Investigation on Flying Tundish Change and Separation Plate Using Micro-X-Ray Fluorescence at ArcelorMittal Dofasco’s No. 1 Continuous Caster
安-米連鑄機(jī)快換中間包隔離板印跡x射線熒光研究
為了優(yōu)化生產(chǎn)效率，通常按順序澆注不同化學(xué)等級(jí)的鋼。這可以包括飛包（快速更換中間包，或快換中包）和上下鋼種隔離板進(jìn)入到結(jié)晶器內(nèi)。雖然這些做法的目的是為了分清楚上下鋼種，但是仍然有時(shí)還是有混鋼種現(xiàn)象。由于上下爐鋼水對(duì)接，因此在鑄坯內(nèi)部形成了一個(gè)獨(dú)特的液相穴形狀的印記。微觀x射線熒光，以及其他一些創(chuàng)新的工具和技術(shù)，使用多個(gè)這樣的板坯試樣被用來揭示和分析這個(gè)液相穴的形狀。本文回顧了安賽樂-米塔爾Dofasco鋼廠開展的廣泛調(diào)查的結(jié)果，并提出了對(duì)接液相穴印記形成的解釋。
阿賽諾-米塔爾 Dofasco鋼廠有兩套鋼鐵生產(chǎn)流程(圖1)，KOBM流程使用一個(gè)氧氣轉(zhuǎn)爐，出鋼后的鋼包到鋼包冶金爐工位上進(jìn)行精煉(LMF 1)，然后在1號(hào)連鑄機(jī)(1CC)澆鑄；有些鋼種需要真空脫氣，在罐式真空裝置(TDG)進(jìn)行脫氣處理。電弧爐(EAF)短流程使用雙爐殼電弧爐，出鋼后鋼包在LMF 2上精煉，然后在2CC連鑄機(jī)上澆鑄。這兩個(gè)鋼鐵生產(chǎn)流程可以生產(chǎn)范圍寬廣的鋼種，包括：超低碳鋼，低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼，高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)和雙相鋼。
圖1 阿賽諾-米塔爾 Dofasco鋼廠兩個(gè)煉鋼工藝流程圖
在兩臺(tái)連鑄機(jī)上，鋼水通過鋼包底部長(zhǎng)水口轉(zhuǎn)送到中間包內(nèi)。當(dāng)鋼包澆鑄完畢后，鋼水停止下行，拆除長(zhǎng)水口離開中間包清理并準(zhǔn)備下一爐繼續(xù)使用。在中間包中內(nèi)的鋼水通過浸入式水口(SEN)進(jìn)入到結(jié)晶器內(nèi)，鋼液在結(jié)晶器中開始凝固產(chǎn)生初生坯殼，凝固坯殼帶著中間的鋼水下行，鑄坯內(nèi)部的鋼液池(也稱為“液相穴”)在下行時(shí)候持續(xù)凝固，抵達(dá)一定長(zhǎng)度后完全凝固固化完成。固化完成后，由火焰切割機(jī)分段，切割成所需長(zhǎng)度的板坯。
中間包內(nèi)襯的耐火材料經(jīng)過若干爐的澆鑄后，由于侵蝕原因必須更換中間包。通過停止?jié)茶T、更換中間包、重新開澆(以較低的連鑄拉速)組織連鑄生產(chǎn)，這種生產(chǎn)方式不僅耗時(shí)，而且會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降。為了最大限度地提高生產(chǎn)效率，阿-米Dofasco鋼廠的兩臺(tái)連鑄機(jī)都采用了快換中包(飛包FTC)技術(shù)，即從一個(gè)中間包轉(zhuǎn)換到另一個(gè)中間包時(shí)，不會(huì)因此中斷連鑄過程。[2]
由于阿-米Dofasco的多鋼種產(chǎn)品組合，不同鋼種(化學(xué)規(guī)格)的爐號(hào)通常需要按順序澆鑄。當(dāng)前澆鑄的爐號(hào)和下一爐號(hào)之間的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生重大變化時(shí)，將在結(jié)晶器內(nèi)插入分隔板以區(qū)別這兩個(gè)爐號(hào)。這種做法有幾個(gè)目的：(1)創(chuàng)建一個(gè)物理屏障，以限制在接頭鑄坯的長(zhǎng)度；(2)凝固凍結(jié)分隔板周圍區(qū)域鋼液，有助于將上下兩爐鋼連接在一起；(3)便于識(shí)別兩種板坯的過渡區(qū)，切割去除對(duì)接區(qū)的鑄坯。[2] 阿-米Dofasco鋼廠已經(jīng)開發(fā)了幾個(gè)模型來預(yù)測(cè)兩爐鋼對(duì)接時(shí)候的過渡鑄坯(具有上下兩爐鋼混合化學(xué)成分的鑄坯段)的化學(xué)性質(zhì)。[2,4,5]本文總結(jié)了幾種過渡接頭的板坯的定性和定量分析，揭示了在液相穴內(nèi)的混鋼機(jī)理。
快換中間包和鋼種隔離板
在阿-米Dofasco鋼廠快速更換中間包工藝過程中使用隔離板來分清上下兩爐不同的鋼種，稱為中間包快換隔離板TCSP，圖2表明這個(gè)快換更換中間包使用隔離板示意圖，描述了這個(gè)工藝的每一步。
圖2 阿-米Dofasco鋼廠快換中間包和鋼種隔離板(TCSP)實(shí)踐概述（圖中的文字模糊無法準(zhǔn)確判斷）
理想情況下，快換中間包鋼種隔離板TCSP可以在生產(chǎn)中完全分清楚上下兩爐鋼交接的位置，實(shí)現(xiàn)完全的鋼種分離。然而，在上下兩爐鋼種成分波動(dòng)很大情況下進(jìn)行的TCSP試驗(yàn)顯示，TCSP試驗(yàn)時(shí)的液相穴形狀非常獨(dú)特。這些結(jié)果將在以下部分中展示和討論。
結(jié)果與討論
深度酸洗腐蝕和液相穴印跡
阿-米 Dofasco公司對(duì)某些高Mn鋼種(A級(jí))的TCSP事件附近的板坯性能進(jìn)行了調(diào)查。選擇了兩個(gè)TCSP板坯，在相同爐數(shù)爐號(hào)同時(shí)澆鑄的兩流鑄機(jī)上截取兩個(gè)板坯來進(jìn)行調(diào)查測(cè)量（圖3a）。圖3b為深度酸洗腐蝕后的試樣的宏觀結(jié)構(gòu)，[6]這些板坯低倍顯然沒有表現(xiàn)出典型的中心偏析(CL)，作為對(duì)接的液相線形狀的印記是很明顯。圖3c顯示了與A鋼種鑄坯低倍，這是在該鑄機(jī)穩(wěn)定條件下生產(chǎn)沒有進(jìn)行鋼種更換對(duì)接狀態(tài)下的板坯中心線偏析的一個(gè)例子，用微x射線熒光(MXRF)裝置掃描紅色區(qū)域，繪制Mn濃度圖，研究深度侵蝕的結(jié)果。
圖3 (a) TCSP板坯示意圖，(b) 具有深度腐蝕板坯縱向宏觀低倍，(c)類似于A鋼種鑄坯在穩(wěn)態(tài)澆鑄沒有鋼種變化的中心偏析示例。注：A和B試樣是用兩機(jī)兩流第一流澆鑄的，C是第二流澆鑄的板坯
微觀x射線熒光區(qū)域掃描
使用阿-米在Hamilton全球研發(fā)中心的MXRF裝置分析TCSP板坯試樣的宏觀結(jié)構(gòu)，Sengupta等人描述了MXRF裝置和Mn比度量，用于測(cè)定板坯中的Mn濃度含量。[7~9]對(duì)于圖3中的TCSP板坯低倍試樣，使用50 μm的MXRF光斑掃描每個(gè)試樣中120 x 40 mm2的區(qū)域。
圖4所示的MXRF Mn比值圖與圖3所示的腐蝕后的宏觀低倍結(jié)構(gòu)是一致，因?yàn)橐合嘌ǖ挠≯E清晰可見。在印跡內(nèi)的Mn比在印跡外的要低，為0.4比1.0(圖4b和4c)。這與典型的中心偏析是相反的，即在板坯中心厚度附近Mn比最高。如圖5所示繪制的單線Mn比曲線證實(shí)了在觀察到液相穴邊界的地方Mn比的急劇下降。當(dāng)連鑄這些板坯時(shí)，其錳含量由高錳(A級(jí))過渡到低錳(B級(jí))。下一節(jié)將提出解釋觀察到的現(xiàn)象的機(jī)理。
圖4 在圖3 中TCSP板坯試樣的微觀x射線熒光(MXRF) Mn比圖。注：MXRF掃描面積：120 × 40 mm2
圖5 MXRF圖的單線Mn比剖面沿板坯厚度(從板坯的外弧側(cè)開始)掃描
提出的液相穴混合機(jī)理
圖6顯示了結(jié)晶器中進(jìn)一步詳細(xì)的TCSP實(shí)踐示意圖，以及解釋TCSP板坯試樣上觀察到的所提出的機(jī)理。
圖6 提出了TCSP實(shí)踐中在液相穴內(nèi)鋼種混合的機(jī)理
第1步—插入隔離板TCSP之前
1.鋼種A正在澆鑄中，降低連鑄拉速，停止添加結(jié)晶器保護(hù)渣。
2.將鋼種隔離板小心地插入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水中。
第2步—新的鋼種進(jìn)入結(jié)晶器
1. 鋼水在隔離板周圍凝固，形成一個(gè)物理的鋼種隔離屏障。
2. 將B鋼種鋼注入結(jié)晶器內(nèi)，在物理屏障隔離板與鋼水凝固收縮中的的縫隙，使鋼水通過縫隙進(jìn)入到熔池中。因此，在液相穴內(nèi)產(chǎn)生了流體流動(dòng)和鋼種混合。
第3步—板坯固化
1. 鋼水在鑄坯內(nèi)部凝固，內(nèi)部的化學(xué)成分混合。
TCSP板坯的進(jìn)一步MXRF分析
研究人員還分析了另外的TCSP板，以繪制更詳細(xì)的液相穴形狀。在圖7所示的例子中，TCSP板坯從高Mn含量的A鋼種過渡到低Mn含量的B鋼種，縱向低倍試樣是從板坯長(zhǎng)度方向上的中心線上切割剖分開來，使用MXRF設(shè)備掃描沿縱向低倍長(zhǎng)度方向不同位置測(cè)量(圖7a)。圖7b顯示了向鋼種隔離板移動(dòng)的試樣的Mn比圖。所有試樣的液相穴邊界都清晰可見，液相穴內(nèi)部的錳比始終低于外部—0.2比1.0——這與前面例子的發(fā)現(xiàn)是一致。有趣的是，沿著板坯長(zhǎng)度的方向液相穴內(nèi)混合區(qū)域不是均勻的，液相穴內(nèi)沿鋼坯厚度方向的混合區(qū)域?qū)γ總€(gè)試樣來說也不是均勻的。盡管如此，沿板坯中心厚度的Mn比分布表明，Mn濃度介于兩種等級(jí)的目標(biāo)鋼種Mn濃度之間(圖7c)。這說明TCSP過程中發(fā)生的凝固、流體流動(dòng)和化學(xué)混合現(xiàn)象是復(fù)雜的。
圖7 (a) TCSP平板縱向截面示意圖，顯示MXRF區(qū)域掃描位置；(b) MXRF Mn 比圖。注：MXRF掃描面積：120 × 40 mm2；(c) 沿TCSP板坯中心厚度位置的單線Mn比曲線
為了進(jìn)一步說明觀察到的現(xiàn)象的復(fù)雜性，在液相穴邊界附近的區(qū)域進(jìn)行了高分辨率MXRF掃描(圖8a)。深度酸洗腐蝕顯示液相穴邊界由多層組成(圖8b)。MXRF掃描顯示富鐵/貧錳和富鐵/富錳交替層，與酸洗宏觀結(jié)構(gòu)的外觀相對(duì)應(yīng)(圖8c和d)。
圖8 (a) 圖3中TCSP板坯試樣的深度酸洗腐蝕宏觀結(jié)構(gòu)[C]；(b) MXRF掃描液相穴邊界特寫圖像；(c) MXRF Mn比值圖；和(d) MXRF Fe wt.%映像圖
液相穴長(zhǎng)度和形狀
在阿-米Dofasco鋼廠，預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)條件下的液相穴長(zhǎng)度已經(jīng)很好地建立。[10]然而，快換中間包鋼種隔離板TCSP的實(shí)踐過程不是穩(wěn)態(tài)的，因?yàn)樗枰档瓦B鑄拉速，因此，這種對(duì)接的液相穴的末端位置向彎月面方向移動(dòng)，液相穴的長(zhǎng)度減少。其他因素，如插入鋼種隔離板前降低連鑄拉速的持續(xù)時(shí)間和鋼水過熱度，使液相穴的端部位置和長(zhǎng)度難以預(yù)測(cè)。
采用經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)多個(gè)A鋼種快換中間包隔離板TCSP使用產(chǎn)生的液相穴長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量和比較(圖9)。在圖中，液相穴量化為TCSP時(shí)鑄坯段的液相比例分?jǐn)?shù)(例如，在凝固末端液相率為0%，在彎月面處液相率為~100%)。這些情況下的過熱度分為低的過熱度(5-19°C)、中過熱度(20-34°C)和高過熱度(35-50°C)。幾個(gè)鑄坯之間的液相穴不同，案例II較低過熱度的情況下，液相穴長(zhǎng)度最短，案例III~V中的中間過熱度和高過熱度的情況下，液相穴長(zhǎng)度最長(zhǎng)。在插入鋼種隔離板之前，降低澆注速度對(duì)液相穴的長(zhǎng)度沒有影響，說明過熱度對(duì)液相穴的長(zhǎng)度影響較大。
圖9 TCSP板坯的液相穴形狀形狀和連鑄參數(shù)
外生夾雜，工業(yè)影響和補(bǔ)救
在這次調(diào)查中，在TCSP板中意外地觀察到幾個(gè)非典型特征。深度酸洗腐蝕顯示液相穴形狀的邊界內(nèi)有幾個(gè)異物(圖10a和11a)。圖10b顯示了一個(gè)長(zhǎng)度約15mm的異物。MXRF顯示鑄坯基體貧錳/富鐵(圖10c和d)。MXRF掃描結(jié)果表明既不是A鋼種的物質(zhì)也不是B鋼種的物質(zhì)，確認(rèn)這里是為外來的“異物”大型夾雜。
圖10 (a) TCSP板坯(深度酸洗腐蝕)液相穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)異物，(b) 外生大型夾雜特寫圖像，(c) MXRF的 Mn比值圖，(d)MXRF的 Fe wt.% 映像圖
圖11 (a) TCSP板坯(深度酸洗腐蝕)液相穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)異物，(b) 異物特寫圖像，(c) MXRF 的Mn比值圖，(d) MXRF的Fe wt.% 映像圖
圖11b顯示了一個(gè)長(zhǎng)度為14毫米的異物。MXRF顯示該異物也是貧錳/富鐵的(圖11c和d)。此外，異物右側(cè)明顯可見富鐵/貧錳場(chǎng)，很像海浪水的尾流。這表明，在連鑄過程中，這個(gè)異物是固體的，進(jìn)入到鑄坯并溶解在液相穴的鋼液中。
液相穴中鋼種混合的證據(jù)和液相穴中異物的存在表明，液相穴中產(chǎn)生的流體流動(dòng)可以將外來物質(zhì)從結(jié)晶器中帶進(jìn)到液相穴深處。因此，存在非金屬顆粒夾帶到深坑內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)板坯質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，阿-米Dofasco鋼廠通過增加某些等級(jí)的TCSP板坯的廢坯切割長(zhǎng)度來降低這種風(fēng)險(xiǎn)，這樣做對(duì)連鑄的收得率是有負(fù)面影響的，但客戶可以避免這種大型外生夾雜風(fēng)險(xiǎn)。
摘要和結(jié)論
采用深度酸洗低倍和MXRF分析了TCSP連鑄過程中的幾塊高錳向低錳過渡的板坯，這兩種技術(shù)都揭示了在鋼種隔離板前面的鑄坯內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)特的液相穴的印記，提出了一種解釋液相穴印跡的機(jī)制。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1. 液相穴內(nèi)部的Mn含量比外部低，但在快換中間包上下兩爐鋼的目標(biāo)范圍內(nèi)，高Mn鋼的對(duì)接爐號(hào)鑄坯通過隔離板凝固凍結(jié)收縮將其拉下來，形成正常的連鑄生產(chǎn)。
2. 在TCSP過程中，鑄坯中的現(xiàn)象(即凝固、鋼水流動(dòng)和化學(xué)方面的介質(zhì)傳遞)是復(fù)雜的，可以證明：
?液相穴邊界呈富鐵/貧錳和貧鐵/富錳交替層。
?在液相穴內(nèi)的鋼種混合在板坯長(zhǎng)度和厚度方向上都是不均勻的。
?TCSP板坯的液相穴長(zhǎng)度隨連鑄拉速、過熱度和VC時(shí)間的減少而變化。
3.在一些TCSP板的液相穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)了異物。MXRF顯示這些機(jī)體富鐵/貧錳，非金屬大顆粒夾雜物同樣有可能被帶進(jìn)到液相穴內(nèi)，從而影響板坯質(zhì)量。
4. 作為結(jié)論#3的結(jié)果，阿-米Dofasco鋼廠延長(zhǎng)了TCSP板的切割報(bào)廢長(zhǎng)度，雖然影響了鋼廠的收得率，但保護(hù)了客戶對(duì)質(zhì)量的需要。
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