在安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠的1號連鑄機中，由于快速更換中間包，導致在隔離板附近發(fā)生了漏鋼事件。盡管中間包快速更換和插入板坯鋼種隔離板的工藝已經建立，能夠連續(xù)澆鑄不同化學成分的鋼種，且對生產中斷的影響最小，但這種工藝在多次成功實施鋼種轉換后，仍有可能在結晶器下方發(fā)生漏鋼，盡管這種情況并不常見。本文探討了用于開展廣泛調查的創(chuàng)新工具和技術，并通過漏鋼事故的檢驗，提出了對漏鋼事件的詳細解釋。
1前言
安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠擁有兩條鋼鐵生產線，如圖1所示。KOBM生產線配備一個轉爐，轉爐冶煉出的鋼水在鋼包精煉爐（LMF1）中進行精煉，隨后在1號連鑄機（1CC）進行澆鑄；部分特定牌號的鋼種在連鑄前還需在罐式真空脫氣爐（TDG）進行真空脫氣處理。電弧爐（EAF）工藝流程則采用雙爐殼電弧爐，出鋼后在鋼包精煉爐（LMF2）中進行精煉，并在2號連鑄機（2CC）中澆鑄。這兩種流程能夠生產多種鋼種牌號，包括超低碳鋼（ULC）、低碳鋼（LC）、中碳鋼、高碳鋼、高強度低合金鋼（HSLA）以及先進高強度鋼（AHSS）。
連鑄機中的耐材部件（如浸入式水口、鋼包長水口、中間包內襯）會隨著澆鑄時間的延長而逐漸磨損，因此需要定期進行更換作業(yè)。傳統(tǒng)的作業(yè)方式包括停止連鑄機（稱為“序列中斷”）、更換中間包以及重新啟動新的連鑄鋼坯澆鑄，這一過程耗時較長，會導致產量損失。為了提升生產效率，操作者通常會采用飛包作業(yè)（即快速更換中間包，F(xiàn)TC），在無需終止連鑄鋼坯澆鑄的情況下，將使用過的中間包順利更換成新的中間包。由于安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠生產多種鋼種產品，一個中間包澆次的鋼種不能混入下一個中間包澆次的鋼種中。若不同鋼種的鑄坯混合，將直接影響板坯的最終化學成分。為避免這種情況，連鑄操作者有時在FTC期間在結晶器內插入鋼種隔離板，以區(qū)分不同鋼種的鑄坯。這種操作被定義為中間包快換-隔離板（TC-SP）。
不幸的是，1號連鑄機發(fā)生了漏鋼事故，不僅威脅到人員和工藝過程的安全，還造成了生產和設備的損失。幸運的是，得益于安賽樂米塔爾的安全程序，此次漏鋼并未造成任何人員傷害。漏鋼事故發(fā)生在TC-SP后幾分鐘，正值鋼種從超低碳鋼轉換為先進高強度鋼的過程中。這種不同鋼種的轉換涉及混合不同成分，本身就存在漏鋼的固有風險。盡管如此，這類漏鋼工藝事故仍較為罕見，因為此類操作每天都在進行，且1號連鑄機已建立了澆鑄不同鋼種的成熟程序，快換中間包對生產力的影響也降至最低。此外，這種特殊的鋼種轉換在以往已多次成功執(zhí)行，未出現(xiàn)任何問題。采用Leung和Sengupta提出的一些方法，并結合針對本次調查的新技術，對板坯和漏鋼的坯殼材料進行了詳盡檢測。本文簡要概述了漏鋼事件、調查所用的工具和技術，以及基于證據的根本原因假設。
2漏鋼事件描述
漏鋼事件發(fā)生在1號連鑄機2流中的1流區(qū)域。漏鋼的起始位置位于1號連鑄機扇形段的出口附近，大約距離彎月面6m處。從漏鋼結果來看，出現(xiàn)了一個巨大的破裂漏鋼坯殼，示于圖2。
進一步檢查扇形段1段的坯殼，發(fā)現(xiàn)鑄坯沿寬度方向完全斷裂成兩段。該位置被認定為鋼種隔離板插入的部位。由于漏鋼位置距離結晶器出口較遠，TC-SP板如何引發(fā)鑄坯漏鋼事件尚未明確。為此，本研究收集并分析了另一塊具有相似鋼種轉換（從低碳鋼轉換為高強度低合金鋼）特征的TC-SP板，作為本研究的基準對比。
在成功對接的TC-SP板坯上，有兩個顯著特征值得注意。首先，在寬面上出現(xiàn)了一個U形的鋼種重疊印，這表明新進入的鋼種鋼水在結晶器內與原有坯殼形成了重疊。其次，窄面上并未出現(xiàn)此類重疊，僅呈現(xiàn)一條“縫隙”，這標志著澆鑄過程中工藝的中斷以及兩個鋼種的分離處。
根據1號連鑄機上漏鋼的數(shù)量和位置，推測漏鋼起源于靠近北側的內弧寬面。在本次調查中，從靠近北側的漏鋼坯殼上切割了兩個試樣。這些試樣經過深度蝕刻，以揭示板坯的宏觀結構，并使用微X射線熒光（MXRF）和光誘導擊穿光譜（LIBS）進行掃描，以測量其化學成分。同時，對相似位置基準板上的鋼試樣也進行了對比分析。
3結果與討論
3.1深度蝕刻
根據Sengupta等人描述的程序，制備了試樣并用氯化銅銨進行深度蝕刻。盡管本研究并未關注中心線偏析，但蝕刻技術已有效揭示了兩包鋼水對接混合處的火山口狀宏觀結構。圖3展示了基準TC-SP板坯試樣的宏觀結構，清晰呈現(xiàn)了低碳鋼（亮區(qū)）與高強度低合金鋼（暗區(qū)）在TC-SP時的火山坑形狀對比，隔離板在兩個橫截面上均一目了然。此外，在下一爐高強度低合金鋼水澆鑄和混合之前，上一爐低碳鋼水已在隔離板周圍凝固。最后，圖3（b）中可見板坯寬面上兩種鋼種重疊的痕跡，而圖3（a）中則展示了窄面上的“縫”。沿接縫及鋼種重疊處，上下兩爐鋼之間展現(xiàn)出良好的結合力，足以承受鑄坯下行的牽引力。
漏鋼板試樣的宏觀結構突顯了ULC（亮區(qū)）與AHSS（暗區(qū)）之間的對比。其中，某些特征與基準板坯相似，如隕石坑形狀的印記、兩爐鋼隔離板的存在以及板周圍的凝固分界線。然而，基準情況中也有若干特征并未出現(xiàn)：
1）隔離板的橫截面及其周圍已形成的ULC凝固分界線。值得注意的是，隔離板偏離中心，朝向內弧寬表面。
2）基準TC-SP板坯寬表面上常見的鋼種重疊現(xiàn)象明顯缺失。此外，北部窄面附近出現(xiàn)的TC-SP縫表明，漏鋼起源于TC-SP結合部附近。
3）ULC的凝固橋接現(xiàn)象清晰可見，橫貫板坯表面。同時，也存在斷橋或短橋凝固的情況。推測當新的對接鋼水注入結晶器時，部分已形成的凝固梁可能斷裂并被沖走。觀察到的凝固橋斷裂現(xiàn)象進一步佐證了這一推測。
4）在凝固橋和隔離板附近，發(fā)現(xiàn)被困的非金屬球體，后經證實為結晶器保護渣。此外，鋼中存在空洞，這些空洞中很可能原本含有類似的結晶器保護渣球體，但在試樣制備過程中脫落。
5）沿著窄面表面附近的火山坑型壁，呈現(xiàn)出一種獨特的宏觀結構。
6）板坯漏鋼導致的分離，或沿火山坑型壁靠近TC-SP板縫之間的間隙漏出鋼水。
在安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠針對鑄坯脫尾事件的另一項調查中，凝固橋接現(xiàn)象曾被記錄過一次。圖4展示了脫尾板坯的縱向截面，其中從彎月面開始形成了多層凝固橋。研究發(fā)現(xiàn)，這些彎曲橋之間是空心的。在正常連鑄中斷期間，由于結晶器保護渣不足，無法在鋼液上層提供充分的絕緣作用，導致保溫性能下降，鋼水在結晶器液面上開始凝固。然而，隨著二冷段鑄坯凝固引起的鋼坯收縮，鋼水仍被吸入火山坑型壁上。由于缺乏足夠的鋼水補充，凝固橋下方留下了一個空白空間。這種現(xiàn)象反復發(fā)生，形成了多個凝固橋。同樣的現(xiàn)象也能解釋漏鋼鑄坯中存在的凝固橋。由于長時間沒有新的鋼液注入，且未添加結晶器保護渣，導致結晶器內鋼液表面熱損失過大，凝固形成過厚的坯殼。當新的鋼液最終倒入結晶器時，它能穿透橋梁，填滿原本空置的空間。
3.2微X射線熒光區(qū)域掃描
微X射線熒光（MXRF）技術能夠測量板坯試樣中的錳成分，并生成大范圍的錳分布圖。Sengupta等人詳細描述了MXRF裝置及其量化板坯錳成分濃度的Mn含量度量方法。采用MXRF掃描板坯試樣，光斑尺寸設定為50μm，空間分辨率為0.5mm。
基準TC-SP板坯試樣的MXRFMn含量區(qū)域掃描結果顯示，澆鑄完畢的鋼（LC）與對接鋼（HSLA）的Mn含量存在差異，這源于它們對錳含量要求的不同。鋼種隔離板的獨特化學成分，以及周圍LC鋼的凝固坯殼，均清晰可見。盡管深度刻蝕揭示了一個尖銳的坑壁，但MXRF結果顯示了局部的鋼種混合和凝固現(xiàn)象，正如過渡區(qū)域的Mn化學成分所顯示，這與LC和HSLA鋼種均有所不同，后者在物理層面表現(xiàn)為深度上的漸進變化，而非急劇的階躍變化。
漏鋼TC-SP板坯試樣的MXRFMn含量區(qū)域掃描結果及深度蝕刻所呈現(xiàn)的特征表明，橫向板坯表面的凝固橋與已澆鑄結束的鋼種（ULC）相吻合，說明這些凝固橋在鋼種混合之前已經形成，類似于隔離板周圍的凝固屏障。深度蝕刻所呈現(xiàn)的火山坑壁的獨特宏觀結構，其Mn含量既不同于澆鑄結束的鋼種，也不同于對接鋼種，進一步證實了局部鋼種混合的存在。
3.3激光誘導擊穿光譜學
隨著錳在對接上下兩爐鋼之間的過渡區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，研究人員對碳元素的作用進行了深入探討。盡管這兩種鋼種均不屬于包晶鋼，但假設其混合物可能引發(fā)包晶化學反應。關于包晶鋼現(xiàn)象及其與連鑄工藝相關風險的論述已在文獻中得到證實，然而這些研究主要針對穩(wěn)態(tài)連鑄狀態(tài)和固態(tài)坯殼在結晶器中凝固增厚的情況。
MXRF設備能夠生成高分辨率的Mn成分（及其他元素）區(qū)域圖，但無法檢測或測量碳元素。相比之下，激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術不僅能夠檢測碳和錳，還能提供現(xiàn)場測量數(shù)據。在這項研究中，LIBS槍沿板坯試樣的橫截面測量了多個點（見圖5）。本文將報告LIBS測量的Mn含量（類似于MXRF設備的測量結果），以及碳測量結果，后者以C指數(shù)表示——這是一種標準化的無單位度量，可與碳的質量百分比進行比較。此外，將LIBS生成的Mn譜圖也與MXRF生成的結果進行了對比分析。
描繪基準TC-SP板的LIBSC指數(shù)和Mn含量曲線，并將其與相同位置的MXRFMn含量曲線進行了對比。LIBS和MXRF之間的Mn含量測量呈現(xiàn)出相似的曲線輪廓，且兩者合理匹配。此外，C指數(shù)曲線與錳含量曲線緊密相關。LC區(qū)域的C指數(shù)與澆鋼結束鋼種的CAIM密切相關。C指數(shù)隨后在火山坑型壁內的HSLA區(qū)域增加。在火山坑型壁印記區(qū)域附近，C和Mn的測量值在兩個等級的CAIM（澆鑄開始鋼種CAIM和澆鑄結束鋼種CAIM）之間轉換，這與MXRF測量的局部混合現(xiàn)象一致。
澆鋼結束坯的C指數(shù)和Mn含量分布情況表明，化學剖面呈現(xiàn)出與基準情況相似的特征。MXRF分析顯示，火山坑型壁附近的宏觀結構呈現(xiàn)出顯著的過渡性Mn含量，其C指數(shù)也表現(xiàn)出類似的變化趨勢。實際上，這種化學成分的轉變導致C指數(shù)下降，且該現(xiàn)象發(fā)生在包晶鋼的范圍內。
研究了漏鋼板坯在起始點附近的C指數(shù)和Mn含量分布情況。由于邊緣不規(guī)則，該區(qū)域無法進行MXRF掃描。盡管如此，LIBS測得的Mn含量已證實與MXRF測量的Mn含量高度吻合。在AHSS鋼種區(qū)域，許多C指數(shù)測量值介于兩種對接鋼種的CAIM之間。此外，大量測量結果均落在包晶鋼范圍內。在連鑄包晶鋼澆鑄過程中，結晶器內會出現(xiàn)波狀坯殼生長現(xiàn)象。這一現(xiàn)象同樣可以解釋TC-SP縫層附近沿坑壁觀察到的鋼的分離或間隙現(xiàn)象。
3.4工藝數(shù)據審查
盡管現(xiàn)有證據表明，漏鋼現(xiàn)象僅發(fā)生在兩條板坯線中的一條上，而另一條板坯連鑄機并未出現(xiàn)漏鋼情況。此外，TC-SP在此之前已多次成功實施。因此，有必要確定導致漏鋼的各個環(huán)節(jié)中的關鍵因素。通過對引發(fā)漏鋼事件的過程數(shù)據進行審查，進一步的影響因素得以明確。
審查兩條板坯連鑄機的關鍵工藝數(shù)據，包括連鑄拉速（VC）和結晶器寬度。根據TC-SP的標準操作程序，在快換中間包之前需降低連鑄拉速，隨后切斷鋼水進入結晶器，開始快換中間包操作。在極低的連鑄拉速下，進行中間包更換并將隔離板插入結晶器（約2.5min）。之后，開澆操作恢復鋼液進入結晶器的流動。值得注意的是，與2號連鑄線相比，1號連鑄線（即發(fā)生漏鋼事故的流）上鋼水恢復流動所需時間更長，這可能是導致在板坯試樣上觀察到凝固橋接現(xiàn)象的原因。
盡管如此，TC-SP部分的尾坯已順利拉出結晶器，未出現(xiàn)任何問題。然而，當鑄坯沿著連鑄機扇形段下行移動時，1號連鑄機上的結晶器寬度卻發(fā)生了增加。根據從漏鋼起始點到彎月面的距離，TC-SP截面在結晶器寬度變化期間將穿過1號連鑄機的彎曲段。結晶器寬度改變后，立即觀察到結晶器內鋼水液面下降，這表明鋼水在二冷室內溢出，并隨后引發(fā)了漏鋼事故。不久之后，“清除”1號連鑄機設備的命令隨即下達。
4漏鋼機制
根據深度蝕刻、MXRF、LIBS和工藝數(shù)據回顧提供的證據，確定了導致漏鋼事件的影響因素。圖6顯示了所提出的漏鋼機理的示意圖摘要。
由于以下原因，對接板坯在鋼種隔離板位置（TC-SP縫）附近的完整性受到損害：
1）長時間沒有鋼水流入結晶器內（塞棒關閉到塞棒打開時間過長），導致對接尾坯熱能損失和凝固橋接（A）。
2）凝固橋接抑制了鑄坯火山坑型壁內兩個鋼種成分的充分混合。
3）凝固橋接還導致更多的結晶器保護渣粉球被困（B）。
4）在TC-SP縫附近，ULC和AHSS鋼種鋼水混合，造成上爐鋼尾坯鋼坯殼處于包晶鋼區(qū)域范圍凝固和凝固搭橋，導致兩個鋼種之間局部區(qū)域收縮和形成空隙（C）。
5）鑄坯從直弧段通過彎曲扇形段時，對脆弱的TC-SP縫施加了彎曲作用力（D）。
6）與TC-SP縫到達彎曲段同時發(fā)生的結晶器寬度變化，對TC-SP縫施加了額外的力（E）。
7）隔離板的插入并非爆發(fā)事件的直接原因，而是間接導致TC-SP事件持續(xù)時間的延長（F）。
5結論
安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠的1號連鑄機在TC-SP附近發(fā)生了漏鋼事故，該事故發(fā)生在從ULC鋼種過渡到AHSS鋼種的過程中。為此，進行了一項調查，旨在確定漏鋼事件的關鍵因素并找出根本原因。同時，以另一塊從LC鋼種順利過渡至HSLA鋼種過程中，TC-SP技術取得成功的板坯為基準，進行了詳細的對比分析。基于調查獲得的證據，提出了一種失效機制來解釋此次漏鋼事故，得出了以下結論：
1）深度蝕刻、MXRF和LIBS是表征板坯宏觀結構和局部化學成分的有效工具，特別是在混合不同鋼種的板坯分析中。
2）C指數(shù)和Mn比值曲線相似，表明碳的偏析和分布與錳極為相似。
3）由于結晶器內長時間未進入鋼水，安放的隔離板和TC-SP縫的板坯對接部分在結構上受到損害。盡管TC-SP縫在離開結晶器時保持完整，但在從直弧段穿過彎曲扇形段時，因工藝變化（即結晶器寬度變化）導致縫破裂，進而引發(fā)漏鋼。
4）自該事件發(fā)生以來，安賽樂米塔爾多法斯科鋼廠已取消原有的快換中間包操作工藝，并實施了新的工藝和規(guī)劃，以防止漏鋼事故再次發(fā)生，保護連鑄操作人員，并保障客戶訂單。
5）連鑄機漏鋼依然構成安全和生產的風險，需進一步調查和討論，以提升鋼鐵行業(yè)的安全水平。
