37Mn5圓坯表面氣孔原因分析與控制

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(duì)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(wú)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(huì)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(mén)鎖閉，蒸汽壓力波動(dòng)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?yàn)樾弈ド疃瘸瑯?biāo)而判廢，嚴(yán)重影響了圓坯合格率指標(biāo)的完成。經(jīng)過(guò)對(duì)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(guò)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?cè)€操作等措施的實(shí)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(chǎng)檢驗(yàn)鑄坯發(fā)現(xiàn)37Mn5 圓坯表面氣孔大部分呈開(kāi)放型，形狀像倒寫(xiě)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(gè)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(guò)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(bào)廢。

3 氣孔形成機(jī)理

鑄坯在凝固時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)，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(duì)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(guò)程中存在LF 爐白渣形成慢且保持時(shí)間短的問(wèn)題，表明脫氧劑加入量不夠，鋼液脫氧不完全，可能會(huì)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(dòng)性不好，在連鑄澆鑄時(shí)塞棒棒位曲線上漲明顯且棒位波動(dòng)大的爐次表面氣孔廢品也多，見(jiàn)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(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼后和LF 爐精煉完的鋼液中氫含量進(jìn)行了測(cè)定，絕大部分爐次都超過(guò)了6×10－6，數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shí)脫氧不完全，會(huì)生成CO 氣體，也降低了鋼液吸氫能力，在鑄坯凝固過(guò)程中逐漸析出CO 和H2，導(dǎo)致表面氣孔。脫氧過(guò)老時(shí)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(dòng)性不好，夾雜物多，連鑄澆鑄困難的問(wèn)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(duì)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(rùn)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(jiàn)圖1。

圖1 絕熱好壞對(duì)彎月面鋼水溫度的影響

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)高，液渣溶解和吸附夾雜的能力會(huì)降低[2]，再加上保護(hù)渣粘度過(guò)低，渣膜不均勻，不能起到有效的傳熱潤(rùn)滑作用，坯殼振痕深易生成凝固鉤，就會(huì)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(duì)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(dòng)結(jié)晶器內(nèi)的鋼水，增加鋼液流股向上的流動(dòng)，帶動(dòng)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(duì)37Mn5 圓坯表面氣孔缺陷的影響，選擇3 流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將3 流結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)調(diào)整見(jiàn)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(yàn)中心疏松0.5 級(jí)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(duì)表面氣孔的影響

拉速對(duì)37Mn5 圓坯表面氣孔沒(méi)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(guò)程。拉速過(guò)快，一方面會(huì)造成注流對(duì)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(dòng)，引起彎月面的鉤形凝固殼捕捉小氣泡。另一方面，拉速過(guò)快致使保護(hù)渣的耗量急劇下降，沒(méi)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(shí)加純鋁和硅鋇鋁進(jìn)行深脫氧的工藝改為出鋼時(shí)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(shí)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(shí)也要避免在后續(xù)處理過(guò)程中反復(fù)加鋁，造成Al2O3夾雜過(guò)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(dòng)性，保證熔池有足夠的沸騰時(shí)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(shí)加入并采用出鋼過(guò)程全程底吹氬，延長(zhǎng)吹氬時(shí)間，增加吹氬平臺(tái)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(cè)定氫不大于2×10-6，氧在40×10-6～50×10-6之間，氮不超過(guò)70×10-6。工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測(cè)定見(jiàn)表3。

表3 工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測(cè)定表

（5）聯(lián)系保護(hù)渣廠家對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)，變?cè)€澆鋼，防止水口在渣線處竄鋼攪動(dòng)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(jì)，見(jiàn)圖2。

圖2 圓坯合格率和氣孔廢品柱狀圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)圓坯表面氣孔形成因素的分析，采取了相對(duì)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(shí)也改善了鑄坯的低倍組織，中心疏松由1.0～2.0 級(jí)降低到了0.5 級(jí)以下，用戶(hù)反饋良好。實(shí)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(kāi)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.