合金鋼E20材料的鋼包吹氬工藝

[摘" " 要]鋼包吹氬攪拌技術(shù)對(duì)于去除鋼中非金屬夾雜物和有害氣體具有良好效果，對(duì)均勻鋼液的化學(xué)成分和溫度也有一定的作用。為提高鑄件質(zhì)量，針對(duì)E20材料初步制定了符合江蘇萬(wàn)恒鑄業(yè)有限公司現(xiàn)有情況的吹氬工藝。

[關(guān)鍵詞]E20;鋼包吹氬;非金屬夾雜物;有害氣體

[中圖分類號(hào)]TG142.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

1 概述

鋼包吹氬攪拌工藝是一種較為有效的爐外精煉方法，通過(guò)透氣塞向鋼包內(nèi)的鋼液中吹入惰性氣體氬氣，以達(dá)到凈化鋼液的目的。吹氬使鋼水?dāng)噭?dòng)并形成小而分散的氬氣泡。這些氣泡對(duì)于鋼液中的H2、O2、N2來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)真空室。當(dāng)氬氣泡穿過(guò)鋼液與上述氣體接觸時(shí)，這些氣體會(huì)自動(dòng)擴(kuò)散至氬氣泡內(nèi)，并隨之一同上升而溢出鋼液，進(jìn)而達(dá)到脫氣的目的。同理，氬氣泡上浮引起鋼液的攪動(dòng)，促進(jìn)鋼液中細(xì)小而分散的非金屬夾雜物與氬氣泡接觸、聚集，形成低熔點(diǎn)大顆粒夾雜物并吸附于氣泡表面上浮排出，從而提高了夾雜物上浮的速度，達(dá)到凈化鋼液的目的。

2 吹氬方式的選用

鋼包頂吹氬工藝吹成率高，使用操作簡(jiǎn)單、安全可靠，但頂吹氬操作時(shí)吹氬槍易產(chǎn)生擺動(dòng)和偏斜，且插入深度也很難達(dá)到工藝要求，在吹氬時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的氣泡柱，使鋼液液面翻滾強(qiáng)烈，極易卷氣卷渣，產(chǎn)生二次氧化及吸氮而污染鋼水。底吹氬工藝只要控制好吹氣壓力，即可有效避免以上缺點(diǎn)。為此，江蘇萬(wàn)恒鑄業(yè)有限公司采用底吹氬方式。

3 鋼包的技術(shù)要求

一個(gè)最優(yōu)的吹氣口位置有利于增強(qiáng)氬氣對(duì)鋼液攪拌的均勻化效果，更有利于氬氣泡帶走鋼液中的有害氣體及夾雜物。在吹氬過(guò)程中，鋼液沖刷鋼包內(nèi)壁是不可避免的。為了減少鋼液和鋼包耐火材料的物理及化學(xué)反應(yīng)，避免新增反應(yīng)物卷入鋼液，鋼包的修筑及耐火材料的選用至關(guān)重要。

3.1 透氣塞位置的確定

鋼包中的液流態(tài)主要取決于氣體的噴吹位置，而供氣量對(duì)流態(tài)無(wú)本質(zhì)性的影響。其中，透氣塞的位置對(duì)攪拌效果影響最大，供氣量次之，透氣塞的面積影響更小。雙透氣塞的兩氣泡柱相鄰流股的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到對(duì)方的干擾和抵消而損失一部分能量。因此，雙透氣塞的攪拌效果將比單透氣塞的攪拌效果差。單透氣塞的吹氬位置對(duì)混勻時(shí)間的影響較大，中心吹氬一般比偏心吹氬混勻時(shí)間長(zhǎng)20%～30%，試驗(yàn)認(rèn)為，吹氬位置位于鋼包半徑的0.5～0.62R較合適。

結(jié)合江蘇萬(wàn)恒鑄業(yè)有限公司鋼包情況，選用單透氣塞，透氣塞所在的位置為0.5R，安放位置如圖1所示。

3.2 鋼包修筑技術(shù)要求

透氣塞采用鉻剛玉質(zhì)或高鋁質(zhì)，透氣塞側(cè)面涂Al2O3耐火泥。當(dāng)透氣塞燒損一半左右后要同時(shí)更換透氣座磚和塞頭磚。鋼包的砌筑、烘烤要求，根據(jù)江蘇萬(wàn)恒鑄業(yè)有限公司《鋼包修筑工藝規(guī)程》規(guī)定操作。

3.3 鋼包耐火材料的選用

研究發(fā)現(xiàn)，在吹氬過(guò)程中鋼包耐火材料的性質(zhì)對(duì)鋼中夾雜物含量影響較大。對(duì)鎂質(zhì)鋼包吹氬后，可減少試樣坯中的非金屬夾雜物數(shù)量，與不吹氬相比，夾雜物數(shù)量可減少41%。而對(duì)硅酸鋁質(zhì)鋼包吹氬后，試樣坯中非金屬夾雜物數(shù)量反而升高。采用硅酸鋁質(zhì)耐火材料的鋼包，吹氬后非金屬夾雜物增多的原因是鋼液中的脫氧產(chǎn)物SiO2、MnO上浮速度較快，到達(dá)鋼-渣界面后，由于與鋼液潤(rùn)濕，不能很好地進(jìn)入渣相。而鋼液內(nèi)部的Si、Mn活度增加，加劇了Mn與鋼包耐火材料中SiO2的反應(yīng)。其反應(yīng)方程式如下。

" 2Mn+SiO2=2（MnO）+Si （1）

SiO2+MnO=MnO·SiO2 （2）

MnO·SiO2的熔點(diǎn)僅為1250℃，降低了硅酸鋁質(zhì)耐火材料表面的玻璃相黏度，化學(xué)侵蝕嚴(yán)重，其反應(yīng)產(chǎn)物不斷進(jìn)入鋼液。尤其是鋼包吹氬引起鋼液的流動(dòng)，加劇了鋼液對(duì)耐火材料的沖刷作用，使耐火材料顆粒大量進(jìn)入鋼液，從而增加了鋼中的非金屬夾雜物數(shù)量。

因此，結(jié)合質(zhì)量和成本的綜合考慮，生產(chǎn)一般的普通碳鋼可用酸性耐火材料（不建議結(jié)合吹氬工藝）;生產(chǎn)合金鋼、不銹鋼時(shí)最好采用中性甚至堿性的耐火材料（可并用吹氬工藝）。江蘇萬(wàn)恒鑄業(yè)有限公司的E20材料屬于合金鋼，化學(xué)成分見表1，因此選用中性耐火材料。

4 吹氬的技術(shù)要求

4.1 氬氣技術(shù)指標(biāo)

氬氣純度>99.99%，H2O<15×10-6，H2<5×10-6，O2<10×10-6。

4.2 吹氬的工藝過(guò)程

4.2.1 出鋼

由于多了吹氬工藝環(huán)節(jié)，吹氬過(guò)程中將降低鋼水溫度，因此出鋼溫度應(yīng)適當(dāng)提高，控制在1645～1665℃。出鋼時(shí)鋼渣混出，出鋼結(jié)束后測(cè)量溫度，加集渣劑和稻草灰覆蓋。

4.2.2 吹氬

吹氬前先將管道內(nèi)的空氣用氬氣排空，排空后必須關(guān)閉氬氣瓶上的主閥門，但與鋼包透氣轉(zhuǎn)接口處的閥門不能關(guān)閉，必須在打開狀態(tài)下與鋼包連接，如圖2所示。吹氬時(shí)間為2～3min（以壓力表達(dá)到0.1MPa開始計(jì)時(shí)）。以出鋼6t為例，根據(jù)各環(huán)節(jié)的溫降經(jīng)驗(yàn)（鋼包烘烤溫度≥800℃），出鋼溫降20～30℃，吹氬溫降20℃左右，鎮(zhèn)靜溫降大約5℃/min。因此，包內(nèi)溫度在1590～1610℃時(shí)，吹氬2～2.5min，包內(nèi)溫度大于1610℃時(shí)，吹氬3min。

當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后接通氬氣源，壓力和流量由小調(diào)大，最后控制在0.1～0.2MPa、100L/min（6t鋼包）。調(diào)氬時(shí)要緩慢，防止鋼水的激烈翻騰，目視鋼液呈微漾為宜。吹氬結(jié)束后測(cè)量溫度，吹氬結(jié)束，鎮(zhèn)靜2～3min后開始澆注。

5 吹氬前后試樣坯中氣體及非金屬夾雜物含量對(duì)比

5.1 實(shí)驗(yàn)分組

根據(jù)本文的吹氬工藝，做了一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，鋼水出鋼完畢后取試樣坯并標(biāo)記“前”（吹氬前盡快取樣），吹氬完畢后取試樣坯并標(biāo)記“后”（澆注前盡快取樣），如圖3所示。

為驗(yàn)證吹氬前后的效果，分別做試樣坯中O、N、P、S化學(xué)成分（由于其他原因，未對(duì)H做分析）和非金屬夾雜物的分析，見表2和表3。

5.2 結(jié)果

（1）由表2可以得出，吹氬后，試樣坯中的相關(guān)化學(xué)成分含量均比吹氬前的含量低。

（2）由表3可以得出，吹氬后，試樣坯中的非金屬夾雜物等級(jí)均小于或等于吹氬前。

以上兩點(diǎn)結(jié)果表明，鋼包底吹氬工藝能有效減少合金鋼E20中的有害氣體及非金屬夾雜物。

6 結(jié)論

（1）采用底吹氬工藝，其冶金效果好，氬氣利用率高。

（2）采用鋼包吹氬工藝時(shí)，若不考慮鋼包吹氬對(duì)均勻鋼液成分和溫度的作用，就降低鋼中非金屬夾雜物含量而言，鋼包內(nèi)襯應(yīng)避免使用酸性耐火材料。綜合考慮，采用中性耐火材料為宜。

（3）當(dāng)吹氬量偏低時(shí)，相應(yīng)限制了氬氣的精煉作用，大部分只起到了攪拌作用，從而使氬氣的脫氧、去氣、去夾渣和保護(hù)鋼水的作用得不到充分發(fā)揮;當(dāng)氬氣壓力大時(shí)，攪拌力也大，氣泡上升速度快，氬氣流涉及到的范圍趨于減少，甚至出現(xiàn)破裂，致使氬氣泡與鋼液的接觸面積減少，精煉效果反而降低。

（4）鋼包吹氬時(shí)，鋼液中夾雜物的去除量是由夾雜物與氬氣泡的有效碰撞來(lái)決定的。從鋼液中去除夾雜物的數(shù)量取決于吹入鋼液的氬氣泡數(shù)量和氣泡尺寸，即量多而小的氬氣泡是最理想的，壓力適當(dāng)且流量要大。理想狀況是氬氣流遍布整個(gè)鋼包，增大與鋼水的接觸面積，延長(zhǎng)氬氣泡上升的流程和時(shí)間。因此，為提高氬氣的精煉效果，在保持一定氬氣壓力的同時(shí)，還需保持相應(yīng)的氬氣流量。

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作者簡(jiǎn)介

王強(qiáng)（1992—），男，四川合江人，本科，工程師，主要從事閥門鑄鋼件技術(shù)研究工作。