蝕進入鋼水中，使鋼水的夾雜物增多，這部分是外來大型夾雜物。鋼水在澆注時，長水口、中間包內襯及侵入式水口也將受到鋼水的沖刷而剝落，進入鋼坯中。鋼包鋼水澆注完畢下渣也將對中間包內襯產生侵蝕，導致侵蝕物進入鋼水中。此類型夾雜物尺寸比較大，不規(guī)則，偶然地在這里或那里出現(xiàn)，不具有連續(xù)性，但是對鋼質量的危害最大。由于所用的鋼包內襯、中間包內襯、長水口、侵入式水口材質有所不同，在鑄坯中產生的夾雜物也有所不同，長水口、侵入式水口、中間包蓋多采用Al2O3質材料，則將產生Al2O3及以Al2O3為基的鋁酸鹽夾雜。攀鋼鋼包內襯目前主要采用鎂碳質和鎂尖晶石-碳質材料，則將產生MgO及MgO-Al2O3質夾雜。中間包內襯采用的是MgO質，則產生MgO夾雜物及以MgO為基的酸鹽類等大型夾雜。
1.3連鑄坯中夾雜物分布
連鑄坯中夾雜物的類型、數量和分布，取決于它的來源、機型和侵入式水口形式、插入深度，是與鋼流帶入結晶器內夾雜物數量注流在液相穴深度、鋼流運動狀態(tài)和鑄機類型等有關。不同型的鑄機，鑄坯中夾雜物的分布是不同的。就立式、立彎式、弧型連鑄機而言。立式和立彎式鑄機，鑄坯內夾雜物分布均勻，中心稍有聚集。對于弧型連鑄機，根據鑄坯內大型夾雜物聚集機理研究認為：夾雜物從內弧到外弧的分布是不對稱的。外來的大顆粒夾雜物及易于上浮的內生、二次氧化的復合相夾雜物（尺寸﹥50μm，一般在100-1300μm之間的夾雜物）主要聚集在內弧側，離內弧表面40-60㎜，約是鑄坯厚度的1/4處。夾雜物沿內弧的聚集程度還決定于鑄機的弧型半徑。隨著弧型半徑增加，夾雜物向內弧面集聚機率減少。經研究認為：夾雜物分布，還與液相穴內的流動狀態(tài)有關。在同一鑄機條件下，注流在液相穴內侵入深度越深，夾雜物聚集位置越向鑄坯中心移動。注流在液相穴內侵入深度越淺，夾雜物聚集位置越向鑄坯表面移動。如果注流過淺易將保護渣卷入鋼液中。
2.減少鑄坯中夾雜物的措施
要減少鑄坯中夾雜物，從以上分析看，首先必須嚴格控制各操作工序，使進入結晶器內的鋼水具有高的清潔度、較低的夾雜物數量及水平；其次要盡量防止鋼水的二次氧化，減輕鋼水的二次污染；提高耐火材料質量和降低耐火材料的熔損；提高工藝操作水平，減少結晶器保護渣卷入鋼液中。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1） 控制鋼中的溶解氧[O]，使其降低到較低水平。
（2） 降低或杜絕鋼水與空氣的相互作用機會和程度。
（3） 減少耐火材料對鋼水的污染程度。
?。?） 防止渣子卷入鋼水內部，使污染程度加重。
為此在工藝操作相互要注意以下幾個方面。
2.1轉爐
采用大氣量頂底復吹轉爐操作，降低終點鋼水氧活度，吹煉終點使鋼水中的溶解氧接近C-O平衡值，成分和溫度及鋼水中溶解氧[O]同時命中率要高。出鋼時，通過采用擋渣球或擋渣塞，或與示渣器連用的氣動擋渣，使轉爐做到少渣出鋼，以減少轉爐的氧化渣對鋼水的污染。例如，美國內陸鋼公司第4BOF車間標準鋼種通過機械扒渣使鋼包渣層厚度低于40mm ，1993年LTV鋼公司克利夫廠最后鋼包渣平均厚度為75 mm，LTV鋼公司印第安那Harbor廠低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鋼包渣厚度97 mm；臺灣中鋼煉鋼廠鋼包渣層厚度為30~100 mm，；武鋼煉鋼廠2號轉爐鋼包渣層厚度100~130 mm；加拿大阿爾戈馬鋼廠扒渣前鋼包渣層厚度75 mm，扒渣后為25 mm。
2.2精練
鋼包精練是提高鑄坯質量的重要環(huán)節(jié)，它是保證鋼水清潔度極其重要的操作工序。在規(guī)定的時間內完成鋼水的成分微調、溫度控制、進一步深脫氧[O]、氮[N]、氫[H]、深脫硫、去除夾雜物、控制夾雜物形態(tài)。通過鋼包精煉可使鋼水中夾雜物水平降低。鋼包精練中鋼包爐的爐渣在潔凈鋼中起主要作用，其渣應利于吸附鋼中的夾雜物、隔離空氣，利于夾雜物在渣中的傳輸及固定在渣中。在鋼包內進行爐渣改性處理，將鋼水包內的爐渣氧化鐵含量降低。另外在精練結束后創(chuàng)造鋼水中夾雜物上浮的條件，對去除鋼中的夾雜物也是非常主要的。
鋼包攪拌和精煉過程可以大大地促進夾雜物的長大和去除。但過度攪拌是不利的，當鋼水向上循環(huán)到渣層之上時，可能使鋼水表面暴露出一個“眼睛”區(qū)，使鋼水產生二次氧化。充足的攪拌時間也是重要的，能使Al2O3夾雜循環(huán)上浮到渣中而去除。然而攪拌時間不能過長，否則會沖蝕耐火材料。初期的強攪拌促使小夾雜物相互碰撞長大形成大夾雜物，接著“終攪拌”鋼水慢速循環(huán)，便于將碰撞形成的較大夾雜物排出到渣中。
2.3保護性澆注
經鋼包及LF-RH爐處理的鋼水，其夾雜物水平已降到很低的水平，但是重要的是怎樣使鋼水從鋼包到結晶器，保證潔凈度不變。在澆鑄過程中鋼水與空氣接觸作用發(fā)生二次氧化，則鋼水再度被污染，爐外精練的效果將前功盡棄。有資料已證實，鋼水從鋼包到中間包，鋼水與空氣等作用將損失的[Al]占60％，這是鑄坯中主要夾雜物來源之一。因此澆注過程采用保護性措施，鋼水密封是降低夾雜物主要措施。要求鋼水→中間包注流必須有長水口+吹氬保護，使鋼水吸N2降到極低水平，甚至為零。其關鍵是鋼包水口與水口的接縫處的密封。另外應采用優(yōu)質的引流砂。大包自動開澆率要高（﹥95％）。第一爐開澆時，中間包內充滿了空氣，將使鋼中[Al]有所損失而形成Al2O3，鋼水潔凈度有所下降（無鋁脫氧鋼將損失Si、Mn形成硅酸鹽夾雜物）。因此，現(xiàn)普遍采用把中間包蓋與本體用纖維密封，充滿Ar2或開澆前包內充Ar2的措施，可使開澆第一爐氧化損失有所下降。
現(xiàn)在普遍采用浸入式水口保護性澆注，中間包到結晶器內鋼水避免被再次氧化污染。但是采用滑板式浸入式水口，則水口與中間包連接處密封，將是值得著重考慮的。
2.4中間包冶金技術
中間包是在鋼水進入結晶器之前，進一步去除夾雜物的理想部位。經爐外精煉的鋼水，在進入中間包后，可使夾雜物進一步上浮，鋼水再一次得到凈化。
?。?）中間包鋼水流的控制。中間包向大容量、深熔池方向發(fā)展。增加鋼水在中間包的停留時間，通過中間包鋼水流動控制元件（沖擊墊、擋渣堰、擋渣壩和過濾器等）來控制中間包內鋼水流，使夾雜物有充分時間和空間上浮。
?。?）防止鋼包下渣。鋼包渣中有FeO、MnO的含量較高，澆注過程中控制不當，使鋼包渣進入中間包，則FeO、MnO量將有所增加，中間包中的鋼水[O]含量就增加。因此采用鋼包下渣檢測裝置，監(jiān)測下渣，并及時關閉水口。
?。?）控制中間包最低液位。如果在澆注過程或鋼包換包過程中中間包液位過低，鋼水會形成漩渦將渣子卷入結晶器中，所以中間包液位不能過低，應嚴格控制中間包液位的高度。
?。?）中間包采用合適覆蓋劑。中間包鋼液覆蓋劑的一個主要作用是吸附上浮的夾雜物。中性渣有強的吸附Al2O3能力，但不保溫。堿性渣吸附Al2O3等夾雜的能力強，但堿度太高易結殼。SiO2含量高的渣子不易使用。鋼中T[O]是增加的。因此生產潔凈鋼的中間包采用合適的堿性渣為宜，可降低中間鋼水包的T[O]，減少夾雜物數量。
（5）中間包采用堿性包襯。鋼水中溶解的[Al]同爐襯耐火材料中的氧將發(fā)生反應。該種反應按耐火材料材質為CaO、MgO、Al2O3、SiO 2依次增強。因而中間包工作層采用CaO、MgO等堿性材料，盡量避免采用富含SiO2的材料，可以防止鋼中[Al]與包襯中的SiO2等起化學反應形成Al2O3夾雜。同時采用堿性包襯材料，尤其是MgO-CaO質材料，不僅對鋼水污染小，可吸附鋼水和渣中的Al2O3，減少鋼水中的Al2O3夾雜，而且對脫磷（硫）和降低回磷（硫）也有積極作用。
2.5結晶器內鋼液流動狀態(tài)與液面控制
連鑄過程有產生的二次氧化物、水口堵塞物、中間包和鋼包帶入的渣和因水口漏損吸入大氣產生的二次氧化物等夾雜物都可能通過水口進入結晶器內。因結晶器上表面鋼水流速過快或液面波動，很可能將結晶器渣卷入鋼液內，使鑄坯內夾雜含量增多，也可使產品表面缺陷增加。隨著過熱度的下降，新的夾雜物很可能沉淀。另一方面，因浮力作用、鋼水運動和夾雜附著在氣泡表面等原因，夾雜物也可能上浮到渣/鋼界面，這樣，夾雜物不是被頂渣層捕獲安全地去除，就是被夾帶進入凝固殼，形成鋼材永久性缺陷。據觀察，鑄坯的一側與另一側之間的夾渣各不相同，夾渣發(fā)生在（瞬變時）較慢二次循環(huán)區(qū)接頭部位。經常發(fā)現(xiàn)與工藝過程瞬變（如改變鑄速、更換中間包或水口結瘤）有關的缺陷。因而澆注時控制結晶器液面以保持穩(wěn)定，是防止消除鑄坯表面夾渣的一個重要條件。液位采用自動控制，防止液位不穩(wěn)定是非常重要的。另外，中間包注流動能引起了結晶器內鋼水的強制對流運動，浸入式水口插入深度過淺，液面的渣子會卷入凝固殼內，插入深度過深，夾雜物不易上浮。因而控制好浸入式水口插入深度，是克服鑄坯夾雜、保證鑄坯質量的最后一個重要環(huán)節(jié)。
2.6采用適宜的結晶器保護渣
有資料認為采用高粘度保護渣，可防止結晶器保護渣卷入鋼水。
冀公網安備13050002001422號