开浇前中间包充氩对中碳铝镇静钢钢水洁净度的影响研究

杨克枝 常正昇 郭俊波

（马鞍山钢铁股份有限公司）

0 引言

马钢特钢公司主要生产车轮、车轴和轴承等高附加值钢种，对铸坯的洁净度要求较高。由于中间包氧气体积分数较高，单开炉次受二次氧化的影响较大，每一浇次的头几块铸坯往往会因洁净度问题改判，尤其是对于洁净度要求极其严格的车轮钢，其头坯100%改判。中碳铝镇静钢二次氧化主要为Al2O3类夹杂，一方面影响钢水洁净度[1]，降低了成材率，增加了生产成本，另一方面也在一定程度上影响了钢水的可浇性[2]。孙彦辉等[3-4]认为开浇阶段钢水的二次氧化主要与中间包内的氧气体积分数有关。为了改善钢水的二次氧化，降低开浇前中间包内的氧气体积分数，部分钢企采用开浇前中间包充氩置换的方式，在提升钢水洁净度、提高钢水收得率方面取得了一定的效果[5-6]，但对充氩后的置换效果缺乏系统性的评价。鉴于此，笔者选取中碳铝镇静钢为例，设计不同充氩工艺对比试验，以铸坯T.O 质量分数和夹杂物变化作为评判标准，对中间包充氩后的置换效果进行了评价。

1 充氩理论计算

试验采用由中间包两边的烘烤孔和在冲击区插入吹氩管向中间包底部吹入高纯氩气（氩气纯度高达99.9%以上）的方式，如图1 所示。

图1 中包充氩

中间包充氩置换属于完全混合置换，置换量符合式1：

式中：C1——容器中最初氧气体积分数，%；C2——容器中最终的氧气体积分数，%；C0——惰性气体中氧气体积分数，%；VR——中间包容量，m3；Vt——置换所需的惰性气体体积，m3。

由于高纯氩气中氧气体积分数趋于0，某厂中间包容量为7.36 m3，充氩后中间包氧气体积分数为：

由式（2）可以看出，在密封良好的情况下，充氩后中间包内的氧气体积分数与充入的氩气体积有关，即充氩流量越大、充氩时间越长，则充氩后中间包氧气体积分数越低。

2 试验概况

试验选取中碳铝镇静钢（[Al] 含量为0.015%～0.030%）为研究对象，工艺路线为110 t电炉→LF 精炼→RH 精炼→连铸。中间包溢流吨位为55 t，工作吨位为42 t，浇铸过程采用长水口保护浇铸+中间包氩封的保护浇铸方式。在充氩流量一定的情况下，根据充氩时间的不同制定了3种方案，充氩位置在中间包两侧烘烤位和冲击区。开浇前中间包充氩工艺流程为中间包烘烤停止→两侧烘烤位即插入吹氩管进行充氩→中间包车开至浇铸位→冲击区即插入吹氩管进行充氩→充氩停止→大包开浇。

RH 真空精炼结束出站前及中间包开浇阶段均采用提桶式取样器对钢水进行取样，取样方案见表1。提桶钢样分别加工成Φ5 mm×30 mm 棒状试样和20 mm×20 mm×20 mm 的金相试样，采用氧氮分析仪对棒状试样进行氧氮分析，采用ASPEX对金相试样进行夹杂物定量分析，夹杂物分析尺寸为1 μm 起，检测面积≥100 mm2。

表1 取样方案

3 结果分析

3.1 钢中氧氮质量分数变化

钢中T.O 质量分数可以反映钢水洁净度水平[7-9]，RH 出站-CCM 期间T.O 质量分数的增量和酸溶铝损（Δ[Al]S）可以反映钢水受二次氧化的程度；氮质量分数增量可反映钢水吸入空气的程度。开浇前，不同充氩工艺条件下开浇炉次钢中的氧氮质量分数和[Al]S的变化情况见表2。

表2 不同充氩工艺条件下开浇炉次钢中氧氮质量分数及[Al]S 变化情况

从表2 可以看出，在充氩流量相同的情况下，方案1～ 3 中 RH 出站至CCM 的过程Δ[Al]S分别为30×10-6、40×10-6和60×10-6，随着充氩时间的延长，钢水Δ[Al]S呈下降趋势。方案1 中RH 出站至CCM 期间钢中T.O 质量分数和氮质量分数的增量为2.3×10-6和3.6×10-6，增幅分别为15.6%和10.5%；方案2 中RH 出站至CCM 期间钢中T.O 质量分数和氮质量分数的增量为2.7×10-6和8.1×10-6，增幅分别为18.5%和23.6%；方案3 中RH 出站至CCM 期间钢中T.O 质量分数和氮质量分数的增量为4.3×10-6和8.2×10-6，增幅分别为74.1%和28.4%。由此可见，在开浇前中间包充氩条件下，RH 出站至CCM 期间钢中T.O 质量分数和氮质量分数的增量和增幅明显小于无充氩工艺的，且延长充氩置换时间有利于降低钢中T.O 质量分数、氮质量分数的增量和增幅。

3.2 夹杂物数量密度和尺寸变化

开浇期间，受中间包内氧化性气氛的影响，钢水会发生二次氧化，生成大量的细小夹杂物，致使钢水中的夹杂物数量密度增大[10]。开浇期间钢中夹杂物数量密度以及尺寸的变化能反映中间包充氩置换效果的好坏，试验中开浇阶段夹杂物数量密度和尺寸变化情况如图2 所示。

图2 夹杂物数量密度及尺寸变化

从图2 可以看出，RH 出站至CCM 期间，方案1 的钢中夹杂物数量密度总计增幅为12.1%，1～2 μm尺寸范围内的夹杂物数量密度增幅为-19.7%；方案2 的钢中夹杂物数量密度总计增幅为40.2%，1～2 μm 尺寸范围内的夹杂物数量密度增幅为5.0%；方案3 的钢中夹杂物数量密度总计增幅为166.8%，1～2 μm 尺寸范围内的夹杂物数量密度增幅为122.1%。由此可见，开浇前采用中间包充氩置换可以有效降低细小夹杂物的生成量、降低夹杂物数量密度的增量和增幅，且充氩置换时间越长，改善效果越明显。

3.3 含Al2O3 夹杂物数量密度变化

开浇期间，中碳铝镇静钢受二次氧化主要产生含Al2O3类夹杂物，此类夹杂物又受钢水中钙的影响，最终以钙铝酸盐的形式存在于中间包钢水中。因此，开浇阶段含Al2O3钙铝酸盐夹杂物（尤其是当夹杂物中Al2O3质量分数较高时）的数量密度变化可以反映钢水受二次氧化的程度。笔者选择以Al2O3质量分数在10%以上的钙铝酸盐夹杂物的数量密度变化进行统计分析，3 种方案条件下的夹杂物数量密度变化情况如图5 所示。

从图3 可以看出，从RH 出站至CCM 期间，方案1～ 方案3 钢中含Al2O3夹杂物数量密度均呈上升的趋势，钢水均受到一定程度的二次氧化；方案1～3 钢中Al2O3质量分数在10% 以上的钙铝酸盐夹杂物数量密度分别增加2.98 个/mm2、5.59 个/mm2和7.80 个/mm2，增幅分别为25.4%，62.0%和321.8%。由此可见，开浇前采用中间包充氩置换可以有效降低开浇期间含Al2O3夹杂物的生成量，且充氩置换时间越长，改善效果越明显。

图3 Al2O3 质量分数大于10%的钙铝酸盐夹杂物数量密度变化情况

4 结论

（1）RH 出站至CCM 阶段，方案1～ 3 钢中T.O 质量分数增量分别为2.3×10-6，2.7×10-6和4.3×10-6，增幅分别为15.6%，18.5%和74.1%。

（2）RH 出站至CCM 阶段，方案1～3 钢中夹杂物数量密度增幅分别为12.1%、40.2 和166.8%，细小夹杂物数量密度的增幅分别为-19.7%、5.0%和122.1%。

（3）RH 出站至CCM 阶段，方案1～ 3 钢中Al2O3质量分数在10%以上的钙铝酸盐夹杂物数量密度的增幅分别为25.4%，62.0%和321.8%。

（4）开浇前采用中间包充氩工艺有利于减少开浇期间钢水的二次氧化， 且充氩时间越长，钢水受二次氧化的影响越小。