连铸坯表面气孔缺陷研究

连铸坯表面气孔缺陷研究

耿明山^1，2， 王新华²， 张炯明²， 王万军²， 刘志明³

(1．中冶京诚工程技术有限公司，北京100176； 2．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；3．广东省韶关钢铁集团有限公司第三炼钢厂，广东韶关512123)

摘 要：通过对连铸坯和热轧板表面气孔缺陷影响因素的分析，确定了由上水口、氩封和浸入式水口3个位置吹入的氩气不能有效上浮面被凝固坯壳捕捉形成了连铸坯表面气孔缺陷。气孔基本分布在宽面靠近窄边位置，而连铸坯宽面中心和连铸坯宽面1／4位置气孔数量很少。采用不吹氩气的生产工艺可以消除连铸坯和热轧板表面的气孔缺陷。

关键词：连铸坯；气孔缺陷；氩气

广东韶钢松山股份有限公司第三炼钢厂(以下简称韶钢三炼钢)3 250mm宽板坯连铸机生产的热轧板气孔缺陷(包括称为“气泡”、“皮下气泡”、“针孔”缺陷)发生较频繁，严重影响了韶钢宽板坯生产线生产。热轧板表面气孔缺陷主要呈长条状类似“鱼眼状”凹坑。为解决这一质量缺陷问题，针对韶钢宽板坯热轧板表面气孔缺陷的成因及防止对策开展了研究。

1 试验方法与试验内容

1．1连铸工艺参数

为分析连铸宽板坯表面气孔缺陷的分布规律和影响因素进行了工业试验，钢种为Q345B，铸坯宽度为2 020mm，厚度为150mm。主要研究了氩气吹入量对气孔缺陷数量和分布规律的影响，工艺参数见表1。

1．2酸浸蚀试验

由于气孔尺寸较小，生产现场难以发现。为捕捉气孔，在连铸坯表面取样，取样位置如图1所示。试样规格为120mm×100mm×20mm，保留原始铸坯表面试样若干，观察气孔缺陷及其宏观特征。

试验所用浸蚀剂是体积比为1：1的盐酸溶液，采用热酸浸蚀处理，浸蚀温度为65～80℃，浸蚀时间为10～20 min。

1．3轧制工艺对气孔缺陷的影响试验

1)对连铸工艺1、工艺2、工艺3、工艺4，每种情况取2块铸坯，将铸坯内外弧颠倒(即轧制过程内弧向下，外弧向上)，然后按操作规程正常轧制。

2)对第1、2、3种情况，每种情况取2块铸坯，铸坯的靠窄面有一侧不进行清理，另一侧进行清理，然后按操作规程正常轧制。

3)其余铸坯均按照正常生产工艺进行轧制。

2试验结果

2．1连铸坯气孔缺陷形貌和分布规律

连铸坯表面气孔缺陷如图2所示，气孔呈黑洞形貌特征。浸蚀后表面气孔数目统计如图3所示，连铸坯上表面和下表面边缘位置气孔较多，宽面1／2、宽面1／4位置气孔比较少。内外弧边缘位置气孔数量没有明显差别，宽面1／2位置和宽面1／4位置气孔数量也没有明显差别。

对比不同工艺条件下气孔数量，工艺2水口深度比工艺1水口深度深，工艺2试样中不同位置气孔数量比工艺1试样中对应位置的气孔数量多。通过对工艺1和工艺3的比较，发现连铸坯边缘气孔数量差别不大，但工艺3条件下宽面中心和宽面1／4位置气孔数量比工艺1条件对应位置气孔数量少。通过对工艺1、工艺3和工艺4试样中对应位置气孔数量的比较，发现在氩气流量为10．5 L／min的条件下，连铸坯边缘位置气孔数量明显比氩气量为3．5 L／min和6．5 L／min条件下对应位置的气孔数量多。

2．2轧制工艺对气孔缺陷的影响

连铸生产中进行了4种工艺试验，轧制后对每块热轧板上下表面逐一仔细检查，对数据进行统计，统计基准为较明显的单个气孔或成簇状气孔，统计结果如图4所示。

图4(a)表示4种工艺所生产铸坯正常轧制中板内外弧气孔缺陷数量情况。从气孔数量来看，采用工艺3时热轧板表面气孔量较少，根据现场检验，该工艺条件下，热轧板宽面存在几处单个大气孔，也是热轧板质量所不允许的。工艺2中水口插入深度最大，但从检验结果来看，在3．5L／min的气量下，与工艺1相比较，气孔缺陷没有明显改善。

图4(b)表示翻坯轧制时热轧板表面内外弧气孔数量情况，4种工艺条件下，内弧气孔数量不存在明显比外弧严重的现象。

扒皮轧制时，气孔情况有很大改善，由于操作不完全，热轧板表面仍残留少量气孔。

通过对不同轧制工艺的控制，发现翻坯轧制时气孔没有明显的减少，内外弧气孔数量没有明显差异，因此基本确定热轧板气孔缺陷与轧钢工艺无关，气孔来源于连铸坯的气孔和皮下气孔。

2．3试样氮和氧含量测定

连铸坯气孔缺陷主要来源是气体，在试验所取16块铸坯上分别取ф5 mm×50mm的圆柱体进行钢中氧和氮含量的测定，具体成分如表2所示。

通过对连铸坯氮和氧含量的测定，铸坯的氧含量比较低。虽然氮含量比常规范围较高，但空气中氮气分压比较大，不会造成铸坯中观察到的较大气孔。

2．4气孔缺陷的扫描电镜和光学显微镜分析

通过对连铸坯表面典型气孔缺陷取样，用扫描电镜观察气孔形貌特征和气孔内部结构，结果如图5所示。

通过对连铸坯表面气孔的分析，发现气孔内壁发生了比较严重的氧化，同时气孔内部存在一定量的保护渣成分，气孔呈圆形。通过对气孔的氧化层和基体层的分析，具体成分如表3所示，发现氧化层中存在NaCl、CaO，基体层中基本上是钢的基体和少量锰。用扫描电子显微镜放大观察气孔内壁表面，气孔内部存在很多的小凸起是钢液在凝固过程中的气体旋转激起的液态钢液微滴，气孔内部存在较为明显的氧化，如图6所示。

通过光学显微镜观察，铸坯呈典型铁素体和珠光体组织，气孔周围存在明显的脱碳层，气孔周围的基体由于氧化而形成了一些细小的球形颗粒状。通过对气孔组织分析，发现气孔周围存在较多的铁素体，与基体中比较均匀的铁素体和珠光体组织有一定差异。

3 试验结果讨论

常见导致气孔产生的因素有：钢水碳含量^[1]，脱氧不良^[2-4]，外来气体^[5-8]，钢液过热度^[9]，钢水流动性，二次氧化，保护渣水份超标^[10]，水蒸汽^[11-12]等原因。

3．1外来气体的影响

外来气体，指保护性气体、空气等以气态形式进入钢中的气体。

连铸过程中若钢水敞开浇铸，钢流表面与大气直接接触，或保护浇铸装置有缝隙产生负压吸人大量空气时会发生钢水二次氧化。一方面，在气、液界面，空气中氧分子、部分氮分子会溶解进入钢中，增加钢中氧、氮含量。空气中的部分二氧化碳会与钢中的C、Si、Mn、A1等发生反应，生成金属氧化物和一氧化碳气体。另一方面，未溶解的空气以气孔的形式进入钢液，其行为与保护性气体氩气相似。溶解在钢液中的部分氮、氧、氢等原子，与钢中存在的气孔边界接触时，会以原子形式扩散至界面，形成氮、氧、氢分子进入气孔。

当连铸采取全程保护浇铸且采用氩气保护时，在大包与中包之间，从大包下水口与大包浸入式长套之间缝隙进入钢水中的氩气，随后从中包的钢液表面逸出，气泡基本上不会进入结晶器。中间包塞棒吹氩流量太大或拉速过快，会引起结晶器液面“钢水沸腾”增加弯月面的搅动。在中包与结晶器之间，有些从中包塞棒、中包上水口透气砖、中包上下水口缝隙等位置进入钢水中的氩气，会随钢液运动至结晶器一定深度的不同部位。进入连铸机液芯深处的氩气泡不能全部上浮到结晶器钢液面，有些会被连铸坯上部凝固壳捕获，导致铸坯气孔的形成。这种气孔越大，在冷轧和热轧加工过程中就越不易消除。轧制后气孔可能会暴露出来，成为最终板材表面上的气孔状缺陷。

Brian G Thomas^[13]对连铸过程中及成品坯中氩气孔的表现形式进行了理论分析、模拟计算后得出结论：外来气体在连铸坯中形成的气孔，其分布规律与结晶器中钢液的流场密切相关，只有被凝固坯壳的固液界面捕获的气孔才会留在铸坯中；只要钢水存在紊流，就存在氩气孔被凝固坯壳内表面俘获的现象，实际的连铸过程中，只要水口吹氩，钢坯的氩气孔几乎是不可避免的。Yuji Miki^[14]对结晶器钢液流动以及凝固坯壳内表面积留夹杂物和气孔进行了研究，指出钢板缺陷是由浇铸过程中凝固坯壳上积留的气孔和夹杂物引起的。

3．2 消除连铸坯气孔缺陷的措施和效果

为减少外来气孔，一方面，在保证水口不堵塞和保证结晶器液渣层活跃的前提下，减少氩气(或其他外来气体)吹入量，最理想的方法是不吹氩，通过进一步提高钢水的纯净度或改变钢水中夹杂性质来防止水口堵塞。另一方面，优化结晶器流场，减少气泡俘获率，主要方法是优化结晶器浸入式水口结构，包括流钢口的尺寸和形状、水口插入深度等^[15]。实际生产过程中通过采用塞棒、上水口和浸入式水口均不吹氩气的工艺参数，生产的铸坯和热轧板表面完全消除了气孔缺陷。同时对浸入式水口进行了适当的改进，采用总吹气量小于7L／min的工艺条件下生产的连铸坯和热轧板表面也不存在气孔缺陷。

4 结论

1)通过对连铸坯表面气孔缺陷数量的统计分析，发现连铸坯宽面的两侧气孔数量较多，连铸坯宽面中心和1／4位置基本上不存在气孔，同时内外弧气孔数量不存在明显差异。通过对连铸坯采用不同轧制工艺进行轧制，发现轧制工艺对热轧板表面气孔的数量没有明显影响。

2)通过对连铸坯试样中氧和氮含量的测定，发现连铸坯中氧含量较低，氮含量略偏高，综合考虑后认为氧和氮不是造成连铸坯气孔缺陷的原因。通过扫描电镜和光学显微镜对连铸坯气孔进行的分析，发现气孔呈典型圆孔型，气孔内部存在一定量保护渣。

3)通过试验研究，基本上确定了连铸坯气孔缺陷产生的主要原因是保护氩气在结晶器内被凝固坯壳捕获形成了氩气气孔缺陷。通过采用不吹氩气的工艺参数可以完全消除连铸坯表面气孔缺陷。

参考文献