李 硕 孙玉霞 张虎成

(唐山钢铁集团)

含钛焊丝ER70S-G可浇性研究

李 硕 孙玉霞 张虎成

(唐山钢铁集团)

通过对ER70S-G冶炼过程中上水口及浸入式水口结瘤物的分析发现：上水口的结瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3为主，浸入式水口的结瘤物以TiN为主。通过控制钢液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低上水口结瘤中Ti2O3含量至10.2%～10.6%，缓解上水口结瘤现象。通过降低钢液中氮含量至(30～40)×10-6范围，同时控制中包过热度至40 ℃～55 ℃范围内(ER70S-G液相线温度1 518 ℃)，可以有效阻止TiN的析出，从而解决浸入式水口结瘤问题。

含钛焊丝 可浇性 TiN

0 前言

ER70S-G是一种在国标ER50系列焊丝的基础上添加适量钛元素研发而成的CO2气体保护焊丝。含有适量钛元素的焊丝能够有效固氮，提高焊缝金属抗氮气孔能力，优化焊缝成型性[1]，降低大电流焊接时的飞溅30%～45%，提高焊接自动化程度和焊接效率，因此此类焊丝在许多领域得到广泛应用，市场需求量逐年增加。

为了满足市场需求，多家钢铁企业都在开展此类焊丝的研发工作。钛元素作为强还原性金属，与氧、氮元素的结合能力强，容易在钢中形成钛氧、氮化物夹杂，并在浇铸过程中造成水口结瘤，是导致钢水可浇性差，拉速波动大的主要因素。因此分析含钛焊丝浇铸过程水口结瘤机理，对于改善钢水可浇性具有重要意义。

1 含钛焊丝生产工艺

唐钢生产ER70S-G的工艺路线如下：铁水预处理→转炉→LF精炼→连铸。

ER70S-G的典型化学成分见表1，为提高质量稳定性，S控制0.008%～0.020%。

表1 ER70S-G的化学成分

2 结瘤物与过程参数分析

采集ER70S-G LF精炼终点参数见表2。Ti含量控制在0.16%条件下，钢中活度氧含量0.001 8%，氮含量0.005 7%。Ti元素的收得率为65.5%，本次冶炼中包温度控制范围1 552 ℃～1 565 ℃。

表2 ER70S-G的过程冶炼参数

本次冶炼的浇注过程发现，上水口及侵入式水口发生严重的堵塞现象，钢水可浇行差。取堵塞上水口及侵入式水口样发现，水口内壁聚集大量的结瘤物，其宏观形貌如图1所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

从图1可以看出，上水口与浸入式水口的结瘤物都是由絮集物和冷钢组成，分别对上水口与浸入式水口的絮集物成分进行分析，结果如图2所示。

(a) 上水口 (b) 浸入式水口

对图2中上水口及侵入式水口不同位置的结瘤物进行成分检测，检测所得的水口结瘤物化学成分见表3。

表3 水口结瘤物化学成分

由表3可知，上水口絮状结瘤物以Ti2O3、Al2O3- Ti2O3、Al2O3-MgO- Ti2O3为主，其中Ti2O3含量30.5%～100.0%，结瘤的主要原因为钢水中的夹杂物聚集；浸入式水口的絮状结瘤物以TiN为主，结瘤的原因为钢坯冷却过程TiN析出。对以上结瘤物的形成分析如下所述：

1)由于钢水氧含量0.001 8%，控制偏高，造成浇铸过程中钛、铝元素的二次氧化，钛、铝的氧化物形成Al2O3- Ti2O3复合夹杂，Ti2O3的存在提高了Al2O3夹杂的润湿性，夹杂物的上浮能力减弱，加剧了Al2O3- Ti2O3复合夹杂在上水口内壁的粘结机率，造成上水口结瘤，可浇性下降。

2)Al2O3- Ti2O3复合夹杂的数量随着Ti2O3的量的增加而增加[2]，本浇次w([Ti])/w([Al])为29.1，较高的w([Ti])/w([Al])导致Ti2O3的大量生成，加剧了水口结瘤的形成。

3)本浇次浇铸过程中，中包温度降低至1 552 ℃ 时，钢水从浸入式水口与上水口结合处溢出。取浸入式水口样进行分析(如图2(b)所示)，浸入式水口于外界接触面积大，散热较快，钢水流经浸入式水口时，温度显著降低。当钢液温度低于1 540 ℃时[3]，TiN开始析出。析出的TiN呈网状吸附在浸入式水口内壁，造成浸入式水口内径降低，钢水通过上水口的量超出浸入式水口的通过能力，钢水从浸入式水口与上水口结合处溢出，俗称“溢钢”。因此合理控制中包过热度，避免TiN析出是防止浸入式水口结瘤，提高铸坯表面质量的有效途径。

4)TiN析出的反应方程式如下：

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

lgK =17040/T-6.4

(1)

其中反应平衡常数K的计算公式如下：

(2)

式中：α[TiN]、α[Ti]、α[N]——钢中TiN、Ti、N的活度；fTi、fN——Ti、N的活度系数； [Ti]、[N]——Ti、N的质量百分数，%。

由公式(1)、(2)可知，当[N/%]提高时，反应向正向进行，TiN析出量增加，本次冶炼控制钢中氮含量[N]=57×10-6，由公式(1)可知，随着钢中氮含量[N]的升高TiN的析出反应加剧。

因此，在钛含量不变条件下，降低钢水中[N]含量是限制TiN结瘤的有效措施。

3 工艺优化与优化效果

3.1 氧含量控制

钢中活度氧是造成二次氧化，导致钢中夹杂物上升，水口结瘤的重要因素。LF精炼过程中，通过强化脱氧、深造还原渣有效降低钢中活度氧至10×10-6以下。钛元素的收得率由65.5%提高至73.1%，同时降低了Ti2O3、Al2O3等非金属夹杂的生成。

3.2 合理控制w([Ti])/w([Al])

为了控制钢中的w([Ti])/w([Al])，对冶炼进行工艺优化。保持w([Ti])含量不变的情况下，通过提高含铝原料的加入量。工艺优化后上水口结瘤明显改善，在连浇炉次三炉以后上水口有轻微结瘤现象。对结瘤物进行扫面电镜分析，结果如图3所示。

对图3扫描电镜图中的标记点进行成分分析，结果见表4。

(a) 上水口

(b) 浸入式水口

图3 工艺优化后水口结瘤物微观形貌

由表4可知，工艺优化后结瘤物类型为Al2O3-Ti2O3-MgO，结瘤物成分中Ti2O3含量降低至10.2%～10.6%，降低了夹杂物的润湿性[4]和上水口内侧的粘附机率，显著改善了钢液可浇性。

3.3 防止TiN析出

为了防止TiN的析出采取了以下两项措施：

(1)提高中包过热度至40 ℃～55 ℃范围内(ER70S-G液相线温度1 518 ℃)，提高浸入式水口内钢水温度，降低TiN析出机率。

(2)实施全程控氮措施，降低钢液氮含量至30×10-6～40×10-6范围内，降低TiN的析出。工艺优化后，浸入式水口结瘤问题得到解决。

4 结论

(1)通过降低钢液中氧含量至10×10-6以下，控制w([Ti])/w([Al])至17～22，可以有效降低钢中钛、铝元素的二次氧化。上水口结瘤问题的到显著改善，结瘤物中Ti2O3含量由30.5%～100.0%降低至10.2%～10.6%，同时钛元素的收得率由65.5%提升至73.1%。

(2)通过降低钢液中氮含量至(30～40)×10-6范围，同时控制中包过热度至40 ℃～55 ℃范围内(ER70S-G液相线温度1 518 ℃)，可以有效解决浸入式水口结瘤问题。

[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] 杨咏阶. 控制ER70S-G含钛焊丝钢TiN析出和防止水口结瘤的工艺实践[J].特殊钢, 2015,36(6) :13-15.

[4] 邓叙燕，马建超，赵伟杰. 高钛焊丝用钢的钢液可浇性改善[J].钢铁,2015,50(2):32-37.

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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，工程师，河北.唐山(063000)，唐山钢铁集团长材部；

2017—2—15