侯志慧，韓 萍

（1.天津天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠,河北涉縣 056404；2.天津冶金集團(tuán)天材科技發(fā)展有限公司，天津 300308）

1 引言

天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠應(yīng)品種多元化的需要對2#連鑄機(jī)進(jìn)行了設(shè)備改造，采用塞棒澆注+內(nèi)嵌式浸入水口+保護(hù)渣的澆注方式，全程無氧化保護(hù)澆鑄，使用結(jié)晶器電磁攪拌和氣霧冷卻設(shè)備，經(jīng)轉(zhuǎn)爐LF 爐（VD 爐）圓坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)Ф150～Ф210 斷面的圓坯。由于企業(yè)成本壓力大，使用VD 真空脫氣裝置會使噸鋼成本增加，另一方面VD 爐設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)抽氣閥門鎖閉，蒸汽壓力波動大等故障，不能正常使用。鋼種經(jīng)LF 爐精煉后直接澆鑄，卻出現(xiàn)了大量的表面氣孔缺陷，以37Mn5 鋼最為嚴(yán)重。該鋼種鑄坯修磨率達(dá)到76.3%，且修磨的鑄坯當(dāng)中有23%因為修磨深度超標(biāo)而判廢，嚴(yán)重影響了圓坯合格率指標(biāo)的完成。經(jīng)過對各種故障原因分析研究后，認(rèn)定鋼水脫氧不良造成鋼中氣體含量高、保護(hù)渣絕熱保溫性能差、結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度弱是產(chǎn)生37Mn5 圓坯表面氣孔的主要原因。通過改進(jìn)轉(zhuǎn)爐脫氧工藝，保持物料干燥，控制鋼中氣體含量；減少保護(hù)渣熔劑和配碳量提高絕熱保溫性能；增大電磁攪拌頻率和電流以及低拉速變渣線操作等措施的實施，使37Mn5 圓坯表面氣孔缺陷得到了有效控制。

2 37Mn5鋼表面氣孔形貌

現(xiàn)場檢驗鑄坯發(fā)現(xiàn)37Mn5 圓坯表面氣孔大部分呈開放型，形狀像倒寫的“Ω”字，最大內(nèi)直徑3～4 mm，深度約4～13 mm，在鑄坯圓周各個方向均有分布，氣孔內(nèi)有少量的渣狀物殘留。

取典型試樣做能譜分析，發(fā)現(xiàn)氣孔內(nèi)渣狀殘留物含有Al2O3、Na 和少量P。該渣狀物的殘留導(dǎo)致相當(dāng)一部分鑄坯在修磨過程中出現(xiàn)越打磨氣孔越大的情況，最終因修磨深度超標(biāo)而報廢。

3 氣孔形成機(jī)理

鑄坯在凝固時鋼液中的氣體生成壓力（PO2、PH2、PN2、PH2O）大于鋼水的靜壓與大氣壓之和時便形成氣泡，氣泡在結(jié)晶器壁鋼液彎月面附近或鑄坯凝固前沿被捕捉，一方面隨著凝固前沿的不斷推移和氣體的不斷析出而逐步長大，另一方面隨著坯殼的凝固收縮又被迫縮小，加上鋼水靜壓力和坯殼內(nèi)外溫度梯度的作用，氣泡不能逸出時，就殘留在凝殼中，形成氣孔缺陷[1]。

4 氣孔形成因素分析

4.1 鋼液中氣體含量對表面氣孔的影響

鋼中氣體含量的多少與爐氣中不同氣體的分壓力、氣體在渣層中離解、傳質(zhì)能力的大小以及鋼液中其他元素的含量有關(guān)[2]。易引發(fā)鑄坯表面氣孔缺陷的氣體主要是碳氧反應(yīng)生成的CO 和隨著鋼液凝固不斷析出的H2。在37Mn5 冶煉過程中存在LF 爐白渣形成慢且保持時間短的問題，表明脫氧劑加入量不夠，鋼液脫氧不完全，可能會導(dǎo)致碳二次氧化生成CO 氣體。改用BaAlSi+純鋁的脫氧合金強(qiáng)化脫氧效果，卻發(fā)現(xiàn)鋼水流動性不好，在連鑄澆鑄時塞棒棒位曲線上漲明顯且棒位波動大的爐次表面氣孔廢品也多，見表1。

由于37Mn5 鋼成分中W[Mn]在1.20%～1.35%，也決定了鋼中氫含量較之其它鋼種偏高。有資料表明鋼中氫含量隨著錳、鉻、鎳、鈮、釩含量的增加而增加，用定氫設(shè)備對轉(zhuǎn)爐出鋼后和LF 爐精煉完的鋼液中氫含量進(jìn)行了測定，絕大部分爐次都超過了6×10－6，數(shù)據(jù)見表1。

表1 各爐次冶煉情況表

綜合上述情況分析，當(dāng)加入脫氧劑少時脫氧不完全，會生成CO 氣體，也降低了鋼液吸氫能力，在鑄坯凝固過程中逐漸析出CO 和H2，導(dǎo)致表面氣孔。脫氧過老時雖然避免了CO 氣體的生成，卻造成鋼中Al 含量偏高，鋼水流動性不好，夾雜物多，連鑄澆鑄困難的問題。且在排除了CO 導(dǎo)致表面氣孔的情況下，37Mn5 圓坯仍有表面氣孔廢品，表明鋼中的氫氣含量超標(biāo)。入爐的白灰、合金料及爐襯、保護(hù)渣、中間包等物料有潮濕的現(xiàn)象。

4.2 保護(hù)渣對氣孔生成的影響

保護(hù)渣的主要作用是隔熱保溫、吸附夾渣，促進(jìn)凝固坯殼和結(jié)晶器壁之間的潤滑和傳熱，它的性能好壞決定了鑄坯的表面質(zhì)量。如果保護(hù)渣的絕熱性能好，可以提高彎月面鋼水溫度，因而可以減少振痕深度，避免生成凝固鉤，減少針孔和液渣粘附在彎月面上[3]。如果鋼水溫度低，在氣泡逸出鋼液面之前，就被封存在凝固坯殼下面，形成氣孔缺陷，見圖1。

圖1 絕熱好壞對彎月面鋼水溫度的影響

對現(xiàn)場使用的不同批次37Mn5 保護(hù)渣進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)093811 批次的保護(hù)渣比較好，與其它批次的保護(hù)渣相比較，其固定碳和粉渣中Al2O3含量少。固定碳決定了結(jié)晶器保護(hù)渣能否形成合理的三層結(jié)構(gòu)，一定厚度的熔渣層可有效地減少鋼液表面熱量散失。若粉渣中Al2O3含量過高，液渣溶解和吸附夾雜的能力會降低[2]，再加上保護(hù)渣粘度過低，渣膜不均勻，不能起到有效的傳熱潤滑作用，坯殼振痕深易生成凝固鉤，就會出現(xiàn)凝固鉤捕捉小氣泡，生成表面氣孔，且氣孔中含有夾雜這種表面質(zhì)量缺陷。

4.3 結(jié)晶器電磁攪拌對表面氣孔的影響

在提高鑄坯表面質(zhì)量方面，結(jié)晶器電磁攪拌明顯優(yōu)于其它攪拌方式，煉鋼廠采用外置式交替結(jié)晶器電磁攪拌，電壓380 V，額定電流500 A。借助電磁力的作用，攪動結(jié)晶器內(nèi)的鋼水，增加鋼液流股向上的流動，帶動鋼液中的夾雜物和氣泡上浮到鋼水表面，從而達(dá)到去除夾雜和氣泡的目的。為進(jìn)一步確定結(jié)晶器電磁攪拌對37Mn5 圓坯表面氣孔缺陷的影響，選擇3 流進(jìn)行了實驗，將3 流結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)調(diào)整見表2。

表2 結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)表

發(fā)現(xiàn)在調(diào)整后該流表面氣孔減少46%，且低倍組織檢驗中心疏松0.5 級以下比例由45%上升到80%。因此，提高結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度可明顯改善表面氣孔缺陷。

4.4 拉速對表面氣孔的影響

拉速對37Mn5 圓坯表面氣孔沒有直接影響，但它的大小決定了保護(hù)渣粘度、熔化速度的選擇和鑄坯的凝固過程。拉速過快，一方面會造成注流對結(jié)晶器內(nèi)鋼水和凝固坯殼的沖擊，增大鋼水彎月面的攪動，引起彎月面的鉤形凝固殼捕捉小氣泡。另一方面，拉速過快致使保護(hù)渣的耗量急劇下降，沒有足夠厚度的熔渣層，影響其保溫性能。且液面上下翻騰，部分保護(hù)渣顆粒被卷入凝殼中，造成37Mn5 鋼表面氣孔中含有Al2O3、Na 和P 等夾渣。

5 措施及效果

（1）鑒于鋼中氣體含量尤其是氫含量超標(biāo)，減少新包的使用，強(qiáng)化大、中包的烘烤，當(dāng)大中包內(nèi)襯溫度達(dá)到1 100℃方可使用，保持白灰、合金料、保護(hù)渣、保溫劑等物料干燥，杜絕因物料潮濕帶入水分，造成鋼中氫氣超標(biāo)。

（2）將轉(zhuǎn)爐出鋼時加純鋁和硅鋇鋁進(jìn)行深脫氧的工藝改為出鋼時只加碳粉、碳化硅、硅錳和錳鐵合金進(jìn)行預(yù)脫氧。在鋼包進(jìn)LF 爐時一次配鋁到位，避免脫氧不充分，引起碳的再氧化，生成CO 氣體，使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生氣泡[2]，同時也要避免在后續(xù)處理過程中反復(fù)加鋁，造成Al2O3夾雜過多，影響鈣處理工藝效果。

（3）在氧化期將脫碳速度控制在0.01%/min～0.02%/min，Cr、Mn、Si 等合金按加入量下限標(biāo)準(zhǔn)加入，使?fàn)t渣具有良好的流動性，保證熔池有足夠的沸騰時間，方便氣體逸出。

（4）原在LF 爐造頂渣用的石灰、合成渣、螢石等渣料全部改在轉(zhuǎn)爐出鋼1/5 時加入并采用出鋼過程全程底吹氬，延長吹氬時間，增加吹氬平臺攪拌強(qiáng)度，強(qiáng)攪拌2～3 min。重點(diǎn)控制好成分，尤其是碳和鋁含量，每爐測定氫不大于2×10-6，氧在40×10-6～50×10-6之間，氮不超過70×10-6。工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測定見表3。

表3 工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測定表

（5）聯(lián)系保護(hù)渣廠家對保護(hù)渣的配碳量進(jìn)行了調(diào)整，提高保護(hù)渣的粒度。操作時勤加、少加保護(hù)渣，保證粉渣層厚度在25～30 mm，液渣層厚度在9～12 mm，耗渣量在0.35 kg/m2左右，以提高保護(hù)渣絕熱保溫的效果。同時在使用前烘烤3～5 h，防止保護(hù)渣受潮帶入氣體。

（6）將結(jié)晶器電磁攪拌頻率從2.0 Hz 調(diào)整為3.0 Hz，電流強(qiáng)度由320 A 提高到了400 A，增強(qiáng)攪拌去氣效果。

（7）各斷面拉速降低0.2～0.3 m/min，澆注到第12、13 爐時，變渣線澆鋼，防止水口在渣線處竄鋼攪動結(jié)晶器彎月面處的鋼水，減少空氣進(jìn)入，杜絕卷渣。

工藝改進(jìn)前后圓坯合格率和氣孔廢品情況統(tǒng)計，見圖2。

圖2 圓坯合格率和氣孔廢品柱狀圖

6 結(jié)語

通過對圓坯表面氣孔形成因素的分析，采取了相對應(yīng)的措施，使37Mn5 圓坯表面氣孔廢品率由23.2%降低到4.6%，圓坯合格率由99.38%上升到99.82%。同時也改善了鑄坯的低倍組織，中心疏松由1.0～2.0 級降低到了0.5 級以下，用戶反饋良好。實現(xiàn)了不經(jīng)VD 爐真空脫氣批量生產(chǎn)合格37Mn5鋼的目的，有效地促進(jìn)了煉鋼廠品種開發(fā)步伐，為低成本高效化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]李獻(xiàn)忠，杜方.連鑄圓管坯氣孔形成機(jī)理分析[J].鄂鋼科技，2010（4）：1.

[2]鄭沛然.煉鋼學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994：190-193，326-328.

[3]盧盛意.連鑄坯質(zhì)量[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000，196-197.