武钢超低碳钢铸坯表面质量控制

（武钢股份条材总厂一炼钢厂,湖北武汉，430083）摘要：本文介绍了工业纯铁经转炉冶炼、RH精炼、...

摘    要：本文介绍了工业纯铁经转炉冶炼、RH 精炼、连铸的技术方案，特别是对连铸坯皮下气泡缺陷的控制研究。生产实践表明，铸坯表面质量良好，皮下气泡得到有效控制，中心疏松和中心偏析均≤1.0 级，工业纯铁生产取得明显效果。

关键词：工业纯铁;皮下气泡;低倍组织

前言

工业纯铁是钢的一种，其化学成分主要是铁，含量在 99.50%－99.90%，含碳量在 0.004%以下，其他元素愈少愈好。因为它实际上还不是真正的纯铁，所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。常见的有两种规格，一种是是作为深冲材料的，可以冲压成极复杂的形状；另一种是作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。工业纯铁是用于冶炼精密合金、高温合金、超低碳不锈钢、电热合金等重要的原材料。为了满足上述性能要求，在冶金质量方面对钢的化学成分、纯净度和表面质量都提出了非常严格的要求。

武钢一炼钢厂于 2015 年 7 月开始试验生产工业纯铁，目前已具备批量生产能力，进一步开拓了产品市场。

1 工艺流程

武钢条材总厂一炼钢厂（下面简称一炼钢）现有两座公称 120t 铁水脱硫站，两座公称 120t 顶底复吹转炉，三套公称 120t 双工位钢包精炼炉，一套公称 120t 双工位 RH 真空脱气炉，一套公称 100t 双工位 VD 真空脱气炉，三台 5 机 5 流方坯连铸机。一炼钢一直致力于品种开发，生产优质钢坯，目前生产钢种已达近20 个系列 100 多个钢种，2015 年开发工业纯铁系列，其生产工艺流程如下：工业纯铁主要成分如表 1 所示：



2 工艺技术方案

鉴于工业纯铁严格的铸坯质量控制要求和可浇性差的特点，一炼钢主要从以下两个方面开展工作：一是要最大限度地降低钢中 S、P 夹杂及气体、夹杂，精炼后获得的“纯净”钢水在连铸过程中防止再污染，即控制二次氧化；二是获得结构致密，疏松、缩孔、偏析、表面质量在较好水平的连铸坯。

2.1 转炉冶炼

铁水条件要求 W（S）≤0.001%，W（P）≤0.150%，转炉重点 W（C）和 W（S）控制分别在 0.05%和0.03%以下。严格控制转炉下渣量，出钢过程采用滑板挡渣，减少渣层厚度。采用金属锰脱氧，减少合金中带入的 P，同时既可避免铝脱氧工艺带来的高熔点且不易排除的三氧化二铝，又可改善钢水的流动性，防止连铸中间包水口结瘤。采用包内合金化和 RH 成分微调相结合方式控制其化学成分（表 1）。

2.2 RH 精炼

转炉出钢吹氩 3min 后吊入 RH 炉,生产前进行流渣操作，中上部渣尽量流干净（避免回硫），到站氧含量 500-800ppm，真空处理时间≥18min，根据到站氧含量，在脱碳期间进行吹氧，并补入适当铝丸，确保脱碳结束钢水自由氧达到要求。

2.3 连铸工艺控制

一炼钢工业纯铁主要在 1、2#连铸机生产，铸机主要工艺参数见下表：



3 铸坯质量控制措施

3.1 钢水中自由氧控制

炼钢工艺超低碳钢工业纯铁铸坯皮下气泡的产生与钢中气体含量紧密相关，当碳、氧富集到一定程度时，超出钢中碳—氧平衡值，就会发生碳氧反应，生成 CO 气体；同时氮、氢富集到一定程度也会形成 N2、H2，随着凝固过程的进一步进行，这些气体逐步聚集，气体压强逐步增大，生成气体总压强增大。对于方坯超低碳钢而言，生成气体总压强主要为 CO 气体产生的压强：阻止气体产生的压强：P 阻=Patm+P 静 （2）式中 P 生： 为钢中生成气体总压强 Pa

当 P 生›P 阻:时就会产生宏观气泡，从而在铸坯上形成皮下气泡缺陷。

从公式 3 可以知道，钢液中的氧活度要稳定控制到小于 85ppm，才能够有效降低铸坯皮下气泡的产生几率，炼钢工艺在控制碳含量的同时耐腐材料选用无碳或者低碳材料，要严格控制钢中的氧含量，必须严格控制炼钢离站氧含量。在执行以上工艺的基础上，我厂对造成皮下气泡缺陷的中包钢水内自由氧含量进行了统计分析（见图 1）。



从图中可以看出，中包自由氧含量控制在 100ppm 时，可以保证铸坯不会产生严重皮下气泡。在 70ppm～100ppm 时，铸坯表面会形成少量气泡，从低倍酸蚀试样中可以看出，深度均小于 1.5mm。在 70ppm 以下时，铸坯表面形成皮下气泡缺陷概率最小。

3.2 中间包温度控制

中间包温度控制即钢水过热度控制，过热度过高不仅增大了拉漏的危险性，且使铸坯柱状晶发达，中心偏析和疏松、缩孔加重，影响了钢材性能。根据工业纯铁的液相线要求及现实条件，中间包过热度控制在 25-45℃。同时采用四孔整体水口，并于结晶器壁成 15°安装，其一，使钢流的热点上移，并使之旋转，加强与结晶器壁接触换热，进一步降低其过热度；其二，减轻直通水口中心区域温度过高的现象，降低柱状晶的搭桥机率。

3.3 保护浇铸

对工业纯铁来说，钢水二次氧化和外来夹杂的带入将严重影响铸坯内部质量。因此，生产前我厂要求大罐内残渣必须清烧干净，不得有多余的残渣，末次钢种[S]≤0.0080%且不得使用 C 类罐，防止大罐带入外来杂质。浇注过程中采用大包保护管，大罐下水口与保护管间采用纤维密封圈密封，保护管氩环配合吹氩保护，中包熔池全程保护吹氩，9 个中包孔内也分别接入氩管，中包烘烤结束后，开启氩气保护。特别是钢包开浇前期，要求中包测温前在 1-4 烘烤孔内各加入 20kg 无 C 覆盖剂（覆盖整个中包钢水液面），为防止中包渣结壳，加入适当的蛭石。中包钢水到结晶器采用整体浸入式水口（使用原材料见表 3）。



3.4 结晶器液位自动控制和电磁搅拌

结晶器液位波动对控制铸坯表面质量有直接的影响，根据实践，结晶器液面波动小，液渣能够均匀地流入到坯壳与结晶器铜板的间隙之间，起到很好的传热作用；而当液面波动大时，液渣不能均匀流入，造成传热不佳，使得坯壳厚度不均，导致缺陷发生，采用结晶器液位自动控制技术有效避免了以上问题。



同时为了优化铸坯表面质量，我厂在选用结晶器振动方式上也做了对比分析，最后选用了进口液压振动装置，高振频、低振幅以及合适的负滑脱时间的控制参数，使得铸坯表面振痕深度很小。为了控制铸坯内部质量，一炼钢采用 ABB 公司外装结晶器电磁搅拌（M-EMS），配用了合适的电搅参数。当未施加电磁搅拌时，随着凝固坯壳厚度的增加，铸坯的冷却速度会降低，则二次枝晶间距增加；当施加电磁搅拌时，电磁力的作用使铸坯中心钢水得到充分搅拌，降低钢水过热度，流动的钢水使枝晶尖端的溶质与温度分布更加均匀，使得二次枝晶间距减小，从而改善了内部质量。



3.5 拉速的控制

随着拉速的提高，铸坯在结晶器内停留的时间变短，铸坯出结晶器坯壳变薄，发生鼓肚危险随之增加。一炼钢在工业纯铁生产中，严格控制拉速，按典拉 1.7m/min 控制。



采用超强冷水表自动配水，有效避免了浇注过程中的铸坯鼓肚缺陷。但是快拉速和电磁搅拌的作用，加剧了水口渣线被钢流冲刷的作用导致水口渣线偏薄，如图 4 所示。3.6 生产实践证明，铸坯表面质量情况良好，振痕深度≤0.4mm，中心疏松及中心偏析等级≤1.0 级，铸坯表面皮下气泡良好。4 结论

4.1 生产实践证明，铸坯表面质量情况良好，振痕深度≤0.4mm，中心疏松及中心偏析等级≤1.0 级，铸坯表面皮下气泡良好。

4.2 生产过程中水口结瘤现象仍然存在，从钢水离站成分来看，AlS 偏高，水口结瘤较易发生，因此要提高电缆钢的可浇性，在钢水冶炼过程中也要控制好 AlS 与全氧的关系。

4.3 中包钢水自由氧超过 100ppm 时，铸坯表面会形成少量气泡，深度小于 1.5mm；小于 70ppm 时，铸坯表面形成皮下气泡缺陷概率最小。

4.4 生产工业纯铁连铸坯时，采用比水量为 0.76～0.89L/Kg 的超强冷水表自动配水工艺，配合结晶器液位自动控制和电磁搅拌技术，可以有效改善铸坯质量。

参考文献

[1]  连铸 900 问编辑委员会，连铸 900 问，北京：中国科学技术出版社，2010.

[2]  实用连铸冶金技术编辑委员会，实用连铸冶金技术，北京：冶金工业出版社，1998.

[3]  田燕翔，钢的结晶于连铸坯凝固控制新技术，《现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制》.

[4]  王坤等，上海金属，超低碳钢铸坯皮下气泡缺陷产生原因分析及控制措施，2015 年 3 月，第 19 期.

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