浸入式吹氬水口在Q195鋼種生產(chǎn)工藝的應(yīng)用研究

摘要本文研究了浸入式吹氬下水口的不同設(shè)計(jì)或工藝要求對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響，目前在連鑄小方坯浸入式下水口吹氬工藝設(shè)置上存在著一定的誤區(qū)，只將水口不堵塞作為吹氬工藝設(shè)置的最終目標(biāo)，而吹氬造成的結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)等情況只是以實(shí)際控制壓力作為參考依據(jù)，但吹氬量壓力、吹氬下水口的碗部設(shè)計(jì)均對(duì)吹氬效果產(chǎn)生明顯的影響，故在保證生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器吹氬氣量的優(yōu)化設(shè)置、吹氬下水口的碗部設(shè)計(jì)等改進(jìn)，可減少Q(mào)195鋼種生產(chǎn)鑄坯渣孔等缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)一步提升鑄坯質(zhì)量。

關(guān)鍵詞吹氬；浸入式水口；結(jié)晶器；小方坯；質(zhì)量

1背景現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著我國(guó)制造業(yè)的不斷發(fā)展，Q195鋼種的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，而用戶對(duì)Q195鋼性能的要求也在不斷提高，需要其具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和韌性。作為應(yīng)用廣泛的低碳鋼，Q195鋼中的非金屬夾雜物、氧氮含量、組織缺陷對(duì)鑄坯及最終產(chǎn)品性能的影響很大。為了進(jìn)一步提高鑄坯質(zhì)量，提高鋼水的純凈度，應(yīng)在鋼液進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)從各工序著手盡量減少對(duì)鋼液的污染，并最大限度地使夾雜物從鋼液中排出，減少鋼水二次氧化，因此本文對(duì)浸入式吹氬下水口進(jìn)行相關(guān)研究。

2研究過(guò)程

浸入式吹氬式水口是連鑄工藝中關(guān)鍵的功能耐火材料，承接中間包與結(jié)晶器之間的鋼水，保護(hù)鋼水不發(fā)生二次氧化，防止氮溶入或渣混入鋼水中影響鑄坯質(zhì)量，尤其是在澆鑄合金鋼、高碳鋼、含鋁鋼等對(duì)鋼水環(huán)境有著高要求的特種鋼時(shí)，上水口與下水口配合處密封，防止鋼水二次氧化尤為重要，故合理的浸入式吹氬下水口設(shè)計(jì)能很好地解決密封問題，從而滿足連鑄生產(chǎn)的工藝要求。圖1為兩種不同的浸入式吹氬下水口的設(shè)計(jì)方案效果，通過(guò)火焰檢測(cè)情況來(lái)驗(yàn)證下水口氬封的情況，從圖1（a）中可看出火焰能從下水口碗部周圍全部冒出，圖1（b）中火焰只從下水口碗部局部位置冒出，說(shuō)明氬氣從吹氬嘴接入后，下水口碗部周圍火焰能全部冒出，氬氣能對(duì)上水口與下水口全面實(shí)現(xiàn)氬封，起到鋼水隔絕空氣的作用，有效防止鋼水二次氧化。

從圖2（a）的設(shè)計(jì)來(lái)看，保護(hù)殼上設(shè)有吹氬嘴，保護(hù)殼與水口本體之間為氬氣室，吹氬嘴位于氬氣室處，氬氣室底部密封，水口本體頂部設(shè)有若干吹氬槽，吹氬槽和氬氣室連通，而水口本體頂部?jī)?nèi)圈處設(shè)有臺(tái)階，臺(tái)階外側(cè)設(shè)有坡面，同時(shí)臺(tái)階和內(nèi)翻邊存在間距，并且吹氬槽和水口本體外圓切線的夾角小于90 °，此種設(shè)計(jì)明顯優(yōu)于圖2（b），圖2（b）中吹氬下水口主要側(cè)重于保護(hù)殼，而保護(hù)殼各氬氣孔雖分布在保護(hù)殼上，但存在分布不均勻或局部無(wú)氬氣等問題，由此可見下水口碗部設(shè)計(jì)對(duì)于上水口與下水口的氬封起到重要作用，可有效防止鋼水二次氧化，提升鋼水質(zhì)量。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)浸入式吹氬水口吹入惰性氣體Ar后，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)特征進(jìn)行了研究，參考板坯在不同的拉速工藝參數(shù)下要防止液面劇烈波動(dòng)造成卷渣等現(xiàn)象的產(chǎn)生，存在對(duì)應(yīng)臨界吹氣量（q臨）。q臨近值與結(jié)晶器內(nèi)鋼液澆注流量Q成正比，將其回歸成一元方程為q臨＝0.0 841×Q－19.97（式中q臨和Q的單位為L(zhǎng)/min），但是在155 mm×155 mm的小方坯澆鑄中，實(shí)際澆鑄過(guò)程中該公式并不適用，相應(yīng)的臨界吹氣量應(yīng)當(dāng)是在無(wú)水口堵塞風(fēng)險(xiǎn)的情況下盡可能降低吹氬量，防止結(jié)晶器液面劇烈波動(dòng)造成卷渣影響，根據(jù)液面檢測(cè)數(shù)據(jù)要隨時(shí)調(diào)整吹氬流量，控制結(jié)晶器液面內(nèi)波動(dòng)在±5 mm內(nèi)，如果氬氣開啟壓力≥0.3 MPa，結(jié)晶器內(nèi)液面翻滾嚴(yán)重（見圖3），保護(hù)渣易卷入鋼水中，加劇了鋼水的二次氧化，對(duì)鑄坯表面質(zhì)量存在一定影響。

浸入式吹氬下水口吹入惰性氣體后，氬氣開啟壓力≥0.3 MPa，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣消耗量明顯升高，同等拉速下保護(hù)渣消耗量異常增大，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器保護(hù)渣未熔化，在鑄坯表面形成渣坑缺陷。通過(guò)對(duì)保護(hù)渣每分鐘加入量實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)在同等條件下吹氬狀態(tài)大比吹氬狀態(tài)小保護(hù)渣消耗量增長(zhǎng)約在30 g/min。

浸入式吹氬水口吹入的氬氣在注流的作用下形成氣泡，隨注流進(jìn)入結(jié)晶器，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)產(chǎn)生作用力，浸入式吹氬水口可有效降低水口堵塞的概率，同時(shí)有利于非金屬夾雜物上浮，減少鑄坯內(nèi)夾雜，但吸附夾雜物的氣泡在上浮過(guò)程中一旦被凝固鑄坯捕獲，也會(huì)惡化鑄坯質(zhì)量。隨著拉速的變化，吹氬量也在變化，一般拉速大吹氬流量也大，拉速低吹氬流量也隨之降低，高拉速下氣泡沖擊深度加劇，更易被鑄坯凝固捕獲，為此需驗(yàn)證氬氣處于結(jié)晶器液面翻滾±5 mm臨界狀態(tài)下鑄坯內(nèi)部的夾雜和氣孔缺陷（見表1、表2）。

選取全鋁含量偏高爐次，取下線鑄坯低倍，對(duì)比開啟氬氣大與開啟氬氣小兩者在＜3.5 m/min低拉速下的狀態(tài)，浸入式吹氬下水口開啟氬氣小的狀態(tài)明顯較開啟吹氬壓力≥0.3 MPa所取鑄坯低倍內(nèi)部非金屬夾雜缺陷等級(jí)低，在＞3.5 m/min拉速下，兩者非金屬夾雜缺陷等級(jí)均有所提高，且兩者差異不明顯（見圖4）。

高拉速條件下浸入式吹氬下水口吹氬所產(chǎn)生的氣泡因沖擊深度加大，氣泡和其所吸附的非金屬夾雜物極易被初生鑄坯捕獲，導(dǎo)致高拉速下鑄坯內(nèi)非金屬夾雜明顯升高，且鑄坯表面組織缺陷加劇。在高拉速條件下應(yīng)降低吹氬流量，減少鑄坯表面渣坑，以提高鑄坯表面質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，這些工藝參數(shù)應(yīng)相互匹配，使結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)達(dá)到理想狀態(tài)，依據(jù)澆注流量（結(jié)晶器過(guò)量）與拉速斷面的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以得出不同斷面、不同拉速情況下的臨界吹氣量。

3結(jié)論

（1）吹氬量的變化對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)方式有較大影響，不僅影響了結(jié)晶器內(nèi)鋼水的溫度，而且對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的夾雜物上浮、表面卷渣行為產(chǎn)生重要影響。

（2）吹氬下水口碗部的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)上水口與下水口之間的有效氬封。

（3）浸入式水口流股的沖擊深度和液面波動(dòng)直接決定結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，在塞棒和浸入式水口吹氬條件下，浸入式水口流股的沖擊深度和液面波動(dòng)受拉速、浸入式水口傾角和形狀、塞棒和浸入式水口吹氣量等因素的影響。

（4）通過(guò)減小拉速、吹氣量、浸入式水口向下傾角，可以降低卷渣的可能性，提升鑄坯表面質(zhì)量及減少鋼水二次氧化。

（5）在生產(chǎn)過(guò)程中，控制吹氬量使之小于臨界吹氬量是防止卷渣的有效手段。

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