減少小方坯第一爐氣泡廢品的生產實踐

陳志月，閆若璞，王 欣

（河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北，063016）

0 引言

為了保護澆鑄的需要，唐鋼二鋼軋廠對1 號方坯連鑄機鋼包回轉臺進行了改造，即將鋼包大臂由固定式改為帶升降功能，并加裝了鋼包保護澆注裝置，目前已具備了生產H08 焊條鋼的能力。H08 生產工藝流程為：轉爐冶煉→鋼包吹氬喂絲→連鑄保護澆注，但是在實際生產過程中，開澆第一包次經常出現氣泡廢品。氣泡廢品有兩種情況：一種是開燒第一爐整爐出現氣泡，其特點是氣泡孔徑較大（3～5 mm），遍布整個斷面；另一種是開澆時各流第一、二根連鑄坯出現氣泡，主要是皮下氣泡，針孔狀大小。

鑒于上述問題，本文對連鑄開燒第一爐鑄坯氣泡廢品的狀態進行了分析，從中發現了鑄坯氣泡的來源和生成機理，并結合H08 鋼的特點提出了控制鑄坯氣泡廢品的工藝優化措施。

1 H08 焊條鋼的特點

H08 鋼是典型的準沸騰低碳低硅鋼種[1]，對S、P成分含量要求較嚴，為保證其良好的焊接性能，又要求鋼中[Si]≤0.03。表1 為H08 焊條鋼化學成分，從表l 中可以看出，由于鋼液中C、Si 的含量很低，鋼中氧含量較高，因此鑄坯產生氣泡的幾率也較大。

表1 H08 焊條鋼化學成分 /wt%

圖1 為H08 鋼連鑄坯氣泡形貌，該坯樣是在鋼包至中間包采用全程氬氣保護澆注，沒有塞棒吹氬和中間包上下水口氬封，中間覆蓋劑和保護渣的水含量均符合標準要求的條件下澆鑄的。從圖1 可看出鑄坯存在嚴重的皮下氣泡缺陷。

圖1 H08 鋼連鑄坯氣泡形貌

因此，為了降低鑄坯氣泡廢品的發生幾率，就要研究鋼中氣體來源和進入鋼水的途徑，通過采取有效措施阻止各類氣體進入鋼水。

2 鑄坯中氣泡的來源

鑄坯中的氣泡來源主要有以下幾種途徑：脫氧不良、外來氣體（空氣、保護性氣體）、水蒸汽（來自潮濕的添加料和耐火材料等）[2]。

2.1 脫氧不良

H08 在澆鋼過程中，由于脫氧不良，在連鑄凝固過程中鋼水溫度降低，鋼水中碳與氧不能達到新的平衡狀態，會造成鋼水中碳、氧反應生成CO 氣體不停地析出。析出的CO 氣體在連鑄過程中與柱狀晶共同生長在表層皮下形成氣孔，不可能浮出鋼液面。由于準沸騰鋼僅析出少量CO 氣體，且鋼水在連鑄凝固過程中鑄坯內部鋼水的壓力增大，會抑制氣泡在鑄坯內部生成，而僅在連鑄坯表層形成氣孔。

2.1.1 鋼中氣泡形成條件

根據IRSID 模型，鋼水中氣泡形成和長大的條件為[3]：

式中：Pg為鋼水中溶解氣體壓力；Pl為鋼水局部液壓；2σl/g/r為表面壓力為σl/g時，液面氣泡半徑為r的壓力。

連鑄坯出現氣泡時，Pl=1 atm，若r＞200 μm，則可忽略不計，此時Pg≥1 atm 時即可出現氣泡。

2.1.2 氣泡形成機理

（1） 樹枝晶間的濃縮相中形成針孔氣泡源，此時C、O 不需要過飽和即可形成CO 氣泡；

（2）針孔氣泡源形成臨界氣泡；

（3）臨界氣泡長大形成宏觀氣泡。

所以，控制H08 臨界氣泡的形成，也就是Pg＜Pl，而Pg=PCO+PN+PH，其中最主要的是CO 氣泡的生成，即CO 臨界氣泡的生成。

2.2 外來氣體

連鑄過程中的外來氣體會使鋼水二次氧化，增加鋼中[O]、[N]等含量，主要是保護澆注的氬氣和鋼水澆注過程中卷入的空氣。溶解的氣體增加鋼中[O]、[N]的同時，未溶解的空氣則以氣泡形式進入鋼水。

2.3 水蒸汽

水蒸汽主要來自潮濕的添加料和耐火材料。比如：轉爐爐役大修或大補爐后爐子干燥不夠，鋼水承載容器鋼包/中間包烘烤不到位、干燥不完全，連鑄過程中接觸的設備備件不干燥（如連鑄中包下水口、引錠頭、結晶器銅板），澆注過程中加入物不干燥（如保護渣）等[4]。另外，生產過程中發現，連鑄開澆、停澆、等鋼水等情況，拉速較低期間結晶器內連鑄坯殼收縮較大，連鑄坯殼與結晶器銅板之間縫隙較大，在此期間結晶器足輥噴嘴如果上翹，水蒸氣有可能進入鋼液，此種情況嚴重時會導致結晶器內鋼水凝固過程中產生多處冒泡。

3 鑄坯中氣泡的控制

鑒于上述原因，可以通過優化轉爐冶煉和連鑄工藝，強化連鑄全流程保護澆鑄，加強澆鑄添加料和耐火材料的干燥管理，阻斷和降低鋼中氣體來源。

3.1 轉爐冶煉工藝控制

針對鋼水脫氧不良，采取了一些措施，基本上杜絕了整爐氣泡廢品的現象。主要措施有：

（1）用碳粉代替鋁錳鈦鎂，有助于鋼液攪拌；

（2）加強轉爐出鋼時底吹效果，保證1 min 的大氣量底吹，并及時將底吹效果及頂渣裹料情況通知當班調度及鋼包吹氬喂絲站；

（3）控制脫氧合金化料加入時機，促進合金料的熔化；

（4）調整鋼包底吹管位置，加強鋼包攪拌，促進合金料快速熔化，提高脫氧效果；

（5） 降低第一包出吹氬喂絲站的鋼水氧含量，控制出站氧含量在25～30 ppm；

（6）對于轉爐下渣爐次，要求再次定氧確認，避免喂絲處理后出站氧含量高于規定值，造成氣泡廢品。

3.2 連鑄工藝控制

一般來說，產生氣泡的因素是鋼水中氣體沒有及時去除，在冷卻時凝固在鋼水中，形成了氣泡缺陷。其外部來源主要有：鋼水從鋼包到中間包過程吸氧，鋼水從中間包到結晶器吸氧，中間包烘烤不良等，針對這些逐一進行分析。

3.2.1 鋼包保護澆注

在H08 鋼種的連鑄生產過程中，在鋼包和中間包之間采用鋼包長水口和氬氣保護澆注。采用鋼包氬氣保護澆注，首先要排除鋼水吸收氬氣的可能性。假定鑄坯中氣泡為氬氣，則氣泡在連澆爐次中會不間斷的發生，而不僅僅只在第一爐或第一爐前幾支連鑄坯中出現。通過對多個澆次的連鑄坯進行跟蹤，均沒有在連澆爐次中發現皮下氣泡缺陷，因此，可排除氬氣進鋼水的可能性。

3.2.2 中間包材質和烘烤制度

統計中間包烘烤時間與出現鑄坯氣泡的爐次（見表2），由表2 可以看出，中包烘烤時間與鑄坯氣泡沒有直接關系。

表2 H08 第一包生產情況

通過分析發現，實測中間包烘烤溫度最高值為1 083 ℃，而鎂質板粘結劑為無機粘結劑，其中含有結晶水，粘結劑熔點為1 200 ℃。為了避免結晶水在開澆時進入鋼水，統一更換為低熔點的樹脂粘結劑（熔點800 ℃）后，第一包氣泡有所下降，但是氣泡廢品仍然出現。

3.2.3 中間包添加氬氣吹掃

根據H08 成分范圍，其液相線溫度為1 525～1 530 ℃，一般取中值為1 527 ℃。中包第一爐開澆時，根據所在企業實際情況，鋼水過熱度通常為60～80 ℃，以有利開澆成功。中間包開澆過程中，鋼水液面由0 mm 升至開澆液位400 mm 期間，鋼水將會不斷地從周圍吸取氧氣和氮氣，增加了鋼水中的氣體含量，在連鑄時，鋼中氣體析出造成鋼中氣泡缺陷；尤其大包剛開始下流，如果注流不圓滿，則會造成鋼水比表面積大大增加，鋼水吸氣能力也大大增加，其吸氧速度比光滑圓流大60 倍。

為了避免開澆時卷入大量空氣產生的二次氧化，在開澆前對中間包沖擊區進行大于2 分鐘的氬氣吹掃，使中間包充滿氬氣，避免了鋼水卷入空氣，減弱了鋼水二次氧化。而氬氣在中間包澆鋼過程中迅速上浮，避免了氣泡廢品的產生。

3.2.4 使用整體式塞棒代替組合式塞棒

塞棒有兩種形式，一為整體式，二為組合式。組合式塞棒是由袖磚、塞頭和塞桿等構成，在使用前由壘桿工將袖磚、塞頭、塞桿等用膠泥粘結，在壘桿機組裝在一起，之后放入桿房加熱烘烤，直到裝入中間包后進行煤氣烘烤。整體式塞棒則直接從生產廠家進貨，使用前裝入中間包烘烤使用。

為了避免因組合式塞棒因烘烤不良帶入水份，在生產時統一更換為整體塞棒。

4 試驗效果

上述措施事后，對生產的3 個澆次H08 第1 爐鑄坯進行了跟蹤、取樣分析，低倍試樣觀察，鑄坯斷面均未發現氣泡缺陷，圖2 為H08 第一爐鑄坯低倍圖像。同時H08 焊條鋼在開澆第1 爐時氣泡廢品率大幅下降，由1.25%降低到0.03%。

圖2 H08 第一爐鑄坯低倍

5 結語

為了減少H08 焊絲鋼開澆第一包次鑄坯氣泡廢品的發生，唐鋼二鋼軋廠組織了專題研究。通過對影響開澆第一包次鑄坯氣泡廢品各類因素的分析，從轉爐冶煉和連鑄工藝控制等方面制定了相應技術改進措施，在取得了良好的成效的同時也積取了寶貴的經驗。

（1）首先保證鋼水脫氧良好，同時在喂絲站要控制出站氧含量。

（2）在連鑄區域，要保證中間包烘烤干燥，中包溫度≥1 100 ℃，開澆前要對中間包進行氬氣吹掃。

（3）開澆時要做好鋼包保護澆注和中間包保護澆注，避免鋼水吸氣產生氣泡。

（4）由于針對氣泡缺陷的措施準確，H08 焊條鋼在開澆第一爐時氣泡廢品率大幅下降，由1.25%降低到0.03%。