热轧卷板表面夹渣缺陷来源分析及控制现状

  (1. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083；2. 燕山大学机械工程学院， 河北 秦皇岛 066044；3. 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室， 河北 秦皇岛 066044)

  摘要：热轧卷板的表面夹渣缺陷对热轧板的质量及产品性能会产生极其恶劣的影响，会导致产品品级的下降乃至报废等问题，并对产品的服役期限及性能造成一定影响。随着冶炼过程中钢液洁净度的逐步的提升，夹渣缺陷所造成的质量上的问题显得很严重。而不同生产的基本工艺下表面夹渣缺陷的来源方式略有差异，缺陷的来源主要有精炼过程中钢包渣的卷渣、非稳态浇注时期的钢包下渣、稳态浇注过程中的中间包覆盖剂卷入、结晶器卷渣等。热轧卷板表面夹渣缺陷的控制优化对提高热轧卷板表面上的质量有重要意义。总结分析了热轧卷板表面夹渣缺陷的来源，包括钢包精炼渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣、耐火材料内衬等。着重总结分析了结晶器内钢液流动、保护渣性质、结晶器弯月面行为等对卷渣机理的影响。同时对国内外关于热轧卷板表面夹渣缺陷控制的方法及措施进行了综述和分析，并提出了指导性意见，在浸入式水口处添加电磁线圈，通过直流磁场直接作用以减弱旋涡；在长水口处加入挡板等提高钢包出口偏心率；改变水口参数以减弱钢液回流所形成的剪切力；改变保护渣性质或施加电磁力来平衡渣-钢界面所需表面张力；优化吹氩流量等连铸工艺参数。

  热轧卷板是以板坯(主要为连铸坯)为原料，在高温条件下由粗轧机组及精轧机组制成带钢。从轧机出来的热钢带通过层流冷却至设定温度，由卷取机卷取并冷却得到钢带卷。按照每个用户的不一样的需求，轧制后的热轧卷板经过不同的精整作业线加工成为钢板、平整卷及纵切钢带产品。随着热轧卷板尺寸精度、板形、表面上的质量等控制新技术的日益成熟以及新产品的不断问世，热轧钢板、带产品得到了愈来愈普遍的应用并在市场上具有越来越强的竞争力。热轧卷板产品由于具有强度高，韧性好，易于加工成型及良好的可焊接性等优良性能，被大范围的应用于冷轧基板、船舶、汽车、桥梁、建筑、机械、输油管线、能承受压力的容器等制造行业。

  随着洁净钢冶炼技术的提高，热轧卷板中的杂质元素含量已能降至较低水平，而在连铸生产的全部过程钢液中夹杂物上浮聚集及冶金渣卷入钢液被凝固前沿坯壳捕获造成的表面及内部质量缺陷严重恶化了钢产品的质量。夹杂物通过降低连铸金属的韧性以此来降低钢的力学性能，增加最终产品机械或腐蚀失效的风险。针对热轧卷板连铸过程中夹渣缺陷控制的基础研究对中国公司实现高端热轧卷板的自主生产具有重大意义。

  热轧卷板表面和内部质量缺陷主要有微裂纹、气泡、表面翘皮、层状(条状)缺陷、夹渣缺陷等，其中夹渣缺陷尤为普遍，且夹渣缺陷对裂纹、偏析、层状缺陷等有不同程度的影响，对铸坯质量影响最为严重。造成夹渣缺陷的夹杂物来源主要有两种，分别为内生夹杂物和外来夹杂物，主要为结晶器保护渣、水口脱落物和其他非二次氧化产物。随着检测技术的发展和对质量发展要求的进一步提升，通过对夹渣缺陷处成分做多元化的分析以及示踪剂的应用，发现钢包精炼渣、中间包覆盖剂、中间包/钢包壁面以及浸入式水口耐火层侵蚀物等也会某些特定的程度成为卷渣的来源。国内部分钢厂热轧卷板表面主要缺陷种类及成分分析、示踪法等所测得的夹杂物来源以及质量现状见表1。

  典型表面夹渣缺陷形貌如图1所示。宝钢方坯连铸产品近表面及边部观察到大颗粒夹杂物(大于100 μm)的存在，通常会导致后期工艺流程中的表面脱落和开裂现象，如图1(a)所示，图中标注了缺陷处的主要成分，Na2O的存在表明夹渣缺陷主要来自于结晶器保护渣的卷入。图1(b)为在生产的全部过程中由卷渣引起的典型的翘皮缺陷形貌。热轧卷板的夹渣缺陷总体形貌为黑色或黑白相间的线条状，与整体颜色差别明显，并常伴有翘皮的出现，如图1(c)所示。对图1（c）缺陷处进行成分分析，表明缺陷处含有特殊的比例的Na、Mg、Al等结晶器保护渣代表性元素，因此能认为，此处缺陷是由卷入且未及时上浮的结晶器保护渣在凝固前沿被凝固坯壳捕获并形成表面及皮下夹渣缺陷。图1(d)为某钢厂连铸生产中水口结瘤物脱落导致的铸坯表面缺陷，缺陷位置有较大的裂痕和凹坑，且伴随某些特定的程度的碎片化，缺陷形状无明显规律，在垂直轧制方向及沿轧制方向均观察到缺陷发生。

  部分保护渣被卷入钢液后，并没有直接在弯月面处被凝固前沿坯壳捕获造成夹渣缺陷，而是在钢液中停留一定的时间，并与钢液反应导致成分发生明显的变化。采用耦合热力学平衡和动力学扩散模型计算结果，如图2所示，以结晶器保护渣初始成分为起点，通过模型计算保护渣在卷入钢液后与钢液相互作用一段时间内的成分变化过程。通过成分对比发现，部分缺陷处成分与保护渣在钢液中反应一段时间后所变化的成分相似，表明卷渣发生一段时间后，钢液会与残留的部分未能上浮去除的保护渣反应并被凝固坯壳捕获造成夹渣缺陷。

  连铸过程是熔融钢液凝固成铸坯的重要步骤，当钢液凝固后，后续的加工步骤很难再对其质量有本质上的影响。结晶器连铸过程中，相较保护渣的成分不当对卷渣的影响，由流动和传热不均所导致的卷渣现象对夹渣缺陷产生的影响尤为明显，且在连铸过程中，由于吹氩、拉速及水口浸入深度等参数的实时调整更方便快捷有效。传热和流动所引起的卷渣机理有以下两大方面：弯月面行为，凝固钩卷渣，液位波动；结晶器内流动状态，剪切卷渣，旋涡卷渣，氩气泡冲击渣钢界面，水口结瘤。

  弯月面行为引起卷渣的机理如图3所示，弯月面处由于热量传递不及时导致钢液出现枝晶凝固或倒钩、液位突然下降使钢绞线顶部突然暴露在液态渣中、液面出现湍流等液面波动现象、钢水流出浸入式水口后撞击结晶器窄面产生的回流冲击弯月面等行为均对凝固前沿处卷渣产生一定的影响，影响到热轧卷板表面夹渣缺陷的形成。

  凝固钩的不一样如图4所示，凝固钩有完整叶状、双凝固钩状、弯曲截断状及二次凝固型4种不一样，倒钩出现的最终的原因是因为传递到弯月面的热量不足导致凝固钩出现，特别是温度往往最低的窄面。弯月面凝固会导致凝固钩捕捉到正在上升的氩气泡、保护渣液滴或是固体夹杂物。弯月面处被凝固钩捕获的夹杂物再次进入钢液导致夹渣缺陷的过程示意图如图5所示，当被弯月面支撑起的熔融钢液溢出时，就会携带和捕捉保护渣进到刚刚形成的倒钩上面，与钢液中夹杂物数量相比，倒钩区域大尺寸夹杂物的数量明显增多。

  结晶器振动也会非常大程度上影响弯月面结构。尽管在生产的全部过程中结晶器的振荡导致液面的轻微变化，但是结晶器流动过程中的瞬时变化导致了可以产生卷渣现象的更大程度的波动。如果液面波动相对于渣层厚度足够剧烈，这种机理甚至能够导致固态保护渣直接被卷入。除了湍流和结晶器振动外，钢液上表面波动也有一定的可能是由上游流量控制设备引起的，例如滑动水口或塞棒，或是二次冷却过程中型壳的突起。塞棒和上水口处不同吹氩流量对弯月面液位波形、分布及波动的影响如图6所示，随着吹氩流量的增加，结晶器内流场由双环流过渡至复杂流，最终到单环流，同时液位波动大小逐步增大，某些特定的程度上增大了卷渣的风险。

  流体流动也影响着热传递、凝固过程和溶质运输，很大程度上影响了最终钢产品的颗粒结构和内部质量。结晶器内流动状态引起卷渣的机理如图7所示，卷渣现象主要为剪切卷渣、旋涡卷渣、氩气泡冲击渣-钢界面、水口结瘤影响界面失稳等原因引发的卷渣，结晶器的液面波动是铸坯在连铸过程中引入夹杂物的直接原因。

  钢水流动与结晶器保护渣剪切流动的不稳定性是结晶器卷渣的重要原因之一，结晶器保护渣的运动黏度对夹渣缺陷的形成有重要影响。在实际生产中，连铸过程中夹渣深度和浇注速度是影响剪切层失稳的两个直接因素，进而导致卷渣的发生。

  由于钢液自身具有旋转惯性力，即科氏力。出钢过程中产生的旋涡与科氏力有着密切的关系，中间包内钢水液位低于临界高度时，钢液向出钢口中线汇集，从而极易在浇铸过程中产生旋涡，造成涡芯卷气或在向下浇铸过程中卷渣。涡流是由于射流的瞬时摇动对表面流动产生了强烈冲击且方向不断改变，浸入式水口附近涡流最严重。塞棒左侧错位的情况下，速度上明显的左右不对称导致了左侧部分相较右侧有更多的涡流形成，更易造成旋涡卷渣。

  为了防止钢液吸气出现二次氧化，以及达到搅拌钢液的目的，在结晶器上部进行吹氩。氩气在喷嘴出口处高速喷射后形成气泡，气泡夹带周围的钢液上升，并形成了气泡湍流。在高气速条件下，气泡会破坏渣层，形成渣眼，引起渣-钢界面的剧烈波动，促进钢液与顶部合成还原渣的化学反应，当渣眼过大时，氧气会被从大气吸入到钢水中。同时，气体流量较大时也有几率发生卷渣现象。

  水口结瘤后结晶器内水口两侧流场不均，未堵塞侧流速流量更大，回流面积更大；堵塞侧水口底部倾角较小，射流对液面产生冲击，与上部回流产生旋涡，造成结晶器内部流动形态失稳以及结瘤物脱落，导致卷渣现象产生。多钢种水口结瘤成分分析见表2。

  此外，流动控制系统(滑动水口开度、塞棒位置、拉速、结晶器振动幅度等连铸参数)，外加电磁场、水口特性等工艺参数也是影响结晶器内钢液流动的主要的因素，需要在实际生产的全部过程中使其设置在最佳范围内。

  夹渣缺陷的重要来源为结晶器卷渣，对结晶器卷渣的控制主要着眼于单位时间内吹氩量、拉速的调节，使结晶器内流场保持双环流稳定流动。同时针对特殊钢种应用特殊水口以优化结晶器内钢液流动，以达到提高钢液洁净度以及减小卷渣风险的目的。不同水口浸入深度、通钢量及不同吹氩速率下，结晶器内流态转变图如图8所示，可得到单、双环流边界线所对应的吹氩流量与通钢量之间关系的拟合方程。应用自动吹氩系统实时控制不同拉速下的吹氩流量，在改善水口结瘤的同时保持结晶器内部钢液双环流流态，使上部钢液面平滑流动，减少卷渣现象发生。流态转变图表明通钢量越大，吹氩流量越小，越容易形成双环流。

  冯巍等认为：钢包出水口直径越大，初始切向流速就越大，导致临界起旋高度越高；提高钢包出口偏心率，可有效抑制末端的旋涡流动，减少卷渣的发生。邓小旋等通过对首钢京唐、日本JFE以及韩国浦项的高速连铸技术进行研究指出，为了达到高速连铸并保证铸坯质量，浸入式水口倾角增大有利于降低结晶器的渣-钢界面的液面波动和凝固坯壳生成初期的卷渣风险。国内外学者对水口特性的工业试验和模拟分析见表3，通过对比，可以针对不一样钢种分别选择适宜的水口进行连铸过程的浇注。

  在连铸过程中，一般会用对结晶器外加电磁场以稳定流动状态并改善热量传递不均的现象。影响凝固钩类型的因素如图9所示。不同磁场、水口浸入深度、拉速、过热度均会对距窄面中心不同距离处的平均凝固钩深度产生较大影响，高拉速下施加磁场会减小所产生凝固钩的深度；提高钢液浇铸温度，减小水口浸入深度，提高结晶器上表面钢液温度，从而抑制凝固钩的形成。

  结晶器内不同强度电磁搅拌对铸坯偏析的影响如图10所示。图10(a)中各圆坯在施加不同强度的结晶器内电磁搅拌情况下，二次枝晶臂间距大小变化趋势相同，但长度有所差异。二次枝晶臂间距大小对后期的退火等工艺以及对最终产品质量有直接影响，可经过控制电磁搅拌强度间接控制二次枝晶臂间距大小。图10(b)为不同电磁搅拌强度对等轴晶区所占比例和半宏观偏析比率的影响，施加电磁搅拌使偏析斑点数量和大小最大化。通过对二次枝晶间距大小和半宏观偏析率的控制，可优化铸坯品质及性能。

  在单位时间内吹氩流量较大时，会导致氩气泡的聚集，大量上浮的氩气泡致使钢液上表面波动幅度较大，结晶器内出现单环流或复杂流动。因此在连铸过程中，对结晶器内熔融钢液施加电磁搅拌或电磁制动能控制钢液流动，改善钢液内部传热不均现象及局部钢液由于氩气泡大量上浮所导致的流动紊乱，从而减小钢液在弯月面处发生卷渣的风险。同时还可以在结晶器不一样的部位施加电磁搅拌，在二冷区施加能改变晶体类型、加速等轴晶区的形成、改善铸坯品质；在凝固末端施加可以促使液芯区域均匀冷却，有效抑制偏析现象的严重程度。

  吹氢时间15 s时，施加电磁搅拌和未施加电磁搅拌下结晶器内氩气泡分布示意图如图11所示，对比不施加电磁搅拌的情况，施加电磁搅拌气泡上升得更慢，由于施加电磁搅拌后，流动更慢且阻力系数在磁场存在的情况下更高，减缓了氩气流冲击钢液上表面所引起的液位波动。同时更少的气泡被带入到了结晶器更深的区域，更少的气泡被带入到了窄边，有效地缓解了氩气泡在钢液中的扩散程度，改善了铸坯质量。结晶器附加电磁场对流场的控制见表4，根据不同的需求对连铸过程施加电磁搅拌及制动，以此来实现对铸坯夹渣缺陷的控制方案。

  钢液中总氧含量直接影响钢中夹杂物含量，在保证精炼过程中钢中总氧含量下降至规定范围内的情况下，通过调节精炼渣、中间包覆盖剂以及结晶器保护渣成分，增强对钢中夹杂物的吸附能力，同时优化渣的碱度、黏度和表面张力等特性，降低液面波动引起卷渣的风险，预防结晶器弯月面凝固钩对保护渣的捕获，控制钢中夹杂物含量。保护渣成分变化对性质的影响如图12所示，通过改变保护渣的成分将保护渣的黏度和表面张力两项本无直接联系的性质结合在一起，共同作用于保护渣，通过对碱度进行调控，从而在兼顾黏度的情况下增大保护渣的表面张力，既提高保护渣对夹杂物的吸附能力，又维持保护渣有充足的表面张力以减小卷渣的风险。保护渣成分变化对其理化性质起到决定性作用，根据不同钢种对保护渣成分做到合理的优化，进而达到改进铸坯质量的作用，国内外保护渣改进方案见表5。

  (1)通过在浸入式水口处将直流电磁线圈围绕钢包下座砖出钢孔内壁外侧，从而使电磁线圈产生的直流磁场直接作用到钢液上以减弱旋涡效果。

  (3)改变水口的孔大小、开孔数量、孔形状、插入深度等各项参数来减弱钢液回流形成的剪切力。

  (4)提高保护渣黏度、对保护渣施加电磁力以改变保护渣黏度、加入添加剂等来影响保护渣性质和钢-渣界面的表面张力以达到所需平衡点。

  (5)通过智能控制氩气流量或试验模拟针对不一样钢种在非稳态浇注过程所需的氩气流量以及实时控制来应对，利用智能吹氩系统的数据反馈来提高吹氩对钢坯表面上的质量的影响。