沸腾钢钢锭（沸腾钢钢锭）

介绍

沸腾钢钢锭一般采用上小下大敞口钢锭模或瓶口钢锭模浇注。未完全脱氧钢水注入模内，伴随着结晶发生[C]和[O]的富集，引起[C]+[O]={CO}↑反应，析出的大量CO气体带动钢水沿凝固前沿上升，再由锭心下降，形成对流和沸腾，注毕继续沸腾一定时间后，顶面钢水被强制凝固封顶。钢锭液芯部分残余钢水在较大压力下继续结晶，直至完全凝固。沸腾钢钢水成分有严格限制，要求[C]≤0.3%，[Mn]≤0.6%，[Si]及[Al]都应为痕迹量；碳过低（[C]<0.03%）或硫过高（[S]>0.1%的易切钢）的钢水难以浇注出合格的沸腾钢钢锭。边长小于150mm的小型钢锭也不适于浇注沸腾钢。

沸腾钢浇注时模内钢水的良好沸腾，有利于防止翻皮、夹渣等表面缺陷，钢锭表面质量好；且残留于头部的气泡抵消了钢的冷凝收缩，不产生集中的一次缩孔，钢锭成坯率高，加以脱氧合金消耗也少，因而钢材生产成本低，是经济实用的钢材品种。沸腾钢钢锭可轧制薄板、中板、棒材和线材等，用于制造一般建筑构件、汽车深冲件、薄壁冲压件、焊管及焊条等。轧制压缩比足够大时，沸腾钢锭内部的各类气泡，完全可以焊合。热轧沸腾钢钢材具有良好的塑性，屈服强度最高级别达235～255 MPa。但其时效敏感性、低温脆性等指标不如镇静钢。钢材化学成分偏析也较大，使其应用受到一定限制。沸腾钢钢锭生产已有百余年历史。长期的生产实践与理论研究，已能对沸腾钢钢锭浇注过程的排气状况、钢锭气泡分布及偏析规律等问题给出定量或半定量地确切分析。近20多年来连续铸钢迅速发展，已逐步取代模铸。沸腾钢不适于连铸，沸腾钢钢锭的产量及其所占比例将日趋降低。以至可能停止生产。而已开发成功的低硅、低铝的“准沸腾钢”可进行连铸，这将使沸腾钢的某些优点得以在连铸钢中延续。

钢锭结构

典型的沸腾钢钢锭结构为自表面至中心由坚壳带、蜂窝气泡带、中间坚实带、二次气泡带和锭心带5个区域组成。（图1）前3个带系钢水自由沸腾期间所形成，又统称沸腾层。钢水氧化性不同或封顶方法不同，沸腾钢钢锭结构会发生明显变化。就晶体结构而论，沸腾钢钢锭由细小等轴晶、柱状晶及粗大等轴晶三带构成。但由于沸腾钢钢锭在凝固过程中钢水的沸腾作用，形成了其特有的气泡带结构、成分偏析和大型非金属夹杂物的聚集带。沸腾钢钢锭中的各类气泡容积的总和，可以抵消钢水的冷凝收缩，钢锭中不产生集中的缩孔，钢锭头部一般略有上涨和上凸。

沸腾钢钢锭凝固过程中，随着结晶速度和排气条件的变化，形成不同的结晶带：

（1）坚壳带。钢水注入模内，受到模壁的强烈冷却而快速结晶，形成细小等轴晶的激冷层。随后柱状晶开始生长，〔C〕、〔O〕因结晶液析而在凝固前沿富集，使（〔C〕·〔O〕）实际增加，远远超过（〔C〕 ·〔O〕）平衡值，〔C〕、〔O〕间反应激烈进行，引起模内钢水强烈沸腾，产生的CO气体全部上浮排除，形成无气泡的坚壳带。钢水氧化性愈强或注速愈慢，模内沸腾愈激烈，坚壳带愈厚。在正常条件下，坚壳带厚度为8～20mm以上。

（2）蜂窝气泡带。随着柱状晶的发展，结晶速度逐渐减慢，〔C〕、〔O〕富集的速度减慢；而钢水静压力逐渐增加，使（〔C〕·〔O〕）平衡值随之增大。这样，〔C〕·〔O〕的过饱和值逐渐减小，〔c〕-〔O〕反应虽能进行，但CO产生量及排气速度减慢模内沸腾相应减弱。于是气泡在柱状晶间生成，并随柱状晶的发展而发展。气泡长大速度大于结晶速度时，气泡断面逐渐增大。突出凝固前沿发展到钢水中的部分增大到一定程度即不时地断裂上浮；埋入柱状晶部分则残留在钢锭中。气泡长大速度与结晶速度相等时，气泡拉长长大。当气泡长大速度小于结晶速度时，气泡断面逐渐缩小，呈蝌尾形滞留在钢锭中。因此，蜂窝气泡带为密集分布于柱状晶之间，纵断面呈周期性变化的长形虫状气泡群，横断面酷似蜂窝，单个气泡直径约4～8mm，长度小于70～80 mm。蜂窝气泡带通常只分布在钢锭的下半部。钢锭上部钢水静压力小，CO气泡大量生成，特别是下部气泡的上浮、膨胀和冲刷作用，使上部气泡更能充分逸出。沸腾强度增加，蜂窝气泡带的分布高度降低。一般情况下，蜂窝气泡带的发展一直延续到钢锭封顶时为止。根据沸腾时间的长短，蜂窝气泡带的宽度一般为30～100mm。

（3）中间坚实带。钢锭的封顶使产生气泡需要克服的外压力突然增加，凝固前沿的（〔C〕·〔O〕）实际<（〔C〕·〔O〕）平衡，抑制了〔C〕-〔O〕反应的继续进行，不再产生气泡，但结晶过程依旧进行，因而形成无气泡的中间坚实带。

（4）二次气泡带。随着柱状晶的继续发展，凝固前沿钢水中的〔C〕和〔O〕进一步富集，而由于钢水的冷凝收缩，钢水凝固壳封闭空间的压力降低，使钢水中的（〔C〕·〔O〕）实际重新超过（〔C〕·〔O〕）平衡，从而再次发生微弱的〔C〕-〔O〕反应，产生气泡呈球形的二次气泡带。它们离钢锭表面的距离几乎相等，有时一直分布到钢锭最上部。低倍试片上还发现，在蜂窝气泡与随后形成的二次气泡之间往往有针孔或成串的微气泡相连。说明此间仍有少量气体产生。

（5）锭心带。当锭心结晶时，由于沸腾大体已经停止，与镇静钢相仿，也生成粗大等轴晶。但因仍有〔C〕和〔O〕的富集及液心体积的收缩，使锭心仍有气泡生成。一部分气泡还能逐渐向上移动，在钢锭上部最后凝固区形成形状不规则的大气泡和中心疏松区，而锭心带下部组织则是均匀致密的。

受沸腾强度、沸腾时间及封顶方法等因素的影响，沸腾钢钢锭在结构上存在着很大差异。图1为5种有代表性的沸腾钢钢锭结构纵剖面示意图。图1a为敞口模压盖封顶的典型沸腾钢钢锭结构；图1b为模内钢水沸腾弱时形成的钢锭结构；图1c为模内钢水沸腾过强时形成的钢锭结构；图1d为敞口模化学封顶钢锭结构，只由坚壳带、蜂窝气泡带和锭心带3个带组成；图1e为瓶式机械封顶钢锭结构。

沸腾钢钢锭

b—沸腾过弱时的沸腾钢钢锭结构；

c—沸腾过强时的沸腾钢钢锭结构；

d—化学封顶沸腾钢钢锭结构；

e—瓶口模压盖沸腾钢钢锭结构

1—坚壳带；2—蜂窝气泡带；3—中间坚实带；

4—二次气泡带；5—锭心带；6—头部缩孔

成分偏析

沸腾钢钢锭凝固时强烈析出气体，引起钢水强制对流与沸腾，使镇静钢钢锭中常见的偏析带大为改观。沸腾钢钢锭一般没有倒V形偏析和明显的V形偏析。但在钢锭内，却存在着显著的宏观偏析。图2为典型沸腾钢钢锭中心纵剖面上碳含量的分布图。其他偏析元素，特别是磷、硫等杂质元素，也都有相似的分布规律。在沸腾钢钢锭内，偏析元素含量由表面向中心、自锭底向头部逐步增高。钢锭下部约1/3高度内，偏析元素含量由表面向中心的增加较平缓，多数情况下为负偏析区；而在上部约1/3高度内，偏析元素含量由表面向中心增加急剧，且在上部10%～20%高度内，轴心区偏析元素含量达最高值，成为沸腾钢锭内最严重的偏析区。

沸腾钢钢锭

不同元素的偏析倾向与其偏析系数（1-K）值有关（K为某元素在某一平衡温度下固相中浓度与液相中浓度之比，称平衡分配比）。磷、硫偏析倾向最大，碳次之，硅、锰偏析倾向最小。沸腾钢钢锭中成分偏析还随沸腾强度和沸腾时间的加剧和延长以及钢锭的加大而增加；过氧化钢水及高温浇注的钢锭，元素偏析度亦增大；化学封顶的钢锭因沸腾时间较短，元素的偏析度减小，但锭心正偏析区扩大而且最大偏析区下移；瓶式机械封顶钢锭由于模内钢水沸腾较弱和沸腾时间较短，元素偏析度低于敞口压盖封顶钢锭。

对于沸腾钢锭的成分偏析，迄今尚无法彻底消除，只能控制其过度发展，减轻其危害程度。控制沸腾钢钢锭偏析的主要措施有：（1）尽可能降低钢中硫、磷等杂质元素的含量；（2）防止钢水过氧化，控制模内钢水沸腾；（3）缩短模内钢水沸腾时间，尽早封顶。

非金属夹杂物的分布

沸腾钢钢锭中氧化物夹杂主要分布在坚壳带和锭心下部沉积锥区。其成分基本为铁锰硅酸盐。氧化物和硅酸盐夹杂的数量和分布特征与注温、注速及沸腾强度有关。注温高、注速快和沸腾强时夹杂物减少。瓶式钢锭的锭心下部夹杂物少于敞口锭，而硅铁封顶钢锭，锭心带下部硅酸盐夹杂增多。硫化物夹杂则主要分布在锭心区，在锭心上部最后凝固区出现硫化物最高分布区。

浇注工艺

将沸腾钢钢水浇注成钢锭的方法及技术。

锭型及浇注方法的选择 浇注沸腾钢的钢锭模有两种：上小下大敞口模和瓶口模。前者适于浇注锭重小于7t的中、小型沸腾钢钢锭，有利于保证足够的坚壳带厚度；后者适于浇注大型沸腾钢钢锭，以减少钢锭中成分偏析。中国沸腾钢钢锭较小，普遍采用下注法浇注，钢锭表面质量好，成坯率高。（见彩图插页第18、20页）美国、苏联等工业发达国家，为了提高铸锭车间生产能力，自20世纪70年代将沸腾钢传统的下注改为快速上注。采用快速上注可将出钢温度降低20～30℃，铸锭车间生产能力增加20%～40%，并可减少漏钢事故。但由于快速上注的注流会冲击熔蚀底板，并产生钢水飞溅；同时钢水静压力增加过快会抑制沸腾，故必须采用底板保护、模内防溅筒和加助沸剂等相应技术措施。

钢水氧化性是影响沸腾钢钢锭质量的最重要因素。钢水氧化性通常用钢水中实际含氧量[O]实际与同碳相平衡时的含氧量[O]C的差值，即[O]实际-[O]C=△[O]值来量度。沸腾钢水适宜氧化性的标志是保证模内钢水良好的沸腾，即保证适宜的CO排出速度。工业生产中往往采用向盛钢桶或钢锭模内的钢水加少量铝，以调节钢水氧化性。20世纪70年代初开始应用的浓差电池钢水定氧技术，为在线快速直接测定并及时准确地调整钢中氧含量提供了可能性。可以根据钢种、锭型、注速及封顶方法等浇注条件的不同，试验确定出各自条件下的适宜钢水含氧量。钢水氧化性还要根据模内钢水沸腾情况及时进行必要的调整。钢水氧化性适宜，模内沸腾均匀活跃，气泡多而小；钢水面上升平稳，四周略高，中心稍凹；浮渣在液面中心区浮游；钢水对流循环区较宽。

沸腾钢注温高时，钢锭初始凝固速度减慢，CO气体排出时间滞后、排出的强度弱，将对模内沸腾起抑制作用，使坚壳带减薄，甚至有气沟与蜂窝气泡相通，在沸腾末期排气剧烈，从而使封顶困难，成分偏析加剧。注温过低，模内钢水沸腾不良，锭心下部非金属夹杂物增多且使后部几组钢锭难以正常浇注。必须根据钢种掌握适宜的注温。注速是调整模内沸腾强度的一个辅助手段。慢注有利于沸腾，坚壳带增厚。对于6.6～8t沸腾钢敞口锭，坚壳带厚度δ（mm）与浇注线速度υ（m/min）有下列经验关系：δ=8.5/υ+2.5。下注沸腾钢的平均注速为0.15～0.30m/min，快速上注平均注速1.0～2.0m/min。下注沸腾钢的过程注速应该是开注平稳、缓慢；当模内钢水升至钢锭1/5～1/4高度并出现正常沸腾后，即加快注速全流浇注。浇至离预定浇高还有200～400mm时，逐渐减速，以利于封顶。沸腾钢快速上注则采用“一开到底”操作，即全程进行全流浇注。该操作法的优点是可避免因多次调速引起塞棒（或滑板）失控所造成的水口关不严或漏钢事故。一般说，浇注过程中要根据注温和模内钢水沸腾情况对注速作适当的调整，总的调整原则是：高温慢注，低温快注；沸腾偏强时快注，沸腾偏弱时慢注。

沸腾钢锭注毕强行制止模内钢水继续沸腾的操作称封顶。其目的主要是缩短模内钢水的沸腾时间，以获得理想的沸腾钢锭结构和抑制成分偏析。常用的封顶方法有机械封顶和化学封顶两种，前者又可分为压盖法和瓶口模法。机械封顶是通过向钢锭头部加铸铁压盖或半球形铸铁瓶塞，加速头部凝固，形成一定厚度锭顶凝固壳制止沸腾的方法。机械封顶既节约合金，又不玷污钢质。小型沸腾钢锭（锭重小于2t）普遍采用敞口模压盖封顶；大型沸腾钢钢锭（锭重大于7t），通常采用瓶口模加瓶塞封顶；中型沸腾钢钢锭可以采用敞口模压盖封顶，也可以采用化学封顶。化学封顶是通过注毕向钢水面加入一定数量的硅铁或铝等强脱氧剂，以抑制沸腾，加速头部凝固的方法。

质量与缺陷

合格的沸腾钢钢锭应满足一定的技术要求：（1）坚壳带具有一定的厚度（小钢锭>8mm，大钢锭>15mm）且组织致密；（2）钢锭化学成分偏析在允许范围内，保证钢材性能符合技术标准；（3）钢中大颗粒夹杂物含量少，不含能导致钢材出现分层或开裂的缺陷；（4）钢锭头部的上涨和下陷要尽量少，无集中缩孔和严重疏松区，以保持较高的成坯率。沸腾钢钢锭的上述质量指标往往只能在钢锭开坯或轧制成材之后才能判定。故多数沸腾钢锭缺陷表现为轧后钢坯钢材上的缺陷，常见的沸腾钢钢锭（或表现在钢材制品上）缺陷有：结疤、气泡暴露、菜花头、下陷、分层等。