连铸坯中气泡产生原因分析及判断方法

连铸坯中气泡产生原因分析及判断方法

肖寄光1,2　王福明1

(1北京科技大学;2韶关钢铁公司)

摘　要　本文对连铸坯气泡的成因及特性进行了分析,并提出了识别气泡类型及改善和解决气泡问题的方法。

关键词　连铸坯　气泡　氩气保护

Analysis of Causes and Judging Method of Pinhole Formation in Continuously Cast Slab(Billet)

Xiao Jiguang1,2and Wang Fuming1

(1Beijing U niv er sity o f Science and T echnolog y;2Shaog uan Iro n and Steel Co mpany)

Abstract　T his paper analyzes t he o ccur ring causes and features for pinho les in continuously ca st slab (billet)and pust for w ard the m ethods fo r classifica tio n of pinhole and measur es for so lv ing the pinhole pr oblem.

Keywords Continuously cast slab(billet),Pinho le,A rg on g as pr otection

1　前言

在钢的连铸过程中,不论是连铸“准沸腾钢”还是连铸高纯净度的镇静钢,国内外许多钢厂都遇到过连铸坯中的气泡问题,并且采取了相应的改进措施。有关连铸坯中气泡问题的科技文献,国内主要是侧重于连铸低硅低碳拉丝材等“准沸腾钢”[1,2],高品质钢连铸坯中的气泡问题的研究主要见诸国外文献[3,4,5,6],国内文献[7]不多。

韶钢2号板坯连铸机于2003年5月投产,至2004年10月,所生产的Q235、Q345、45、50、船板等钢号都出现了一些气泡废品。为此,本文根据前人的理论、经验以及韶钢的生产实践,对连铸坯气泡的表现形式及产生的原因进行了分析,推断连铸坯气泡的成因,并采取了相应的改进措施,达到了改善气泡问题的目的。

2　气泡产生的原因及表现特性分析

根据炼钢理论及前人的经验,连铸过程产生气泡(包括针孔)的主要原因有3类——脱氧不良、外来气体(空气、保护性气体)、水蒸气(来自潮湿的添加料和耐火材料等)。2.1　脱氧不良

2.1.1　CO气泡产生机理

脱氧不良时,产生的气泡为CO气泡。文献[8]表明,在1500℃左右,钢液中与[O]优先发生反应的元素排列顺序为:Ca,Ba,Re,Al,Si,C,V, M n,Fe,P,Cu,其中的Si,在1500℃附近,跟[O]反应的优先顺序与C相当,即[O]会与[C]、[Si]同时发生反应。当钢中存在[O]时,发生碳氧反应的必要条件之一是,在一定温度下,排在[C]元素之前的强脱氧剂[M]与[O]反应达到平衡时的[O]浓度高于[C]与[O]反应达到平衡时的[O]浓度。

钢中碳氧反应[2]:

[C]+[O]=CO

$rG0=-22186-38.386T(J/m ol)(1)

则:

lnK=ln{(P CO/P0)/(a[C]a[O])}

=2668.5/T+4.617

因此:

a[C]a[O]=P CO/P0EXP[-268.5/T-4.617]

(2)

假设CO分压为一个标准大气压,无其它气

・

32

・　第12卷第2期

2006年4月　

宽厚板

WID E A N D HEA V Y P L AT E

　Vo l.12.N o.2　

A pril　2006　

体,P CO/P0=1,

令T=1500+273=1773K

则a[C]a[O]=0.002194(3)

设活度系数f C=f O=1,当w[C]%=0.06(低碳拉丝用钢的碳含量)和0.46(45号优质碳素钢的碳含量)时,由式(3)计算得到:

w[O]%=0.03657和0.004770(4)

这是在以上假设条件下,与[C]平衡的[O]值。

当钢中存在酸溶铝时:

2[Al]+3[O]=Al2O3(s)

$rG0=-1202070+386.28T(J/mol)(5)

则:

lnK=ln{1/(a[A l]2a[O]3)}

=144584/T-46.46

因此:

a[Al]2a[O]3=exp[-144584/T+46.46](6)

令[Al]、[O]的活度系数均为1,

T=1500+273=1773K

令w[Al]%=0.010和0.003,

计算得到:

w[O]%=0.00004和0.04(7)

这是在以上假设条件下与[Al]平衡的[O]值。

由(4)、(7)可知,当钢液中[Al]含量为0.010%时,不论[C]为0.06%或0.46%,钢中的[O]都是先与[Al]反应,也就是说,钢中氧由脱氧元素[Al]控制,不会发生碳氧反应;当钢液中[Al]含量为0.003%及以下,而且钢中不存在[Ca]、[Re]等其他强脱氧元素,或其含量太低,不足以控制钢中[O]时,钢中的[O]都是由[C]控制,首先发生碳氧反应,钢中C含量越高,越容易发生碳氧反应。

韶钢4个钢号的典型化学成分,如表1所示。

表1　韶钢4个钢号的成品钢板化学成分/%

钢号Al C Ca Cu H M g M n N O S S i Q235B0.0100.14痕量0.050.0002痕量0.300.0350.00500.0200.20 Q345B0.0150.16痕量0.050.0002痕量0.300.0400.00400.0100.30 450.0100.46痕量0.050.0002痕量0.300.0400.00400.0100.30 SL-050.0020.06痕量0.050.0002痕量0.300.0400.02000.0100.05

由表1可知,由于前面3个钢号的铝元素含量都在0.010%以上,因此,钢中的[O]由[Al]控制,不会发生碳氧反应;而第4个钢号SL-05,铝元素含量低于0.003%,钢中的[O]由[C]控制,发生碳氧反应。

以上的计算方式,是假设有关元素的活度系数为1,更精确的活度系数,可利用钢液中相关元素的活度相互作用系数e i j及各钢种的化学成分进行计算[9]:

lgf C=6e j C w[j](8)

lgf O=6e j O w[j]%(9)

计算结果如表2所示。

表2　韶钢典型钢种的C、O活度及活度积

钢种f C[C]a[C]f O[O]a[O]a[C]a[O] Q235B 1.0380.140.1450.8710.00500.00440.00063 Q345B 1.0540.160.1690.8390.00400.00340.00068 45 1.0990.460.5060.7470.00400.00300.00152 SL-05 1.0080.060.06050.9510.02000.01900.00115

以上所计算的碳氧反应发生的条件,是以钢中CO分压为1个标准大气压为前提,碳氧反应发生的位置,相当于靠近钢水表面的钢液中的CO 气泡与钢液的界面处。实际上,钢坯中CO气泡的出现,经历了如下过程[2]:

1)树枝晶间的浓缩相(较大的碳氧浓度积)中

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　第2期肖寄光等:连铸坯中气泡产生原因分析及判断方法