張洪彪 王國(guó)梁 李 海 王吾磊 陸 曼 劉志勇 左小坦

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000)

棒材的表面缺陷有裂紋、結(jié)疤、夾渣、耳子、折疊、翹皮、劃傷等多種[1]。一般鑄坯表面的氣孔類缺陷在軋制后具有裂紋尾部圓鈍、有氧化鐵及氧化圓點(diǎn)、裂紋邊緣脫碳等特征[5- 7]。表面有渣溝、氣孔缺陷的連鑄坯在軋制過(guò)程中易被氧化并形成表面裂紋，因此應(yīng)嚴(yán)格控制[8]。

某鋼廠3號(hào)圓坯連鑄機(jī)在2018年5～8月份生產(chǎn)的φ300 mm 45、40Cr、60Mn鋼連鑄坯，軋后棒材表面出現(xiàn)了大量沿軋制方向分布的線狀裂紋，長(zhǎng)度10～50 mm，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)和交貨。據(jù)文獻(xiàn)[2- 3]報(bào)道，脫碳一般在較高溫度(800 ℃以上)并保持一定時(shí)間才發(fā)生，因此，根據(jù)鑄坯裂紋處脫碳及裂紋附近氧化圓點(diǎn)等特征可以斷定，這些表面缺陷不是軋制過(guò)程中形成而是鑄坯本身的[4]。鋼廠對(duì)這些缺陷的形成機(jī)制進(jìn)行了深入的分析研究及攻關(guān)試驗(yàn)，采取了一系列預(yù)防措施，最終使鑄坯的表面缺陷得到了有效控制，改善了鑄坯的表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

1.1 生產(chǎn)工藝

某鋼廠3號(hào)連鑄機(jī)的生產(chǎn)流程為120 t LD轉(zhuǎn)爐→120 t LF爐精煉→CC(φ300 mm)→檢驗(yàn)判定→修磨精整→入庫(kù)。所煉鋼種主要有QD08、20、45、40Cr、50Mn、60Mn等。120 t轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐與連鑄機(jī)生產(chǎn)周期相匹配，40～50 min內(nèi)連澆爐次一般為18～22爐。

1.2 檢驗(yàn)方法

在φ300 mm連鑄坯表面的缺陷處取樣并加工成φ50 mm試樣。采用賀利氏定氧和定氫儀檢測(cè)氧、氮、氫含量。采用OLYMPUS- BX51M電鏡和EVOMA10/LS 10掃描電鏡觀察分析缺陷形貌并進(jìn)行能譜分析。

2 渣溝和氣孔的特征

鑄坯表面渣溝分布無(wú)規(guī)律，但其數(shù)量隨著連澆爐次的增加而增多。低倍試樣中，渣溝表現(xiàn)為鑄坯的激冷層減薄，深1～5 mm，寬3～15 mm，時(shí)斷時(shí)續(xù)，長(zhǎng)度不等，嚴(yán)重者溝底有縱向裂紋。典型的表面渣溝如圖1(a)所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，鑄坯表面有離散的倒“Ω”形開(kāi)口小孔，直徑多為3～5 mm，深度多為3～12 mm，孔口較圓，直徑比渣孔小，內(nèi)壁光滑，個(gè)別氣孔中有殘留的渣狀物。典型的表面氣孔缺陷如圖1(b)所示。

圖1 連鑄鑄坯表面的渣溝(a)和氣孔(b)Fig.1 Slag trough (a) and blowhole (b) on the continuously cast slab

所有不進(jìn)行真空循環(huán)脫氣(即RH精煉爐)處理的連鑄坯均出現(xiàn)渣溝、氣孔等表面缺陷，而經(jīng)過(guò)RH處理的鑄坯表面則未發(fā)現(xiàn)氣孔。

3 原因分析

3.1 形成缺陷的氣體來(lái)源

3號(hào)連鑄機(jī)6、7月份生產(chǎn)的45鋼鑄坯均出現(xiàn)較多氣孔、渣溝缺陷，直接報(bào)廢177支，另有461支需修磨。經(jīng)前期檢查，排除了保護(hù)渣性能、結(jié)晶器銅管磨損、澆鋼操作等方面的原因，并發(fā)現(xiàn)，鑄坯氣孔是鋼水中氫含量過(guò)高所致。

對(duì)LF爐精煉的45、40Cr和60Mn鋼水取樣檢測(cè)氧、氮含量，結(jié)果列于表1，氧含量為(4.5～21.6)×10-6，氮含量為(33.8～62.5)×10-6，平均氧含量為11.6×10-6(最高28.8×10-6)，平均氮含量為46.4×10-6(最高為63.5×10-6)，可見(jiàn)鋼水的氧、氮含量均正常。

采用賀利士在線定氫儀測(cè)定了68爐次LF爐精煉的45、40Cr鋼水的氫含量，結(jié)果為(3.5～13.8)×10-6，平均為6.65×10-6，這比經(jīng)RH處理的鋼水的平均氫含量高4.65×10-6，可見(jiàn)鋼水的氫含量已達(dá)到較危險(xiǎn)的程度。現(xiàn)場(chǎng)跟蹤發(fā)現(xiàn)，在5～8月雨季或潮濕天氣生產(chǎn)且鋼水不經(jīng)RH處理的鑄坯均有氣孔缺陷。

表1 軋材中氧、氮含量Table 1 Oxygen and nitrogen contents in the rolled products

3.2 缺陷分析

檢查出現(xiàn)表面針孔缺陷的鑄坯發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2)，氣孔的開(kāi)口小于內(nèi)腔，少量氣孔內(nèi)有鋼水流出的痕跡，甚至在坯殼表面形成小的翻皮。掃描電鏡及能譜分析表明，缺陷內(nèi)部主要是鐵氧化物，還有少量保護(hù)渣(能譜分析發(fā)現(xiàn)有Ca)。分析認(rèn)為，當(dāng)鋼的氫含量超過(guò)飽和溶解度時(shí)，在結(jié)晶器中凝固時(shí)，氣體溶解度隨著溫度下降及組織變化而急劇降低，便在鋼中析出H2并形成小氣泡。小氣泡在上浮過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步吸附氣體而逐漸長(zhǎng)大，上浮速度加快。上浮速度大于鋼水凝固速度、且遠(yuǎn)離坯殼固- 液界面的氣泡可順利排除，而上浮速度小于鋼水凝固速度或鄰近固- 液界面的氣泡則被初生溝形凝固殼捕捉，在鋼水靜壓力不斷增大和結(jié)晶器振動(dòng)造成坯殼不斷開(kāi)裂和閉合的共同作用下，氣泡可擊穿凝固坯殼形成氣孔缺陷[9]。

圖2 連鑄坯氣孔的掃描電鏡形貌及能譜分析Fig.2 SEM micrograph and EDS analysis of blowhole on the continuously cast slab

3.3 缺陷的形成機(jī)制

由以上分析可知，如果氣體含量超過(guò)在鋼液中的飽和溶解度，或鋼中樹(shù)枝晶間富集的氫、氮等氣體的含量達(dá)到或超過(guò)其飽和溶解度，就可能析出氣體。理論分析表明，鋼水中的氫含量大于(6～8)×10-6時(shí)，鋼液在凝固過(guò)程中極有可能產(chǎn)生渣溝和氣孔缺陷。

在澆鑄過(guò)程中，鋼水中氣體的上浮速度一般大于樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)速度，因此氣體上浮不會(huì)留下痕跡。但鄰近結(jié)晶器壁鋼水彎月面處，由于氣泡在黏稠的兩相區(qū)既要排開(kāi)液體又要繞過(guò)樹(shù)枝晶，阻力極大，因此氣泡可能被鋼水在彎月面形成的初期勾型凝固殼所捕獲。如圖3(a)所示，當(dāng)氣泡被捕捉后，會(huì)不斷吸收鋼中的氫而長(zhǎng)大，進(jìn)而擠壓彎月面，導(dǎo)致流入結(jié)晶器壁與凝固坯殼之間的液渣厚度不均勻。液態(tài)渣膜不均勻，將造成坯殼在結(jié)晶器內(nèi)傳熱不均勻，從而激冷層厚度不均勻。初生坯殼較厚的部位較早地因收縮而與結(jié)晶器之間形成間隙，液態(tài)渣在該處會(huì)形成較厚的渣膜，這進(jìn)一步阻止了熱傳遞，如此反復(fù)，最終導(dǎo)致形成表面渣溝缺陷。

如果氣泡將初期形成的兩個(gè)振痕中間最薄弱的坯殼擊穿則形成氣孔(見(jiàn)圖3(b))，且氣孔口比較光滑[7]。而少量液渣可能會(huì)由外向內(nèi)流入開(kāi)口的氣孔內(nèi)，鋼水也可能由內(nèi)向外流出，這是氣孔處有少量保護(hù)渣或小翻皮痕跡的原因。

圖3 連鑄坯形成渣溝(a)和氣孔(b)的示意圖Fig.3 Schematic diagrams of formation of slag trough (a) and blowhole (b) on the continuously cast slab

4 控制缺陷的措施

要徹底消除連鑄坯表面的渣溝和氣孔缺陷，必須嚴(yán)格控制鋼水中的氣體尤其是氫的含量。因此，針對(duì)南方雨季潮濕的空氣環(huán)境，對(duì)鋼水進(jìn)行RH真空脫氣，將氫含量控制在3×10-6以下是避免鑄坯產(chǎn)生表面缺陷的有效措施。此外，還需采取如下措施：(1)入爐料結(jié)構(gòu)鐵塊加入量<8 t，不能超過(guò)10 t；(2)轉(zhuǎn)爐控制壓球使用量<2 t，并在8 min內(nèi)加入完畢，后期做冷料可使用返礦等代替壓球；(3)加強(qiáng)合金及原輔料的管理，確保各種物料干燥，雨季運(yùn)輸物料要采取防雨防潮措施，石灰儲(chǔ)存時(shí)間不得超過(guò)12 h，合金必須烘烤后使用；(4)轉(zhuǎn)爐煙道或鋼包爐蓋漏水時(shí)不能煉鋼；(5)及時(shí)調(diào)整鋼包爐的除塵風(fēng)量，爐口保持微正壓，加強(qiáng)爐內(nèi)還原氣氛控制；(6)保持白渣時(shí)間≥10 min，提高埋弧效果，減少鋼液吸氣量；(7)適當(dāng)延長(zhǎng)軟吹鎮(zhèn)靜時(shí)間；(8)確保連鑄全程的保護(hù)澆鑄效果，尤其要注意對(duì)鋼包長(zhǎng)水口的氬封保護(hù)效果，防止鋼液吸氣，中包采用雙層覆蓋劑。采取以上控氫措施后，雨季生產(chǎn)的φ300 mm 45、40Cr、60Mn鋼連鑄坯未出現(xiàn)渣溝、氣孔等表面缺陷，鑄坯表面質(zhì)量穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)某鋼廠連鑄坯表面的渣溝和氣孔缺陷是鋼水的氫含量過(guò)高所致。

(2)鑄坯表面產(chǎn)生渣溝及縱裂紋是氣泡在結(jié)晶器壁鋼水彎月面處聚積長(zhǎng)大后擠壓彎月面、使流入結(jié)晶器壁與凝固坯殼間的液渣厚度不均勻所致；當(dāng)氣泡在結(jié)晶器壁鋼水彎月面處聚積長(zhǎng)大并擊穿坯殼時(shí)，將形成表面氣孔。

(3)采取RH真空脫氣處理、改變?nèi)霠t料結(jié)構(gòu)、烘烤合金及原輔料等措施，可有效遏制雨季生產(chǎn)的鑄坯表面產(chǎn)生渣溝和氣孔缺陷。