交换钢包过程对IF钢连铸板坯表层洁净度的影响

第36卷第7期 北京科技大学学报 Vol.36 No.7 2014年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2014 交换钢包过程对F钢连铸板坯表层洁净度的影响 邓小旋2四，王新华”，李林平”，魏鹏远”，季晨曦》，曾智》，田志红) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)首钢技术研究院，北京1000433)首钢京唐公司炼钢部，唐山063200 ☒通信作者，E-mail:d042@163.com 摘要采用ASPEX扫描电镜中的自动特征分析功能研究了交换钢包过程（取样浇次第4、5炉）对F钢连铸板坯表层的洁 净度的影响，且对比研究了交换钢包过程浇铸铸坯（交接坯）与正常浇铸铸坯（正常坯）的表层洁净度.结果表明：正常坯与交 接坯中尺寸大于20um的表层夹杂物可分为三类：(1)簇群状A山，03（包括气泡+簇群状A山，0，）：(2)簇群状T0,-AL,0,夹杂 物：(3)保护渣夹杂物.正常坯表层的大型夹杂物主要为簇群状A山0，没有检测到保护渣夹杂物.换包开浇后铸坯总氧质量 分数从14×106增至17×106，交接坯表层检测到较多的第2夹杂物，说明钢包开浇后钢水被轻微氧化.此外，钢包开浇后剧 烈的液面波动也导致了保护渣的卷入.在当前工艺下，换包对F钢铸坯表层洁净度的影响长度约为11m 关键词F钢：连铸；铸坯：表面：洁净度：夹杂物：氧化铝 分类号TF777.1 Effect of ladle change process on the surface cleanliness of IF steel continuous casting slabs DENG Xiao--an.2,WANG Xin-:hua”,Lin-ping》,WEl Peng-yuan”,JIChen--,ZENG Zh2,TIAN Zhi-hong》 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shougang Research Institute of Technology Beijing 100043,China 3)Steelmaking Department,Shougang Jingtang United Iron Steel Co.,Lid.,Tangshan 063200,China Corresponding author,E-mail:dxx042@163.com ABSTRACT The effect of ladle change process (the 4th heat to the 5th heat)on the surface cleanliness of IF steel continuous cast- ing slabs was investigated by total oxygen measurement and automatic feature analysis equipped on ASPEX.A comparison of surface cleanliness was performed between transition slabs (cast during ladle change process)and normal slabs (cast under normal condi- tion).It is found that inclusions larger than 20pm are classified into three types:(1)cluster alumina (including bubble cluster a- lumina inclusions);(2)cluster TiO,Al2O,inclusions:and (3)mold powder inclusions.In terms of surface inclusions in normal slabs,most of the inclusions detected in the scanning area are cluster alumina,and no mold powder inclusions are found.While for transition slabs,the total oxygen content increases from 14x10to 17x10,and the number density of Type 2 inclusions goes up since the cast start of the 5th heat,indicating re-oxidation of the steel melt during ladle change process.Furthermore,level fluctuation in the mold is also severe since the cast start of the 5th heat,leading to mold powder entrapments.The affected length of cast slabs dur- ing ladle change process is about 11 m under the present casting condition. KEY WORDS IF steel;continuous casting:slabs:surfaces:cleanliness;inclusions:alumina 钢中大型非金属夹杂物被认为是引起以汽车板 碾碎、拉长，形成所谓的线条状缺陷，极大地影响了 为代表的冷轧板卷表面缺陷的主要原因，这些分 F钢后续的涂镀性能.因此为了减少成品的缺陷 布在铸坯表层的大型夹杂物在后续的轧制过程中被 率，对铸坯的表层大型非金属夹杂物数量有严格的 收稿日期：2013-0505 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB30806) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.07.005:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 7 期 2014 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 7 Jul． 2014 交换钢包过程对 IF 钢连铸板坯表层洁净度的影响 邓小旋1，2) ，王新华1) ，李林平1) ，魏鹏远1) ，季晨曦2) ，曾 智2) ，田志红3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 首钢技术研究院，北京 100043 3) 首钢京唐公司炼钢部，唐山 063200  通信作者，E-mail: dxx042@ 163． com 摘 要 采用 ASPEX 扫描电镜中的自动特征分析功能研究了交换钢包过程( 取样浇次第 4、5 炉) 对 IF 钢连铸板坯表层的洁 净度的影响，且对比研究了交换钢包过程浇铸铸坯( 交接坯) 与正常浇铸铸坯( 正常坯) 的表层洁净度． 结果表明: 正常坯与交 接坯中尺寸大于 20 μm 的表层夹杂物可分为三类: ( 1) 簇群状 Al2O3 ( 包括气泡 + 簇群状 Al2O3 ) ; ( 2) 簇群状 TiOx--Al2O3夹杂 物; ( 3) 保护渣夹杂物． 正常坯表层的大型夹杂物主要为簇群状 Al2O3，没有检测到保护渣夹杂物． 换包开浇后铸坯总氧质量 分数从 14 × 10 － 6增至17 × 10 － 6，交接坯表层检测到较多的第 2 夹杂物，说明钢包开浇后钢水被轻微氧化． 此外，钢包开浇后剧 烈的液面波动也导致了保护渣的卷入． 在当前工艺下，换包对 IF 钢铸坯表层洁净度的影响长度约为 11 m． 关键词 IF 钢; 连铸; 铸坯; 表面; 洁净度; 夹杂物; 氧化铝 分类号 TF 777. 1 Effect of ladle change process on the surface cleanliness of IF steel continuous casting slabs DENG Xiao-xuan1，2)  ，WANG Xin-hua1) ，LI Lin-ping1) ，WEI Peng-yuan1) ，JI Chen-xi2) ，ZENG Zhi2) ，TIAN Zhi-hong3) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Shougang Ｒesearch Institute of Technology Beijing 100043，China 3) Steelmaking Department，Shougang Jingtang United Iron ＆ Steel Co． ，Ltd． ，Tangshan 063200，China  Corresponding author，E-mail: dxx042@ 163． com ABSTＲACT The effect of ladle change process ( the 4th heat to the 5th heat) on the surface cleanliness of IF steel continuous cast￾ing slabs was investigated by total oxygen measurement and automatic feature analysis equipped on ASPEX． A comparison of surface cleanliness was performed between transition slabs ( cast during ladle change process) and normal slabs ( cast under normal condi￾tion) ． It is found that inclusions larger than 20 μm are classified into three types: ( 1) cluster alumina ( including bubble + cluster a￾lumina inclusions) ; ( 2) cluster TiOx-Al2 O3 inclusions; and ( 3) mold powder inclusions． In terms of surface inclusions in normal slabs，most of the inclusions detected in the scanning area are cluster alumina，and no mold powder inclusions are found． While for transition slabs，the total oxygen content increases from 14 × 10 － 6 to 17 × 10 － 6，and the number density of Type 2 inclusions goes up since the cast start of the 5th heat，indicating re-oxidation of the steel melt during ladle change process． Furthermore，level fluctuation in the mold is also severe since the cast start of the 5th heat，leading to mold powder entrapments． The affected length of cast slabs dur￾ing ladle change process is about 11 m under the present casting condition． KEY WOＲDS IF steel; continuous casting; slabs; surfaces; cleanliness; inclusions; alumina 收稿日期: 2013--05--05 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2010CB30806) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 07． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 钢中大型非金属夹杂物被认为是引起以汽车板 为代表的冷轧板卷表面缺陷的主要原因［1］，这些分 布在铸坯表层的大型夹杂物在后续的轧制过程中被 碾碎、拉长，形成所谓的线条状缺陷，极大地影响了 IF 钢后续的涂镀性能． 因此为了减少成品的缺陷 率，对铸坯的表层大型非金属夹杂物数量有严格的

第7期 邓小旋等：交换钢包过程对F钢连铸板还表层洁净度的影响 ·881· 限制 直弧式两流连铸机，板坯规格为900~1650mm× 铸坯的表层大型夹杂物主要来自于以下几个方 237mm,取样的铸坯断面为1200mm×237mm.取 面：(1)吹入结晶器的氩气泡吸附着夹杂物被凝固 样炉次中包钢水的化学成分为：[%C],0.0016: 的坯壳捕捉：(2)夹杂物聚集在水口内壁形成簇群 [%Si],0.0026:[%Mn],0.11:[%P],0.004: 状的大型夹杂物0（如簇群状A,0,夹杂物），这些 [%S],0.007:[%Al.,0.031;[%Ti],0.07 夹杂物被吹入的氩气或者高速流动的钢水冲入到结 本次实验所取是沿拉速方向长为19.4m的交 晶器钢水内部，在上浮过程中被凝固坯捕获；(3)结 接坯（对应的铸坯浇铸长度为232.8~252.2m).该 晶器表面钢水的剧烈波动与结晶器钢水的表面流速 段铸坯是实验浇次的第4炉与第5炉交换大包时浇 过大导致液态或固态保护渣颗粒卷入到钢液之中被 铸的.图1为该时间段中间包钢水质量、拉速和结 凝固坯壳捕捉：(4)浇铸开始或者更换钢包时钢水 晶器液面波动情况.图1中的浇铸长度根据拉速一 直接与空气或氧化性强的钢渣接触而产生的大型夹 时间曲线对时间变量取积分得到.从图1中可以看 杂物.文献2]报道这些现象更易发生在所谓的 到，在此次大包交换过程中，拉速保持为1.5m· “非稳态浇铸”过程中.在一个浇次中，非稳态浇铸 min1不变，中间包钢水质量由67t(对应中包液位 主要指的是浇铸开始、浇铸结束、拉速变动与交换钢 1020mm)降低至最低59.7t（对应中包液位920 包等阶段.本文主要讨论交换钢包时的情形 mm),然后又回升至67t.中间包钢水质量从最低点 为了达到连续铸造的目的，交换钢包（换包）是 回升至正常吨位总共浇铸了约6.此外，作为对 不可避免的.连铸过程上炉与下炉之间交换大包 比，本实验还在现场选取了拉速稳定在l.5mmin1 时，中间包钢水液面会经历先降低后上升的过程，在 条件下的第4、5炉正常浇铸的铸坯（第4、5炉的第 这个过程中，中包液位会发生变化.水模型研究表 3块铸坯尾部). 明：中包液位变化过大会造成结晶器内钢水流动状 20 态改变司，而结晶器内流场和液面特征-1会对后 68 一拉速 -66 续铸坯质量产生很大的影响 1 12 一液面波动 64 以往对交接坯的研究通常将其作为一个点（静 .1 --…中间包钢水质量 62 60 态)来处理，即认为换钢包过程中铸坯的洁净度在 6 4 58 拉速方向上是一致的a:但实际的换包过程包含 56 54 着两炉钢水的混合、钢包的下渣、钢水的二次氧化以 52 及结晶器保护渣的卷入，是一个非稳态的过程，所以 832 240 244 248 20 浇转长度m 应该沿拉坯方向来评价交接坯的洁净度.此外，关 于大型夹杂物数量的检测以往多采用光学显微 图1：交换钢包时中间包钢水质量、拉速与结晶器的液面波动 镜团、大样电解法同、扫描电镜+能谱(SEM+EDS) Fig.1 Tundish melt weight,casting speed and meniscus fluctuation 逐个分析法圆、MIDAS回等方法，这些方法各有优缺 during ladle change process 点，具体的夹杂物检测方法及其优缺点可参见文献 00-11].本文以某钢厂生产的汽车板为载体，使 将所取的交接坯沿拉坯方向在侧边取宽度为 用一种在较大钢样截面上统计大型夹杂物的新方 100mm长条试样运回北京科技大学，如图2(a)所 法，详细分析了换包过程中铸坯的大型表层夹杂物 示.然后北京科技大学采用火焰切割方法，每隔 的特征（包括种类、形貌、数量与尺寸分布）在拉速 1000mm切割出100mm×70mm×25mm小块试样， 方向上的变化.此外，本文还对比分析了交接坯与 如图2(b)所示.其中一部分取出圆柱状试样（尺寸 正常浇铸铸坯的表层洁净度，为现场对交接坯的处 为5mm×20mm)做T.0和N]含量分析，另一部 理提供参考.本次试样分析的总面积为52422mm2. 分用来做夹杂物分析.对于正常坯（仅分析第5炉 正常坯的夹杂物)，取一拉坯方向长度为100mm横 1 实验过程 截面试样（见图3(a)),然后再对此横截面试样在 本工业实验浇铸的钢种为F钢，一共实验一个 宽度方向每隔1/8宽度长取一小试样(70mm×50 浇次共六炉，采用“KR铁水脱硫一→转炉脱磷→转炉 mm×25mm),所以对一块横截面试样一共取七块 脱碳→RH精炼→板坯连铸”工艺路线.实验的钢包 小试样.同时，为了分析正常坯的T.0和N]含量， 钢水容量是300t,中间包钢水容量为80t.连铸机为 分别在边部、宽度1/4与铸坯中心处的内弧面垂直

第 7 期 邓小旋等: 交换钢包过程对 IF 钢连铸板坯表层洁净度的影响 限制． 铸坯的表层大型夹杂物主要来自于以下几个方 面: ( 1) 吹入结晶器的氩气泡吸附着夹杂物被凝固 的坯壳捕捉; ( 2) 夹杂物聚集在水口内壁形成簇群 状的大型夹杂物［1］( 如簇群状 Al2O3夹杂物) ，这些 夹杂物被吹入的氩气或者高速流动的钢水冲入到结 晶器钢水内部，在上浮过程中被凝固坯捕获; ( 3) 结 晶器表面钢水的剧烈波动与结晶器钢水的表面流速 过大导致液态或固态保护渣颗粒卷入到钢液之中被 凝固坯壳捕捉; ( 4) 浇铸开始或者更换钢包时钢水 直接与空气或氧化性强的钢渣接触而产生的大型夹 杂物． 文献［2］报道这些现象更易发生在所谓的 “非稳态浇铸”过程中． 在一个浇次中，非稳态浇铸 主要指的是浇铸开始、浇铸结束、拉速变动与交换钢 包等阶段． 本文主要讨论交换钢包时的情形． 为了达到连续铸造的目的，交换钢包( 换包) 是 不可避免的． 连铸过程上炉与下炉之间交换大包 时，中间包钢水液面会经历先降低后上升的过程，在 这个过程中，中包液位会发生变化． 水模型研究表 明: 中包液位变化过大会造成结晶器内钢水流动状 态改变［3］，而结晶器内流场和液面特征［4 － 5］会对后 续铸坯质量产生很大的影响． 以往对交接坯的研究通常将其作为一个点( 静 态) 来处理，即认为换钢包过程中铸坯的洁净度在 拉速方向上是一致的［2，6］; 但实际的换包过程包含 着两炉钢水的混合、钢包的下渣、钢水的二次氧化以 及结晶器保护渣的卷入，是一个非稳态的过程，所以 应该沿拉坯方向来评价交接坯的洁净度． 此外，关 于大型夹杂物数量的检测以往多采用光学显微 镜［7］、大样电解法［3］、扫描电镜 + 能谱( SEM + EDS) 逐个分析法［8］、MIDAS［9］等方法，这些方法各有优缺 点，具体的夹杂物检测方法及其优缺点可参见文献 ［10 － 11］． 本文以某钢厂生产的汽车板为载体，使 用一种在较大钢样截面上统计大型夹杂物的新方 法，详细分析了换包过程中铸坯的大型表层夹杂物 的特征( 包括种类、形貌、数量与尺寸分布) 在拉速 方向上的变化． 此外，本文还对比分析了交接坯与 正常浇铸铸坯的表层洁净度，为现场对交接坯的处 理提供参考． 本次试样分析的总面积为 52422 mm2 ． 1 实验过程 本工业实验浇铸的钢种为 IF 钢，一共实验一个 浇次共六炉，采用“KＲ 铁水脱硫→转炉脱磷→转炉 脱碳→ＲH 精炼→板坯连铸”工艺路线． 实验的钢包 钢水容量是 300 t，中间包钢水容量为 80 t． 连铸机为 直弧式两流连铸机，板坯规格为 900 ～ 1650 mm × 237 mm，取样的铸坯断面为 1200 mm × 237 mm． 取 样炉次中包钢水的化学成分为: ［% C］，0. 0016; ［% Si］，0. 0026; ［% Mn］，0. 11; ［% P］，0. 004; ［% S］，0. 007; ［% Al］s，0. 031; ［% Ti］，0. 07． 本次实验所取是沿拉速方向长为 19. 4 m 的交 接坯( 对应的铸坯浇铸长度为 232. 8 ～ 252. 2 m) ． 该 段铸坯是实验浇次的第 4 炉与第 5 炉交换大包时浇 铸的． 图 1 为该时间段中间包钢水质量、拉速和结 晶器液面波动情况． 图 1 中的浇铸长度根据拉速-- 时间曲线对时间变量取积分得到． 从图 1 中可以看 到，在此次大包交换过程中，拉 速 保 持 为 1. 5 m· min － 1不变，中间包钢水质量由 67 t ( 对应中包液位 1020 mm) 降低至最 低 59. 7 t ( 对 应 中 包 液 位 920 mm) ，然后又回升至 67 t． 中间包钢水质量从最低点 回升至正常吨位总共浇铸了约 6 m． 此外，作为对 比，本实验还在现场选取了拉速稳定在 1. 5 m·min － 1 条件下的第 4、5 炉正常浇铸的铸坯( 第 4、5 炉的第 3 块铸坯尾部) ． 图 1 交换钢包时中间包钢水质量、拉速与结晶器的液面波动 Fig． 1 Tundish melt weight，casting speed and meniscus fluctuation during ladle change process 将所取的交接坯沿拉坯方向在侧边取宽度为 100 mm 长条试样运回北京科技大学，如图 2( a) 所 示． 然后北京科技大学采用火焰切割方法，每隔 1000 mm 切割出 100 mm × 70 mm × 25 mm 小块试样， 如图 2( b) 所示． 其中一部分取出圆柱状试样( 尺寸 为 5 mm × 20 mm) 做 T． O 和［N］含量分析，另一部 分用来做夹杂物分析． 对于正常坯( 仅分析第 5 炉 正常坯的夹杂物) ，取一拉坯方向长度为 100 mm 横 截面试样( 见图 3 ( a) ) ，然后再对此横截面试样在 宽度方向每隔 1 /8 宽度长取一小试样( 70 mm × 50 mm × 25 mm) ，所以对一块横截面试样一共取七块 小试样． 同时，为了分析正常坯的 T． O 和［N］含量， 分别在边部、宽度 1 /4 与铸坯中心处的内弧面垂直 · 188 ·

·882 北京科技大学学报 第36卷 向下取圆柱状试样（尺寸为b5mm×20mm),如图3 (b)所示 ) 窄面 拉速方向 铸坯内弧 9400 夹杂物分析 (c) T0与N分析， 1200 100 50 237 图2第4、5炉交接坯的取样示意图（单位：mm) Fig.2 Schematic diagram of sampling transition slabs for the 4th to 5th heat (unit:mm) 拉速方向 拉速方向 1/8宽度 9700 1200 100 50 Aspex分析 100 0、 宽面内弧 磨掉0.5 1200 T.ON分析 单位：mm 图3第4、5炉正常坯取样的示意图 Fig.3 Schematic diagram of sampling normal slabs in the 4th and 5th heat 交接坯与正常坯中的T.0与N]分析均采用 镜分析方法可以保证很高的分析精度，且相对节省 LEC0分析仪测定，T.0与N]含量分别采用红外吸 时间 收法与热导法测定.每个试样测定三次并取平均值 表1不同统计方法条件下A,O,夹杂物数量 作为最终分析结果.交接坯与正常坯用于夹杂物检 Table 1 Number of Al,O:inclusions detected by different counting 验的试样尺寸均为70mm×50mm×25mm,使用自 methods 动研磨抛光设备(ATM GmbH Rubin530)将内弧表 A1203夹杂物数量 一平均耗时/ 面磨掉0.5mm并抛光至镜面后采用扫描电镜进行 实验方法 20w 50100 >300μm 50μm100μm300μm 分析检验，每小块试样分析检验面积为2000mm2 人工检测 27 6 0 0 4.0 (由于表面平整原因，部分试样分析检测面积少于 ASPEX检测 0 0 1.5 20O0mm).夹杂物分析使用ASPEX PSEM Explorer 自动扫描电镜，该电镜可以大面积自动统计夹杂物， 并自动统计扫描到的每一个夹杂物颗粒的尺寸、分 2T.0与N]含量分析 布、位置、成分等信息.设备的原理可参见文献 图4为本次实验第4、5炉交换钢包过程浇铸 2].值得注意的是，使用该电镜统计时会对大型 的交接坯表层试样T.0与]含量变化，同时给 夹杂物进行分割，所以统计夹杂物数量时作者使用 出了正常坯的T.0与N]含量.图中给出的值为 该电镜自带的重新定位功能(relocate)进行人工校所测量的三个位置（铸坯边部、宽度l14处与铸坯 正.为了验证该方法对簇群状AL0,夹杂物数量的中心处)的平均值.第4炉正常坯试样T.0与N] 分析精度，本研究将其与人工检测方法（在扫描电质量分数分别为13×106和22×106，第5炉正 镜下手动移动视场进行统计)进行了对比，即对同 常坯试样T.0与N]质量分数分别为10×10-6和 一试样面积为2066mm2表面上的Al203夹杂物，分 16.9×10-6.在浇铸长度为232.8m时，T.0质量 别采用人工与ASPEX检测方法进行分析检测.由 分数为14×10-6，与第4炉正常坯的水平相当.随 表1给出的分析结果可知，本研究采用的ASPEX电 着中包液位的上升，铸坯的T.0质量分数从14×

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 向下取圆柱状试样( 尺寸为 5 mm × 20 mm) ，如图 3 ( b) 所示． 图 2 第 4、5 炉交接坯的取样示意图( 单位: mm) Fig． 2 Schematic diagram of sampling transition slabs for the 4th to 5th heat ( unit: mm) 图 3 第 4、5 炉正常坯取样的示意图 Fig． 3 Schematic diagram of sampling normal slabs in the 4th and 5th heat 交接坯与正常坯中的 T． O 与［N］分析均采用 LECO 分析仪测定，T． O 与［N］含量分别采用红外吸 收法与热导法测定． 每个试样测定三次并取平均值 作为最终分析结果． 交接坯与正常坯用于夹杂物检 验的试样尺寸均为 70 mm × 50 mm × 25 mm，使用自 动研磨抛光设备( ATM GmbH Ｒubin 530) 将内弧表 面磨掉 0. 5 mm 并抛光至镜面后采用扫描电镜进行 分析检验，每小块试样分析检验面积为 2000 mm2 ( 由于表面平整原因，部分试样分析检测面积少于 2000 mm2 ) ． 夹杂物分析使用 ASPEX PSEM Explorer 自动扫描电镜，该电镜可以大面积自动统计夹杂物， 并自动统计扫描到的每一个夹杂物颗粒的尺寸、分 布、位置、成 分 等 信 息． 设备的原理可参见文献 ［12］． 值得注意的是，使用该电镜统计时会对大型 夹杂物进行分割，所以统计夹杂物数量时作者使用 该电镜自带的重新定位功能( relocate) 进行人工校 正． 为了验证该方法对簇群状 Al2O3夹杂物数量的 分析精度，本研究将其与人工检测方法( 在扫描电 镜下手动移动视场进行统计) 进行了对比，即对同 一试样面积为 2066 mm2 表面上的 Al2O3夹杂物，分 别采用人工与 ASPEX 检测方法进行分析检测． 由 表 1 给出的分析结果可知，本研究采用的 ASPEX 电 镜分析方法可以保证很高的分析精度，且相对节省 时间． 表 1 不同统计方法条件下 Al2O3夹杂物数量 Table 1 Number of Al2 O3 inclusions detected by different counting methods 实验方法 Al2O3夹杂物数量 20 ～ 50 μm 50 ～ 100 μm 100 ～ 300 μm ＞ 300 μm 平均耗时/ h 人工检测 27 6 0 0 ～ 4. 0 ASPEX 检测 26 8 0 0 1. 5 2 T． O 与［N］含量分析 图 4 为本次实验第 4、5 炉交换钢包过程浇铸 的交接坯表层试样 T． O 与［N］含量变化，同时给 出了正常坯的 T． O 与［N］含量． 图中给出的值为 所测量的三个位置( 铸坯边部、宽度 1 /4 处与铸坯 中心处) 的平均值． 第 4 炉正常坯试样 T． O 与［N］ 质量分数分别为 13 × 10 － 6和 22 × 10 － 6，第 5 炉正 常坯试样T． O 与［N］质量分数分别为 10 × 10 － 6和 16. 9 × 10 － 6 ． 在浇铸长度为 232. 8 m 时，T． O 质量 分数为 14 × 10 － 6，与第 4 炉正常坯的水平相当． 随 着中包液位的上升，铸坯的 T． O 质量分数从 14 × · 288 ·

第7期 邓小旋等：交换钢包过程对F钢连铸板还表层洁净度的影响 ·883· 10-6升高至17×10-6（长度范围为234~238m). 且从这类夹杂物的形貌可以看出主体的AL,0,夹杂 可能的原因是：(1)开浇过程中第5炉的钢水与长 物相的形状与第1类夹杂物相似，呈不规则形貌，但 水口内的空气接触，钢水被空气氧化导致铸坯 富T相呈球形或近球形，说明该富T相在钢液中 T.0含量的升高：(2)在中包液位上升的过程中， 以液态形式存在.图5(g)~()为第3类保护渣夹 结晶器的流场发生变化使液面波动加剧而导致保 杂物的典型形貌.可见该类夹杂物尺寸比第1、2类 护渣卷入到钢液之中.随着浇铸的进行（浇铸长度 都大.从图5(g)的元素面扫描结果来看，该类夹杂 为237.8~251.8m),中包吨位（液位）已恢复到正 物含有较多的Si、Ca与Na元素，且Ca0与SiO2的 常水平(67t).铸坯的T.0由17×10-6逐渐降为 质量分数相当，同时还含有少量的Mg0和A山203，与 12×10-6,并大致保持不变.下降的原因可以解释 结晶器保护渣成分基本吻合，应为来自结晶器保护 如下：假定铸坯中的T.0等于中包中钢水的T.0, 渣的夹杂物， 所以第5炉中包钢水的T.0低于第4炉：在换包 (a) 30 um (b) 30m 40μm 过程中，两炉钢水会发生混合，所以浇铸出来的铸 坯的T.0含量会逐渐下降到接近于第5炉铸坯的 T.0水平.对N]含量，从整个长度上看其呈下降 趋势（第5炉铸坯N]含量低所致），在浇铸长度 236~239m的范围内，N]含量有少量回升的 30 um (e) 30 am 15 um 趋势 32 ◆T.0 一中包钢水质量 68 28 ◆-N 24 64 20 24m 60 60μm 60m Z12 ◆◆ ◆t◆◆◆ 56孟 ◆ 8 第4炉正常坯 第5炉正常坯 52 T.0=13×10 T.0=10x10◆ [N=22×10 I=16.9x10 48 952 236 240 244 248 252 30m 0 浇铸长度m 图4交接坯与正常坯中T0与门含量的比较 Fig.4 Comparison of T.O and [N]contents between normal slabs 30m 40 and transition slabs 3夹杂物分析 24 um 3.1夹杂物形貌与成分 分析得到的正常坯与交接坯内弧表层的大型夹 杂物按照形貌与成分可以分三类：(1)簇群状山0， 夹杂物：(2)簇群状Ti0,-AL,03夹杂物：(3)Si02- Ca0-Na,0系夹杂物.图5为检测到的这三类夹杂 物的典型形貌.为了清晰地显示夹杂物的相分布， 图5中的夹杂物形貌均采用扫描电镜的背散射模式 获取.第1类簇群状AL,0,夹杂物的典型形貌如图5 图5F钢铸坯表层大型夹杂物的典型形貌以及部分夹杂物的 (a)~(c)所示.可见该类型夹杂物尺寸较大，有些 元素面分布.(a)~(c)第1类夹杂物：(d)~(0第2类夹杂物： (g)~()第3类夹杂物 夹杂物尺寸甚至达到100μm.第2类夹杂物的典型 Fig.5 Morphologies of large-sized inclusions detected in the surface 形貌如图5(d)~()所示.从图5(d)所示的元素 layer of IF steel slabs and elemental mapping pattems:(a)(c) 面分布图中可以看出，该类夹杂物包含两相一主 Type (1)inclusions;(d)~(f)Type (2)inclusions:(g)~(i) 体的A山，0，夹杂物相与一部分富T相（灰色部分）， Type (3)inclusions

第 7 期 邓小旋等: 交换钢包过程对 IF 钢连铸板坯表层洁净度的影响 10 － 6升高至 17 × 10 － 6 ( 长度范围为 234 ～ 238 m) ． 可能的原因是: ( 1) 开浇过程中第 5 炉的钢水与长 水口内 的 空 气 接 触，钢水被空气氧化导致铸坯 T． O 含量的升高; ( 2) 在中包液位上升的过程中， 结晶器的流场发生变化使液面波动加剧而导致保 护渣卷入到钢液之中． 随着浇铸的进行( 浇铸长度 为 237. 8 ～ 251. 8 m) ，中包吨位( 液位) 已恢复到正 常水平( 67 t) ． 铸坯的 T． O 由 17 × 10 － 6逐渐降为 12 × 10 － 6，并大致保持不变． 下降的原因可以解释 如下: 假定铸坯中的 T． O 等于中包中钢水的 T． O， 所以第 5 炉中包钢水的 T． O 低于第 4 炉; 在换包 过程中，两炉钢水会发生混合，所以浇铸出来的铸 坯的 T． O 含量会逐渐下降到接近于第 5 炉铸坯的 T． O 水平． 对［N］含量，从整个长度上看其呈下降 趋势( 第 5 炉铸坯［N］含量低所致) ，在浇铸长度 236 ～ 239 m 的 范 围 内，［N］含量有少量回升的 趋势． 图 4 交接坯与正常坯中 T． O 与［N］含量的比较 Fig． 4 Comparison of T． O and ［N］ contents between normal slabs and transition slabs 3 夹杂物分析 3. 1 夹杂物形貌与成分 分析得到的正常坯与交接坯内弧表层的大型夹 杂物按照形貌与成分可以分三类: ( 1) 簇群状 Al2O3 夹杂物; ( 2) 簇群状 TiOx--Al2O3夹杂物; ( 3) SiO2-- CaO--Na2O 系夹杂物． 图 5 为检测到的这三类夹杂 物的典型形貌． 为了清晰地显示夹杂物的相分布， 图 5 中的夹杂物形貌均采用扫描电镜的背散射模式 获取． 第1 类簇群状 Al2O3夹杂物的典型形貌如图 5 ( a) ～ ( c) 所示． 可见该类型夹杂物尺寸较大，有些 夹杂物尺寸甚至达到 100 μm． 第 2 类夹杂物的典型 形貌如图 5( d) ～ ( f) 所示． 从图 5( d) 所示的元素 面分布图中可以看出，该类夹杂物包含两相———主 体的 Al2O3夹杂物相与一部分富 Ti 相( 灰色部分) ， 且从这类夹杂物的形貌可以看出主体的 Al2O3夹杂 物相的形状与第 1 类夹杂物相似，呈不规则形貌，但 富 Ti 相呈球形或近球形，说明该富 Ti 相在钢液中 以液态形式存在． 图 5( g) ～ ( i) 为第 3 类保护渣夹 杂物的典型形貌． 可见该类夹杂物尺寸比第 1、2 类 图 5 IF 钢铸坯表层大型夹杂物的典型形貌以及部分夹杂物的 元素面分布． ( a) ～ ( c) 第 1 类夹杂物; ( d) ～ ( f) 第 2 类夹杂物; ( g) ～ ( i) 第 3 类夹杂物 Fig． 5 Morphologies of large-sized inclusions detected in the surface layer of IF steel slabs and elemental mapping patterns: ( a) ～ ( c) Type ( 1) inclusions; ( d) ～ ( f) Type ( 2) inclusions; ( g) ～ ( i) Type ( 3) inclusions 都大． 从图 5( g) 的元素面扫描结果来看，该类夹杂 物含有较多的 Si、Ca 与 Na 元素，且 CaO 与 SiO2 的 质量分数相当，同时还含有少量的 MgO 和 Al2O3，与 结晶器保护渣成分基本吻合，应为来自结晶器保护 渣的夹杂物． · 388 ·

·884 北京科技大学学报 第36卷 3.2正常坯中夹杂物数量与尺寸分布 密度为0.21cm2,小于JFE学者的研究结果. 表2为统计得到的第5炉正常坯中三种夹杂物 一般认为铸坯表层夹杂物只有超过一定尺寸才 的数量与尺寸分布.正常坯一共在内弧表层取七块 会对后续的产品产生危害，但关于对F钢等冷轧类 试样，每块试样分析的面积约为2000mm2,由于表 板卷表面质量有害的夹杂物临界尺寸并没有统一的 面平整原因，部分试样分析检测面积少于2000 认识.Sahai和Emi认为冷轧薄板用的铸坯中有 mm2,所以正常坯分析的总面积略小于14000mm2, 害夹杂物尺寸为240um;Cramb则认为对深冲产 为12351mm2.从表2可以得知：正常坯中的大型夹 品表面质量有害的尺寸为100um.如果以100m 杂物几乎全是簇群状A,0,夹杂物.表3为与表2 作为评价指标，本文所研究的正常坯中含有四个对 对应的夹杂物的数量密度.可见在正常坯中，簇群 表面质量有害的夹杂物，且都是簇群状的A山，0，夹 状AL,0,夹杂物的数量密度在尺寸为20~50μm、50~ 杂物，其形貌如图6所示.图6(a)和(b)为Al,03夹 100μm、100~300m和>300μm的数量密度分别 杂物的二次电子图像，图6(c)和(d)为背散射电子 为1.247、0.178、0.032和0cm2.在统计的面积内 像.图6(a)~(c)很清晰地显示了该夹杂物是由微 仅发现一个簇群状T0,-AL,0,夹杂物，且尺寸较 小A山，03颗粒聚合而成的特征.图6(d)中的夹杂物 小.此外，在统计中没有发现保护渣成分的大型夹 呈线状，形成这种特殊形貌的可能原因是：微小的 杂物，这与E公司的学者发表的结果圆一致. A山，O,颗粒附着在Ar气泡表面，并在其表面聚合成 FE公司的学者利用光学显微镜研究了距铸坯宽面 大型夹杂物，最终气泡破裂，但这种夹杂物仍然保留 内/外弧表面1mm处的尺寸大于50μm的大型夹杂 着由于气泡的作用所拥有的独特形貌.这种“气泡+ 物数量，统计的总面积为25200mm2.他们认为铸坯 A山，03夹杂物”也被认为是形成冷轧板卷表面缺陷的 表层大于50μm的夹杂物主要有三种：(1)簇群状 原因之一圆：但在本研究中这数量较少，所以在统 A山，03夹杂物，(2)气孔，(3)气孔+簇群状A山203夹 计数量时与簇群状A山，0，夹杂物放在一起统计.由 杂物：且大于50m的夹杂物总数量密度为0.51 以上论述可知：对于正常浇铸的汽车板来说，大型的 cm-2.本文中大于50um的铸坯表层夹杂物的数量 A山，0，夹杂物是引起其冷轧板表面缺陷的主要原因. 表2第5炉正常浇铸铸坯表层大型夹杂物的数量 Table 2 Number of large-sized inclusions for normal slabs of the 5th heat 夹杂物类型 20~50μm 50-100μm 100~300μm >300μm 检测面积/mm2 簇群状A山203 154 22 4 0 簇群状Ti0,一A山203 1 0 0 0 12351 Si02Ca0-N0系 0 0 0 0 表3第5炉正常浇铸铸坯表层大型夹杂物的数量密度 Table 3 Number density of large-sized inclusion for normal slabs of the 5th heat cm-2 夹杂物类型 20~50μm 50-100μm 100~300μm >300μm >50μm >100μm 簇群状A山2O, 1.247 0.178 0.032 0.000 0.210 0.032 簇群状T0,-A山203 0.008 0 0 0 0 0 Si02-Ca0-Na20系 0 0 0 0 0 0 (a) 30m (b) 40 um 80 um d 100m 图6正常坯中尺寸大于100um的夹杂物形貌.(a,b)二次电子像：(c,d)背散射电子像 Fig.6 Morphologies of inclusions larger than 100 um detected in normal slabs:(a,b)SE images:(c,d)BSE images 3.3交接坯中夹杂物数量与尺寸分布 给出了与之对应的液面波动、拉速与中间包钢水质 图7(a)~(c)分别第1类、第2类和第3类夹 量等工艺参数.从图7(a)中可以看出：第1类夹杂 杂物的数量密度在拉速方向上的变化，同时图中也 物主要是小于50μm的夹杂物，大于100μm的簇群

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 3. 2 正常坯中夹杂物数量与尺寸分布 表 2 为统计得到的第 5 炉正常坯中三种夹杂物 的数量与尺寸分布． 正常坯一共在内弧表层取七块 试样，每块试样分析的面积约为 2000 mm2 ，由于表 面平整 原 因，部分试样分析检测面积少于 2000 mm2 ，所以正常坯分析的总面积略小于 14000 mm2 ， 为 12351 mm2 ． 从表 2 可以得知: 正常坯中的大型夹 杂物几乎全是簇群状 Al2 O3 夹杂物． 表 3 为与表 2 对应的夹杂物的数量密度． 可见在正常坯中，簇群 状 Al2O3夹杂物的数量密度在尺寸为 20 ～ 50 μm、50 ～ 100 μm、100 ～ 300 μm 和 ＞ 300 μm 的数量密度分别 为 1. 247、0. 178、0. 032 和 0 cm － 2 ． 在统计的面积内 仅发现一个簇群状 TiOx--Al2 O3 夹杂物，且尺寸较 小． 此外，在统计中没有发现保护渣成分的大型夹 杂物，这 与 JFE 公司的学者发表的结果［13］ 一致． JFE 公司的学者利用光学显微镜研究了距铸坯宽面 内/外弧表面 1 mm 处的尺寸大于 50 μm 的大型夹杂 物数量，统计的总面积为 25200 mm2 ． 他们认为铸坯 表层大于 50 μm 的夹杂物主要有三种: ( 1) 簇群状 Al2O3夹杂物，( 2) 气孔，( 3) 气孔 + 簇群状 Al2O3夹 杂物; 且大于 50 μm 的夹杂物总数量密度为 0. 51 cm － 2 ． 本文中大于 50 μm 的铸坯表层夹杂物的数量 密度为 0. 21 cm － 2，小于 JFE 学者的研究结果． 一般认为铸坯表层夹杂物只有超过一定尺寸才 会对后续的产品产生危害，但关于对 IF 钢等冷轧类 板卷表面质量有害的夹杂物临界尺寸并没有统一的 认识． Sahai 和 Emi［14］认为冷轧薄板用的铸坯中有 害夹杂物尺寸为 240 μm; Cramb［15］则认为对深冲产 品表面质量有害的尺寸为 100 μm． 如果以 100 μm 作为评价指标，本文所研究的正常坯中含有四个对 表面质量有害的夹杂物，且都是簇群状的 Al2 O3 夹 杂物，其形貌如图 6 所示． 图 6( a) 和( b) 为 Al2O3夹 杂物的二次电子图像，图 6( c) 和( d) 为背散射电子 像． 图 6( a) ～ ( c) 很清晰地显示了该夹杂物是由微 小 Al2O3颗粒聚合而成的特征． 图 6( d) 中的夹杂物 呈线状，形成这种特殊形貌的可能原因是: 微小的 Al2O3颗粒附着在 Ar 气泡表面，并在其表面聚合成 大型夹杂物，最终气泡破裂，但这种夹杂物仍然保留 着由于气泡的作用所拥有的独特形貌． 这种“气泡 + Al2O3夹杂物”也被认为是形成冷轧板卷表面缺陷的 原因之一［13］; 但在本研究中这数量较少，所以在统 计数量时与簇群状 Al2O3夹杂物放在一起统计． 由 以上论述可知: 对于正常浇铸的汽车板来说，大型的 Al2O3夹杂物是引起其冷轧板表面缺陷的主要原因． 表 2 第 5 炉正常浇铸铸坯表层大型夹杂物的数量 Table 2 Number of large-sized inclusions for normal slabs of the 5th heat 夹杂物类型 20 ～ 50 μm 50 ～ 100 μm 100 ～ 300 μm ＞ 300 μm 检测面积/mm2 簇群状 Al2O3 154 22 4 0 簇群状 TiOx--Al2O3 1 0 0 0 12351 SiO2 --CaO--Na2O 系 0 0 0 0 表 3 第 5 炉正常浇铸铸坯表层大型夹杂物的数量密度 Table 3 Number density of large-sized inclusion for normal slabs of the 5th heat cm － 2 夹杂物类型 20 ～ 50 μm 50 ～ 100 μm 100 ～ 300 μm ＞ 300 μm ＞ 50 μm ＞ 100 μm 簇群状 Al2O3 1. 247 0. 178 0. 032 0. 000 0. 210 0. 032 簇群状 TiOx--Al2O3 0. 008 0 0 0 0 0 SiO2 --CaO--Na2O 系 0 0 0 0 0 0 图 6 正常坯中尺寸大于 100 μm 的夹杂物形貌． ( a，b) 二次电子像; ( c，d) 背散射电子像 Fig． 6 Morphologies of inclusions larger than 100 μm detected in normal slabs: ( a，b) SE images; ( c，d) BSE images 3. 3 交接坯中夹杂物数量与尺寸分布 图 7( a) ～ ( c) 分别第 1 类、第 2 类和第 3 类夹 杂物的数量密度在拉速方向上的变化，同时图中也 给出了与之对应的液面波动、拉速与中间包钢水质 量等工艺参数． 从图 7( a) 中可以看出: 第 1 类夹杂 物主要是小于 50 μm 的夹杂物，大于 100 μm 的簇群 · 488 ·