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缺陷的主要缺陷之一。針對此缺陷開發中間包塞棒吹氮氬混合氣體技術，開展了浸入式水口中鋼水吸氮過程理論計算，開發了塞棒吹氮氬混合氣體裝置，并在現場開展工業試驗。現場工業試驗達到預期效果，鑄坯夾雜物密度和鋼質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，鋼質降級率由對比流的3.01% 降低至試驗流的1.52 %。

關鍵詞：連鑄；中間包；塞棒；浸入式水口；吹氮氬混合氣體

1  背景

氣泡性缺陷是汽車板鋼質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晶器內氬氣量，但是減少吹氬量又會引起塞棒頭和浸入式水口內部的堵塞，影響澆鑄順行和鑄坯質量。

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，開發氮氬混合氣體技術，用一部分的氮氣替代氬氣從塞棒吹入，氮氣吹入鋼水后大部分在浸入式水口中被鋼水吸收，因此，在浸入式水口里面有大量氮氣泡，但是在結晶器里氮氣泡顯著減少，既能有效防止塞棒和水口堵塞，又能防止過多氣泡進入結晶器產生的弊端，但缺點是吹氮氬混合氣體會引起鋼水的增氮。

本文主要介紹塞棒吹氮氬混合氣體技術，理論計算浸入式水口中鋼水吸氮過程的增氮量，開發塞棒吹氮氬混合氣體裝置，介紹現場開展工業試驗的效果。

2  鋼水吸氮過程理論計算

塞棒吹氮氬混合氣體，按鋼液吸氮速率理論，鋼水吸氮過程分為氮氣向鋼水表面的吸附、離解和向鋼水中溶解的過程^[1]，即：

(1 ) 氣泡中氮氣（N₂) 由氣泡內部向氣泡一鋼液表面的傳質；

( 2 ) 在氣泡一金屬界面上的吸附化學反應，N₂ = 2 [N] ;

(3) [N ]在鋼液側邊界層中的傳質。

氮氣由塞棒吹入鋼水中，由于氣泡很?。ㄆ骄睆綖? mm) ，吹入的氮氣從氣泡內部向鋼液表面的傳質速度比界面反應速度要快得多，即認為步驟（1 )速度很快，不會成為吸氮過程的限制性環節，吹氮速率主要由[N ]在鋼液側邊界層的傳質和界面上的化學反應混合控制。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，所以塞棒吹氮氣條件下，吸氮的速率主要由界面傳質控制。[N]在鋼液側邊界層的傳質速度以公式（1)表示：

式中 :K_n為傳質系數 ;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量分數;w_[N]為某個時刻鋼水中氮的質量分數。

以寶鋼某連鑄機工況為例，斷面為 1500mmx 250 mm，通鋼量為 3t/min，塞棒吹氮氣量為 5 — 10 L/min。假設氣泡的直徑為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，則氣一液的反應總表面積計算公式為：

式中：Q為吹入氮氣量 ;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% ，傳質系數K_n取 10^-4 m/ s，代入計算公式 ( 1 )，得到吸氮速率計算結果見表 1，同時計算不同吹氮氣流量下，完全被鋼水吸收時計算得鋼水 的增氮量見表1。

由理論計算結果可知，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，吹入的氮氣泡要在 1 s 中之內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入結晶器。因此，氮氣在通過浸入式水口時被鋼水吸收的量和氮氣完全吸收鋼水的量的比值為氮氣通過浸入式水口時被鋼水的吸收率 ，理論計算氮氣在浸入式水口中被鋼水吸收率為 6 7 % 。例如塞棒吹5 L/min氮氣完全被鋼水吸收條件下鋼水增氮為2. 08 x 10^-4% ，鋼水吸氮速率理論計算值為 1.40 x 10^-4% ，所以氮氣在浸入式水口中被鋼水吸收率為67 % ，有 33% 的氮氣泡進入結晶器。

3 吹氮氬混合氣體工業試驗和結果分析

3 . 1 現場試驗裝置

前期開展吹氮氬氣混合氣體技術的理論研究表明，吹氮氬混合氣體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，從而顯著減少進入結晶器內氣泡數量。開發制作吹氮氬混合氣體試驗裝置，吹氮氬混合氣體裝置入口由兩個控制氣體流量的回路組成 ，分別是氮氣流量控制回路和氬氣流量控制回路 ，兩路氣體通過混流器將兩個管道的氮氣和氬氣混合在一起，并通過出口管路輸出到塞棒頭。圖 1 為吹氮氬混合氣體系統，圖 2 為現場吹氮氬混合氣體裝置。吹氮氬混合氣體裝置按照現場操作工藝開展工業試驗。

3 . 2 現場試驗條件

在寶鋼連鑄機澆鑄超低碳鋼時開展現場工業對比試驗，試驗流條件為塞棒吹氮氣R 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降級率。

3 . 3 試驗結果和分析

現場對比試驗分析結果表明，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%，與理論計算結果相符。

鑄坯夾雜物密度和鋼質降級率對比試驗結果見表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% ，鋼質降級率由對比流的 3. 01% 降低至試驗流的1.52% ，現場試驗效果顯著。

試驗流較對比流鑄坯增氮2 x 10 ^-4% ，對生產過程沒有造成負面影響。塞棒吹氮氬混合氣體可以減少氬氣的吹入量，而吹入的氮氣在浸入式水口中大部分就已經溶解在鋼水中，不易在結晶器鋼水中形成氣泡性缺陷，鑄坯的夾雜物密度和鋼質降級率均有顯著降低。

4 結論

(1 ) 經理論計算，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，塞棒吹入的氮氣 67 % 在浸入式水口中就被鋼水所吸收，只有33 % 的氮氣泡進入結晶器。

(2 ) 開發塞棒吹氮氬混合氣體裝置和工藝技術 ，并成功在現場開展工業試驗。

( 3 ) 試驗流較對比流鑄坯增氮 2x10 ^-4% ，對生產過程沒有造成負面影響。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，鋼質降級率由對比流的3.0 1 % 降低至試驗流的 1. 52 %。

參考文獻

[ 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.