37Mn5圓坯表面氣孔原因分析與控制

侯志慧，韓 萍

（1.天津天鐵冶金集團煉鋼廠,河北涉縣 056404；2.天津冶金集團天材科技發展有限公司，天津 300308）

1 引言

天鐵冶金集團煉鋼廠應品種多元化的需要對2#連鑄機進行了設備改造，采用塞棒澆注+內嵌式浸入水口+保護渣的澆注方式，全程無氧化保護澆鑄，使用結晶器電磁攪拌和氣霧冷卻設備，經轉爐LF 爐（VD 爐）圓坯連鑄機，生產Ф150～Ф210 斷面的圓坯。由于企業成本壓力大，使用VD 真空脫氣裝置會使噸鋼成本增加，另一方面VD 爐設備運行不穩定，經常出現抽氣閥門鎖閉，蒸汽壓力波動大等故障，不能正常使用。鋼種經LF 爐精煉后直接澆鑄，卻出現了大量的表面氣孔缺陷，以37Mn5 鋼最為嚴重。該鋼種鑄坯修磨率達到76.3%，且修磨的鑄坯當中有23%因為修磨深度超標而判廢，嚴重影響了圓坯合格率指標的完成。經過對各種故障原因分析研究后，認定鋼水脫氧不良造成鋼中氣體含量高、保護渣絕熱保溫性能差、結晶器電磁攪拌強度弱是產生37Mn5 圓坯表面氣孔的主要原因。通過改進轉爐脫氧工藝，保持物料干燥，控制鋼中氣體含量；減少保護渣熔劑和配碳量提高絕熱保溫性能；增大電磁攪拌頻率和電流以及低拉速變渣線操作等措施的實施，使37Mn5 圓坯表面氣孔缺陷得到了有效控制。

2 37Mn5鋼表面氣孔形貌

現場檢驗鑄坯發現37Mn5 圓坯表面氣孔大部分呈開放型，形狀像倒寫的“Ω”字，最大內直徑3～4 mm，深度約4～13 mm，在鑄坯圓周各個方向均有分布，氣孔內有少量的渣狀物殘留。

取典型試樣做能譜分析，發現氣孔內渣狀殘留物含有Al2O3、Na 和少量P。該渣狀物的殘留導致相當一部分鑄坯在修磨過程中出現越打磨氣孔越大的情況，最終因修磨深度超標而報廢。

3 氣孔形成機理

鑄坯在凝固時鋼液中的氣體生成壓力（PO2、PH2、PN2、PH2O）大于鋼水的靜壓與大氣壓之和時便形成氣泡，氣泡在結晶器壁鋼液彎月面附近或鑄坯凝固前沿被捕捉，一方面隨著凝固前沿的不斷推移和氣體的不斷析出而逐步長大，另一方面隨著坯殼的凝固收縮又被迫縮小，加上鋼水靜壓力和坯殼內外溫度梯度的作用，氣泡不能逸出時，就殘留在凝殼中，形成氣孔缺陷[1]。

4 氣孔形成因素分析

4.1 鋼液中氣體含量對表面氣孔的影響

鋼中氣體含量的多少與爐氣中不同氣體的分壓力、氣體在渣層中離解、傳質能力的大小以及鋼液中其他元素的含量有關[2]。易引發鑄坯表面氣孔缺陷的氣體主要是碳氧反應生成的CO 和隨著鋼液凝固不斷析出的H2。在37Mn5 冶煉過程中存在LF 爐白渣形成慢且保持時間短的問題，表明脫氧劑加入量不夠，鋼液脫氧不完全，可能會導致碳二次氧化生成CO 氣體。改用BaAlSi+純鋁的脫氧合金強化脫氧效果，卻發現鋼水流動性不好，在連鑄澆鑄時塞棒棒位曲線上漲明顯且棒位波動大的爐次表面氣孔廢品也多，見表1。

由于37Mn5 鋼成分中W[Mn]在1.20%～1.35%，也決定了鋼中氫含量較之其它鋼種偏高。有資料表明鋼中氫含量隨著錳、鉻、鎳、鈮、釩含量的增加而增加，用定氫設備對轉爐出鋼后和LF 爐精煉完的鋼液中氫含量進行了測定，絕大部分爐次都超過了6×10－6，數據見表1。

表1 各爐次冶煉情況表

綜合上述情況分析，當加入脫氧劑少時脫氧不完全，會生成CO 氣體，也降低了鋼液吸氫能力，在鑄坯凝固過程中逐漸析出CO 和H2，導致表面氣孔。脫氧過老時雖然避免了CO 氣體的生成，卻造成鋼中Al 含量偏高，鋼水流動性不好，夾雜物多，連鑄澆鑄困難的問題。且在排除了CO 導致表面氣孔的情況下，37Mn5 圓坯仍有表面氣孔廢品，表明鋼中的氫氣含量超標。入爐的白灰、合金料及爐襯、保護渣、中間包等物料有潮濕的現象。

4.2 保護渣對氣孔生成的影響

保護渣的主要作用是隔熱保溫、吸附夾渣，促進凝固坯殼和結晶器壁之間的潤滑和傳熱，它的性能好壞決定了鑄坯的表面質量。如果保護渣的絕熱性能好，可以提高彎月面鋼水溫度，因而可以減少振痕深度，避免生成凝固鉤，減少針孔和液渣粘附在彎月面上[3]。如果鋼水溫度低，在氣泡逸出鋼液面之前，就被封存在凝固坯殼下面，形成氣孔缺陷，見圖1。

圖1 絕熱好壞對彎月面鋼水溫度的影響

對現場使用的不同批次37Mn5 保護渣進行了跟蹤調查，發現093811 批次的保護渣比較好，與其它批次的保護渣相比較，其固定碳和粉渣中Al2O3含量少。固定碳決定了結晶器保護渣能否形成合理的三層結構，一定厚度的熔渣層可有效地減少鋼液表面熱量散失。若粉渣中Al2O3含量過高，液渣溶解和吸附夾雜的能力會降低[2]，再加上保護渣粘度過低，渣膜不均勻，不能起到有效的傳熱潤滑作用，坯殼振痕深易生成凝固鉤，就會出現凝固鉤捕捉小氣泡，生成表面氣孔，且氣孔中含有夾雜這種表面質量缺陷。

4.3 結晶器電磁攪拌對表面氣孔的影響

在提高鑄坯表面質量方面，結晶器電磁攪拌明顯優于其它攪拌方式，煉鋼廠采用外置式交替結晶器電磁攪拌，電壓380 V，額定電流500 A。借助電磁力的作用，攪動結晶器內的鋼水，增加鋼液流股向上的流動，帶動鋼液中的夾雜物和氣泡上浮到鋼水表面，從而達到去除夾雜和氣泡的目的。為進一步確定結晶器電磁攪拌對37Mn5 圓坯表面氣孔缺陷的影響，選擇3 流進行了實驗，將3 流結晶器電磁攪拌參數調整見表2。

表2 結晶器電磁攪拌參數表

發現在調整后該流表面氣孔減少46%，且低倍組織檢驗中心疏松0.5 級以下比例由45%上升到80%。因此，提高結晶器電磁攪拌強度可明顯改善表面氣孔缺陷。

4.4 拉速對表面氣孔的影響

拉速對37Mn5 圓坯表面氣孔沒有直接影響，但它的大小決定了保護渣粘度、熔化速度的選擇和鑄坯的凝固過程。拉速過快，一方面會造成注流對結晶器內鋼水和凝固坯殼的沖擊，增大鋼水彎月面的攪動，引起彎月面的鉤形凝固殼捕捉小氣泡。另一方面，拉速過快致使保護渣的耗量急劇下降，沒有足夠厚度的熔渣層，影響其保溫性能。且液面上下翻騰，部分保護渣顆粒被卷入凝殼中，造成37Mn5 鋼表面氣孔中含有Al2O3、Na 和P 等夾渣。

5 措施及效果

（1）鑒于鋼中氣體含量尤其是氫含量超標，減少新包的使用，強化大、中包的烘烤，當大中包內襯溫度達到1 100℃方可使用，保持白灰、合金料、保護渣、保溫劑等物料干燥，杜絕因物料潮濕帶入水分，造成鋼中氫氣超標。

（2）將轉爐出鋼時加純鋁和硅鋇鋁進行深脫氧的工藝改為出鋼時只加碳粉、碳化硅、硅錳和錳鐵合金進行預脫氧。在鋼包進LF 爐時一次配鋁到位，避免脫氧不充分，引起碳的再氧化，生成CO 氣體，使鑄坯內部產生氣泡[2]，同時也要避免在后續處理過程中反復加鋁，造成Al2O3夾雜過多，影響鈣處理工藝效果。

（3）在氧化期將脫碳速度控制在0.01%/min～0.02%/min，Cr、Mn、Si 等合金按加入量下限標準加入，使爐渣具有良好的流動性，保證熔池有足夠的沸騰時間，方便氣體逸出。

（4）原在LF 爐造頂渣用的石灰、合成渣、螢石等渣料全部改在轉爐出鋼1/5 時加入并采用出鋼過程全程底吹氬，延長吹氬時間，增加吹氬平臺攪拌強度，強攪拌2～3 min。重點控制好成分，尤其是碳和鋁含量，每爐測定氫不大于2×10-6，氧在40×10-6～50×10-6之間，氮不超過70×10-6。工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測定見表3。

表3 工藝改變前后鋼中鋁和氣體含量測定表

（5）聯系保護渣廠家對保護渣的配碳量進行了調整，提高保護渣的粒度。操作時勤加、少加保護渣，保證粉渣層厚度在25～30 mm，液渣層厚度在9～12 mm，耗渣量在0.35 kg/m2左右，以提高保護渣絕熱保溫的效果。同時在使用前烘烤3～5 h，防止保護渣受潮帶入氣體。

（6）將結晶器電磁攪拌頻率從2.0 Hz 調整為3.0 Hz，電流強度由320 A 提高到了400 A，增強攪拌去氣效果。

（7）各斷面拉速降低0.2～0.3 m/min，澆注到第12、13 爐時，變渣線澆鋼，防止水口在渣線處竄鋼攪動結晶器彎月面處的鋼水，減少空氣進入，杜絕卷渣。

工藝改進前后圓坯合格率和氣孔廢品情況統計，見圖2。

圖2 圓坯合格率和氣孔廢品柱狀圖

6 結語

通過對圓坯表面氣孔形成因素的分析，采取了相對應的措施，使37Mn5 圓坯表面氣孔廢品率由23.2%降低到4.6%，圓坯合格率由99.38%上升到99.82%。同時也改善了鑄坯的低倍組織，中心疏松由1.0～2.0 級降低到了0.5 級以下，用戶反饋良好。實現了不經VD 爐真空脫氣批量生產合格37Mn5鋼的目的，有效地促進了煉鋼廠品種開發步伐，為低成本高效化生產奠定了基礎。

[1]李獻忠，杜方.連鑄圓管坯氣孔形成機理分析[J].鄂鋼科技，2010（4）：1.

[2]鄭沛然.煉鋼學[M].北京：冶金工業出版社，1994：190-193，326-328.

[3]盧盛意.連鑄坯質量[M].北京：冶金工業出版社，2000，196-197.