CO₂气体保护焊具有焊接成本低、焊接区变形小、应用范围广及焊渣免清理等优点，广泛应用于低碳钢、碳素结构钢和高强低合金钢等钢铁材料的焊接。ER70S-6焊丝钢是制作CO₂气体保护实心焊丝的主要原料，其盘条需具备良好的拉拔性、较低的断丝率，制成的焊丝在焊接过程中具有良好的送丝性能和较低的飞溅现象。黄治军等认为，焊丝成分较高的Si/Mn比可减少焊接飞溅率，改善焊丝的焊接性能，同时能较好地控制焊缝状态。王剑斌等、邓叙燕等通过研究ER70S-6焊丝钢夹杂物和表面质量对拉拔性能的影响，认为采用硅锰脱氧工艺有利于夹杂物控制，改善焊丝拉拔性能。左启伟等认为，将ER70S-6的氮质量分数控制在0.0030%以下、全氧质量分数控制在0.0028%以下，可明显减少夹杂物数量，改善焊丝拉拔性能。某钢铁公司高速线材产线生产的焊丝钢ER70S-6存在拉拔性能波动大、过程断丝率偏高、焊接过程中飞溅率高等问题，本文针对这些问题提出针对性的解决措施，并系统论述拉拔性好、焊接飞溅率低的ER70S-6炼钢过程的关键技术及实践效果。

某钢铁公司ER70S-6焊丝钢的生产工艺流程为：机械搅拌铁水脱硫→铁水扒渣→100 t顶底复吹转炉冶炼→100 t钢包精炼（LF）炉精炼→方坯连铸→加热炉→高速线材轧机轧制。连铸坯断面为165 mm×165 mm或150 mm×150 mm，轧制后盘条直径为5.5或6.5 mm。ER70S-6焊丝钢化学成分见表1。

表1  ER70S-6焊丝钢主要化学成分（质量分数） %

2.1   氮质量分数控制

氮元素在钢中能起到强化和稳定奥氏体的作用，但氮在钢中会与铁生成Fe₄N，在室温下以过饱和状态存在于金属中；在250~300 °C时保温或短时间加热会促使氮化物以细小分散的显微相从溶液中析出，从而恶化钢的拉拔性能。因此，对于ER70S-6，氮质量分数越低越好。

2.1.1   转炉基础氮质量分数控制

研究表明，转炉终点碳质量分数越低，钢水吸氮的可能性越大。转炉终点氮质量分数与终点碳质量分数的关系见图1，适当提高终点碳含量有利于降低氮质量分数。

图1  转炉终点氮质量分数与碳含量的关系

转炉工序氮质量分数控制的关键点如下：考虑该钢种碳含量不应太高，转炉终点碳质量分数为0.055%~0.065%，避免后吹造成钢水增氮；转炉底吹采用全程吹氩工艺，减少钢水吸氮；转炉出钢过程采用全程在线底吹氩气，出钢时间要求＞3 min，降低出钢吸氮量。上述措施实施后，转炉基础氮质量分数可稳定控制在0.0020%左右。

2.1.2   LF精炼增氮控制

LF精炼增氮的主要原因为钢液与大气接触、电弧电离和原材料含氮元素等。为此，精炼工序控制增氮的关键点如下：严格控制给电时间不超过25 min，起弧次数不大于3次，减少电弧的电离增氮；采用泡沫渣精炼和微正压操作，减少过程吸氮量；还原剂少量多批加入，保持良好的还原气氛。上述措施实施后，LF精炼增氮量（质量分数）可控制在0.0005%左右。

2.1.3   连铸增氮控制

连铸过程钢液增氮主要是由于钢水与空气接触，因此控制增氮的关键点如下：连铸全程保护浇注，钢包下水口与长水口之间、中间包等采用氩封保护；中间包加微碳、低熔点中包覆盖剂，降低中间包吸氮量。上述措施实施后，连铸增氮量可控制在0.0003%左右。

转炉–精炼–连铸全工序氮质量分数控制情况见图2，全工序增氮量（质量分数）控制在0.0010%以内。连铸坯氮质量分数分布见图3，样本数为131，平均氮质量分数约为22×10^?6，其中氮质量分数在10×10^?6~30×10^?6的比例为81.68%。

图2  全工序氮质量分数控制情况

图3  不同炉次ER70S-6氮质量分数分布情况

2.2   硫质量分数控制

研究表明，硫分配系数与精炼渣碱度及渣中（FeO+MnO）含量关系密切，随着精炼渣碱度的提高，硫分配系数不断增加，脱硫能力提高；随着精炼渣中（FeO+MnO）含量的降低，硫分配系数明显增加，精炼渣脱硫能力逐渐增强。对于气保焊丝钢，为使精炼渣兼顾脱硫和纯净度控制功能，提出双渣系精炼技术，其碱度控制见图4。

图4  LF精炼渣碱度控制

根据转炉钢包原始硫质量分数和LF精炼出站硫质量分数，确定LF精炼的脱硫效率应控制在40%~70%，对应精炼渣的分配系数应控制在30左右。为提高精炼渣的脱硫能力，在脱硫阶段采用高碱度精炼渣，碱度控制在1.8~2.1，渣中FeO质量分数控制在1.0%以下。在LF精炼末期，待钢水成分和温度合格后，在最后一次起弧前补加适量硅灰石进行调渣，将碱度降至1.4左右，同时采用白渣操作，渣中FeO质量分数控制在1.0%以下，以提高精炼渣吸附夹杂物的能力。精炼结束后，钢水软吹时间不低于15 min，以促进夹杂物充分上浮，钢水成分和温度均匀。

该技术应用后，精炼出站硫质量分数为0.008%~0.018%，平均值为0.013%。出站硫质量分数分布如图5所示。

图5  焊丝钢冶炼的LF出站硫质量分数分布

2.3   钙质量分数控制

研究资料表明，钙质量分数是造成焊丝焊接过程产生飞溅的主要因素。根据热力学知识，LF精炼过程中[Ca]参与氧化还原反应的限度由渣中FeO和钢中[Si]联合控制，反应方程式为：

由式（1）可知，钢水中[Ca]随渣中SiO₂与FeO的活度增大而减少，随渣中CaO活度的减小而减少。为控制钢水中钙质量分数，采用以下措施：采用优质合金料进行钢水合金化，减少合金料带入钢水的钙量，转炉工序使用低碳低磷硅锰合金和低铝硅铁配Mn、Si；提高转炉工序Mn、Si成分命中率，减少精炼站因大幅调整Mn、Si造成的增钙现象，工艺优化后，转炉工序Mn成分命中率提高8%，Si成分命中率提高10%；调整优化精炼渣系，增大渣中SiO₂活度、降低CaO活度，采用白渣操作，精炼后期精炼渣碱度控制在1.4左右，渣中FeO质量分数控制在0.5%~1.0%。

措施实施后，钢水钙质量分数控制水平如图6所示，均控制在0.0005%以下，完全满足客户使用要求。

图6  焊丝钢生产中钙质量分数控制情况

2.4   连铸坯质量控制

为控制连铸浇注周期以实现低过热度浇注，要求连铸全流浇注，缺少2个及以上流时禁止生产。连铸使用镁质塞棒中间包，浸入式水口为镁碳材质，水口插入深度为50~100 mm；大包采用下渣检测，中间包使用低碳或无碳覆盖剂及焊丝钢专用保护渣。

连铸采用恒拉速生产，拉速控制目标为2.2 m/min，波动范围控制在±0.1 m/min以内。正常浇注时，中间包液面高度在800 mm以上；大包转包时，中间包液面高度在700 mm以上。

连铸二冷制度采用强冷，利用结晶器自动控制液面，包含结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。结晶器电磁搅拌参数：380 A、3 Hz、连续搅拌；末端电磁搅拌参数：360 A、7 Hz、交替搅拌（搅拌7 s间隔2 s再搅拌7 s ）。

焊丝钢铸坯低倍组织按标准GB/T 24178—2009《连铸钢坯凝固组织低倍评定方法》分析表明，使用末端电磁搅拌后，铸坯中心疏松、中心偏析和缩孔明显改善，评级均为0.5级，无明显组织偏析现象，铸坯质量明显改善。

某钢铁公司应用上述技术后，ER70S-6焊丝钢化学成分稳定，成品氮质量分数控制在0.0030%以下，硫质量分数稳定控制在0.008%~0.018%，钙质量分数控制在0.0005%以下。ER70S-6盘条夹杂物参照标准GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》测定为C类硅酸盐类为主，且均为较细的细系夹杂物，呈间断不连续状，长度评级为1.0级及以下，部分炉次夹杂物未达到评级标准，如图7所示。焊丝钢金相组织参照标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》测定为铁素体和珠光体，晶粒尺寸约为10 μm，晶粒度达到10级，如图8所示。

图7  焊丝钢夹杂物的(a)形状、尺寸与(b)能谱分析

图8  焊丝钢金相组织：(a)盘条边部；(b)盘条心部

目前，该钢铁公司的ER70S-6焊丝钢月产量稳定在1.5万t以上。直径6.5和5.5 mm盘条已实现对天津、山东、唐山、沧州等知名焊材生产企业稳定供货。用户反馈盘条铁皮结构满足机械剥壳生产工艺要求，可正常拉拔至0.8 mm且不断丝，制成的焊丝焊接飞溅率低，整体质量处于国内领先水平。

（1）转炉–LF–连铸全流程氮质量分数控制技术实现气保焊丝钢氮质量分数稳定在0.0030%以下，C类夹杂物评级为1.0级及以下，成品焊丝盘条拉拔性能明显改善，可正常拉拔至0.8 mm且不断丝，完全满足客户要求。

（2）利用LF双渣系精炼技术精确控制硫质量分数，将钢水硫质量分数稳定控制在0.008%~0.018%，同时将钢水钙质量分数稳定控制在5×10^?6以下，可有效解决焊接过程中飞溅率高的问题。

（3）连铸生产采用结晶器和末端组合电磁搅拌工艺，铸坯中心疏松、中心偏析、缩孔评级均为0.5级，铸坯低倍组织明显改善，无组织偏析现象，铸坯质量稳定可控。