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304不锈钢厂家无锡中兴溢德今天和大家分享的是304不锈钢中的氢对连铸的影响及预防措施。
304不锈钢中的氢对连铸的影响及预防措施
黄海华
（浦项（张家港）不锈钢股份有限公司 江苏省 张家港市）
摘 要：采用针对结晶器传热的现象及摩擦力变化对304不锈钢连铸生产过程进行分析，钢中氢的含量是影响结晶器传热的主要因素。相同的冶炼工艺生产出来的钢水中氢含量也不一致，当304不锈钢中氢超过氢点（7.5×10-4%）就会影响结晶器的传热；一旦氢含量超过1.0×10-3%时，结晶器传热急剧减弱，会出现漏钢事故。根据计算结果得知，304钢液中氢的饱和溶解度为2.7×10-3%，在固态钢中的溶解度范围为2×10-4%~7×10-4%。依据在固液态状态下304不锈钢氢的溶解度不同，在钢水凝固过程中，氢由钢液析出进入保护渣，由于氢的大量存在，改变了保护渣的传热性能，进而影响了结晶器的传热。控制304不锈钢中氢的含量是连铸生产稳定的保障。
关键词：连铸；304不锈钢；氢含量
1前言
氢在钢液中会逐渐恶化结晶器内保护渣中液渣层的粘度、导热系数等理化性能,轻者将引起坯壳与结晶器铜板的粘结,重者将发生粘结性漏钢事故,通过分析不锈钢生产过程中的现象，明确不锈钢中氢的含量对连铸生产过程产生影响，通过分析氢含量对结晶器传热影响规律，将有助于更快更准确的分析连铸生产过程中产生的异常状况，并采取有效措施，确保不锈钢连铸生产的稳定。
2粘结产生的机理
结晶器内坯壳与结晶器之间产生的摩擦力必须要克服结晶器内坯壳在该点受到的拉坯力,如果该点摩擦力大于拉坯应力时，该点就会发生粘结现象[图1]。在连铸生产过程中由于浇铸速度、T/D内钢水的温度、结晶器的传热及振动参数等条件的影响, 一旦结晶器内局部摩擦力大于拉坯力时,坯壳容易被撕裂,钢液钻出坯壳撕裂处同时穿过渣膜，会直接粘在结晶器铜板上,从而就会产生粘结。
图1 粘结漏钢时各工艺参数曲线图
图2 正常浇注过程中各工艺参数曲线图
3结晶器传热的异常现象
3.1 结晶器传热异常
304不锈钢的生产工艺路线如下：电炉→AOD炉→LT（或者LF炉）→连铸。在生产过程中，保持生产工艺参数不变，但连铸生产过程中有时会出现热通量明显下降趋势，甚至严重时会出现漏钢现象。
根据VIA系统曲线可知，异常出现时，结晶器△T温度突然明显下降，从7℃下降至5℃以下；摩擦力逐渐减小，从100kN/m2降至约40kN/m2；热通量逐渐减小，从1.4MW/m2降至1.0MW/m2以下；整个过程时间较短不足20min。明显在这段时间内，结晶器内的传热发生了显著的变化。问题出现时结晶器液位未发生明显变化，因此不易被发觉，很难及时处理，会进一步可能发生连铸漏钢的严重事故。当结晶器的摩擦力和△T降低时，结晶器内的传热将明显受到了影响。
3.2结晶器传热影响因素
3.2.1 结晶器参数的影响
在结晶器的传热过程中，影响最大的因素是气隙，在连铸生产过程中影响气隙变化的主要来自于铸坯在结晶器内冷却的影响，在生产过程中由于铸坯与渣膜，渣膜与铜板表面摩擦，铜板随着通钢量的增加逐渐磨损，锥度也逐渐变小，通过阶段性调整可以化解铜板磨损引起的锥度变化，结晶器铜板磨损对传热的影响是在长期使用过程中逐渐形成的，并不会在短时间内引发传热发生较大的变化，而结晶器其他参数在连铸生产过程中基本无变化或变化缓慢，因此反映的VIA系统曲线监测的异常情况应该是其他的原因。
3.2.2 保护渣的影响
连铸使用的保护渣都是同一厂家同一型号的保护渣，其传热效率不会有明显的差别。保护渣使用自动喂料机进行喂料，布料均匀，充分保证液态渣均匀地流入到坯壳和结晶器之间的气隙中，确保结晶器的传热。结晶器传热异常的炉次与正常的炉次做了对比，连铸生产过程中使用的保护渣为同型号同批次，成分及性能无差异，保护渣通过烘烤器进行烘烤，水分在标准范围之内，所以连铸生产过程中出现的结晶器热量传输异常，保护渣的影响因素可以排除。
3.2.3 钢液成分的影响
在连铸生产过程中，连铸技术工艺参数不变，由此结晶器传热的影响也可排除拉速、冷却水量、浇铸温度、结晶器液面等因素。拆解发生漏钢的结晶器后未发现影响传热的重要因素之一——结垢。因此钢液成分成为影响传热的主要因素。针对漏钢的炉次、热通量明显下降的炉次与正常炉次对应的铸坯成分进行统计分析发现，除H含量外其他成分都无太大差别，其H含量分析结果如图3所示。由图3可知，正常炉次的氢含量在(4~7)×10-4%之间，热通量明显下降炉次的氢含量在(7.5~10)×10-4%之间，漏钢炉次的铸坯上的氢含量最高,氢含量在1.0×10-3%以上。304不锈钢中氢含量超过氢点时，结晶器传热将会受到影响；304不锈钢钢水中氢含量超过1.0×10-3%时，极有可能发生漏钢事故。浦项（张家港）不锈钢股份有限公司制钢工厂针对钢液中氢含量对连铸传热的影响[1]，利用统计方法分析了有关结晶器导热的相对重要的几个基本过程参数。分析结果发现，在钢种和保护渣一定的情况下，拉速和钢液氢含量是影响连铸结晶器传热最显著的两个因素；同时将几个成分差异较大的钢种进行分析后，都显示钢液中氢含量与结晶器导热量间有很好的相关性。
图3 正常H含量
图4 平衡H含量（传热稍微异常）
图5 H含量严重超标（漏钢）
4氢的影响
4.1不锈钢钢液中氢对保护渣的影响
结晶器内传热：钢水→液态保护渣形成的渣膜→气隙→结晶器铜板→结晶器冷却水。最大的热阻是气隙,钢液在结晶器冷却下温度急速降低,钢液中氢的溶解度急速降低，游离态的氢开始大量富集形成气体溢出，氢开始上浮，被保护渣液渣层吸附,随着液渣的不断下渗，液渣在结晶器冷却的作用下形成固态渣膜,氢气在在渣中析出，固态渣膜中产生大量的微型孔洞,形成气隙，阻碍了结晶器的传热 [3]。当结晶器传热率先达到一个平衡点时,坯壳的屈服强度无法克服摩擦力,产生粘结。
氢在钢液中的溶解反应：
1/2H2=［H］ΔGo=31980+32.17T[7] (1)
钢液中氢的溶解度
lg[H]= -ΔGo/2.303RT +lg-lgfH (2)
logfH=0.053[C]+0.1[O]+0.006[Al]+0.038[Si]-0.18[Ti]-0.13[V] -0.08[Cr]-0.04[Mn]-0.013[Mo]-0.015[W]-0.002[Ni]+0.04[P](3)
304不锈钢的成分如下表所示。
304不锈钢钢液在不同氢压力下的平衡氢浓度可以由其化学成分计算出，结果如图6所示。
图6 304 不锈钢中氢溶解度与温度的关系
在连铸生产过程中，随着钢液温度降低，氢在304不锈钢中的饱和溶解度降低，钢液中的氢先从凝固前沿上浮聚集到钢液表面，再扩散进入液态的保护渣层中。气态氢在液态保护渣[6]中溶解度低，氢气泡溢出，由于部分氢气来不起溢出，很可能以氢气泡的形式被捕捉于其中。从钢液中逸出的氢量增加，会引起液态保护渣中氢含量的增加，而渣中氢气泡形式出现，裹有氢的液态保护渣经结晶器冷却作用形成渣膜，氢气溢出，在渣膜上留有大量微孔，形成大量微小的气隙，增加热阻，结晶器的导热量减少。根据不同炉次的氢含量分析结果，当304不锈钢钢中氢含量超过氢点时（图4）,将影响连铸过程的传热；304不锈钢钢中氢含量超过1.0×10-3%时（图5），易发生连铸漏钢。钢液中氢含量对结晶器传热的影响主要与保护渣的物化性质有关, Zasowski [1]等人的研究表明，指出任何保护渣都存在着一个“氢点”。当钢液氢含量较低时，结晶器导热量随拉速变化影响较大，但随着氢含量增加，拉速的影响开始变小；当不锈钢钢液氢含量开始达到“氢点”时，结晶器导热性能达到了性能转换的临界点，正常的连铸生产过程将受到极大地影响。随着保护渣渣膜中微孔量的增加，气隙变多，热传导变差，润滑性能也相应减弱。当氢含量接近“氢点”时，结晶器润滑及热传导受到极大的影响，甚至润滑性能极度微弱，坯壳变薄，忍受不了静压力，出现黏结性粘连，最终导致粘结漏钢。保护渣的“氢点”对应的钢液H含量为8×10-4%~1.0×10-3%.而在本文中，漏钢炉次铸坯上的氢含量为1.0×10-3%以上， 超过了保护渣的“氢点”，因而影响了结晶器内的传热，以至于出现了漏钢。
4.2 钢中氢的主要来源
钢水中的氢的来源较多, 根据含氢元素的来源，分析氢主要有如下几个方面
1)废钢坑内有积水，加料时水分带入
2)加入的废钢表面的铁锈(xFeO ·rFe3O4·2H2O);
3)铁合金中的水气;
4)造渣剂(CaO，萤石)、脱氧剂、增碳剂、保温覆盖剂、保护渣等材料中的水分;
5)钢包未彻底烘烤、中间包未彻底烘烤及各种功能性耐材中的水分;
6)被钢水带入的大气中的水分;
7)连铸保护渣含有少量水分。
5降低钢中氢含量的措施
1)废钢、铁合金、造渣材料、辅料等入炉前必须彻底干燥。造渣材料如石灰等, 要最小库存、最新生产、干燥不得有粉化现象，防止时间过长易受潮变质。
2)辅料如碳粉、保温覆盖剂、保护渣等不要堆存, 要最小化库存，不得存放时间过长。辅料要进行干燥烘干后再使用。
3)盛钢水的容器(中间包、钢包)必须清洁干燥,烘烤彻底，做到红包使用。
4)必须保证惰性保护气体氩气的纯度,定期检查管道气体的纯度，过滤的水及时排出，做好保护浇注工作, 避免发生钢水二次氧化及吸气现象。
6结论
（1）影响结晶器传热的因素在304不锈钢连铸生产过程中确保氢含量低于7×10-4%;
（2）强化各流通环节与钢水直接接触的资材干燥化管理杜绝氢进入钢水中。
资料来源网络，304不锈钢厂家无锡中兴溢德整理。
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