连铸含铝钢中Al2O3夹杂物形态控制分析探讨

何生平1，曾建华2，汪灿荣3，王谦1

(1．重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044；2．攀钢集团研究院有限公司，四川成都611731；3．福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂，福建三明365000)

摘 要：水口结瘤是连铸含铝钢面临的主要问题之一。针对连铸含铝钢钢水可浇性问题，首先分析了传统含铝钢中Al2O3夹杂形态控制的钙处理技术。在热力学计算的基础上，提出了高铝钢中夹杂物控制思路，认为采用转炉渣洗和合适的精炼渣而不用钙处理能保证钢水的可浇性。

关 键 词：水口结瘤；高铝钢；夹杂物；形态控制

1 前言

含铝钢大多采用铝进行钢水终脱氧，因而钢中残留的高熔点Al2O3夹杂可能较多，对钢质量有不利影响，连铸过程水口结瘤几率也较大。同时，由于钢中上浮的Al2O3夹杂进入连铸保护渣中，使保护渣的性能发生变化，可能带来铸坯表面质量以及顺行问题。传统的含铝钢([Al]=0．01％～0．05％)中，对Al2O3夹杂物的控制主要采用钙处理技术，即将高熔点的Al2O3改质为低熔点的CaO—Al2O3系低熔点夹杂物[1—3]。理论分析和实践证明，为了保证钙处理效果，需要保证钢中[Ca％]／[Al％]>0．1[4]。对于铝含量更高的诸如38CrMoAl、TRIP、TWIP等钢种，钢中[Al]含量在0．5％以上，如果采用钙处理，钢中要求很高的钙含量，是否需要钙处理是值得探讨的一个问题。本文主要在传统的含铝钢钙处理分析基础上，对高铝钢夹杂物形态控制进行技术探讨。

2 传统含铝钢的钙处理分析

二次精炼中进行钢水钙处理是提高钢材质量和减少连铸水口结瘤的重要措施。在铝镇静钢中，为防止Al2O3堵水口以及对钢质量带来不良影响，往往实施钙处理以使Al2O3变性为低熔点球状夹杂。在炼钢温度下可能生成液态钙铝酸盐夹杂为：3CaO—Al2O3、12CaO·7Al2O3。在进行钙处理时，理论上，反应产物应按CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3逐渐进行。为确保夹杂物处于低熔点区域，必须控制加入钢水的钙含量，如Ca不足，则Al2O3无法转变为液态铝酸钙；Ca加入量过大，可能生成CaS也容易导致水口堵塞和水口侵蚀加剧。在钙处理中，需要优化喂线量、喂线速度、温度以及喂入深度等参数，在提高钙收得率基础上，确保钢中[Ca]／[Al]等指标。

钙处理中涉及到的两个主要反应为：

x[Ca]+x[O]+yAl2O3(in)=xCaO·yAl2O3(in)  (1)

3[Ca]+Al2O3(in)=3CaO(in)+2[Al]    (2)

从上述两式可知：合适的喂入量应该首先保证生成足够的CaO与已存在的Al2O3结合生成低熔点的钙铝酸盐上浮，另外一方面应有足够的溶解Ca使得未上浮的的夹杂物以及因为后续温降过程的再次脱氧反应生成的夹杂物通过热力学平衡处于液态，最理想的钙铝酸盐是12CaO·7Al2O3。图1和图2是针对含铝低碳钢钙处理工艺优化前后理论计算和实测值，曲线为理论计算的生成12CaO·7Al2O3的[Ca]—[Al]曲线，在理论曲线附近及其以上区域是12CaO·7 Al2O3等低熔点夹杂物生产区域。优化后水口蓄流现象较优化前大幅度降低，材上B类夹杂级别降低。图3为理论计算生成12CaO·7Al2O3的[Al]—[S]曲线和实测值，理论曲线附近及其以下区域为低熔点钙铝酸盐生成区。

3 高铝钢中夹杂物形态控制

对38CrMoAl、TRIP、TWIP等[Al]在0．5％以上的高铝钢，如果要满足[Ca]／[Al]，则钢中含钙量要高，除了增大成本以外，要求含钙量可能超过钙在钢中的溶解度。考虑到钢中元素活度系数的影响，以生成12CaO·7Al2O3低熔点钙铝酸盐夹杂为例，采用Factsage热力学软件计算得到1600℃时CaO活度为0．5，Al2O3活度为0．039，钢中[Al]按1％计，则此时钢中平衡的溶解钙含量达到0．049％，已超过Ca在钢中的溶解度，见图4，因此理论上通过钙处理显然不能达到控制Al2O3夹杂物的形态的要求。此外，由于钢中Al含量极高，钢中溶解[O]很低，伴随着温度降低的二次脱氧产物含量很少，并不需要溶解钙的作用生成低熔点的钙铝酸盐来防止水口堵塞。

为了控制钢中Al2O3夹杂物形态，可以采用含CaO的渣料和夹杂物充分作用，直接生成低熔点的化合物。在生产实践中，渣洗是获得洁净钢并能适当进行脱硫和脱氧的最简便的精炼手段。转炉出钢渣洗有效地利用了出钢过程中钢水的混冲作用，将熔渣液滴乳化，可以使钢渣界面扩大数百倍，增加渣与钢中夹杂物接触和充分反应的机会。

另外一方面，由于钢中铝含量较高，钢中[Al]和渣中SiO2必然发生反应，在钢中[Al]在1％以上时，SiO2基本上会被完全反应进入钢中，同时，基于钢—渣—夹杂物平衡的考虑，以更容易同化和吸收夹杂物，精炼渣终渣成分可选用CaO—Al2O3系精炼渣，而且组成位于3CaO·Al2O3～CaO·Al2O3之间的低熔点区域，见图5。

对某高铝钢采用转炉出钢渣洗操作并调整精炼渣的组成后，到LF进站、出站以及铸坯进行取样分析，钢中典型夹杂物及能谱分析见表1。由此可见，钢水即使未经喂钙处理，钢中基本上未发现棱角状的Al2O3夹杂物，而是低熔点的球状夹杂物，从能谱分析结果推测，生成的夹杂物以CaO·Al2O3系为主，其组成点大致位于3CaO·Al2O3～12CaO·7Al2O3之间，在炼钢温度下是液态。在浇注过程中，未出现跳塞棒的现象，拉速恒定时，塞棒开口度基本上没有变化。连浇5炉后，观察水口内壁光滑、干净，基本无结瘤物。

基于转炉渣洗操作在控制夹杂物形态方面的效果，目前对含铝钢，如SPHC等钢种采用转炉渣洗+吹氩／CAS+板坯连铸的直上工艺取得了一定的成效[5—9]。但对于含铝钢转炉出钢弱脱氧+RH直上工艺，可浇性仍然存在较大的问题[10]，一方面RH用铝终脱氧导致Al2O3夹杂较多，其形态不容易控制。另外一方面，由于渣的氧化性相对较高，在精炼或连铸过程，特别是大包浇注后期钢渣反应甚至大包下渣都可能导致钢中夹杂物增加而引起大包钢流跟不上或中包水口结瘤现象。

4．结论

1)传统的含铝钢中采用喂入含钙线技术能提高钢水的可浇性，钙处理必须要保证一定的[Ca]／[Al]以确保钢中存在的夹杂物为低熔点的钙铝酸盐。

2)高铝钢([Al]>0．5％)为了保证Al2O3夹杂物形成低熔点的夹杂物，可以采用富含CaO的渣料进行转炉出钢渣洗和合适的精炼渣组成代替钙处理，能够保证钢水的可浇性。

参 考 文 献：

[1]   Geldenhuis J M A，Pistorius P C．Minimization of calcium additions to low carbon steel grades．Ironmaking and Steelmaking，2000，27(6)：442—449．

[2]   Coletti B，Vantilt S，Blanpain B，et al．Observation of calcium aluminate inclusions at interfaces between Ca treated Al—killed steels and slags．Metallurgical and Materials Transactions B，2003，34(5)：533—538．

[3]   Fuhr E，Cicutti C，Walter G et al．Relationship between nozzle deposits and inclusion composition in the continuous casting of steels．Iron and Steelmaker，2003，32(12)：53—64．

[4]   何生平，汪灿荣，赖兆奕，等．ML08Al钢精炼渣开发及铸坯洁净度研究．北京科技大学学报，2007，29(增刊1)：18．

[5]   刘玉生，杨晓江，丁广友，等．SPHD钢水脱氧及可浇性研究．河北冶金，2006，(3)：28—29．

[6]   http：∥mmetall．com／show．php?contentid=224．

[7]   张婷，包燕平，崔衡，等．210吨复吹转炉—AS精炼—连铸流程生产低碳铝镇静钢的洁净度．特殊钢，2008，29(2)：60—62．

[8]   李首虎．08 Al钢冶炼、连铸工艺的开发．冶金丛刊，2008，(2)：6—7．

[9]   http：∥www．Steel—info．cn／article_list_lgjs．asp?id=16653&classid=1

[10]   佟志新，刘宏伟，王峰，等．唐钢一钢轧厂RH生产实践，河北省冶金学会2008年炼钢连铸技术与学术交流会论文集．112—118．