范正潔¹，胡署名²，職建軍²

(寶山鋼鐵股份有限公司1.中央研究院，上 海 201999& 2.煉鋼廠，上 海 200941)

摘要：氣泡性缺陷是汽車板鋼質(zhì)缺陷的主要缺陷之一。針對此缺陷開發(fā)中間包塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w技術(shù)，開展了浸入式水口中鋼水吸氮過程理論計算，開發(fā)了塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置，并在現(xiàn)場開展工業(yè)試驗。現(xiàn)場工業(yè)試驗達(dá)到預(yù)期效果，鑄坯夾雜物密度和鋼質(zhì)降級率得到顯著降低，鑄坯夾雜物密度由對比流的12.37 個/mm² 降低至試驗流的8.58個/mm²，鋼質(zhì)降級率由對比流的3.01% 降低至試驗流的1.52 %。

關(guān)鍵詞：連鑄；中間包；塞棒；浸入式水口；吹氮?dú)寤旌蠚怏w

1  背景

氣泡性缺陷是汽車板鋼質(zhì)缺陷的主要缺陷之一。塞棒吹入的氬氣泡是形成氣泡性缺陷的主要原因，要減少氣泡性缺陷最有效的方式之一是減少吹入結(jié)晶器內(nèi)氬氣量，但是減少吹氬量又會引起塞棒頭和浸入式水口內(nèi)部的堵塞，影響澆鑄順行和鑄坯質(zhì)量。

既要減少吹氬量解決鑄坯氣泡性缺陷，又要防止塞棒頭和浸入式水口堵塞，為此，開發(fā)氮?dú)寤旌蠚怏w技術(shù)，用一部分的氮?dú)馓娲鷼鍤鈴娜舸等?，氮?dú)獯等脘撍蟠蟛糠衷诮胧剿谥斜讳撍?，因此，在浸入式水口里面有大量氮?dú)馀?，但是在結(jié)晶器里氮?dú)馀蒿@著減少，既能有效防止塞棒和水口堵塞，又能防止過多氣泡進(jìn)入結(jié)晶器產(chǎn)生的弊端，但缺點(diǎn)是吹氮?dú)寤旌蠚怏w會引起鋼水的增氮。

本文主要介紹塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w技術(shù)，理論計算浸入式水口中鋼水吸氮過程的增氮量，開發(fā)塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置，介紹現(xiàn)場開展工業(yè)試驗的效果。

2  鋼水吸氮過程理論計算

塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w，按鋼液吸氮速率理論，鋼水吸氮過程分為氮?dú)庀蜾撍砻娴奈?、離解和向鋼水中溶解的過程^[1]，即：

(1 ) 氣泡中氮?dú)猓∟₂) 由氣泡內(nèi)部向氣泡一鋼液表面的傳質(zhì)；

( 2 ) 在氣泡一金屬界面上的吸附化學(xué)反應(yīng)，N₂ = 2 [N] ;

(3) [N ]在鋼液側(cè)邊界層中的傳質(zhì)。

氮?dú)庥扇舸等脘撍?，由于氣泡很?。ㄆ骄睆綖? mm) ，吹入的氮?dú)鈴臍馀輧?nèi)部向鋼液表面的傳質(zhì)速度比界面反應(yīng)速度要快得多，即認(rèn)為步驟（1 )速度很快，不會成為吸氮過程的限制性環(huán)節(jié)，吹氮速率主要由[N ]在鋼液側(cè)邊界層的傳質(zhì)和界面上的化學(xué)反應(yīng)混合控制。又因為IF 鋼成分體系 w_[O] % 25 x 10^-4，w_[S] % 6 x 10^-4% ，w_[N] % 30 x 10^-4% ，屬于低氧位低硫位成分條件，所以塞棒吹氮?dú)鈼l件下，吸氮的速率主要由界面?zhèn)髻|(zhì)控制。[N]在鋼液側(cè)邊界層的傳質(zhì)速度以公式（1)表示：

式中 :K_n為傳質(zhì)系數(shù) ;A為氣一液界面面積；V為鋼水體積;w_[N]e為氣液相平衡時鋼水中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù);w_[N]為某個時刻鋼水中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

以寶鋼某連鑄機(jī)工況為例，斷面為 1500mmx 250 mm，通鋼量為 3t/min，塞棒吹氮?dú)饬繛?5 — 10 L/min。假設(shè)氣泡的直徑為0 . 002 m，每個氣泡的體積為 4. 18 x 10^-9m³,每個氣泡的表面積為1.25 x 10 ^-5m²，則氣一液的反應(yīng)總表面積計算公式為：

式中：Q為吹入氮?dú)饬?;A_氣泡為單個氣泡的表面積;V_氣泡 為單個氣泡的體積。

取 1600℃時鋼水中的氮飽和溶解度為0. 040% ，傳質(zhì)系數(shù)K_n取 10^-4 m/ s，代入計算公式 ( 1 )，得到吸氮速率計算結(jié)果見表 1，同時計算不同吹氮?dú)饬髁肯拢耆讳撍諘r計算得鋼水 的增氮量見表1。

由理論計算結(jié)果可知，隨著塞棒吹氮量的增加 ，鋼水的增氮量和鋼水的吸氮速率都隨之增加。水模擬試驗結(jié)果得到鋼水在浸入式水口入口速度一般為 1 m/s，塞棒吹氣點(diǎn)距離浸入式水口出口距離為1 m，吹入的氣泡和鋼水流速一致，所以，吹入的氮?dú)馀菀?1 s 中之內(nèi)溶解到鋼水中才能保證氣泡在出浸入式水口之前完全溶解到鋼水中而不進(jìn)入結(jié)晶器。因此，氮?dú)庠谕ㄟ^浸入式水口時被鋼水吸收的量和氮?dú)馔耆珍撍牧康谋戎禐榈獨(dú)馔ㄟ^浸入式水口時被鋼水的吸收率 ，理論計算氮?dú)庠诮胧剿谥斜讳撍章蕿?6 7 % 。例如塞棒吹5 L/min氮?dú)馔耆讳撍諚l件下鋼水增氮為2. 08 x 10^-4% ，鋼水吸氮速率理論計算值為 1.40 x 10^-4% ，所以氮?dú)庠诮胧剿谥斜讳撍章蕿?7 % ，有 33% 的氮?dú)馀葸M(jìn)入結(jié)晶器。

3 吹氮?dú)寤旌蠚怏w工業(yè)試驗和結(jié)果分析

3 . 1 現(xiàn)場試驗裝置

前期開展吹氮?dú)鍤饣旌蠚怏w技術(shù)的理論研究表明，吹氮?dú)寤旌蠚怏w可以在浸入式水口中形成氣泡，防止水口堵塞，氣泡在浸入式水口中逐步溶解到鋼水中，從而顯著減少進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)氣泡數(shù)量。開發(fā)制作吹氮?dú)寤旌蠚怏w試驗裝置，吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置入口由兩個控制氣體流量的回路組成 ，分別是氮?dú)饬髁靠刂苹芈泛蜌鍤饬髁靠刂苹芈?，兩路氣體通過混流器將兩個管道的氮?dú)夂蜌鍤饣旌显谝黄?，并通過出口管路輸出到塞棒頭。圖 1 為吹氮?dú)寤旌蠚怏w系統(tǒng)，圖 2 為現(xiàn)場吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置。吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置按照現(xiàn)場操作工藝開展工業(yè)試驗。

3 . 2 現(xiàn)場試驗條件

在寶鋼連鑄機(jī)澆鑄超低碳鋼時開展現(xiàn)場工業(yè)對比試驗，試驗流條件為塞棒吹氮?dú)釸 L/min +氬氣 7 L/m i n 的混合氣體，對比流條件為塞棒吹10 L /min氬氣 ，分別取兩流的中間包提桶樣和鑄坯樣，分析兩流鑄坯增氮情況，并對比兩流夾雜物密度和兩流鋼質(zhì)降級率。

3 . 3 試驗結(jié)果和分析

現(xiàn)場對比試驗分析結(jié)果表明，中間包提桶樣氮含量試驗流和對比流均為13 x 10^-4%，中間包內(nèi)未見增氮。試驗流板坯氮含量為 15x10 ^-4% ，對比流板坯氮含量為 13 x 10^-4% ，試驗流相比對比 流板坯增氮為2 x 10 ^-4%，與理論計算結(jié)果相符。

鑄坯夾雜物密度和鋼質(zhì)降級率對比試驗結(jié)果見表2 。由表2 可知，鑄坯夾雜物密度由對比流的 12. 3 7個/ mm² 降低至試驗流的8 . 58 個/ mm ²，鑄坯夾雜物面積占掃描總面積百分比由對比流的0 . 027% 降低至試驗流的0 . 0 14% ，鋼質(zhì)降級率由對比流的 3. 01% 降低至試驗流的1.52% ，現(xiàn)場試驗效果顯著。

試驗流較對比流鑄坯增氮2 x 10 ^-4% ，對生產(chǎn)過程沒有造成負(fù)面影響。塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w可以減少氬氣的吹入量，而吹入的氮?dú)庠诮胧剿谥写蟛糠志鸵呀?jīng)溶解在鋼水中，不易在結(jié)晶器鋼水中形成氣泡性缺陷，鑄坯的夾雜物密度和鋼質(zhì)降級率均有顯著降低。

4 結(jié)論

(1 ) 經(jīng)理論計算，隨著塞棒吹氮量的增加，鋼水的增氮量和吸氮速率都隨之增加，塞棒吹入的氮?dú)?67 % 在浸入式水口中就被鋼水所吸收，只有33 % 的氮?dú)馀葸M(jìn)入結(jié)晶器。

(2 ) 開發(fā)塞棒吹氮?dú)寤旌蠚怏w裝置和工藝技術(shù) ，并成功在現(xiàn)場開展工業(yè)試驗。

( 3 ) 試驗流較對比流鑄坯增氮 2x10 ^-4% ，對生產(chǎn)過程沒有造成負(fù)面影響。鑄坯夾雜物密度由對比流的12. 3 7個/mm² 降低至試驗流的8. 58個/mm ²，鋼質(zhì)降級率由對比流的3.0 1 % 降低至試驗流的 1. 52 %。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 姜周華，陳兆平,黃宗澤.不鎊鋼冶煉及凝固過程氮的控制[J ].鋼鐵，2005,40(3):32.