鋼水氫含量分析與控制實踐

王文培 劉列喜 李 海 徐 雷 王吾磊

(蕪湖新興鑄管有限責任公司 煉鋼廠，安徽 蕪湖 241000)

某煉鋼廠生產的φ300 mm的圓坯軋制棒材，表面出現了大量沿軋制方向分布的線狀裂紋，長度10～50 mm不等，已嚴重影響產品的正常生產和按期交付。據相關文獻報道[1-2]，一般脫碳需要較高溫度(800 ℃以上)，并在較高溫度下停留一段時間。根據該裂紋附近的脫碳層及氧化物圓點，可判斷這類缺陷不是在軋制過程中形成的，而是鑄坯帶來的[3]。

該裂紋的宏觀形貌和微觀組織均帶有明顯的鑄坯表面氣孔缺陷軋制后的特征，如裂紋尾部圓鈍、有氧化鐵及氧化圓點、裂紋邊緣脫碳等[4-6]。研究表明，表面有渣溝、氣孔的連鑄坯由于在軋制過程中易被氧化，形成表面裂紋[7-9]。

隨著企業成本壓力的日益上升，解決這些問題成了當務之急。由于工業生產實踐無法進行批量試驗，且國內外可供參考的資料較少，缺乏氫含量影響鑄坯表面質量的相關研究。因此，煉鋼廠技術人員對氣孔缺陷的形成機制進行了深入的分析探討，全工序查找原因，開展攻關試驗，采取了一系列改進措施，使鑄坯表面氣孔缺陷得到了有效控制。

1 試驗材料與方法

1.1 生產工藝

某煉鋼廠3號連鑄機的主要工藝參數見表1，生產工藝流程為120 t LD轉爐煉鋼→120 t LF爐精煉→CC(φ300 mm)→檢驗判定→修磨精整→合格入庫。主要生產鋼種有QD08鋼、20鋼、45鋼、40Cr鋼、50Mn鋼、60Mn鋼等。120 t轉爐、LF精煉爐與連鑄機配套生產，在40～50 min內可連澆18～22爐。

表1 主要連鑄工藝參數

1.2 檢驗方法

采用上海賀利氏定氫儀HYDRIS測定冶煉過程中氫的變化規律，包括測定鋼包、中間包中鋼液的氫含量。它以氮氣作載氣通過探頭進入鋼液并吸收鋼液中的氫，當載氣與鋼液中氫含量達到平衡時，利用鋼液中的氫和載氣中氣泡氫分壓的關系[10]，采用熱導率檢測器(TCD)監控載氣氮的熱傳導速率，通過內置微處理器完成數據計算，確定鋼液中的氫含量。HYDRIS系統測量范圍是(0.5～14)×10-6，測量時間為30～120 s，測量誤差小于0.15×10-6。

2 氣孔缺陷及增氫熱力學原理

2.1 鑄坯表面氣孔缺陷

鋼液凝固時，C-O反應生成的CO或H2的逸出，在柱狀晶生長方向接近鑄坯表面形成的孔洞稱作氣孔，裸露在表面的氣孔稱作表面氣孔，沒有裸露的為皮下氣孔，氣孔小而密集的為皮下針孔。經觀察發現(見圖1(a))，在圓坯表面形成了離散的“倒Ω”形開放型小孔，直徑為3～5 mm，深度為3～12 mm，孔口較圓且直徑比內部小，直徑比渣孔小，內壁光滑，個別氣孔有渣狀殘留物。氣孔的掃描電鏡形貌見圖1(b)。鑄坯表面氣孔缺陷幾乎在所有不經過RH真空處理的鋼種中出現，經過RH真空處理的鋼種中沒有出現，且在雨季頻繁出現。

圖1 鑄坯表面氣孔的低倍和高倍形貌

LF出站取氣體樣進行氧氮分析，[O]質量分數為(4.5～21.6)×10-6，[N]質量分數為(33.8～62.5)×10-6。軋材中[O]、[N]質量分數抽檢結果如表2所示，平均[O]質量分數為13.9×10-6(最高18.5×10-6)，平均[N]質量分數為49.8×10-6(最高為56.5×10-6)，可見鋼水中[O]、[N]含量處于正常范圍內。

對LF爐出站鋼水采用賀利氏定氫儀定氫68爐次，平均[H]質量分數為6.65×10-6，波動范圍(3.5～13.8)×10-6，比RH真空處理鋼中[H]的質量分數高3.65×10-6以上。這表明，鋼水中[O]、[N]含量均處于正常范圍內，且鑄坯表面氣孔缺陷幾乎在所有不經過RH真空處理的鋼種中出現，可知鋼水中[H]含量較高，是形成鑄坯表面氣孔缺陷的主要原因。

表2 45鋼軋材中[O]、[N]含量抽檢結果

2.2 鋼液增氫熱力學原理

氣態氫在鋼液中溶解時，氣體分子首先被吸附在氣-鋼界面上，然后分解為原子被鋼液吸收，因而其溶解過程可寫為[11]：

1/2H2=[H]

lgKH=-1 670/T-1.68

(1)

在低于105 Pa的壓力范圍內，氫在鋼液中的溶解符合西華特定律：

aH=fH×[H%]=KH×(PH2)1/2

(2)

lgfH=0.013[Al%]+0.06[C%]-0.002 2×

[Cr%]-0.001 4[Mn%]+0.002 2[Mo%]-

0.19[O%]+0.011[P%]+0.008[S%]+

0.027[Si%]

(3)

式中：aH為氫在鋼中的活度；fH為氫的活度系數；[H%]為氫在鋼液中的質量分數；KH為氫在鋼液中的平衡常數；PH2為氣相中氫的分壓力，以大氣壓為單位。

鋼中氣體可能來自與鋼液接觸的氣相，與氣相的組成有關?？諝庵械臍浞謮杭s為5.37×10-2Pa，將其代入上述公式，可計算得出與此相平衡的鋼中氫的質量分數為0.02×10-6。據此可以斷定，決定鋼中含氫量的不是大氣中的氫分壓，而是空氣中的水蒸汽分壓及煉鋼原材料的干燥程度。水蒸汽增氫的化學反應式為[12]：

H2O(g)=2[H]+[O]

lgKH2O(g)=-10 557/T-0.164

(4)

[H%]=KH2O(g)×(PH2O(g)/[O%])1/2

(5)

文獻表明，在1 600 ℃時，對已脫氧鋼液、鋼液中w([O])=0.002%的條件下，石灰干燥時其帶入爐氣的水蒸汽分壓PH2O為300～400 Pa，石灰受潮時爐氣中PH2O可達4 053 Pa。若在冶煉過程中使用了受潮的石灰，則在其平衡狀態下會使鋼液中的氫增至56.4×10-6，由此可見，鋼液中的氫含量主要取決于爐氣中的水蒸汽[13]。

3 氫含量影響因素

3.1 轉爐爐料結構

鐵塊中水分及鐵銹含量較高(水分質量分數為3.92%，鐵銹質量分數為3.92%)，理論增氫量大，試驗增氫量如圖2(a)所示，擬合曲線得到關系式y=0.14x+2.607。即每增加1 t鐵塊，增氫量約為0.14×10-6。

3.2 原輔料增氫

壓球中水分質量分數為0.9%，試驗增氫量如圖2(b)所示，擬合曲線得到關系式y=3.635+0.002 6x-2.62×10-7x2。

此外，試驗數據分析得出，后期加入壓球比前期加入約增氫1.2×10-6(前期5 min內加入1.5 t，后期5～10 min內加入0.5 t)。

3.3 其他增氫因素

統計78組試驗數據，得出轉爐爐后氫的質量分數為4.727×10-6。轉爐使用補爐料時實測增氫量約0.17×10-6；吹煉過程中使用2 t返礦時，約增氫0.2×10-6。

圖2 增氫量與鐵塊加入量(a)和壓球加入量(b)之間的關系

LF精煉出站平均氫質量分數為5.655×10-6，LF精煉過程增氫量約0.928×10-6。轉爐出白鋼試驗分析，精煉加入700 kg合金約增氫0.1×10-6；試驗冶煉40Cr鋼，轉爐爐后不加增碳劑，進精煉后加入普通增碳劑165 kg，約增氫2.6×10-6，若進LF精煉后加入150 kg低氮增碳劑，約增氫2.11×10-6。精煉喂線過程增氫量約0.1×10-6(喂入300 m鈣線)。LF冶煉過程中埋弧穩定、底吹控制合理可以達到去氫效果，約去氫0.175×10-6。RH脫氫率可達60%～80%。

4 控制增氫的措施

要從根本上解決這種鑄坯表面氣孔缺陷，必須嚴格控制鋼水中的氣體含量尤其是[H]含量。在南方雨季，對鋼水進行RH真空脫氣處理，將[H]的質量分數控制在3×10-6以下，是雨季避免出現鑄坯表面缺陷的有效方法。此外還需要采取如表3所示的一些措施。

表3 工藝優化前、后主要技術參數、鋼水中的[H]含量和有表面氣孔的鑄坯百分率

具體措施包括：(1)入爐料結構鐵塊加入量小于10 t；(2)轉爐控制壓球使用量小于2 t，須在8 min內加入完畢，后期做冷料可使用返礦等代替壓球；(3)加強合金及原輔料的管理，保持各種物料干燥，雨季運輸物料要有防雨、防潮措施，石灰儲存時間不超過12 h，合金烘烤后使用；(4)轉爐煙道或鋼包爐蓋漏水時不煉鋼；(5)鋼包爐操作中及時調整除塵風量，保持爐口微正壓，加強爐內還原氣氛控制；(6)白渣保持時間10 min以上，提高埋弧效果，減少鋼液吸氣量；(7)適當延長軟吹鎮靜時間。

采取上述控氫措施后，生產的鑄坯表面未發現氣孔缺陷，有效提高了產品質量。

5 結論

(1)雨季生產的鑄坯表面出現氣孔缺陷，特征為直徑3～5 mm，深度3～12 mm，孔口較圓且直徑比內部小，直徑比渣孔小，內壁光滑，個別氣孔有渣狀殘留物。

(2)圓坯氣孔缺陷的產生主要是由于鋼水中[H]含量過高所致。

(3)入爐鐵塊理論增氫量較大，擬合曲線得到關系式y=0.14x+2.607。即每增加1 t鐵塊增氫量約0.14×10-6。擬合壓球加入量與增氫量關系曲線，得到關系式y=3.635+0.002 6x-2.62×10-7x2。

(4)通過采取在雨季經過RH真空脫氣處理，改變入爐料結構、壓球使用量，烘烤合金及增碳劑等原輔料等措施，可以有效控制鋼水氫含量，避免鑄坯表面產生氣孔缺陷。