φ300 mm连铸坯的表面缺陷及其预防

张洪彪 王国梁 李 海 王吾磊 陆 曼 刘志勇 左小坦

(芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽 芜湖 241000)

棒材的表面缺陷有裂纹、结疤、夹渣、耳子、折叠、翘皮、划伤等多种[1]。一般铸坯表面的气孔类缺陷在轧制后具有裂纹尾部圆钝、有氧化铁及氧化圆点、裂纹边缘脱碳等特征[5- 7]。表面有渣沟、气孔缺陷的连铸坯在轧制过程中易被氧化并形成表面裂纹，因此应严格控制[8]。

某钢厂3号圆坯连铸机在2018年5～8月份生产的φ300 mm 45、40Cr、60Mn钢连铸坯，轧后棒材表面出现了大量沿轧制方向分布的线状裂纹，长度10～50 mm，严重影响了产品的正常生产和交货。据文献[2- 3]报道，脱碳一般在较高温度(800 ℃以上)并保持一定时间才发生，因此，根据铸坯裂纹处脱碳及裂纹附近氧化圆点等特征可以断定，这些表面缺陷不是轧制过程中形成而是铸坯本身的[4]。钢厂对这些缺陷的形成机制进行了深入的分析研究及攻关试验，采取了一系列预防措施，最终使铸坯的表面缺陷得到了有效控制，改善了铸坯的表面质量。

1 试验方法和内容

1.1 生产工艺

某钢厂3号连铸机的生产流程为120 t LD转炉→120 t LF炉精炼→CC(φ300 mm)→检验判定→修磨精整→入库。所炼钢种主要有QD08、20、45、40Cr、50Mn、60Mn等。120 t转炉、LF精炼炉与连铸机生产周期相匹配，40～50 min内连浇炉次一般为18～22炉。

1.2 检验方法

在φ300 mm连铸坯表面的缺陷处取样并加工成φ50 mm试样。采用贺利氏定氧和定氢仪检测氧、氮、氢含量。采用OLYMPUS- BX51M电镜和EVOMA10/LS 10扫描电镜观察分析缺陷形貌并进行能谱分析。

2 渣沟和气孔的特征

铸坯表面渣沟分布无规律，但其数量随着连浇炉次的增加而增多。低倍试样中，渣沟表现为铸坯的激冷层减薄，深1～5 mm，宽3～15 mm，时断时续，长度不等，严重者沟底有纵向裂纹。典型的表面渣沟如图1(a)所示。

观察发现，铸坯表面有离散的倒“Ω”形开口小孔，直径多为3～5 mm，深度多为3～12 mm，孔口较圆，直径比渣孔小，内壁光滑，个别气孔中有残留的渣状物。典型的表面气孔缺陷如图1(b)所示。

图1 连铸铸坯表面的渣沟(a)和气孔(b)Fig.1 Slag trough (a) and blowhole (b) on the continuously cast slab

所有不进行真空循环脱气(即RH精炼炉)处理的连铸坯均出现渣沟、气孔等表面缺陷，而经过RH处理的铸坯表面则未发现气孔。

3 原因分析

3.1 形成缺陷的气体来源

3号连铸机6、7月份生产的45钢铸坯均出现较多气孔、渣沟缺陷，直接报废177支，另有461支需修磨。经前期检查，排除了保护渣性能、结晶器铜管磨损、浇钢操作等方面的原因，并发现，铸坯气孔是钢水中氢含量过高所致。

对LF炉精炼的45、40Cr和60Mn钢水取样检测氧、氮含量，结果列于表1，氧含量为(4.5～21.6)×10-6，氮含量为(33.8～62.5)×10-6，平均氧含量为11.6×10-6(最高28.8×10-6)，平均氮含量为46.4×10-6(最高为63.5×10-6)，可见钢水的氧、氮含量均正常。

采用贺利士在线定氢仪测定了68炉次LF炉精炼的45、40Cr钢水的氢含量，结果为(3.5～13.8)×10-6，平均为6.65×10-6，这比经RH处理的钢水的平均氢含量高4.65×10-6，可见钢水的氢含量已达到较危险的程度。现场跟踪发现，在5～8月雨季或潮湿天气生产且钢水不经RH处理的铸坯均有气孔缺陷。

表1 轧材中氧、氮含量Table 1 Oxygen and nitrogen contents in the rolled products

3.2 缺陷分析

检查出现表面针孔缺陷的铸坯发现(见图2)，气孔的开口小于内腔，少量气孔内有钢水流出的痕迹，甚至在坯壳表面形成小的翻皮。扫描电镜及能谱分析表明，缺陷内部主要是铁氧化物，还有少量保护渣(能谱分析发现有Ca)。分析认为，当钢的氢含量超过饱和溶解度时，在结晶器中凝固时，气体溶解度随着温度下降及组织变化而急剧降低，便在钢中析出H2并形成小气泡。小气泡在上浮过程中会进一步吸附气体而逐渐长大，上浮速度加快。上浮速度大于钢水凝固速度、且远离坯壳固- 液界面的气泡可顺利排除，而上浮速度小于钢水凝固速度或邻近固- 液界面的气泡则被初生沟形凝固壳捕捉，在钢水静压力不断增大和结晶器振动造成坯壳不断开裂和闭合的共同作用下，气泡可击穿凝固坯壳形成气孔缺陷[9]。

图2 连铸坯气孔的扫描电镜形貌及能谱分析Fig.2 SEM micrograph and EDS analysis of blowhole on the continuously cast slab

3.3 缺陷的形成机制

由以上分析可知，如果气体含量超过在钢液中的饱和溶解度，或钢中树枝晶间富集的氢、氮等气体的含量达到或超过其饱和溶解度，就可能析出气体。理论分析表明，钢水中的氢含量大于(6～8)×10-6时，钢液在凝固过程中极有可能产生渣沟和气孔缺陷。

在浇铸过程中，钢水中气体的上浮速度一般大于树枝晶的生长速度，因此气体上浮不会留下痕迹。但邻近结晶器壁钢水弯月面处，由于气泡在黏稠的两相区既要排开液体又要绕过树枝晶，阻力极大，因此气泡可能被钢水在弯月面形成的初期勾型凝固壳所捕获。如图3(a)所示，当气泡被捕捉后，会不断吸收钢中的氢而长大，进而挤压弯月面，导致流入结晶器壁与凝固坯壳之间的液渣厚度不均匀。液态渣膜不均匀，将造成坯壳在结晶器内传热不均匀，从而激冷层厚度不均匀。初生坯壳较厚的部位较早地因收缩而与结晶器之间形成间隙，液态渣在该处会形成较厚的渣膜，这进一步阻止了热传递，如此反复，最终导致形成表面渣沟缺陷。

如果气泡将初期形成的两个振痕中间最薄弱的坯壳击穿则形成气孔(见图3(b))，且气孔口比较光滑[7]。而少量液渣可能会由外向内流入开口的气孔内，钢水也可能由内向外流出，这是气孔处有少量保护渣或小翻皮痕迹的原因。

图3 连铸坯形成渣沟(a)和气孔(b)的示意图Fig.3 Schematic diagrams of formation of slag trough (a) and blowhole (b) on the continuously cast slab

4 控制缺陷的措施

要彻底消除连铸坯表面的渣沟和气孔缺陷，必须严格控制钢水中的气体尤其是氢的含量。因此，针对南方雨季潮湿的空气环境，对钢水进行RH真空脱气，将氢含量控制在3×10-6以下是避免铸坯产生表面缺陷的有效措施。此外，还需采取如下措施：(1)入炉料结构铁块加入量<8 t，不能超过10 t；(2)转炉控制压球使用量<2 t，并在8 min内加入完毕，后期做冷料可使用返矿等代替压球；(3)加强合金及原辅料的管理，确保各种物料干燥，雨季运输物料要采取防雨防潮措施，石灰储存时间不得超过12 h，合金必须烘烤后使用；(4)转炉烟道或钢包炉盖漏水时不能炼钢；(5)及时调整钢包炉的除尘风量，炉口保持微正压，加强炉内还原气氛控制；(6)保持白渣时间≥10 min，提高埋弧效果，减少钢液吸气量；(7)适当延长软吹镇静时间；(8)确保连铸全程的保护浇铸效果，尤其要注意对钢包长水口的氩封保护效果，防止钢液吸气，中包采用双层覆盖剂。采取以上控氢措施后，雨季生产的φ300 mm 45、40Cr、60Mn钢连铸坯未出现渣沟、气孔等表面缺陷，铸坯表面质量稳定。

5 结论

(1)某钢厂连铸坯表面的渣沟和气孔缺陷是钢水的氢含量过高所致。

(2)铸坯表面产生渣沟及纵裂纹是气泡在结晶器壁钢水弯月面处聚积长大后挤压弯月面、使流入结晶器壁与凝固坯壳间的液渣厚度不均匀所致；当气泡在结晶器壁钢水弯月面处聚积长大并击穿坯壳时，将形成表面气孔。

(3)采取RH真空脱气处理、改变入炉料结构、烘烤合金及原辅料等措施，可有效遏制雨季生产的铸坯表面产生渣沟和气孔缺陷。