含鈦焊絲ER70S-G可澆性研究

李 碩 孫玉霞 張虎成

(唐山鋼鐵集團)

含鈦焊絲ER70S-G可澆性研究

李 碩 孫玉霞 張虎成

(唐山鋼鐵集團)

通過對ER70S-G冶煉過程中上水口及浸入式水口結瘤物的分析發現：上水口的結瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3為主，浸入式水口的結瘤物以TiN為主。通過控制鋼液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低上水口結瘤中Ti2O3含量至10.2%～10.6%，緩解上水口結瘤現象。通過降低鋼液中氮含量至(30～40)×10-6范圍，同時控制中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，可以有效阻止TiN的析出，從而解決浸入式水口結瘤問題。

含鈦焊絲 可澆性 TiN

0 前言

ER70S-G是一種在國標ER50系列焊絲的基礎上添加適量鈦元素研發而成的CO2氣體保護焊絲。含有適量鈦元素的焊絲能夠有效固氮，提高焊縫金屬抗氮氣孔能力，優化焊縫成型性[1]，降低大電流焊接時的飛濺30%～45%，提高焊接自動化程度和焊接效率，因此此類焊絲在許多領域得到廣泛應用，市場需求量逐年增加。

為了滿足市場需求，多家鋼鐵企業都在開展此類焊絲的研發工作。鈦元素作為強還原性金屬，與氧、氮元素的結合能力強，容易在鋼中形成鈦氧、氮化物夾雜，并在澆鑄過程中造成水口結瘤，是導致鋼水可澆性差，拉速波動大的主要因素。因此分析含鈦焊絲澆鑄過程水口結瘤機理，對于改善鋼水可澆性具有重要意義。

1 含鈦焊絲生產工藝

唐鋼生產ER70S-G的工藝路線如下：鐵水預處理→轉爐→LF精煉→連鑄。

ER70S-G的典型化學成分見表1，為提高質量穩定性，S控制0.008%～0.020%。

表1 ER70S-G的化學成分

2 結瘤物與過程參數分析

采集ER70S-G LF精煉終點參數見表2。Ti含量控制在0.16%條件下，鋼中活度氧含量0.001 8%，氮含量0.005 7%。Ti元素的收得率為65.5%，本次冶煉中包溫度控制范圍1 552 ℃～1 565 ℃。

表2 ER70S-G的過程冶煉參數

本次冶煉的澆注過程發現，上水口及侵入式水口發生嚴重的堵塞現象，鋼水可澆行差。取堵塞上水口及侵入式水口樣發現，水口內壁聚集大量的結瘤物，其宏觀形貌如圖1所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

從圖1可以看出，上水口與浸入式水口的結瘤物都是由絮集物和冷鋼組成，分別對上水口與浸入式水口的絮集物成分進行分析，結果如圖2所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

對圖2中上水口及侵入式水口不同位置的結瘤物進行成分檢測，檢測所得的水口結瘤物化學成分見表3。

表3 水口結瘤物化學成分

由表3可知，上水口絮狀結瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3為主，其中Ti2O3含量30.5%～100.0%，結瘤的主要原因為鋼水中的夾雜物聚集；浸入式水口的絮狀結瘤物以TiN為主，結瘤的原因為鋼坯冷卻過程TiN析出。對以上結瘤物的形成分析如下所述：

1)由于鋼水氧含量0.001 8%，控制偏高，造成澆鑄過程中鈦、鋁元素的二次氧化，鈦、鋁的氧化物形成Al2O3- Ti2O3復合夾雜，Ti2O3的存在提高了Al2O3夾雜的潤濕性，夾雜物的上浮能力減弱，加劇了Al2O3- Ti2O3復合夾雜在上水口內壁的粘結機率，造成上水口結瘤，可澆性下降。

2)Al2O3- Ti2O3復合夾雜的數量隨著Ti2O3的量的增加而增加[2]，本澆次w([Ti])/w([Al])為29.1，較高的w([Ti])/w([Al])導致Ti2O3的大量生成，加劇了水口結瘤的形成。

3)本澆次澆鑄過程中，中包溫度降低至1 552 ℃ 時，鋼水從浸入式水口與上水口結合處溢出。取浸入式水口樣進行分析(如圖2(b)所示)，浸入式水口于外界接觸面積大，散熱較快，鋼水流經浸入式水口時，溫度顯著降低。當鋼液溫度低于1 540 ℃時[3]，TiN開始析出。析出的TiN呈網狀吸附在浸入式水口內壁，造成浸入式水口內徑降低，鋼水通過上水口的量超出浸入式水口的通過能力，鋼水從浸入式水口與上水口結合處溢出，俗稱“溢鋼”。因此合理控制中包過熱度，避免TiN析出是防止浸入式水口結瘤，提高鑄坯表面質量的有效途徑。

4)TiN析出的反應方程式如下：

[N]+[Ti]=TiN(s)

lgK =17040/T-6.4

(1)

其中反應平衡常數K的計算公式如下：

(2)

式中：α[TiN]、α[Ti]、α[N]——鋼中TiN、Ti、N的活度；fTi、fN——Ti、N的活度系數； [Ti]、[N]——Ti、N的質量百分數，%。

由公式(1)、(2)可知，當[N/%]提高時，反應向正向進行，TiN析出量增加，本次冶煉控制鋼中氮含量[N]=57×10-6，由公式(1)可知，隨著鋼中氮含量[N]的升高TiN的析出反應加劇。

因此，在鈦含量不變條件下，降低鋼水中[N]含量是限制TiN結瘤的有效措施。

3 工藝優化與優化效果

3.1 氧含量控制

鋼中活度氧是造成二次氧化，導致鋼中夾雜物上升，水口結瘤的重要因素。LF精煉過程中，通過強化脫氧、深造還原渣有效降低鋼中活度氧至10×10-6以下。鈦元素的收得率由65.5%提高至73.1%，同時降低了Ti2O3、Al2O3等非金屬夾雜的生成。

3.2 合理控制w([Ti])/w([Al])

為了控制鋼中的w([Ti])/w([Al])，對冶煉進行工藝優化。保持w([Ti])含量不變的情況下，通過提高含鋁原料的加入量。工藝優化后上水口結瘤明顯改善，在連澆爐次三爐以后上水口有輕微結瘤現象。對結瘤物進行掃面電鏡分析，結果如圖3所示。

對圖3掃描電鏡圖中的標記點進行成分分析，結果見表4。

(a) 上水口

(b) 浸入式水口

圖3 工藝優化后水口結瘤物微觀形貌

由表4可知，工藝優化后結瘤物類型為Al2O3-Ti2O3-MgO，結瘤物成分中Ti2O3含量降低至10.2%～10.6%，降低了夾雜物的潤濕性[4]和上水口內側的粘附機率，顯著改善了鋼液可澆性。

3.3 防止TiN析出

為了防止TiN的析出采取了以下兩項措施：

(1)提高中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，提高浸入式水口內鋼水溫度，降低TiN析出機率。

(2)實施全程控氮措施，降低鋼液氮含量至30×10-6～40×10-6范圍內，降低TiN的析出。工藝優化后，浸入式水口結瘤問題得到解決。

4 結論

(1)通過降低鋼液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低鋼中鈦、鋁元素的二次氧化。上水口結瘤問題的到顯著改善，結瘤物中Ti2O3含量由30.5%～100.0%降低至10.2%～10.6%，同時鈦元素的收得率由65.5%提升至73.1%。

(2)通過降低鋼液中氮含量至(30～40)×10-6范圍，同時控制中包過熱度至40 ℃～55 ℃范圍內(ER70S-G液相線溫度1 518 ℃)，可以有效解決浸入式水口結瘤問題。

[1]SiZhong-yao,WangZhao-qing,LiuPeng,etal.EffectsofBandTionthetoughnessofHSLASteelweldmetals[J].JournalofMaterialsScienceTechnology, 1992, 8(4):294.

[2]SomnathBASU,ShivKumarCHOUDHARY,NarendraU.GIRASE.NozzleCloggingBehaviourofTi-bearingAl-killedUltraLowCarbonSteel[J].ISIJInternation, 2001, 44(10):1653-1660.

[3] 楊詠階. 控制ER70S-G含鈦焊絲鋼TiN析出和防止水口結瘤的工藝實踐[J].特殊鋼, 2015,36(6) :13-15.

[4] 鄧敘燕，馬建超，趙偉杰. 高鈦焊絲用鋼的鋼液可澆性改善[J].鋼鐵,2015,50(2):32-37.

《河南冶金》征稿啟事

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THE CAST-ABILITY STUDY ON TI-BEARING STEEL OF ER70S-G

Li Shuo Sun Yuxia Zhang Hucheng

(Long products department of Tangshan Group Co., Ltd)

The clogs of nozzle in ER70S-G smelting process are analyzed . The main clogs of upper nozzle are Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3and the main clogs of submerged entry nozzle are TiN. It can effectively reduce the Ti2O3 content in the upper nozzle to 10.2%～10.6% with reducing the oxygen content in the steel less than 10×10-6and controlling w ([Ti]) /w ([Al]) between 17 and 22 , the clogging phenomenon of upper nozzle have been relieve. By reducing the nitrogen content of the steel to the range of 30×10-6～40×10-6and controlling superheat to within the range of 40 ℃～55 ℃ (the ER70S-G liquidus temperature is 1 518 ℃) can effectively prevent the precipitation of TiN, so as to solve the problem of clogging of submerged entry nozzle.

Titanium containing welding cast-ability TiN

霞，工程師，河北.唐山(063000)，唐山鋼鐵集團長材部；

2017—2—15