减少小方坯第一炉气泡废品的生产实践

陈志月，闫若璞，王 欣

（河钢集团唐山钢铁集团有限责任公司，河北，063016）

0 引言

为了保护浇铸的需要，唐钢二钢轧厂对1 号方坯连铸机钢包回转台进行了改造，即将钢包大臂由固定式改为带升降功能，并加装了钢包保护浇注装置，目前已具备了生产H08 焊条钢的能力。H08 生产工艺流程为：转炉冶炼→钢包吹氩喂丝→连铸保护浇注，但是在实际生产过程中，开浇第一包次经常出现气泡废品。气泡废品有两种情况：一种是开烧第一炉整炉出现气泡，其特点是气泡孔径较大（3～5 mm），遍布整个断面；另一种是开浇时各流第一、二根连铸坯出现气泡，主要是皮下气泡，针孔状大小。

鉴于上述问题，本文对连铸开烧第一炉铸坯气泡废品的状态进行了分析，从中发现了铸坯气泡的来源和生成机理，并结合H08 钢的特点提出了控制铸坯气泡废品的工艺优化措施。

1 H08 焊条钢的特点

H08 钢是典型的准沸腾低碳低硅钢种[1]，对S、P成分含量要求较严，为保证其良好的焊接性能，又要求钢中[Si]≤0.03。表1 为H08 焊条钢化学成分，从表l 中可以看出，由于钢液中C、Si 的含量很低，钢中氧含量较高，因此铸坯产生气泡的几率也较大。

表1 H08 焊条钢化学成分 /wt%

图1 为H08 钢连铸坯气泡形貌，该坯样是在钢包至中间包采用全程氩气保护浇注，没有塞棒吹氩和中间包上下水口氩封，中间覆盖剂和保护渣的水含量均符合标准要求的条件下浇铸的。从图1 可看出铸坯存在严重的皮下气泡缺陷。

图1 H08 钢连铸坯气泡形貌

因此，为了降低铸坯气泡废品的发生几率，就要研究钢中气体来源和进入钢水的途径，通过采取有效措施阻止各类气体进入钢水。

2 铸坯中气泡的来源

铸坯中的气泡来源主要有以下几种途径：脱氧不良、外来气体（空气、保护性气体）、水蒸汽（来自潮湿的添加料和耐火材料等）[2]。

2.1 脱氧不良

H08 在浇钢过程中，由于脱氧不良，在连铸凝固过程中钢水温度降低，钢水中碳与氧不能达到新的平衡状态，会造成钢水中碳、氧反应生成CO 气体不停地析出。析出的CO 气体在连铸过程中与柱状晶共同生长在表层皮下形成气孔，不可能浮出钢液面。由于准沸腾钢仅析出少量CO 气体，且钢水在连铸凝固过程中铸坯内部钢水的压力增大，会抑制气泡在铸坯内部生成，而仅在连铸坯表层形成气孔。

2.1.1 钢中气泡形成条件

根据IRSID 模型，钢水中气泡形成和长大的条件为[3]：

式中：Pg为钢水中溶解气体压力；Pl为钢水局部液压；2σl/g/r为表面压力为σl/g时，液面气泡半径为r的压力。

连铸坯出现气泡时，Pl=1 atm，若r＞200 μm，则可忽略不计，此时Pg≥1 atm 时即可出现气泡。

2.1.2 气泡形成机理

（1） 树枝晶间的浓缩相中形成针孔气泡源，此时C、O 不需要过饱和即可形成CO 气泡；

（2）针孔气泡源形成临界气泡；

（3）临界气泡长大形成宏观气泡。

所以，控制H08 临界气泡的形成，也就是Pg＜Pl，而Pg=PCO+PN+PH，其中最主要的是CO 气泡的生成，即CO 临界气泡的生成。

2.2 外来气体

连铸过程中的外来气体会使钢水二次氧化，增加钢中[O]、[N]等含量，主要是保护浇注的氩气和钢水浇注过程中卷入的空气。溶解的气体增加钢中[O]、[N]的同时，未溶解的空气则以气泡形式进入钢水。

2.3 水蒸汽

水蒸汽主要来自潮湿的添加料和耐火材料。比如：转炉炉役大修或大补炉后炉子干燥不够，钢水承载容器钢包/中间包烘烤不到位、干燥不完全，连铸过程中接触的设备备件不干燥（如连铸中包下水口、引锭头、结晶器铜板），浇注过程中加入物不干燥（如保护渣）等[4]。另外，生产过程中发现，连铸开浇、停浇、等钢水等情况，拉速较低期间结晶器内连铸坯壳收缩较大，连铸坯壳与结晶器铜板之间缝隙较大，在此期间结晶器足辊喷嘴如果上翘，水蒸气有可能进入钢液，此种情况严重时会导致结晶器内钢水凝固过程中产生多处冒泡。

3 铸坯中气泡的控制

鉴于上述原因，可以通过优化转炉冶炼和连铸工艺，强化连铸全流程保护浇铸，加强浇铸添加料和耐火材料的干燥管理，阻断和降低钢中气体来源。

3.1 转炉冶炼工艺控制

针对钢水脱氧不良，采取了一些措施，基本上杜绝了整炉气泡废品的现象。主要措施有：

（1）用碳粉代替铝锰钛镁，有助于钢液搅拌；

（2）加强转炉出钢时底吹效果，保证1 min 的大气量底吹，并及时将底吹效果及顶渣裹料情况通知当班调度及钢包吹氩喂丝站；

（3）控制脱氧合金化料加入时机，促进合金料的熔化；

（4）调整钢包底吹管位置，加强钢包搅拌，促进合金料快速熔化，提高脱氧效果；

（5） 降低第一包出吹氩喂丝站的钢水氧含量，控制出站氧含量在25～30 ppm；

（6）对于转炉下渣炉次，要求再次定氧确认，避免喂丝处理后出站氧含量高于规定值，造成气泡废品。

3.2 连铸工艺控制

一般来说，产生气泡的因素是钢水中气体没有及时去除，在冷却时凝固在钢水中，形成了气泡缺陷。其外部来源主要有：钢水从钢包到中间包过程吸氧，钢水从中间包到结晶器吸氧，中间包烘烤不良等，针对这些逐一进行分析。

3.2.1 钢包保护浇注

在H08 钢种的连铸生产过程中，在钢包和中间包之间采用钢包长水口和氩气保护浇注。采用钢包氩气保护浇注，首先要排除钢水吸收氩气的可能性。假定铸坯中气泡为氩气，则气泡在连浇炉次中会不间断的发生，而不仅仅只在第一炉或第一炉前几支连铸坯中出现。通过对多个浇次的连铸坯进行跟踪，均没有在连浇炉次中发现皮下气泡缺陷，因此，可排除氩气进钢水的可能性。

3.2.2 中间包材质和烘烤制度

统计中间包烘烤时间与出现铸坯气泡的炉次（见表2），由表2 可以看出，中包烘烤时间与铸坯气泡没有直接关系。

表2 H08 第一包生产情况

通过分析发现，实测中间包烘烤温度最高值为1 083 ℃，而镁质板粘结剂为无机粘结剂，其中含有结晶水，粘结剂熔点为1 200 ℃。为了避免结晶水在开浇时进入钢水，统一更换为低熔点的树脂粘结剂（熔点800 ℃）后，第一包气泡有所下降，但是气泡废品仍然出现。

3.2.3 中间包添加氩气吹扫

根据H08 成分范围，其液相线温度为1 525～1 530 ℃，一般取中值为1 527 ℃。中包第一炉开浇时，根据所在企业实际情况，钢水过热度通常为60～80 ℃，以有利开浇成功。中间包开浇过程中，钢水液面由0 mm 升至开浇液位400 mm 期间，钢水将会不断地从周围吸取氧气和氮气，增加了钢水中的气体含量，在连铸时，钢中气体析出造成钢中气泡缺陷；尤其大包刚开始下流，如果注流不圆满，则会造成钢水比表面积大大增加，钢水吸气能力也大大增加，其吸氧速度比光滑圆流大60 倍。

为了避免开浇时卷入大量空气产生的二次氧化，在开浇前对中间包冲击区进行大于2 分钟的氩气吹扫，使中间包充满氩气，避免了钢水卷入空气，减弱了钢水二次氧化。而氩气在中间包浇钢过程中迅速上浮，避免了气泡废品的产生。

3.2.4 使用整体式塞棒代替组合式塞棒

塞棒有两种形式，一为整体式，二为组合式。组合式塞棒是由袖砖、塞头和塞杆等构成，在使用前由垒杆工将袖砖、塞头、塞杆等用胶泥粘结，在垒杆机组装在一起，之后放入杆房加热烘烤，直到装入中间包后进行煤气烘烤。整体式塞棒则直接从生产厂家进货，使用前装入中间包烘烤使用。

为了避免因组合式塞棒因烘烤不良带入水份，在生产时统一更换为整体塞棒。

4 试验效果

上述措施事后，对生产的3 个浇次H08 第1 炉铸坯进行了跟踪、取样分析，低倍试样观察，铸坯断面均未发现气泡缺陷，图2 为H08 第一炉铸坯低倍图像。同时H08 焊条钢在开浇第1 炉时气泡废品率大幅下降，由1.25%降低到0.03%。

图2 H08 第一炉铸坯低倍

5 结语

为了减少H08 焊丝钢开浇第一包次铸坯气泡废品的发生，唐钢二钢轧厂组织了专题研究。通过对影响开浇第一包次铸坯气泡废品各类因素的分析，从转炉冶炼和连铸工艺控制等方面制定了相应技术改进措施，在取得了良好的成效的同时也积取了宝贵的经验。

（1）首先保证钢水脱氧良好，同时在喂丝站要控制出站氧含量。

（2）在连铸区域，要保证中间包烘烤干燥，中包温度≥1 100 ℃，开浇前要对中间包进行氩气吹扫。

（3）开浇时要做好钢包保护浇注和中间包保护浇注，避免钢水吸气产生气泡。

（4）由于针对气泡缺陷的措施准确，H08 焊条钢在开浇第一炉时气泡废品率大幅下降，由1.25%降低到0.03%。