φ300 mm連鑄坯的表面缺陷及其預防

張洪彪 王國梁 李 海 王吾磊 陸 曼 劉志勇 左小坦

(蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖 241000)

棒材的表面缺陷有裂紋、結疤、夾渣、耳子、折疊、翹皮、劃傷等多種[1]。一般鑄坯表面的氣孔類缺陷在軋制后具有裂紋尾部圓鈍、有氧化鐵及氧化圓點、裂紋邊緣脫碳等特征[5- 7]。表面有渣溝、氣孔缺陷的連鑄坯在軋制過程中易被氧化并形成表面裂紋，因此應嚴格控制[8]。

某鋼廠3號圓坯連鑄機在2018年5～8月份生產的φ300 mm 45、40Cr、60Mn鋼連鑄坯，軋后棒材表面出現了大量沿軋制方向分布的線狀裂紋，長度10～50 mm，嚴重影響了產品的正常生產和交貨。據文獻[2- 3]報道，脫碳一般在較高溫度(800 ℃以上)并保持一定時間才發生，因此，根據鑄坯裂紋處脫碳及裂紋附近氧化圓點等特征可以斷定，這些表面缺陷不是軋制過程中形成而是鑄坯本身的[4]。鋼廠對這些缺陷的形成機制進行了深入的分析研究及攻關試驗，采取了一系列預防措施，最終使鑄坯的表面缺陷得到了有效控制，改善了鑄坯的表面質量。

1 試驗方法和內容

1.1 生產工藝

某鋼廠3號連鑄機的生產流程為120 t LD轉爐→120 t LF爐精煉→CC(φ300 mm)→檢驗判定→修磨精整→入庫。所煉鋼種主要有QD08、20、45、40Cr、50Mn、60Mn等。120 t轉爐、LF精煉爐與連鑄機生產周期相匹配，40～50 min內連澆爐次一般為18～22爐。

1.2 檢驗方法

在φ300 mm連鑄坯表面的缺陷處取樣并加工成φ50 mm試樣。采用賀利氏定氧和定氫儀檢測氧、氮、氫含量。采用OLYMPUS- BX51M電鏡和EVOMA10/LS 10掃描電鏡觀察分析缺陷形貌并進行能譜分析。

2 渣溝和氣孔的特征

鑄坯表面渣溝分布無規律，但其數量隨著連澆爐次的增加而增多。低倍試樣中，渣溝表現為鑄坯的激冷層減薄，深1～5 mm，寬3～15 mm，時斷時續，長度不等，嚴重者溝底有縱向裂紋。典型的表面渣溝如圖1(a)所示。

觀察發現，鑄坯表面有離散的倒“Ω”形開口小孔，直徑多為3～5 mm，深度多為3～12 mm，孔口較圓，直徑比渣孔小，內壁光滑，個別氣孔中有殘留的渣狀物。典型的表面氣孔缺陷如圖1(b)所示。

圖1 連鑄鑄坯表面的渣溝(a)和氣孔(b)Fig.1 Slag trough (a) and blowhole (b) on the continuously cast slab

所有不進行真空循環脫氣(即RH精煉爐)處理的連鑄坯均出現渣溝、氣孔等表面缺陷，而經過RH處理的鑄坯表面則未發現氣孔。

3 原因分析

3.1 形成缺陷的氣體來源

3號連鑄機6、7月份生產的45鋼鑄坯均出現較多氣孔、渣溝缺陷，直接報廢177支，另有461支需修磨。經前期檢查，排除了保護渣性能、結晶器銅管磨損、澆鋼操作等方面的原因，并發現，鑄坯氣孔是鋼水中氫含量過高所致。

對LF爐精煉的45、40Cr和60Mn鋼水取樣檢測氧、氮含量，結果列于表1，氧含量為(4.5～21.6)×10-6，氮含量為(33.8～62.5)×10-6，平均氧含量為11.6×10-6(最高28.8×10-6)，平均氮含量為46.4×10-6(最高為63.5×10-6)，可見鋼水的氧、氮含量均正常。

采用賀利士在線定氫儀測定了68爐次LF爐精煉的45、40Cr鋼水的氫含量，結果為(3.5～13.8)×10-6，平均為6.65×10-6，這比經RH處理的鋼水的平均氫含量高4.65×10-6，可見鋼水的氫含量已達到較危險的程度?，F場跟蹤發現，在5～8月雨季或潮濕天氣生產且鋼水不經RH處理的鑄坯均有氣孔缺陷。

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

3.2 缺陷分析

檢查出現表面針孔缺陷的鑄坯發現(見圖2)，氣孔的開口小于內腔，少量氣孔內有鋼水流出的痕跡，甚至在坯殼表面形成小的翻皮。掃描電鏡及能譜分析表明，缺陷內部主要是鐵氧化物，還有少量保護渣(能譜分析發現有Ca)。分析認為，當鋼的氫含量超過飽和溶解度時，在結晶器中凝固時，氣體溶解度隨著溫度下降及組織變化而急劇降低，便在鋼中析出H2并形成小氣泡。小氣泡在上浮過程中會進一步吸附氣體而逐漸長大，上浮速度加快。上浮速度大于鋼水凝固速度、且遠離坯殼固- 液界面的氣泡可順利排除，而上浮速度小于鋼水凝固速度或鄰近固- 液界面的氣泡則被初生溝形凝固殼捕捉，在鋼水靜壓力不斷增大和結晶器振動造成坯殼不斷開裂和閉合的共同作用下，氣泡可擊穿凝固坯殼形成氣孔缺陷[9]。

圖2 連鑄坯氣孔的掃描電鏡形貌及能譜分析Fig.2 SEM micrograph and EDS analysis of blowhole on the continuously cast slab

3.3 缺陷的形成機制

由以上分析可知，如果氣體含量超過在鋼液中的飽和溶解度，或鋼中樹枝晶間富集的氫、氮等氣體的含量達到或超過其飽和溶解度，就可能析出氣體。理論分析表明，鋼水中的氫含量大于(6～8)×10-6時，鋼液在凝固過程中極有可能產生渣溝和氣孔缺陷。

在澆鑄過程中，鋼水中氣體的上浮速度一般大于樹枝晶的生長速度，因此氣體上浮不會留下痕跡。但鄰近結晶器壁鋼水彎月面處，由于氣泡在黏稠的兩相區既要排開液體又要繞過樹枝晶，阻力極大，因此氣泡可能被鋼水在彎月面形成的初期勾型凝固殼所捕獲。如圖3(a)所示，當氣泡被捕捉后，會不斷吸收鋼中的氫而長大，進而擠壓彎月面，導致流入結晶器壁與凝固坯殼之間的液渣厚度不均勻。液態渣膜不均勻，將造成坯殼在結晶器內傳熱不均勻，從而激冷層厚度不均勻。初生坯殼較厚的部位較早地因收縮而與結晶器之間形成間隙，液態渣在該處會形成較厚的渣膜，這進一步阻止了熱傳遞，如此反復，最終導致形成表面渣溝缺陷。

如果氣泡將初期形成的兩個振痕中間最薄弱的坯殼擊穿則形成氣孔(見圖3(b))，且氣孔口比較光滑[7]。而少量液渣可能會由外向內流入開口的氣孔內，鋼水也可能由內向外流出，這是氣孔處有少量保護渣或小翻皮痕跡的原因。

圖3 連鑄坯形成渣溝(a)和氣孔(b)的示意圖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

要徹底消除連鑄坯表面的渣溝和氣孔缺陷，必須嚴格控制鋼水中的氣體尤其是氫的含量。因此，針對南方雨季潮濕的空氣環境，對鋼水進行RH真空脫氣，將氫含量控制在3×10-6以下是避免鑄坯產生表面缺陷的有效措施。此外，還需采取如下措施：(1)入爐料結構鐵塊加入量<8 t，不能超過10 t；(2)轉爐控制壓球使用量<2 t，并在8 min內加入完畢，后期做冷料可使用返礦等代替壓球；(3)加強合金及原輔料的管理，確保各種物料干燥，雨季運輸物料要采取防雨防潮措施，石灰儲存時間不得超過12 h，合金必須烘烤后使用；(4)轉爐煙道或鋼包爐蓋漏水時不能煉鋼；(5)及時調整鋼包爐的除塵風量，爐口保持微正壓，加強爐內還原氣氛控制；(6)保持白渣時間≥10 min，提高埋弧效果，減少鋼液吸氣量；(7)適當延長軟吹鎮靜時間；(8)確保連鑄全程的保護澆鑄效果，尤其要注意對鋼包長水口的氬封保護效果，防止鋼液吸氣，中包采用雙層覆蓋劑。采取以上控氫措施后，雨季生產的φ300 mm 45、40Cr、60Mn鋼連鑄坯未出現渣溝、氣孔等表面缺陷，鑄坯表面質量穩定。

5 結論

(1)某鋼廠連鑄坯表面的渣溝和氣孔缺陷是鋼水的氫含量過高所致。

(2)鑄坯表面產生渣溝及縱裂紋是氣泡在結晶器壁鋼水彎月面處聚積長大后擠壓彎月面、使流入結晶器壁與凝固坯殼間的液渣厚度不均勻所致；當氣泡在結晶器壁鋼水彎月面處聚積長大并擊穿坯殼時，將形成表面氣孔。

(3)采取RH真空脫氣處理、改變入爐料結構、烘烤合金及原輔料等措施，可有效遏制雨季生產的鑄坯表面產生渣溝和氣孔缺陷。