摘  要：采用原位统计分布分析仪(OPA)对IF钢连铸过程抻速变动对铸坯表层试样非金属夹杂物含量的影响进行了研究，发现在由较高拉速(1.4 m／min)向低拉速(0.6 m／min)变动时，对结晶器保护渣卷入的影响主要发生在降速初期，而随后的降速和低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。当由较低拉速(0.6 m／min)向高抽速(1．4 m／min)变动时，对保护渣卷渣的影响主要发生在提升到高拉速后停止升速阶段，而低批速时启动升速和随后均匀升速对铸坯夹杂物含量的影响不大。研究中还发现在较高拉速下(1．4 m／min)即使较少量地变速，也会造成铸坯表层夹杂物含量的显著增加，因此在较高拉速时应避免对拉速进行变动或尽量采用低的拉速改变速率。采用数值模拟方法对拉速变化影响进行的研究结果同样表明，在较高拉速下发生的拉速变化，对结晶器内钢水流动有更显著的影响。

关键词：IF钢；连铸；拉速；结晶器；保护渣；非金属夹杂物

    超低碳IF钢冷轧薄板主要用于汽车、家电等制品，为了保证制品具有良好表面质量，对IF钢中非金属夹杂物的控制要求非常严格。近年来随着炼钢设备和工艺技术水平不断提高，由于脱碳、脱氧、保护浇铸工艺和操作不当等原因造成的IF钢冷轧板表面缺陷比率降低，而连铸过程由于结晶器保护渣“卷渣”造成的钢板表面缺陷比率则有较大增加。

    连铸过程结晶器保护渣“卷渣”主要发生在所谓的“非稳定态浇铸”时期，即拉速发生较大变动时期，如开浇和终浇阶段、交换钢水包阶段、浇铸过程结晶器宽度调节阶段、更换浸入式水口阶段、钢水供应不及时等。由于拉速发生较大的变化，结晶器内钢水的正常流动状态受到扰乱，当液面发生较大波动时，保护渣被卷入钢水内，被坯壳捕捉成为钢中非金属夹杂物。

    尽管在连铸过程应该尽量减少拉速变动，但实际过程中拉速的变动还是不可避免的。迄今为止对于不同程度拉速变化对铸坯中非金属夹杂物的影响缺少较系统定量的研究，目前各钢铁厂对于拉速变化时浇铸的铸坯，通常采用降级或报废的策略，而简单地采用这一控制方法，经常会发生“漏判”或“错判”，或造成产品质量问题或降低钢材收得率。宝山钢铁股份有限公司为了提高其IF钢质量水平，对不同拉速变化对铸坯中非金属夹杂物的影响进行了试验研究。

1  研究方法

    试验在宝山钢铁股份有限公司炼钢厂二转炉分厂((以下简称宝钢炼钢厂二转炉分厂)进行。铁水经脱硫预处理后，由250t转炉进行炼钢吹炼，然后经RH精炼，再由板坯连铸机浇铸成宽1 170mm、厚230 mm的板坯。宝钢炼钢厂二转炉分厂板坯连铸采用的中间包容量为60 t，为直弧型铸机，垂直段长度为2．7 m，结晶器长度900mm，浸入式水口浸入深度为170 mm，出口夹角为15^。，正常工作拉速范围为：1．0～1．6 m／nlin。

    研究中安排了升速和降速两种拉速变动试验条件：(1)降速试验中，在拉速较长时间稳定在1．4 m／min以后，以0．15 m／min²的速率降低拉速，对拉速分别降低至1．2 m／min、1．0m／min、0．8 m／min、0．6 m／min时刻位于结晶器内的铸坯，在浇铸结束后提取试样进行分析检验；(2)升速试验中，在拉速较长时间稳定在0．6 m／min以后，以0．15 m／min²的速率提高拉速，对拉速分别增加至0．8 m／min、1．0 m／min、1．2 m／min、1．4 m／min时刻位于结晶器内的铸坯，在浇铸结束后提取试样进行分析检验。此外，为了对比，还分别对0．6 m／min、0．8 m／min、1．0m／min、1．2 m／min和1．4 m／min稳定拉速下浇铸铸坯取样进行分析研究。

     在不同拉速条件下浇铸的铸坯外弧表面1／8宽度、1／2宽度处和侧边表面分别截取3块长200mm、宽100mm、厚25 mm试样，将试样表层刨掉0．5 mm，采用北京纳克分析仪器公司制作的原位统计分布分析仪(OPA)在该试样表面进行走行扫描分析，对该表层的非金属夹杂物含量等进行分析测定。其后再每次将试样表面刨掉1 mm，共刨削加工5次，并在每次加工后均采用OPA分析仪对试样表层的夹杂物含量进行分析测定。OPA分析仪每次走行扫描分析的面积为60 mm×40 mm。

    原位统计分布分析仪(OPA)以火花光谱无预燃连续激发同步扫描定位、单次火化放电高速采集和火化光谱单次放电数字解析技术为基础的一种检测金属材料中夹杂物的新型方法，可以在较大尺寸铸坯试样表面上连续线性扫描，得到试样表层非金属夹杂物的位置分布统计信息、定量分布统计信息以及尺寸分布统计信息。OPA分析仪在试样表面扫描速度为1 mm／s，行间距为2 mm，火花探针放电斑点直径为1μm，激发深度为9～20μm。

    OPA分析仪在试样表面扫描检测到非金属夹杂物时，反映该夹杂物组成元素的光谱强度会出现异常增加(通称为异常信号)。异常信号的净强度值与夹杂物的粒径分布有相关性，而异常信号的相对频数则与夹杂物含量具有相关性。通过统计分析异常信号的净强度和其出现频度可以获得夹杂物的含量和粒度，其数学表达式如下：

    C=C₀F+K         (1)

    D=(t₂／t₁)I+D₀     (2)

    式(1)和(2)中，C为非金属夹杂物的质量分数，％；C₀为常数；F为出现异常信号的相对频度；K为常数；D为夹杂物尺寸，μ,m；t₂t₁为系数；I为净火花信号强度；D。为常数。

2   试验结果

    图1为对稳定拉速条件下浇铸的铸坯试样，将表层分别刨掉0．5 mm、1．5 mm、2．5 mm、3．5 mm、4．5 mm和5．5 mm后，采用OPA分析得到的不同拉速条件下铸坯表层试样表面尺寸大于10μm的非金属夹杂物的含量。可以看到，较大尺寸的非金属夹杂物主要存在于距表面0．5～3．5 mm的铸坯表层内，其中在1～2．5 mm表层内夹杂物的含量最多，而在距表面超过4．5 mm的铸坯内部，大尺寸夹杂物的数量则很少。图2为采用SEM在铸坯表层试样中观察到的典型夹杂物照片，表1给出了采用EDS分析得到的图2所示夹杂物的组成。可以看到表层内存在的这些夹杂物尺寸很大，在100～400 μm之间，Na₂O含量均很高，由此可以判定其为连铸结晶器卷渣形成大型非金属夹杂物。

    由图1还看到，拉速较低时(0．6～0．8 m／min)浇铸的铸坯表层内大尺寸夹杂物的含量较高，这主要是因为拉速过低时，由浸入式水口流出的钢水量和流速均降低，向结晶器弯月面处的供热不足，保护渣熔融不好因而容易被坯壳捕捉。但是，当拉速提高到1．4 m／min时，铸坯表层夹杂物含量呈现出增加的趋势。在试验所用浇铸条件下，拉速在1．0～1．2 m／min时，铸坯表层大尺寸夹杂物的含量最少。图2所示铸坯表层试样中的典型大型非金属夹杂物，表1为非金属夹杂物的质量分数。

    图3为降速试验中当拉速由1．4 m／min降低至1．2 m／min、1．0m／min、0．8 m／min和0．6 m／min时，对此时位于结晶器内的铸坯在浇铸后截取试样，将表层分别刨掉0．5 mm、1．5 mrn、2．5mm和3．5 rnrn后，采用OPA分析仪对试样表面进行走行扫描分析测定，得到的上述4个表层试样非金属夹杂物的平均含量。此外图中还给出了拉速随时间的变化。

  本次试验在1．4 m／min稳定拉速下浇铸时，铸坯0．5～3．5 mm表层试样夹杂物含量在0．001 9％左右。由图3可以看到，当由恒定拉速开始降速后，铸坯表层试样中夹杂物含量显著增加，拉速由1．4 m／min降低至1．2 m／min时，表层试样中夹杂物含量增加至0．002 2％。但是，在随后均匀降速过程(以0．15 m／min。速率均匀减速)，铸坯表层试样夹杂物含量较1．4 m／min恒定拉速时减少，稳定在0．00132％～0．001 37％范围。值得注意的是，当拉速降低至0．6 m／min后停止降速，没有出现铸坯表层试样非金属夹杂物含量显著增加的现象。

    图3给出的试验结果值得关注，它表明当由较高拉速(1．4 m／min)向低拉速(0．6 m／min)变动时，对“卷渣”的影响主要发生在开始降速后的初期，而随后的均匀降速和在低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。这主要是因为，在较高拉速下开始降速，浸入式水口流出钢水量和速度均降低，结晶器内钢水流动状态受到“突发”干扰，引发钢液表面波动，使“卷渣”增加。但是，由于采用均匀降速(0．15 m／min²。)，在降速持续一段时间后，钢水的流动状态会变得相对稳定，因为没有“突发”干扰，“卷渣”因而不会增加。当拉速降低至较低拉速(0．6 m／min)后停止减速，由于拉速较低，结晶器内钢水流动状态受到的“突发”干扰影响程度降低，保护渣“卷渣”也没有出现增加。

    须指出的是，本试验是在拉速由1．4 m／min降低至1．2 m／min时的铸坯试样中发现夹杂物含量显著提高的，这表明，在较高拉速下，即使较少量的变速或拉速波动(仅由1．4 m／min降低至1．2 m／min)，也会造成铸坯表层夹杂物含量的较显著增加。

    图4为升速试验中当拉速由0．6 m／min增加至0．8 m／min、1．0 m／min、1．2 m／min和1．4 m／min，对位于结晶器内的铸坯在浇铸后截取试样，将表层分别刨掉0．5 mrr·、1．5 mm、2．5 mm和3．5 mm后，采用OPA分析仪对试样表面进行走行扫描分析测定，得到的上述4个表层试样非金属夹杂物的平均含量。

    由图4看到，在0．6 m／min稳定拉速下浇铸时，铸坯0．5～3．5 rnm表层试样夹杂物的含量在0．001 65％左右。开始升速后，尽管结晶器内钢水流动状态由于变速受到“突发”干扰，由于此时位于较低拉速状态，铸坯试样中夹杂物的含量只有少量增加。在拉速由0．6 m／min增加至0．8 m／min，夹杂物含量由0．001 65％略为增加至0．001 7％。随后在升速持续一段时间后，结晶器内钢水流动状态变得相对稳定，保护渣“卷渣”没有进一步增加。由于随拉速逐步增加，向结晶器钢水表面供热逐步增加，“卷渣”造成的夹杂物含量反而较低拉速时有所减少。

    但是，当拉速均匀增加至1．4 m／min后停止升速，铸坯0．5～3．5 mm表层试样中非金属夹杂物含量出现较大增加。试验中当均匀升速至1．2 m／min时，铸坯试样中夹杂物含量为0．001 39％，而当拉速增加至1．4 m／min后停止升速，铸坯试样中夹杂物的含量则显著增加至0．002 28 %。随后当拉速在1．4 m／min稳定后，铸坯试样中夹杂物含量又出现下降(0．001 89％)。

    与在较高拉速下突然开始降速相类似，在均匀升速至较高拉速时突然停止升速，结晶器内钢水流动状态也会受到“突发”干扰，引发钢液表面波动，使“卷渣”增加。由此可知，在高品质IF钢连铸过程，尤其在较高拉速时，应尽量采用恒拉速操作，避免拉速的波动或采用更小的拉速变动速率。

3   拉速变化对钢水流动影响的数值模拟

    为了进一步理解拉速变化对结晶器保护渣卷渣的影响，作者利用计算流体力学商业软件CFX5．7．1对拉速变化条件下连铸结晶器内钢水流动进行了模拟研究，采用的控制方程式如下：

    (1)连续方程

    (2)动量方程

    (3)湍流方程

    其中湍流方程中采用的系数分别为：C₁=1．44，C₂=1．92，Cμ=0．09，σk=1．0，σe=1．3。

    采用SOLA－VOF方法模拟自由表面，自由表面边界的体积函数F(x，y，z，t)定义如下：

    式中,u、v、w分别为x、y、z方向的时均速度； t 为时间。

采用Donor—Acceptor法计算通过界面的流量，并确定自由表面边界的移动情况。然后根据计算所得的体积函数F(x，y，z，t)，构造出自由表面。

    图5为数值模拟计算得到的降低拉速过程结晶器内钢水表面波动和表面流速值的变化。可以看到，在拉速不变稳定浇铸时，结晶器内钢水液面波动和表面流速均变化很小。当拉速由1．4 m／min开始降速后，在开始减速的初期，结晶器钢水液面波动和表面流速均出现较大增加。而在随后的均匀降速(0．15 m／min²)过程，液面波动和表面流速值减小。当拉速降低至0．6 m／min后停止降速，液面波动值增高，但幅度低于较高拉速下降速初期的液面波动增加值。

  图6为计算得到的增加拉速过程结晶器内钢水表面波动和表面流速值的变化。当由较低拉速(0．6 m／min)开始升速时，结晶器钢水液面波动和表面流速的变化很小。而当拉速增加至1．4 m／min后停止进一步升速时，钢水液面波动值显著增加。

  数值模拟研究结果表明，在较高拉速下发生的拉速变化，对结晶器内钢水流动有更显著的影响，这与本研究利用OPA分析得到的拉速变动对铸坯表层夹杂物含量的影响规律有很好的对应关系。

4  结  论

    (1)尺寸10μm以上的非金属夹杂物主要存在于铸坯0～4 mm表层内，在1～3 mm表层内大尺寸夹杂物的含量最多，而在距表面超过4 mm的铸坯内部，大尺寸夹杂物的数量很少。

    (2)当由较高拉速(1．4 m／min)向低拉速(0．6 m／min)变动时，对结晶器保护渣卷入的影响主要发生在开始降速后初期，而随后的降速和低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。

    (3)当由较低拉速(0．6 m／min)向高拉速(1．4 m／min)变动时，对结晶器保护渣卷入的影响主要发生在提升到高拉速后停止升速阶段，而低拉速时启动升速和随后均匀升速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。

    (4)在较高拉速下(1．4 m／min)即使较少量的变速，由于结晶器内钢水流动状态受到突发干扰，也会造成铸坯表层夹杂物含量的显著增加。在较高拉速时应避免对拉速进行变动或采用低的拉速改变速率。

    (5)采用数值模拟方法对拉速变化影响进行的研究结果同样表明，在较高拉速下发生的拉速变化，对结晶器内钢水流动有更显著的影响。