楊克枝 常正昇 郭俊波

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司）

0 引言

馬鋼特鋼公司主要生產(chǎn)車輪、車軸和軸承等高附加值鋼種，對鑄坯的潔凈度要求較高。由于中間包氧氣體積分數(shù)較高，單開爐次受二次氧化的影響較大，每一澆次的頭幾塊鑄坯往往會因潔凈度問題改判，尤其是對于潔凈度要求極其嚴格的車輪鋼，其頭坯100%改判。中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼二次氧化主要為Al2O3類夾雜，一方面影響鋼水潔凈度[1]，降低了成材率，增加了生產(chǎn)成本，另一方面也在一定程度上影響了鋼水的可澆性[2]。孫彥輝等[3-4]認為開澆階段鋼水的二次氧化主要與中間包內的氧氣體積分數(shù)有關。為了改善鋼水的二次氧化，降低開澆前中間包內的氧氣體積分數(shù)，部分鋼企采用開澆前中間包充氬置換的方式，在提升鋼水潔凈度、提高鋼水收得率方面取得了一定的效果[5-6]，但對充氬后的置換效果缺乏系統(tǒng)性的評價。鑒于此，筆者選取中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼為例，設計不同充氬工藝對比試驗，以鑄坯T.O 質量分數(shù)和夾雜物變化作為評判標準，對中間包充氬后的置換效果進行了評價。

1 充氬理論計算

試驗采用由中間包兩邊的烘烤孔和在沖擊區(qū)插入吹氬管向中間包底部吹入高純氬氣（氬氣純度高達99.9%以上）的方式，如圖1 所示。

圖1 中包充氬

中間包充氬置換屬于完全混合置換，置換量符合式1：

式中：C1——容器中最初氧氣體積分數(shù)，%；C2——容器中最終的氧氣體積分數(shù)，%；C0——惰性氣體中氧氣體積分數(shù)，%；VR——中間包容量，m3；Vt——置換所需的惰性氣體體積，m3。

由于高純氬氣中氧氣體積分數(shù)趨于0，某廠中間包容量為7.36 m3，充氬后中間包氧氣體積分數(shù)為：

由式（2）可以看出，在密封良好的情況下，充氬后中間包內的氧氣體積分數(shù)與充入的氬氣體積有關，即充氬流量越大、充氬時間越長，則充氬后中間包氧氣體積分數(shù)越低。

2 試驗概況

試驗選取中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼（[Al] 含量為0.015%～0.030%）為研究對象，工藝路線為110 t電爐→LF 精煉→RH 精煉→連鑄。中間包溢流噸位為55 t，工作噸位為42 t，澆鑄過程采用長水口保護澆鑄+中間包氬封的保護澆鑄方式。在充氬流量一定的情況下，根據(jù)充氬時間的不同制定了3種方案，充氬位置在中間包兩側烘烤位和沖擊區(qū)。開澆前中間包充氬工藝流程為中間包烘烤停止→兩側烘烤位即插入吹氬管進行充氬→中間包車開至澆鑄位→沖擊區(qū)即插入吹氬管進行充氬→充氬停止→大包開澆。

RH 真空精煉結束出站前及中間包開澆階段均采用提桶式取樣器對鋼水進行取樣，取樣方案見表1。提桶鋼樣分別加工成Φ5 mm×30 mm 棒狀試樣和20 mm×20 mm×20 mm 的金相試樣，采用氧氮分析儀對棒狀試樣進行氧氮分析，采用ASPEX對金相試樣進行夾雜物定量分析，夾雜物分析尺寸為1 μm 起，檢測面積≥100 mm2。

表1 取樣方案

3 結果分析

3.1 鋼中氧氮質量分數(shù)變化

鋼中T.O 質量分數(shù)可以反映鋼水潔凈度水平[7-9]，RH 出站-CCM 期間T.O 質量分數(shù)的增量和酸溶鋁損（Δ[Al]S）可以反映鋼水受二次氧化的程度；氮質量分數(shù)增量可反映鋼水吸入空氣的程度。開澆前，不同充氬工藝條件下開澆爐次鋼中的氧氮質量分數(shù)和[Al]S的變化情況見表2。

表2 不同充氬工藝條件下開澆爐次鋼中氧氮質量分數(shù)及[Al]S 變化情況

從表2 可以看出，在充氬流量相同的情況下，方案1～ 3 中 RH 出站至CCM 的過程Δ[Al]S分別為30×10-6、40×10-6和60×10-6，隨著充氬時間的延長，鋼水Δ[Al]S呈下降趨勢。方案1 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質量分數(shù)和氮質量分數(shù)的增量為2.3×10-6和3.6×10-6，增幅分別為15.6%和10.5%；方案2 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質量分數(shù)和氮質量分數(shù)的增量為2.7×10-6和8.1×10-6，增幅分別為18.5%和23.6%；方案3 中RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質量分數(shù)和氮質量分數(shù)的增量為4.3×10-6和8.2×10-6，增幅分別為74.1%和28.4%。由此可見，在開澆前中間包充氬條件下，RH 出站至CCM 期間鋼中T.O 質量分數(shù)和氮質量分數(shù)的增量和增幅明顯小于無充氬工藝的，且延長充氬置換時間有利于降低鋼中T.O 質量分數(shù)、氮質量分數(shù)的增量和增幅。

3.2 夾雜物數(shù)量密度和尺寸變化

開澆期間，受中間包內氧化性氣氛的影響，鋼水會發(fā)生二次氧化，生成大量的細小夾雜物，致使鋼水中的夾雜物數(shù)量密度增大[10]。開澆期間鋼中夾雜物數(shù)量密度以及尺寸的變化能反映中間包充氬置換效果的好壞，試驗中開澆階段夾雜物數(shù)量密度和尺寸變化情況如圖2 所示。

圖2 夾雜物數(shù)量密度及尺寸變化

從圖2 可以看出，RH 出站至CCM 期間，方案1 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計增幅為12.1%，1～2 μm尺寸范圍內的夾雜物數(shù)量密度增幅為-19.7%；方案2 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計增幅為40.2%，1～2 μm 尺寸范圍內的夾雜物數(shù)量密度增幅為5.0%；方案3 的鋼中夾雜物數(shù)量密度總計增幅為166.8%，1～2 μm 尺寸范圍內的夾雜物數(shù)量密度增幅為122.1%。由此可見，開澆前采用中間包充氬置換可以有效降低細小夾雜物的生成量、降低夾雜物數(shù)量密度的增量和增幅，且充氬置換時間越長，改善效果越明顯。

3.3 含Al2O3 夾雜物數(shù)量密度變化

開澆期間，中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼受二次氧化主要產(chǎn)生含Al2O3類夾雜物，此類夾雜物又受鋼水中鈣的影響，最終以鈣鋁酸鹽的形式存在于中間包鋼水中。因此，開澆階段含Al2O3鈣鋁酸鹽夾雜物（尤其是當夾雜物中Al2O3質量分數(shù)較高時）的數(shù)量密度變化可以反映鋼水受二次氧化的程度。筆者選擇以Al2O3質量分數(shù)在10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜物的數(shù)量密度變化進行統(tǒng)計分析，3 種方案條件下的夾雜物數(shù)量密度變化情況如圖5 所示。

從圖3 可以看出，從RH 出站至CCM 期間，方案1～ 方案3 鋼中含Al2O3夾雜物數(shù)量密度均呈上升的趨勢，鋼水均受到一定程度的二次氧化；方案1～3 鋼中Al2O3質量分數(shù)在10% 以上的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度分別增加2.98 個/mm2、5.59 個/mm2和7.80 個/mm2，增幅分別為25.4%，62.0%和321.8%。由此可見，開澆前采用中間包充氬置換可以有效降低開澆期間含Al2O3夾雜物的生成量，且充氬置換時間越長，改善效果越明顯。

圖3 Al2O3 質量分數(shù)大于10%的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度變化情況

4 結論

（1）RH 出站至CCM 階段，方案1～ 3 鋼中T.O 質量分數(shù)增量分別為2.3×10-6，2.7×10-6和4.3×10-6，增幅分別為15.6%，18.5%和74.1%。

（2）RH 出站至CCM 階段，方案1～3 鋼中夾雜物數(shù)量密度增幅分別為12.1%、40.2 和166.8%，細小夾雜物數(shù)量密度的增幅分別為-19.7%、5.0%和122.1%。

（3）RH 出站至CCM 階段，方案1～ 3 鋼中Al2O3質量分數(shù)在10%以上的鈣鋁酸鹽夾雜物數(shù)量密度的增幅分別為25.4%，62.0%和321.8%。

（4）開澆前采用中間包充氬工藝有利于減少開澆期間鋼水的二次氧化， 且充氬時間越長，鋼水受二次氧化的影響越小。