摘  要：对梅钢2号板坯连铸机低碳钢浇铸的质量问题进行了调研，并采用低倍、硫印、显微金相分析、扫描电镜、能谱及全氧量分析等多种手段，研究了不同浇铸条件下铸坯质量缺陷与工艺条件的关系。研究结果表明非稳态铸坯质量明显低于稳态铸坯质量。同时，未观察到由结晶器卷渣形成的大型夹杂，铸坯的缺陷主要为气孔、Al₂0₃及复合铝酸盐夹杂全氧分析表明，铸坯w(T[0])平均为20．86×10^-6，且最大值不超过27．00×10^-6，相同工艺条件下，该板坯质量处于较高水平。

关键词：低碳钢；板坯质量；缺陷；全氧量

    在低碳钢板坯连铸生产中，拉坯处于中低拉速时，铸坯质量较为稳定。但是，浇铸处于较高拉坯速度和非稳态，如连铸开浇、浇注结束、换包、换水口、粘结报警等条件时，由于中间包、结晶器内钢液流动出现异常，可能导致卷渣、钢中夹杂物难以上浮，铸坯质量出现不稳定现象。

    低碳钢铸坯的质量问题主要是气孔和非金属夹杂，进而在轧材中表现为表面分层、表面条痕(也称为线形缺陷[2])等质量缺陷。目前，梅钢浇铸碳的质量分数为0．05％左右的低碳钢时，主要问题是高拉速(1．8 m／min以上)易发生漏钢，非稳态浇注质量不稳定。国内外对中间包非稳态的研究较多，本文从结晶器出发，开展各工艺条件的铸坯质量分析，确定产生缺陷的主要因素，这对于了解结晶器在非稳态条件下对铸坯质量的影响具有重要意义。

1  铸坯质量研究方法

    课题主要研究低碳铝镇静钢板坯内部质量、表面及皮下质量。前者主要采用低倍、硫印和全氧量分析法，而表面及皮下质量则通过金相显微分析、扫描电镜、能谱仪分析，综合确定各稳态及非稳态条件下的板坯质量水平。

1．1  现场取样

现场按3类稳态条件和6类非稳态条件取板坯样。其中，稳态包括：3种塞棒吹氩量(小、中、大)为<8 L／min、8～10 L／min、≥10 L／min，3种拉速(小．中、大)为1．2～1．5 m／min、1．5～1．8 m／min、≥1．8 m／min，2种水口插入深度为170、190 mrn。非稳态包括：铸机开浇，浇注末期，换大包开浇，换水口，水口结瘤和升速，降速过程。板坯规格：

(1 020～1070)mm×210 mm×80mm。

    为便于分析，不同塞棒吹氩量、不同拉速以及不同的水口插入深度取样时，保持其它工艺条件为常用状态，且无变化。   

1．2实验室研究

    由于卷渣形成的夹杂物主要集中在铸坯表层，而冷轧板等的线型缺陷主要是板坯表面以下15 mm以内的非金属夹杂所致，故表面质量的研究，在每块铸坯断面上沿表面均匀切取12个厚度为15 mm金相样，如图1所示。每个条件重复3次，共计564个试样，规格为30 mm×15 mm×15 mm。

    金相显微分析在ZEISS Axioskop 40 FL，金相显微镜上进行，然后对典型的夹杂缺陷通过扫描电镜(JSM一6460LV和JSM一5600LV)和(OXFORD及INCA)能谱仪确定其成分。为排除金相分析中单一平面观察的局限性，又在金相分析位置取样，采用ELTRA ON一900氮氧分析仪分析比较各浇注条件的全氧量。

2  实验结果及分析

2．1低倍、硫印检验

    根据国家标准GB 226—91及行业标准YB／T4003—1997对铸坯进行评级，结果显示，铸坯存在C类中心偏析、中心疏松、中问裂纹、角裂纹、三角区裂纹，大都在O．5～1.0级之间，仅吹氩量大时，中间裂纹、角裂纹和三角区裂纹达到2．0～3．0级。氧化铝缺陷轻微，针孔状气孔相对较严重，检验结果如表1所示。可以看出，随吹氩量增加，针孔状气孔缺陷逐渐加剧，而稳态与非稳态、拉速大小、水口插入深度的影响不很明显。

2．2金相显微检验

    研究表明，铸坯缺陷除极个别的裂纹和带“光环”的硅酸盐夹杂之外，主要为气孔和夹杂。其中夹杂物大都是单个存在于铸坯中，主要是Al₂O₃及铝酸钙的内生夹杂，尺寸多在50μm以下，呈球状。

2．2．1  气孔                                                                                   

    对铸坯质量进行分析，结果表明气孔是影响铸坯质量的重要因素之一。一般而言，钢中气孔的形成主要有2种可能：一是溶解在高温钢液中的氧、氢、氮在钢液凝固冷却过程中析出产生；二是塞棒、水口吹入的氩气被凝固坯壳捕集而形成。

    为确定气孔形成的原因，选择铸机开浇前期未吹氩的铸坯和吹入氩气时正常浇注的铸坯样进行比较。研究表明，在既定工艺情况下，未吹氩的铸坯没有观察到气孔，而吹氩铸坯中有明显的气孔，如图2所示。由此可见，气孔是通入的氩气未能及时上浮所致。气孔直径一般在60～300μm之间，主要分布在铸坯窄面角部的表层。其原因是，在结晶器角部的钢液温度相对较低，气泡上浮困难，容易被凝固坯壳捕获而形成皮下气孔。

    非稳态与稳态比较，前者的气孔量要多于后者。尽管非稳态浇注时，塞棒水口的氩气通入量都较小，但在换大包、浸入式水口以及浇注末期等非稳态条件下，气泡很难在不规则运动的钢液中正常上浮，且更容易吸入空气，导致钢液二次氧化[2]。

2．2．2夹杂物缺陷

在放大倍数为200倍条件下，对564个试样进行金相观察夹杂物形貌，观察面为450 mm²。结果表明，未观察到由结晶器保护渣卷入而产生的大型夹杂。当然，由于金相观察的局限性与卷渣发生的偶然性，也不能完全排除实际生产无卷渣现象。由于所观察到的夹杂物特征尺寸在50μm以上的数量很少，故重点研究50μm以下夹杂物(有效观测尺寸10～50μm)的夹杂物数量及其分布。

    由于该低碳钢生产是采用铝脱氧，铸坯中存在的夹杂物大多为脱氧产物氧化铝和钙处理后未及时上浮的部分钙铝酸盐复合夹杂。单独存在于铸坯中的氧化铝夹杂主要有球状和尖角状2种。图3为尖角状单相氧化铝夹杂的扫描电镜照片。

    图4为复合铝酸盐夹杂物金相照片及其能谱图。可见，该夹杂物由铝酸钙和铝酸镁组成。由于铝酸钙中，3CaO·AI₂O₃、12CaO·7A1₂O₃的熔点分别为1 535、1455℃，均低于取样时中间包钢水温度1 550～1 570℃，故铸态下呈球状的即为以上2种铝酸盐以及MgO替代CaO形成的少量铝酸镁夹杂。

    图5为集群存在的复合夹杂，有明显棱角，表2为该夹杂物的成分(质量分数)。从表2中可知，该夹杂物仍主要是钙、镁的铝酸盐。在钢液中，Al2O3的表面张力很大，易结合成较为稳定的微粒群体，形成聚集物。

    同时，夹杂物成分分析中观察到少量的钾、钠元素，但并不认为是由结晶器卷渣所致。其原因有以下2个方面：①保护渣为硅酸盐体系，且同时含有钾、钠2元素。如果是结晶器保护渣卷入，那么钾、钠应同时存在，且有大量硅酸盐。其它多组能谱分析结果与此结果一致，均未观察到钠、钾元素；②保护渣中钾含量极低(一般在1％以下)，而钠元素则相对较高，这与表2中结果相悖。这里观察到的钠、钾，更可能是设备对微量元素的误判。至于与铝、钙同时出现的镁元素，则可认为是铝酸钙和尖晶石伴生，这是镁质包衬与Al2O3或铝酸钙反应的产物。

    经过对板坯的大量金相检验分析，并按铸坯金相观察面上的小颗粒夹杂物(<50肚m)数量进行排序，得到如表3所示的检验结果。

    从总体上看，铸坯中50μm以上的大颗粒夹杂极少，仅在换大包开浇和高拉速条件下出现。同时，50μm以下的小颗粒夹杂物数量在0．61～3．51个／cm²之间。

    由表3可知，对于稳态条件，随拉速的升高，水口插入深度的增加，夹杂物数量增加。因为，拉速越大，夹杂物在中间包、结晶器中的停留的时间越短，来不及上浮；而水口插入深度增加，夹杂物上浮的路径增大，时间变长，也就更难上浮去除。

    同时，由于稳态条件下，浇铸工艺稳定，钢液运动规律性强，其铸坯质量比非稳态条件的铸坯好。进一步的统计分析显示，稳态条件的50μm以下的夹杂物数量为1．24个／cm²，明显低于非稳态下1．62个／cm²。并且，气孔缺陷也有类似现象。这也表明，非稳态浇注明显降低了铸坯表面质量。

2．3全氧分析

    为避免金相分析的局限，进一步了解铸坯质量状况，对铸坯进行全氧量分析。按照全氧量的高低，对各个工艺进行排序，其结果如表4所示。

    由表4可知，在不同工况的铸坯w(T[O])小于27×10^-6，平均20．86×10^-6，氧化物夹杂量不高，这与金相分析结果吻合。进一步分析表明，非稳态条件的铸坯样w(T[O])(平均24．10×10^-6)大于稳态(平均18．12×10^-6)。稳态下，拉速对铸坯全氧量的影响规律不明显，且都较小；而随着吹氩量的增加和水口插入深度的减小，铸坯w(T[O])减小。其原因是，钢液中氩气泡的运动，增加了夹杂物向上的动能，有利于夹杂物上浮，同时水口插入深度的减小，缩短了夹杂物运动的距离。

    国外低碳铝镇静钢(LCAK)生产，经RH等精炼后，w(T[O])控制在30×10^-6以内，总体在(15～20)×10^-6。国内，随炉外处理工艺的不同，w(T[O])在(10～50)×10^-6，多数也在20×10^-6左右。由此表明，梅钢板坯质量处于中等水平，同等工艺下处于较高水平。但因其几乎未采用炉外精炼，故板坯质量还有提高的空间。

3  结论

    (1)非稳态浇注条件，铸坯中夹杂等缺陷较多，不利于提高铸坯质量。在稳态浇注条件下，吹氩是气孔形成的主要原因，且随吹氩量的增大，气孔和裂纹加剧，铸坯全氧量降低；随着水口插入深度的增加，铸坯中夹杂物含量和训(T[O])都随之增加；随拉速增大，夹杂物数量增大。

    (2)金相分析未观察到由结晶器卷渣造成的大型夹杂，铸坯缺陷主要为窄面气孔、单相的A1₂O₃及其铝酸盐复合夹杂。铸坯w(T[O])低于27×10^-6，表面及皮下质量处于中等水平，同等工艺条件下处于较高水平。

    (3)为改善铸坯质量，应保持工艺平稳，尽量减少非稳态浇注。在稳态下，严格控制吹氩量和水口插入深度，使之与拉速匹配，减少铸坯中的气孔缺陷。同时，改善脱氧精练工艺，提高钢水可浇性。

 (1．重庆大学材料科学与工程学院，重庆400030；  2．上海梅山钢铁公司技术中心，江苏南京210039)