開澆前中間包充氬對(duì)中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鋼水潔凈度的影響研究

楊克枝 常正昇 郭俊波

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司）

0 引言

馬鋼特鋼公司主要生產(chǎn)車輪、車軸和軸承等高附加值鋼種，對(duì)鑄坯的潔凈度要求較高。由于中間包氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，單開爐次受二次氧化的影響較大，每一澆次的頭幾塊鑄坯往往會(huì)因潔凈度問題改判，尤其是對(duì)于潔凈度要求極其嚴(yán)格的車輪鋼，其頭坯100%改判。中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼二次氧化主要為Al2O3類夾雜，一方面影響鋼水潔凈度[1]，降低了成材率，增加了生產(chǎn)成本，另一方面也在一定程度上影響了鋼水的可澆性[2]。孫彥輝等[3-4]認(rèn)為開澆階段鋼水的二次氧化主要與中間包內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。為了改善鋼水的二次氧化，降低開澆前中間包內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，部分鋼企采用開澆前中間包充氬置換的方式，在提升鋼水潔凈度、提高鋼水收得率方面取得了一定的效果[5-6]，但對(duì)充氬后的置換效果缺乏系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)。鑒于此，筆者選取中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼為例，設(shè)計(jì)不同充氬工藝對(duì)比試驗(yàn)，以鑄坯T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和夾雜物變化作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中間包充氬后的置換效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 充氬理論計(jì)算

試驗(yàn)采用由中間包兩邊的烘烤孔和在沖擊區(qū)插入吹氬管向中間包底部吹入高純氬氣（氬氣純度高達(dá)99.9%以上）的方式，如圖1 所示。

圖1 中包充氬

中間包充氬置換屬于完全混合置換，置換量符合式1：

式中：C1——容器中最初氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；C2——容器中最終的氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；C0——惰性氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；VR——中間包容量，m3；Vt——置換所需的惰性氣體體積，m3。

由于高純氬氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)趨于0，某廠中間包容量為7.36 m3，充氬后中間包氧氣體積分?jǐn)?shù)為：

由式（2）可以看出，在密封良好的情況下，充氬后中間包內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)與充入的氬氣體積有關(guān)，即充氬流量越大、充氬時(shí)間越長，則充氬后中間包氧氣體積分?jǐn)?shù)越低。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)選取中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼（[Al] 含量為0.015%～0.030%）為研究對(duì)象，工藝路線為110 t電爐→LF 精煉→RH 精煉→連鑄。中間包溢流噸位為55 t，工作噸位為42 t，澆鑄過程采用長水口保護(hù)澆鑄+中間包氬封的保護(hù)澆鑄方式。在充氬流量一定的情況下，根據(jù)充氬時(shí)間的不同制定了3種方案，充氬位置在中間包兩側(cè)烘烤位和沖擊區(qū)。開澆前中間包充氬工藝流程為中間包烘烤停止→兩側(cè)烘烤位即插入吹氬管進(jìn)行充氬→中間包車開至澆鑄位→沖擊區(qū)即插入吹氬管進(jìn)行充氬→充氬停止→大包開澆。

RH 真空精煉結(jié)束出站前及中間包開澆階段均采用提桶式取樣器對(duì)鋼水進(jìn)行取樣，取樣方案見表1。提桶鋼樣分別加工成Φ5 mm×30 mm 棒狀試樣和20 mm×20 mm×20 mm 的金相試樣，采用氧氮分析儀對(duì)棒狀試樣進(jìn)行氧氮分析，采用ASPEX對(duì)金相試樣進(jìn)行夾雜物定量分析，夾雜物分析尺寸為1 μm 起，檢測面積≥100 mm2。

表1 取樣方案

3 結(jié)果分析

3.1 鋼中氧氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以反映鋼水潔凈度水平[7-9]，RH 出站-CCM 期間T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量和酸溶鋁損（Δ[Al]S）可以反映鋼水受二次氧化的程度；氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增量可反映鋼水吸入空氣的程度。開澆前，不同充氬工藝條件下開澆爐次鋼中的氧氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和[Al]S的變化情況見表2。

表2 不同充氬工藝條件下開澆爐次鋼中氧氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及[Al]S 變化情況

從表2 可以看出，在充氬流量相同的情況下，方案1～ 3 中 RH 出站至CCM 的過程Δ[Al]S分別為30×10-6、40×10-6和60×10-6，隨著充氬時(shí)間的延長，鋼水Δ[Al]S呈下降趨勢。方案1 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量為2.3×10-6和3.6×10-6，增幅分別為15.6%和10.5%；方案2 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量為2.7×10-6和8.1×10-6，增幅分別為18.5%和23.6%；方案3 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量為4.3×10-6和8.2×10-6，增幅分別為74.1%和28.4%。由此可見，在開澆前中間包充氬條件下，RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量和增幅明顯小于無充氬工藝的，且延長充氬置換時(shí)間有利于降低鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增量和增幅。

3.2 夾雜物數(shù)量密度和尺寸變化

開澆期間，受中間包內(nèi)氧化性氣氛的影響，鋼水會(huì)發(fā)生二次氧化，生成大量的細(xì)小夾雜物，致使鋼水中的夾雜物數(shù)量密度增大[10]。開澆期間鋼中夾雜物數(shù)量密度以及尺寸的變化能反映中間包充氬置換效果的好壞，試驗(yàn)中開澆階段夾雜物數(shù)量密度和尺寸變化情況如圖2 所示。

圖2 夾雜物數(shù)量密度及尺寸變化

從圖2 可以看出，RH 出站至CCM 期間，方案1 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計(jì)增幅為12.1%，1～2 μm尺寸范圍內(nèi)的夾雜物數(shù)量密度增幅為-19.7%；方案2 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計(jì)增幅為40.2%，1～2 μm 尺寸范圍內(nèi)的夾雜物數(shù)量密度增幅為5.0%；方案3 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計(jì)增幅為166.8%，1～2 μm 尺寸范圍內(nèi)的夾雜物數(shù)量密度增幅為122.1%。由此可見，開澆前采用中間包充氬置換可以有效降低細(xì)小夾雜物的生成量、降低夾雜物數(shù)量密度的增量和增幅，且充氬置換時(shí)間越長，改善效果越明顯。

3.3 含Al2O3 夾雜物數(shù)量密度變化

開澆期間，中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼受二次氧化主要產(chǎn)生含Al2O3類夾雜物，此類夾雜物又受鋼水中鈣的影響，最終以鈣鋁酸鹽的形式存在于中間包鋼水中。因此，開澆階段含Al2O3鈣鋁酸鹽夾雜物（尤其是當(dāng)夾雜物中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)）的數(shù)量密度變化可以反映鋼水受二次氧化的程度。筆者選擇以Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜物的數(shù)量密度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，3 種方案條件下的夾雜物數(shù)量密度變化情況如圖5 所示。

從圖3 可以看出，從RH 出站至CCM 期間，方案1～ 方案3 鋼中含Al2O3夾雜物數(shù)量密度均呈上升的趨勢，鋼水均受到一定程度的二次氧化；方案1～3 鋼中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10% 以上的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度分別增加2.98 個(gè)/mm2、5.59 個(gè)/mm2和7.80 個(gè)/mm2，增幅分別為25.4%，62.0%和321.8%。由此可見，開澆前采用中間包充氬置換可以有效降低開澆期間含Al2O3夾雜物的生成量，且充氬置換時(shí)間越長，改善效果越明顯。

圖3 Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度變化情況

4 結(jié)論

（1）RH 出站至CCM 階段，方案1～ 3 鋼中T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增量分別為2.3×10-6，2.7×10-6和4.3×10-6，增幅分別為15.6%，18.5%和74.1%。

（2）RH 出站至CCM 階段，方案1～3 鋼中夾雜物數(shù)量密度增幅分別為12.1%、40.2 和166.8%，細(xì)小夾雜物數(shù)量密度的增幅分別為-19.7%、5.0%和122.1%。

（3）RH 出站至CCM 階段，方案1～ 3 鋼中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度的增幅分別為25.4%，62.0%和321.8%。

（4）開澆前采用中間包充氬工藝有利于減少開澆期間鋼水的二次氧化， 且充氬時(shí)間越長，鋼水受二次氧化的影響越小。