含鈦焊絲ER70S-G可澆性研究

李 碩 孫玉霞 張虎成

(唐山鋼鐵集團(tuán))

含鈦焊絲ER70S-G可澆性研究

李 碩 孫玉霞 張虎成

(唐山鋼鐵集團(tuán))

通過對ER70S-G冶煉過程中上水口及浸入式水口結(jié)瘤物的分析發(fā)現(xiàn)：上水口的結(jié)瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3為主，浸入式水口的結(jié)瘤物以TiN為主。通過控制鋼液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低上水口結(jié)瘤中Ti2O3含量至10.2%～10.6%，緩解上水口結(jié)瘤現(xiàn)象。通過降低鋼液中氮含量至(30～40)×10-6范圍，同時(shí)控制中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(nèi)(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，可以有效阻止TiN的析出，從而解決浸入式水口結(jié)瘤問題。

含鈦焊絲 可澆性 TiN

0 前言

ER70S-G是一種在國標(biāo)ER50系列焊絲的基礎(chǔ)上添加適量鈦元素研發(fā)而成的CO2氣體保護(hù)焊絲。含有適量鈦元素的焊絲能夠有效固氮，提高焊縫金屬抗氮?dú)饪啄芰Γ瑑?yōu)化焊縫成型性[1]，降低大電流焊接時(shí)的飛濺30%～45%，提高焊接自動(dòng)化程度和焊接效率，因此此類焊絲在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，市場需求量逐年增加。

為了滿足市場需求，多家鋼鐵企業(yè)都在開展此類焊絲的研發(fā)工作。鈦元素作為強(qiáng)還原性金屬，與氧、氮元素的結(jié)合能力強(qiáng)，容易在鋼中形成鈦氧、氮化物夾雜，并在澆鑄過程中造成水口結(jié)瘤，是導(dǎo)致鋼水可澆性差，拉速波動(dòng)大的主要因素。因此分析含鈦焊絲澆鑄過程水口結(jié)瘤機(jī)理，對于改善鋼水可澆性具有重要意義。

1 含鈦焊絲生產(chǎn)工藝

唐鋼生產(chǎn)ER70S-G的工藝路線如下：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄。

ER70S-G的典型化學(xué)成分見表1，為提高質(zhì)量穩(wěn)定性，S控制0.008%～0.020%。

表1 ER70S-G的化學(xué)成分

2 結(jié)瘤物與過程參數(shù)分析

采集ER70S-G LF精煉終點(diǎn)參數(shù)見表2。Ti含量控制在0.16%條件下，鋼中活度氧含量0.001 8%，氮含量0.005 7%。Ti元素的收得率為65.5%，本次冶煉中包溫度控制范圍1 552 ℃～1 565 ℃。

表2 ER70S-G的過程冶煉參數(shù)

本次冶煉的澆注過程發(fā)現(xiàn)，上水口及侵入式水口發(fā)生嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，鋼水可澆行差。取堵塞上水口及侵入式水口樣發(fā)現(xiàn)，水口內(nèi)壁聚集大量的結(jié)瘤物，其宏觀形貌如圖1所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

從圖1可以看出，上水口與浸入式水口的結(jié)瘤物都是由絮集物和冷鋼組成，分別對上水口與浸入式水口的絮集物成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

對圖2中上水口及侵入式水口不同位置的結(jié)瘤物進(jìn)行成分檢測，檢測所得的水口結(jié)瘤物化學(xué)成分見表3。

表3 水口結(jié)瘤物化學(xué)成分

由表3可知，上水口絮狀結(jié)瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3為主，其中Ti2O3含量30.5%～100.0%，結(jié)瘤的主要原因?yàn)殇撍械膴A雜物聚集；浸入式水口的絮狀結(jié)瘤物以TiN為主，結(jié)瘤的原因?yàn)殇撆骼鋮s過程TiN析出。對以上結(jié)瘤物的形成分析如下所述：

1)由于鋼水氧含量0.001 8%，控制偏高，造成澆鑄過程中鈦、鋁元素的二次氧化，鈦、鋁的氧化物形成Al2O3- Ti2O3復(fù)合夾雜，Ti2O3的存在提高了Al2O3夾雜的潤濕性，夾雜物的上浮能力減弱，加劇了Al2O3- Ti2O3復(fù)合夾雜在上水口內(nèi)壁的粘結(jié)機(jī)率，造成上水口結(jié)瘤，可澆性下降。

2)Al2O3- Ti2O3復(fù)合夾雜的數(shù)量隨著Ti2O3的量的增加而增加[2]，本澆次w([Ti])/w([Al])為29.1，較高的w([Ti])/w([Al])導(dǎo)致Ti2O3的大量生成，加劇了水口結(jié)瘤的形成。

3)本澆次澆鑄過程中，中包溫度降低至1 552 ℃ 時(shí)，鋼水從浸入式水口與上水口結(jié)合處溢出。取浸入式水口樣進(jìn)行分析(如圖2(b)所示)，浸入式水口于外界接觸面積大，散熱較快，鋼水流經(jīng)浸入式水口時(shí)，溫度顯著降低。當(dāng)鋼液溫度低于1 540 ℃時(shí)[3]，TiN開始析出。析出的TiN呈網(wǎng)狀吸附在浸入式水口內(nèi)壁，造成浸入式水口內(nèi)徑降低，鋼水通過上水口的量超出浸入式水口的通過能力，鋼水從浸入式水口與上水口結(jié)合處溢出，俗稱“溢鋼”。因此合理控制中包過熱度，避免TiN析出是防止浸入式水口結(jié)瘤，提高鑄坯表面質(zhì)量的有效途徑。

4)TiN析出的反應(yīng)方程式如下：

[N]+[Ti]=TiN(s)

lgK =17040/T-6.4

(1)

其中反應(yīng)平衡常數(shù)K的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：α[TiN]、α[Ti]、α[N]——鋼中TiN、Ti、N的活度；fTi、fN——Ti、N的活度系數(shù)； [Ti]、[N]——Ti、N的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

由公式(1)、(2)可知，當(dāng)[N/%]提高時(shí)，反應(yīng)向正向進(jìn)行，TiN析出量增加，本次冶煉控制鋼中氮含量[N]=57×10-6，由公式(1)可知，隨著鋼中氮含量[N]的升高TiN的析出反應(yīng)加劇。

因此，在鈦含量不變條件下，降低鋼水中[N]含量是限制TiN結(jié)瘤的有效措施。

3 工藝優(yōu)化與優(yōu)化效果

3.1 氧含量控制

鋼中活度氧是造成二次氧化，導(dǎo)致鋼中夾雜物上升，水口結(jié)瘤的重要因素。LF精煉過程中，通過強(qiáng)化脫氧、深造還原渣有效降低鋼中活度氧至10×10-6以下。鈦元素的收得率由65.5%提高至73.1%，同時(shí)降低了Ti2O3、Al2O3等非金屬夾雜的生成。

3.2 合理控制w([Ti])/w([Al])

為了控制鋼中的w([Ti])/w([Al])，對冶煉進(jìn)行工藝優(yōu)化。保持w([Ti])含量不變的情況下，通過提高含鋁原料的加入量。工藝優(yōu)化后上水口結(jié)瘤明顯改善，在連澆爐次三爐以后上水口有輕微結(jié)瘤現(xiàn)象。對結(jié)瘤物進(jìn)行掃面電鏡分析，結(jié)果如圖3所示。

對圖3掃描電鏡圖中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表4。

(a) 上水口

(b) 浸入式水口

圖3 工藝優(yōu)化后水口結(jié)瘤物微觀形貌

由表4可知，工藝優(yōu)化后結(jié)瘤物類型為Al2O3-Ti2O3-MgO，結(jié)瘤物成分中Ti2O3含量降低至10.2%～10.6%，降低了夾雜物的潤濕性[4]和上水口內(nèi)側(cè)的粘附機(jī)率，顯著改善了鋼液可澆性。

3.3 防止TiN析出

為了防止TiN的析出采取了以下兩項(xiàng)措施：

(1)提高中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(nèi)(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，提高浸入式水口內(nèi)鋼水溫度，降低TiN析出機(jī)率。

(2)實(shí)施全程控氮措施，降低鋼液氮含量至30×10-6～40×10-6范圍內(nèi)，降低TiN的析出。工藝優(yōu)化后，浸入式水口結(jié)瘤問題得到解決。

4 結(jié)論

(1)通過降低鋼液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低鋼中鈦、鋁元素的二次氧化。上水口結(jié)瘤問題的到顯著改善，結(jié)瘤物中Ti2O3含量由30.5%～100.0%降低至10.2%～10.6%，同時(shí)鈦元素的收得率由65.5%提升至73.1%。

(2)通過降低鋼液中氮含量至(30～40)×10-6范圍，同時(shí)控制中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(nèi)(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，可以有效解決浸入式水口結(jié)瘤問題。

[1]SiZhong-yao,WangZhao-qing,LiuPeng,etal.EffectsofBandTionthetoughnessofHSLASteelweldmetals[J].JournalofMaterialsScienceTechnology, 1992, 8(4):294.

[2]SomnathBASU,ShivKumarCHOUDHARY,NarendraU.GIRASE.NozzleCloggingBehaviourofTi-bearingAl-killedUltraLowCarbonSteel[J].ISIJInternation, 2001, 44(10):1653-1660.

[3] 楊詠階. 控制ER70S-G含鈦焊絲鋼TiN析出和防止水口結(jié)瘤的工藝實(shí)踐[J].特殊鋼, 2015,36(6) :13-15.

[4] 鄧敘燕，馬建超，趙偉杰. 高鈦焊絲用鋼的鋼液可澆性改善[J].鋼鐵,2015,50(2):32-37.

《河南冶金》征稿啟事

尊敬的作者：

您好！《河南冶金》是經(jīng)國家批準(zhǔn)、國內(nèi)外公開發(fā)行的省部級冶金科技期刊。批準(zhǔn)文號：(93)國科發(fā)信字015號；國際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物號：ISSN1006-3129，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號：CN41-1199/TF。由河南省金屬學(xué)會、安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合主辦，雙月刊。期刊主要發(fā)往全國冶金企事業(yè)單位、科研院所、大專院校、政府有關(guān)部門和信息單位。

《河南冶金》熱忱歡迎省內(nèi)外大專院校、科研院所、冶金行業(yè)的專家學(xué)者、科研工作者、工程技術(shù)人員向本刊惠寄稿件，《河南冶金》愿與各位專家學(xué)者成為摯友。

THE CAST-ABILITY STUDY ON TI-BEARING STEEL OF ER70S-G

Li Shuo Sun Yuxia Zhang Hucheng

(Long products department of Tangshan Group Co., Ltd)

The clogs of nozzle in ER70S-G smelting process are analyzed . The main clogs of upper nozzle are Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3and the main clogs of submerged entry nozzle are TiN. It can effectively reduce the Ti2O3 content in the upper nozzle to 10.2%～10.6% with reducing the oxygen content in the steel less than 10×10-6and controlling w ([Ti]) /w ([Al]) between 17 and 22 , the clogging phenomenon of upper nozzle have been relieve. By reducing the nitrogen content of the steel to the range of 30×10-6～40×10-6and controlling superheat to within the range of 40 ℃～55 ℃ (the ER70S-G liquidus temperature is 1 518 ℃) can effectively prevent the precipitation of TiN, so as to solve the problem of clogging of submerged entry nozzle.

Titanium containing welding cast-ability TiN

霞，工程師，河北.唐山(063000)，唐山鋼鐵集團(tuán)長材部；

2017—2—15