連鑄坯中氣泡產(chǎn)生原因分析及判斷方法

1、連鑄坯中氣泡產(chǎn)生原因分析及判斷方法發(fā)表日期：2007-1-10閱讀次數(shù)：387摘要：本文對(duì)連鑄坯氣泡的成因及特性進(jìn)行了分析，并提岀了識(shí)別氣泡類型及改善和解決氣泡問題的方 法。關(guān)鍵詞：連鑄坯 氣泡氬氣保護(hù)1前言在鋼的連鑄過程中，不論是連鑄“準(zhǔn)沸騰鋼”還是連鑄高純凈度的鎮(zhèn)靜鋼，國(guó)內(nèi)外許多鋼廠都遇到過連 鑄坯中的氣泡問題，并且采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。有關(guān)連鑄坯中氣泡問題的科技文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)主要是側(cè)重于 連鑄低硅低碳拉絲材等“準(zhǔn)沸騰鋼”，高品質(zhì)鋼連鑄坯中的氣泡問題的研究主要見諸國(guó)外文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn) 不多。韶鋼2號(hào)板坯連鑄機(jī)于2003年5月投產(chǎn)，至2004年10月，所生產(chǎn)的Q235 Q345 45、50、船板等

2、鋼 號(hào)都岀現(xiàn)了一些氣泡廢品。為此，本文根據(jù)前人的理論、經(jīng)驗(yàn)以及韶鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)連鑄坯氣泡的表現(xiàn) 形式及產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，推斷連鑄坯氣泡的成因，并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，達(dá)到了改善氣泡問題 的目的。2氣泡產(chǎn)生的原因及表現(xiàn)特性分析根據(jù)煉鋼理論及前人的經(jīng)驗(yàn)，連鑄過程產(chǎn)生氣泡(包括針孔)的主要原因有3類一一脫氧不良、外來氣體(空氣、保護(hù)性氣體)、水蒸氣(來自潮濕的添加料和耐火材料等)。2.1脫氧不良2.1.1 CO氣泡產(chǎn)生機(jī)理脫氧不良時(shí)，產(chǎn)生的氣泡為CO氣泡。文獻(xiàn)表明，在1500C左右，鋼液中與0優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)的元素排列順序?yàn)椋篊a,Ba,Re,Al，Si，C,V, MnFe，P,Cu,其中的Si，

3、在1500C附近，跟O反應(yīng)的優(yōu)先順序與C相當(dāng)，即O會(huì)與C、Si同時(shí)發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)鋼中存在0時(shí)，發(fā)生碳氧反應(yīng)的必要條件之一是，在一 定溫度下，排在C元素之前的強(qiáng)脫氧劑M與0反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的0濃度高于C與O反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí) 的O濃度。鋼中碳氧反應(yīng)：C+O=COrG°=-22186-38.386 T(J/m01)(1)貝U: lnK=ln(Pco/P o)/(a 問 a )-2668.5/T+4.617因此：sc a0 =Pco/POEXP-268.5/T 4.617(2)假設(shè)CO分壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，無其它氣體，Pc0/P°=1,令：T=1500+273=1773K貝U: ac a

4、0 =0.002194(3)設(shè)活度系數(shù)fc=fo=1 ,當(dāng)Wc % =0.06(低碳拉絲用鋼的碳含量)和0.46(45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼的碳含量)時(shí)，由 式 (3)計(jì)算得到：Wo % =0.03657 和 0.004770(4)這是在以上假設(shè)條件下，與C平衡的O值。當(dāng)鋼中存在酸溶鋁時(shí)：2Al+30=A12Q(s)rGo=-1202070+386.28 T(J/m01)(5)23貝U: lnK=ln 1/(a 阿 a =144584/T-46.46因此：siai 2a0 3=exp-144584/T+46.46(6)令A(yù)l、0的活度系數(shù)均為1 ,T=1500+273=l773 K令 Wai % =0.

5、010 和 0.003 ,計(jì)算得到：W0 % =0.00004 和 0.04（7）這是在以上假設(shè)條件下與A1平衡的0值。由、（7）可知，當(dāng)鋼液中Al含量為0.010 %時(shí)，不論C為0.06 %或0.46 %，鋼中的O都是先與A1 反應(yīng)，也就是說，鋼中氧由脫氧元素 A1控制，不會(huì)發(fā)生碳氧反應(yīng)；當(dāng)鋼液中 A1含量為0.003 %及以下， 而且鋼中不存在Ca、Re等其他強(qiáng)脫氧元素，或其含量太低，不足以控制鋼中0時(shí)，鋼中的O都是由C控制，首先發(fā)生碳氧反應(yīng)，鋼中 C含量越高，越容易發(fā)生碳氧反應(yīng)。韶鋼4個(gè)鋼號(hào)的典型化學(xué)成分，如表1所示。表1 韶鋼4個(gè)鋼號(hào)的成品鋼板化學(xué)成分/%鋼號(hào)Al |f C I|Cu|

6、1 H 1| Mg |Mn1 N |1 O I1 S I1 SilQ235B0.010 |I 0.14 |痕量| 0.05 | 0.0002 |痕量| 0.30| 0.035 | 0.0050 | 0.020 |I 0.20 I|Q345BI 0.015| 0.16痕量| 0.05 | 0.0002|痕量| 0.30I 0.040| 0.0040| 0.010I 0.30 | 45| 0.010| 0.46痕量| 0.05 | 0.0002|痕量| 0.30| 0.040| 0.0040| 0.010| 0.30 |sL-05| 0.0020.06痕量0.052 |0.0002痕量| 0.30

7、0.0400.0200| 0.010由表1可知，由于前面3個(gè)鋼號(hào)的鋁元素含量都在0.010 %以上，因此，鋼中的O由A1控制，不會(huì)發(fā)生碳氧反應(yīng)；而第4個(gè)鋼號(hào)SL 05，鋁元素含量低于0.003 %，鋼中的0由C控制，發(fā)生碳氧反應(yīng)。以上的計(jì)算方式，是假設(shè)有關(guān)元素的活度系數(shù)為1,更精確的活度系數(shù)，可利用鋼液中相關(guān)元素的活度相互作用系數(shù)e,及各鋼種的化學(xué)成分進(jìn)行計(jì)算：lgfc= Ee Jwj（8）lgfo= Ee ojwj %（9）計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2韶鋼典型鋼種的C O活度及活度積以上所計(jì)算的碳氧反應(yīng)發(fā)生的條件，是以鋼中 C0分壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為前提，碳氧反應(yīng)發(fā)生的位置， 相當(dāng)于靠近鋼水表面

8、的鋼液中的 CO氣泡與鋼液的界面處。實(shí)際上，鋼坯中 CO氣泡的出現(xiàn)，經(jīng)歷了如下過 程：1）樹枝晶間的濃縮相（較大的碳氧濃度積）中形成針孔氣泡源；2）通過局部的碳氧反應(yīng)，針孔形成臨界氣泡；3）通過氣液界面持續(xù)的碳氧反應(yīng)，臨界氣泡長(zhǎng)大形成宏觀氣泡；4）一部分宏觀氣泡長(zhǎng)大后，在浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，氣液界面持續(xù)碳氧反應(yīng)，并吸附所遇到的 夾雜和其它氣泡，最后從鋼水中逸岀，或被凝固界面捕獲留在連鑄坯中；一部分宏觀氣泡不運(yùn)動(dòng)，附著在 原樹枝晶間，成為連鑄坯“針孔”或皮下氣泡。因此，連鑄坯中氣泡的形成，生核 （臨界氣泡）和長(zhǎng)大是兩個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。氣泡源，主要在鑄坯凝固 過程的固液界面，而不是在相當(dāng)于

9、均相的鋼液中。而臨界氣泡的形成和長(zhǎng)大，與鋼水的系統(tǒng)壓強(qiáng)密切相關(guān)。 系統(tǒng)壓強(qiáng)一般分為如下兩種：P 生=PCO + R|2+Pn2P阻=p 環(huán)境壓強(qiáng) +p 鋼水靜壓強(qiáng) +p 附加壓強(qiáng)只有當(dāng)p生p阻時(shí)，CO氣泡才能形成和長(zhǎng)大。而連鑄過程p阻最小的位置，就是最靠近結(jié)晶器液面的凝固坯殼的固液界面，越往下，鋼水靜壓強(qiáng)越大，氣泡越難形成和長(zhǎng)大。距結(jié)晶器液面的一定深度，p生VP阻時(shí),即使樹枝晶間的濃縮相中形成針孔氣泡源，但形不成臨界氣泡，更談不上氣泡長(zhǎng)大，此時(shí)，即使鋼中有一 定的碳氧濃度積，碳氧反應(yīng)也不可能再持續(xù)進(jìn)行。上述分析表明，鑄坯中由于脫氧不良而形成的C0氣泡，其存在的位置，從鑄坯橫截面觀察，應(yīng)該分布在

10、鑄坯皮下的一定深度。2.1.2 CO氣泡實(shí)例韶鋼于2000年開發(fā)的SL-05低碳拉絲準(zhǔn)沸騰鋼方坯，幾乎每條方坯都存在皮下氣泡和針孔，分布很有 規(guī)律，氣泡嚴(yán)重時(shí)，形成“蜂窩”狀，窩孔的分布方向與凝固方向相同，蜂窩狀氣泡在鋼坯橫截面（用刨床加工實(shí)物）上的分布如圖1,橫截面的芯部存在一個(gè)非常對(duì)稱的正方形，其內(nèi)不存在氣泡。圖1證明了在其它條件相對(duì)穩(wěn)定的前提下，存在一個(gè)由鋼水靜壓強(qiáng)決定的氣泡生成臨界壓強(qiáng)，也就是說，大于該壓強(qiáng)的鋼 水，不再生成CO氣泡。圖1準(zhǔn)沸騰鋼方坯橫截面上的蜂窩狀氣泡示意圖（陰影部分）2.1.3 改善和消除CO氣泡的措施加大連鑄坯一冷水強(qiáng)度，提高連鑄坯拉速，可適當(dāng)減少C、0的相界面偏

11、析富集，減少針孔氣泡源，同時(shí)使鋼水快速進(jìn)入高靜壓強(qiáng)的下部區(qū)域，能夠有效抑制CO針孔氣泡的長(zhǎng)大。為了順利連鑄低硅低鋁準(zhǔn)沸騰鋼水，保證不產(chǎn)生大量皮下氣泡，一方面，必須摸索岀低碳準(zhǔn)沸騰鋼的合 理的氧濃度（用固體電解質(zhì)氧濃差電池測(cè)定鋼中氧活度，通過鋼包喂硅鈣絲調(diào)節(jié)其值），韶鋼的經(jīng)驗(yàn)值為中包日冋=3060X 10-6 ;另一方面，在鋼水中氧濃度一定的條件下，可適當(dāng)提高拉速，進(jìn)一步抑制皮下氣泡的 生成。2.2外來氣體（保護(hù)性氣體、空氣、水蒸汽）2.2.1空氣及其二次氧化當(dāng)連鑄過程的鋼水淌開澆鑄，使鋼流表面與大氣直接接觸，或保護(hù)澆鑄裝置有縫隙產(chǎn)生負(fù)壓吸入空氣， 則發(fā)生鋼水的二次氧化，鋼中吸入大量空氣。一方面

12、，在氣、液界面，空氣中的氧分子、部分氮分子溶解 進(jìn)入鋼中，增加了鋼中0、N含量，空氣中的二氧化碳，會(huì)部分地與鋼中C Si、Mn A1等發(fā)生反應(yīng)，生成金屬氧化物和 C0氣體。鋼液吸入空氣導(dǎo)致二次氧化產(chǎn)生C0氣泡的行為與鋼水脫氧不良產(chǎn)生CO氣泡的行為相同。另一方面，未溶解的空氣（混合氣體），以氣泡的形式進(jìn)入鋼液，其行為與后面描述的保護(hù)性氣體氬氣相似。溶解在鋼液中的部分氮、氧、氫等原子，當(dāng)與鋼中已經(jīng)存在的氣泡邊界接觸時(shí)，也會(huì)以原子形式擴(kuò)散至 界面，形成氮、氧、氫分子，進(jìn)入氣泡。2.2.2水蒸汽主要來源有如下幾方面:1）精煉過程中添加的合金、造渣料、大、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣，含有一定的水分，其中的

13、部分水， 分解成 H 、0 進(jìn)入鋼液。為此，必須保證合金料的干燥或采取烘烤措施，保證進(jìn)廠的覆蓋劑、保護(hù)渣的 水分在 0.5 以下，防止受潮。2）連鑄過程，鑄機(jī)水冷系統(tǒng)產(chǎn)生水蒸汽，由于抽風(fēng)機(jī)能力不足，水蒸汽會(huì)沿鑄機(jī)上升，在結(jié)晶器上蓋板 下表面凝成水滴 , 從結(jié)晶器銅板上口邊沿流入結(jié)晶器，進(jìn)入結(jié)晶器保護(hù)渣，甚至部分水蒸汽從組合式結(jié)晶器 角縫進(jìn)入并上升，進(jìn)入保護(hù)渣中，導(dǎo)致保護(hù)渣濕潤(rùn)，并在彎月面結(jié)渣 , 造成連鑄不順。這部分水蒸汽，只有 很小一部分能進(jìn)入燒結(jié)層，分解成 H 、 0 原子，而 H 、O 原子進(jìn)入鋼水之前，必須透過溶渣層，因此， 應(yīng)該只有極小部分能最后進(jìn)入鋼液。3）耐火材料中的水。主要指中

14、包等耐火材料烘烤不干，在澆鑄的前一階段 （ 主要是連澆爐的頭幾塊坯或 第一爐），水蒸汽全部進(jìn)入鋼中變成H、0原子。最后，若形成氣泡，其化學(xué)成分應(yīng)該是以CO如果鋼中的脫氧合金如鋁含量較高時(shí)，主要形成氧化物夾雜，不會(huì)形成CO）和H2為主，而且，其氣泡的特點(diǎn)是：只有澆次的頭一爐的前幾支坯出現(xiàn)氣泡，越到后面，氣泡越少。一些鋼廠的連鑄坯，經(jīng)常出現(xiàn)坯頭氣泡，這是 原因之一 （ 另一原因是開澆時(shí)，保護(hù)澆鑄尚未到位，二次氧化較嚴(yán)重 ） 。2.2.3 氬氣當(dāng)連鑄采取全程保護(hù)澆鑄且采用氬氣保護(hù)時(shí)，在大包與中包之間，從大包下水口與大包浸入式長(zhǎng)套之間 的縫隙進(jìn)入鋼水中的氬氣，隨后從中包的鋼液表面上浮逸出，氣泡基本上不

15、會(huì)進(jìn)入結(jié)晶器。在中包與結(jié)晶 器之間，從中包的塞棒、中包上水口透氣磚、中包上下水口縫隙等位置進(jìn)入鋼水中的氬氣，隨鋼流進(jìn)入結(jié) 晶器，這些氬氣的作用： 1） 氬氣防止了水口結(jié)瘤，抑制了組合式水口吸入空氣導(dǎo)致的二次氧化； 2） 氣泡從 結(jié)晶器鋼液的逸出活躍了結(jié)晶器保護(hù)渣； 3）氬氣泡邊隨鋼流運(yùn)動(dòng)，邊向上浮，加速了鋼液中夾雜的上浮；4）還有冷卻塞棒的作用。但是，進(jìn)入結(jié)晶器的氬氣泡，隨鋼液運(yùn)動(dòng)至結(jié)晶器的一定深度的不同部位，在固 液界面，凝固的枝晶會(huì)捕捉氣泡，導(dǎo)致鑄坯氣泡的形成。2.2.4 外來氣泡的特點(diǎn)外來氣泡，指氬氣、空氣等以氣態(tài)形式進(jìn)入鋼中的氣體，這里重點(diǎn)針對(duì)保護(hù)性氣體氬氣泡。文獻(xiàn)介紹了美國(guó)內(nèi)陸鋼廠（

16、Inland SteelCompany）的1號(hào)板坯連鑄機(jī)（900mm弧形結(jié)晶器，鑄機(jī)半徑12.3m， 結(jié)晶器中的坯厚為240 mm）所生產(chǎn)的低碳和超低碳鋼板坯 ，冷軋鋼卷的表面或皮下出現(xiàn)鉛筆狀氣泡（pencilblister） ，在鋼卷退火后 , 皮下氣泡所在位置甚至出現(xiàn)鼓泡。鋼卷出現(xiàn)氣泡的主要位置，對(duì)應(yīng)于鋼坯的內(nèi)弧 寬面，距離鑄坯兩窄面 150mm以內(nèi)。文獻(xiàn)對(duì)連鑄過程中及成品坯中氬氣泡的表現(xiàn)形式行了理論分析、模擬計(jì)算，得出結(jié)論：氬氣泡在鑄坯液 芯中 （ 主要指結(jié)晶器及其下方區(qū)域 ）存在上、下兩個(gè)循環(huán)區(qū)，大多數(shù)氬氣泡及其所經(jīng)路徑上吸附的夾雜，在 結(jié)晶器內(nèi)的上循環(huán)區(qū)運(yùn)動(dòng)后，絕大部分上浮到渣層；小

17、部分體積較小的氣泡及其所吸附的夾雜，運(yùn)動(dòng)到下 循環(huán)區(qū)，在坯殼內(nèi)表面附近循環(huán)，大部分被凝固坯殼的內(nèi)表面所俘獲。被俘獲的氣泡最終成為鑄坯皮下氣 泡（ 鉛筆狀 ），軋制成材后以表面重皮、皮下氣孔或夾雜簇的形式表現(xiàn)出來。連鑄鋼水在浸入式水口中的流 量一定的前提下，當(dāng)進(jìn)入水口的氬氣流量增大到一定值時(shí)，氣體在水口中形成氣幕，雖然能更好地防止水 口結(jié)瘤，但會(huì)在水口的出口處形成不穩(wěn)定的“環(huán)狀氣流”，相當(dāng)于進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水?dāng)嗬m(xù)地夾帶有“大氣 泡”進(jìn)入結(jié)晶器，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生間隙式的擾動(dòng)，結(jié)晶器液面表現(xiàn)出無規(guī)則的波動(dòng)和冒泡。外來氣 體在連鑄坯中形成的氣泡，其分布規(guī)律與結(jié)晶器中鋼液的流場(chǎng)密切相關(guān)，只有被凝固殼的

18、固液界面捕獲的 氣泡才會(huì)留在鑄坯中。該文獻(xiàn)對(duì)斷面為230mrW 1520mm拉速為 1 m/min，直徑為0.3mm的氣泡進(jìn)行了計(jì)算機(jī)示蹤計(jì)算 （Lagrngian approach 方法），結(jié)果表明，只要鋼水存在紊流，就存在氬氣泡被凝固坯殼內(nèi)表面 俘獲的現(xiàn)象，也就是說，實(shí)際的連鑄過程中，只要水口吹氬，鋼坯的氬氣泡幾乎是不可避免的。文獻(xiàn)對(duì)Hoogovens Staal BV 鋼公司的斷面為200 mmx 2250mm的連鑄板坯實(shí)物中存在的氣泡，采用光學(xué) 顯微鏡和圖象分析技術(shù)、X射線成像技術(shù)對(duì)板坯橫截面上氣泡分布的規(guī)律進(jìn)行了全面檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，并在真空室里鉆孔取氣，用質(zhì)譜分析儀分析確定氣體成分以氬氣

19、為主的氣泡的氣體組分及各組分含量，與文獻(xiàn)的理 論分析結(jié)果吻合，氣泡分布不均勻，主要分布在板坯的皮下60mm以內(nèi)，而且主要分布在窄面及靠近窄面的寬面，氣泡分布與氣泡大小無關(guān)；氣泡平均直徑在0.053.00mm之間，小氣泡居多。2.2.5 減少板坯外來氣泡的方法文獻(xiàn)對(duì)連鑄板坯外來氣泡 （ 主要指氬氣泡 ） 的產(chǎn)生原因、分布特點(diǎn)的理論和模型分析、鑄坯實(shí)物檢測(cè)的結(jié) 果表明：由外來氣體產(chǎn)生的連鑄坯氣泡，是由于外來氣體隨鋼流進(jìn)入結(jié)晶器，在上浮過程中被凝固坯殼內(nèi) 側(cè)面俘獲而形成的。氣泡在鑄坯橫截面的分布，與結(jié)晶器流場(chǎng)有關(guān)，主要分布在板坯的皮下一定深度的窄 面和靠近窄面的寬面。氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中，幾乎吸附了遇到的所有夾雜。為了減少外來氣泡，一方面，在保證水口不會(huì)堵塞和保證結(jié)晶器液渣層活躍的前提下，減少氬氣（ 或其他心來干涉氣體 ） 流入量，當(dāng)然，最理想的方法是不吹氬，而通過進(jìn)一步提高鋼水的純凈度或改變鋼水中的 夾雜性質(zhì)來防止水口堵塞。另一方面，優(yōu)化結(jié)晶器流場(chǎng)，減少氣泡俘獲率，主要方法，一是在不改變水口 結(jié)構(gòu)和氬氣流量的情況下，適當(dāng)降低拉坯速度，LTV 鋼公司和內(nèi)陸鋼公司就采取過這種措施，效果明顯，但影響了鋼坯產(chǎn)量；二是優(yōu)化結(jié)晶器浸入式水口的結(jié)構(gòu)，包括流鋼口的尺寸和形狀、水口插入深度等，但該 工作的難度大、周期長(zhǎng)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)仿真和水模擬實(shí)驗(yàn)。3 韶鋼板坯氬