在高品质钢材生产体系中,连铸作为衔接炼钢与轧制的核心工序,钢液洁净度直接决定成品钢材的疲劳性能、焊接性能与使用寿命,而非金属夹杂物是制约钢液洁净度提升的核心痛点。夹杂物本质为冶炼过程中生成的氧化物、硫化物及复合型化合物,尺寸、形态、分布状态不达标,会造成铸坯内部裂纹、表面起皮、力学性能离散等质量缺陷,也是高端特种钢材量产的主要技术壁垒。基于连铸全流程剖析夹杂物形成机理,配套对应的精准控制技术,是现代钢铁工程提质增效、深耕高端钢材市场的必经之路。
连铸工序夹杂物来源繁杂,按照形成原因可分为原生夹杂、外来夹杂与次生夹杂三类。原生夹杂产生于转炉冶炼与LF精炼阶段,钢水中脱氧元素与氧气反应生成氧化铝、二氧化硅等细小氧化物;外来夹杂主要来自造渣剂、耐火材料剥落以及下渣卷渣,钢包、中间包换钢过程中炉渣卷入钢液,形成大尺寸硬质夹杂物,危害程度最高;次生夹杂多出现于连铸结晶器内部,钢液二次氧化与温度波动,促使细小夹杂物重新聚集长大,恶化钢材内部组织。据质量检测数据统计,大尺寸外来夹杂物引发的钢材缺陷占比超65%。
钢包与中间包环节是夹杂物源头管控的第一道关口。为抑制下渣卷渣问题,大中型钢厂普遍采用智能下渣检测系统,依托电磁感应原理实时监测钢液状态,精准判定下渣起始节点,自动关闭出钢水口,从源头阻断炉渣混入钢液。同时优化耐火材料材质,选用高铝质抗侵蚀内衬材料,降低高温钢液冲刷造成的材料剥落;搭配专用中间包覆盖剂,隔绝空气实现无氧保护,规避钢液二次氧化。此外,通过优化钢液浇注流量,稳定钢液液面波动,减少液面裸露氧化现象。
结晶器区域夹杂物调控是提升铸坯质量的关键环节。卷渣是结晶器内夹杂物增生的主要诱因,受拉坯速度、水口插入深度、保护剂性能多重因素影响。生产过程中需根据铸坯规格设定专属工艺参数,板坯连铸水口插入深度控制在90~120mm,合理分配浸入式水口出流角度,弱化钢液冲击扰动;同时分级选用结晶器保护渣,依靠保护渣吸附捕捉游离夹杂物,并及时排出钢液。借助多物理场数值模拟技术,预判不同工况下钢液流动规律,提前优化工艺参数,减少卷渣概率。
针对已生成夹杂物,行业形成多元化去除与改性技术体系。一方面优化软吹工艺,延长钢液氩气软吹时长,利用气泡吸附细小夹杂物上浮至渣层,实现无害化去除;另一方面普及钙处理改性技术,将硬质氧化铝夹杂物转化为低熔点钙铝酸盐,弱化夹杂物割裂基体的负面影响,同时便于后续工序快速去除。对于高端轴承钢、汽车面板钢,可增设真空脱气工序,深度净化钢液,将夹杂物粒径严格控制在5μm以内。
现阶段夹杂物控制仍存在精细化短板,小众规格铸坯卷渣机理尚不明确,微小尺寸纳米级夹杂物难以高效去除,小微型钢企缺乏数值模拟设备,工艺调试依赖人工经验。未来行业需深化多尺度耦合仿真研究,完善全品类钢材夹杂物控制标准;普及一体化智能测控系统,实现浇注全流程参数自动适配;强化产学研合作,研发低成本夹杂物改性技术,全面提升我国高品质钢材国产化生产能力。