模鑄氬氣保護裝置的研究及應用

張欣杰  張歡歡  馮文靜

（中航上大高溫合金材料有限公司  邢臺市  054000）

摘  要：模鑄在無保護澆注狀態下，澆注過程中的二次氧化是影響模鑄產品質量的關鍵因素，本文敘述了中航上大高溫合金材料有限公司模鑄氬氣保護裝置研制和試驗過程，分析了二次氧化的機理，對比了有無保護澆注對鋼中夾雜物和氣體含量的影響，通過不斷的優化和完善，成功制做了全封閉氬氣保護裝置，通過氬氣保護的應用，降低了鋼中的氣體含量，減少了鋼中的夾雜物數量，提高了模鑄鋼錠的冶金質量，滿足了核電用不銹鋼、耐蝕合金和高檔模具鋼的產品質量要求。

關鍵詞：模鑄；二次氧化；氬氣保護；夾雜物；氣體

Research and application of mould casting argon protection device

ZHANG Xinjie, ZHANG Huanhuan, FENG Wenjing

(AVIC Shangda high temperature alloy material co., LTD., xingtai 054000).

Abstract: Die casting in no protective casting condition, two oxidation in the pouring process is a key factor affecting the casting quality of products, this paper describes the aircraft on high-temperature alloy die casting material Co. Ltd. argon protection development and test of the device, analyzes the two oxidation mechanism, compared the effect of protective casting on inclusions and the gas content in steel, through constant improvement and optimization, the success made full closed argon gas protection device, through the application of argon protection, reduce the gas content in steel, reduce the quantity of inclusions in steel, improve the metallurgical quality of casting ingot, meet the requirements of stainless steel, and the corrosion resistant alloy high grade mold steel product quality of nuclear power.

Key words: Mold casting; two times oxidation; argon protection; inclusions; gas；

特殊用途不銹鋼、高檔模具鋼、耐蝕合金等高合金比特殊鋼的生產，受品種特點、生產批量等因素的影響，模鑄仍然是主要的澆注方式，相比連鑄生產，模鑄自動化程度低，保護澆注技術也很不完善，雖然近年來，很多企業都意識到了保護澆注的重要作用，也應用了不同形式的氬氣保護裝置，但實際生產過程的應用率，起到的效果還都有待改善，尤其是，隨著國內高端裝備制造業的崛起，對材料的冶金質量要求越來越高^[1]，模鑄無氧化保護澆注技術更成為了制約模鑄產品質量提高的瓶頸和限制性環節，中航上大高溫合金材料有限公司采用模鑄方式從事高溫合金、耐蝕合金和特種不銹鋼的冶煉生產，生產以來，為提高產品質量，在模鑄保護澆注方面做了一系列的工作，摸索出了一套適合自身裝備的氬氣保護裝置和保護澆注工藝，取得了明顯效果。

2 模鑄二次氧化的機理

   在模鑄澆注^[2]過程中，鋼包下水口與中注管喇叭口磚之間存在250～300的垂直距離，無保護澆注狀態下，澆注的鋼水流會與外界的空氣接觸產生二次氧化，一方面空氣中的氧穿過氣相界面，達到氣液界面，在氣液界面上和鋼中的易氧化元素（Al、Ti、Si等）發生化學反應形成夾雜物，這個過程稱為擴散再氧化，另一方面高速向下流動的鋼流會帶動周圍的空氣一起向下運動，并將一部分空氣卷入鋼水中，形成氣液乳化相，乳化相中氣泡中的氧與鋼中的易氧化元素也會發生化學反應，進而污染鋼水，稱為卷吸再氧化。所以整個澆注過程中都是鋼水二次氧化的過程，兩種化學反應的動力學條件都很好，與鋼水接觸的氧和被卷入的氧幾乎都能參加化學反應，形成微觀氧化物，二次氧化吸入的氧含量與氣相中的氧濃度成正比，因此凡是能降低氣相中氧濃度的措施，都能較少二次氧化反應的發生。

同時生產高合金鋼時由于鋼中鉻元素高，氮在鋼水中的溶解度也高，在發生上述兩種反應的同時，空氣中的氮也會溶解入鋼水中，造成鋼中的氮含量增加，能控制二次氧化的措施同樣能減少鋼液的增氮。  

3 氬氣保護裝置的設計和應用

根據二次氧化機理的分析，要設計出合理的氬氣保護裝置^[3]，要達到如下條件；

3.1 設計的氬氣保護裝置要實現鋼流與外界空氣的物理隔絕

鋼流隔絕空氣，要實現氬氣保護裝置上口與鋼包下水口的密封，氬氣保護裝置下口與中注管1#磚的密封，以及多盤澆注條件下氬氣保護裝置如何隨鋼包移動再次實現密封。

3.2 氬氣保護裝置吹氬系統的設計，要能有效降低澆注系統內氣相中氧濃度，同時保持澆注系統內的微正壓，防止外界空氣的吸入。

中航上大高溫合金材料有限公司模鑄用鋼水經AOD或VOD精煉后，采用鑄鋼車澆注系統澆注鋼錠，模鑄系統主要設備參數如表1：

表1 模鑄系統主要設備參數

Table1  Die casting system main equipment parameters

根據模鑄設備參數，為達到氬氣保護裝置條件，經技術人員討論，設計具體氬氣保護裝置如下；

3.3 氬氣保護裝置上口尺寸為∮140mm，實現與鋼包與鋼包下水口的最小間隙配合。

3.4 為實現多盤澆注，氬氣保護裝置按分體設計，上下分體兩個部分澆注時靠鋼包車升降功能實現連接。

3.5 氬氣保護裝置下口尺寸設計300mm

3.6 氬氣孔按三排設計，孔徑3mm、間距25mm。

圖1全封閉氬氣保護澆注裝置

Fig．1 The enclosed argon gas protection pouring device

為驗證氬氣保護裝置的使用效果，在普通不銹鋼生產^[4]時，進行了13個爐次的對比試驗，其中8個爐次采用氬氣保護澆注，所有試驗爐次，澆注前后取氣體樣做對比分析，并在鋼材上做夾雜物的對比分析，驗證氬氣保護對鋼水純凈度^[5]的影響。

4.1氬氣保護澆注對增氮的影響

生產過程中統計了冶煉13爐鐵素體不銹鋼P9采用氬氣保護裝置前后鋼中氮含量^[6]對比情況，具體見表2：

表2 保護澆注對鋼水增氮的影響

Table2  The effect of protection pouring on nitrogen addition in molten steel

從表2中可以看出，氬氣保護澆注條件下，澆注過程平均增氮14ppm，對比無保護澆注有明顯的效果。

圖2 氬氣保護裝置對鋼中氮含量的影響

Fig.2 The effect of protection pouring on nitrogen addition in molten steel

從圖2中對比可以看出，最高氮含量由使用氬保裝置前的212ppm降低到了125ppm，最低氮含量由169ppm降低到100ppm，平均氮含量由194ppm降低到117ppm。使用氬氣保護裝置防止澆注過程中鋼液增氮效果明顯。

4.2氬氣保護澆注對成品氧含量的影響

生產過程中統計了冶煉13爐鐵素體不銹鋼P9采用氬氣保護裝置前后鋼中氧含量對比情況，具體見表3：

表3 保護澆注對鋼水氧含量的影響

Table3 Effect of argon gas protection device on oxygen content in steel

圖3為使用氬氣保護裝置前后鋼中氧含量對比結果

圖3氬氣保護裝置對鋼中氧含量的影響

Fig.3 Effect of argon gas protection device on oxygen content in steel

從圖中數據可以看出，使用氬氣保護裝置前后，鋼中氧含量有一定的下降趨勢，說明在一定程度上使用氬氣保護裝置能夠減少鋼液澆注過程中的二次氧化。

4.3氬氣保護對鋼中夾雜物的影響

   對比無保護交租條件下的夾雜物控制水平和有有保護澆注條件下的夾雜物控制^[7-8]水平，具體結果如表4、表5所示：

表4無保護澆注條件下的夾雜物控制水平

Table4 Inclusion Control Level Without Protection Pouring

表5 有保護澆注條件下的夾雜物控制水平

Table5 Protection level of inclusions under protective pouring conditions

從兩組數據中可以看出，使用氬氣保護裝置后，鋼中夾雜物水平有明顯的的改善。

氬氣保護澆注對夾雜物形態的影響，具體見圖4：

圖4 未使用和使用氬氣保護裝置的夾雜物對比照片

Fig.4 Comparison photographs of inclusions not using and using argon protection devices

從對比的夾雜物形態上看，使用氬氣保護裝置的夾雜物形態明顯得到了改善。

（1）根據二次氧化的機理，應用全封閉氬氣保護裝置，能顯著提高模鑄鋼錠的產品質量。

（2）采用分體式設計的全封閉氬氣保護裝置應用方便，可以實現多盤連續應用。

（3）采用氬氣保護澆注，可以減少高合金鋼澆注過程增氮50ppm以上。

（4）采用氬氣保護澆注鋼材氧含量平均降低8ppm。

（5）采用氬氣保護澆注技術，對鋼中夾雜物有明顯的改善。

參考文獻

[1] 陳家祥.鋼鐵冶金學[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[2] 杜亞偉，文光華，唐萍.模鑄在大鋼錠及特殊鋼生產方面的比較優勢[J].金屬世界, 2009.5（5）:48-52

[3] 龔志軍，宋薇，麻永林.模鑄注流的氬氣保護試驗研究[J].鋼鐵研究學報，2011.23（7）:6-9

[4] 周同軍，劉軍占.模鑄氬氣保護澆注的工藝實踐[J].世界鋼鐵，2012.12（5）:38-41

[5] 劉瀏.潔凈鋼生產技術的發展與創新[J].中國冶金，2016.26（10）:18

[6] 張艷龍.本鋼超低氮鋼生產工藝的研究[J].遼寧科技學院學報，2008.10（2）:6-7

[7] 張欣杰，張歡歡，崔利民.奧氏體不銹鋼夾雜物控制工藝技術探討[J].中國冶金，2018.28（1）:45-48

[8] 周業連,朱苗勇，劉建斌，陳晶晶，鄭淑國.吹氬精煉鋼包內非金屬夾雜物去除機理[J].北京：鋼鐵，2016，51（6）:39