彭其春,段雯君,田 俊,彭勝堂,孔勇江,李具中

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室,湖北武漢,430081;2.武漢鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部,湖北武漢,430080)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代社會中扮演著極其重要的角色,現(xiàn)代工業(yè)對鋼的性能要求越來越高,這促進了煉鋼工藝技術(shù)和裝備的發(fā)展。種類繁多的爐外處理技術(shù)不斷出現(xiàn),已經(jīng)成為煉鋼生產(chǎn)中不可缺少的配套手段[1-2],其中吹氬是使鋼液成分和溫度均勻、促進鋼液中夾雜物上浮的一種主要精煉手段。

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼可廣泛應(yīng)用于建筑、化工、汽車制造、航空航天、家電制造以及金屬成品制造等多種行業(yè),因后續(xù)工序有較高的深加工要求,對其純凈度的要求也越來越高[3]。夾雜物在鋼中的行為對鋼的組織、性能有著顯著的影響,因此分析鋼中夾雜物的形態(tài)、數(shù)量、分布及組成對研究鋼材缺陷的類型、形成具有重要的意義[4]。

本文從提高連鑄坯質(zhì)量的角度出發(fā),對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在不同工序階段(吹氬站精煉、中間包、鑄坯)中的顯微夾雜、大型夾雜和T[O]、[N]的含量進行了分析,旨在了解鋼中夾雜物在各工序階段的去除情況以及鋼中氧、氮含量的變化,以期為低成本高質(zhì)量生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼提供依據(jù)。

1 實驗方案

武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠四分廠采用200 t轉(zhuǎn)爐冶煉,出鋼過程采用鋁鐵預(yù)脫氧并加入中碳M n-Fe合金化,爐后吹氬站加入鋁線終脫氧,通過底吹氬攪拌調(diào)整成分和溫度后,在直弧型連鑄機上澆注成規(guī)格為230 mm×1 300 mm的連鑄坯,鋼的成分如表1所示。

表1 鋼的主要化學(xué)成分(w B/%)Table 1 Chem ical com positions of steel

在實驗過程中,分別對轉(zhuǎn)爐出鋼合金化3 min后、精煉結(jié)束后(平均吹氬時間為20 m in)、中間包以及連鑄坯4個階段的鋼取樣,取樣4爐。其中中間包在大包內(nèi)鋼水澆注到大約一半時取樣;連鑄坯在鑄坯寬度方向1/4處取樣,并將所取鑄坯樣按厚度方向分成10塊小試樣,從上到下依次編號為1～10,如圖1所示。對1～9號試樣的下表面進行顯微夾雜分析,取其平均值。將試樣加工后,用金相分析法分析試樣中的顯微夾雜;采用大樣電解法分析鋼中粒徑d>50μm的大型氧化夾雜物,工藝流程包括電解、淘洗、還原和分離。分離出來的夾雜物進行粒度分級,采用XL 30TM P掃描電鏡及EDAX PHOEN IX能譜分析儀分析其形貌及組成,然后對典型夾雜物利用電子探針進行定量的成分分析;用Tc500氧氮分析儀對鋼中T[O]、[N]含量進行檢測分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼中非金屬夾雜物

2.1.1 顯微夾雜物

在不同工藝階段鋼中顯微夾雜數(shù)量的平均值如表2所示。由表2中可知,在合金化3 min—吹氬站處理結(jié)束—中間包—鑄坯的過程中,鋼中顯微夾雜物的含量逐漸降低,經(jīng)吹氬處理后,鋼中顯微夾雜物數(shù)量比處理前減少了14.34%。由此可見,吹氬處理對去除鋼中夾雜物起到了一定的作用。由表2中數(shù)據(jù)還可看出,鋼中絕大部分的顯微夾雜物粒徑均小于15μm。

表2 不同工藝階段鋼中顯微夾雜物的數(shù)量Table 2 Number of m icro inclusionsat various processes

經(jīng)氬站精煉的鋼種在不同工藝階段鋼中夾雜物的種類如表3所示,鋼中典型夾雜物形貌及能譜圖如圖2所示。由表3中可以看出,合金化3 min時鋼中顯微夾雜物主要是A l2O3和少量的SiO2、M gO-SiO2;精煉結(jié)束時鋼中顯微夾雜物主要是A l2O3以及少量的硅鋁酸鹽、M nS、FeS和TiN;中間包鋼液中顯微夾雜物主要是A l2O3和少量的SiO2、A l2O3-SiO2及CaO-A l2O3;鑄坯中顯微夾雜物主要是A l2O3和少量的TiO2、SiO2、SiO2-A l2O3。

表3 不同工藝階段鋼中顯微夾雜物種類Table 3 Types of m icro inclusionsat various processes

鋁鎮(zhèn)靜鋼主要采用鋁脫氧方式脫氧,其主要的顯微夾雜物A l2O3和SiO2是脫氧產(chǎn)物及鋼液二次氧化產(chǎn)物在鋼中的殘留物;M gO-SiO2、CaOA l2O3等夾雜大多是因浮渣的卷入而形成;M nS和FeS等夾雜可能是鋼液在凝固過程中析出的;少量的硅鋁酸鹽夾雜主要由脫氧產(chǎn)物的聚集形成;因鈦有很強的形成氧化物、硫化物、氮化物以及碳化物的能力,因此夾雜物中還含有極少量的TiN和TiO2。

2.1.2 大型夾雜物

4爐鋼大型夾雜物含量平均值見表4。由表4中可見,大型夾雜物含量的平均值在合金化3 min后為25.87 mg/10kg,在精煉結(jié)束時為14.83 mg/10kg,下降幅度為42.7%;可見,經(jīng)氬站精煉處理后,鋼中夾雜有較大幅度的減少。中間包大型夾雜物含量平均值為12.35 mg/10kg,與精煉結(jié)束時相比,下降幅度為16.7%。

由表4中還可看出,從合金化3 min到鑄坯形成,鋼中夾雜物總量(包括d<50μm的夾雜物)平均值分別為53.01、35.67、27.41、18.77 mg/10kg,其中對應(yīng)的大型夾雜物(d>50μm)的含量分別為25.87、14.83、12.35、6.09 mg/10kg,占夾雜物總量的48.8%、41.6%、45%和32.4%,可見大型夾雜物在各工序中均占夾雜物總量的一半以下,顯微夾雜占較大比例。這是因為,底吹氬去除鋼中夾雜物的效率主要取決于氬氣泡和夾雜物的尺寸以及吹入鋼液的氣體量,大顆粒夾雜物比小顆粒夾雜物更容易被氣泡捕獲而去除[5]。此外,小直徑的氣泡捕獲夾雜物顆粒的概率比大直徑氣泡高。增加底吹透氣磚的面積和透氣磚數(shù)量(或在有限的吹氬時間內(nèi)成倍地增加吹入鋼液的氣泡數(shù)量)可以降低透氣磚出口處氬氣表觀流速,從而可脫離透氣磚出口處尺寸更小的氬氣泡。

各工序段鋼中典型大型夾雜物形貌及能譜圖如圖3～圖6所示。由能譜分析可知:①在合金化3 m in的鋼中,夾雜物主要呈球狀和顆粒狀,還有少量呈塊狀,其中球狀夾雜物主要是含Ca成分較高的復(fù)合夾雜,顆粒狀夾雜主要是硅鋁酸鹽;②精煉結(jié)束時鋼中主要是含Ca成分較高的球狀夾雜以及SiO2和SiO2-A l2O3夾雜;③中間包鋼液中的夾雜物主要呈3種形態(tài):輪廓清晰、表面光滑的SiO2夾雜,球塊狀的硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜,形狀規(guī)則的立方體顆粒狀CaO夾雜。一般認為鋼中不會出現(xiàn)單獨存在的CaO,故對于此類夾雜物的形成原因有待進一步研究;④鑄坯中的夾雜物主要是A l2O3、SiO2和尺寸很小、Ti含量較高的復(fù)合夾雜3種。

圖2 顯微夾雜物形貌及能譜圖Fig.2 SEM m icrograph and EDS pattern of m icro inclusions

表4 各工序鋼中大型夾雜物含量平均值Table 4 Average numbers of large inclusionsat various processes

各工序中較多的SiO2和硅鋁酸鹽夾雜主要是脫氧產(chǎn)物及其與耐火材料或爐渣反應(yīng)形成的,這說明鋼包渣的卷入和耐火材料的脫落對于鋼中大型夾雜物的形成有重要影響,故減少各個階段的下渣量,是減少鋼中大顆粒氧化物夾雜的有效措施。

鑄坯中的A l2O3、SiO2夾雜主要是脫氧產(chǎn)物未能及時排除,殘留下來而進入結(jié)晶器中,在結(jié)晶器或鑄坯凝固過程中聚集長大而形成較大顆粒的夾雜。中間包渣的卷入是形成大顆粒夾雜物的重要來源之一,而保持中間包鋼水液面的穩(wěn)定,對于減少鋼中大型夾雜物具有重要作用。這就要求在更換大包時,盡可能減少注流沖擊區(qū)造成的強烈紊流,避免把中間包渣卷入中間包鋼水中。同時,在更換大包時要控制好拉速,以防中間包鋼水液面過低,使中間包渣卷入結(jié)晶器。

圖3 合金化3 m in時鋼中夾雜物的形貌照片及能譜圖Fig.3 SEM m icrograph and EDS pattern of inclusions in the steel at 3-m inute alloying

圖4 精煉結(jié)束時鋼中夾雜物的形貌照片及能譜圖Fig.4 SEM m icrograph and EDS pattern of indusions in the steel at the end of the refin ing

圖5 中間包夾雜物形貌照片及能譜圖Fig.5 SEM m icrograph and EDS pattern of tundish inclusions

圖6 鑄坯中夾雜物形貌照片及能譜圖Fig.6 SEM m icrograph and EDS pattern of inclusions in the slab

2.2 鋼中氧和氮的含量

鋼中氧氮含量分析結(jié)果如表5所示。由表5中可知,氬站精煉前鋼液中w(T[O])較高,為109.30×10-6,精煉結(jié)束后鋼液中w(T[O])平均值為46.78×10-6,降低幅度為57.20%,表明采用吹氬精煉工藝可使鋼中大部分氧化物夾雜上浮去除,夾雜物數(shù)量明顯減少,從而使w(T[O])有較大幅度的降低。

表5 各工序段鋼中T[O])和[N]的含量Table 5 T[O],[N]of steel at various processes

從氬站精煉結(jié)束到中包的過程中,w(T[O])略有降低,降低幅度為9.19%,表明鋼液在運輸過程中,保證鋼包的有效鎮(zhèn)靜可使鋼水中部分夾雜物上浮。

吹氬精煉過程中,w([N])增加了1.73×10-6,可見在吹氬過程中存在鋼液暴露增氮現(xiàn)象。鋼包運輸過程中鋼中w([N])增加了2.45×10-6,澆注過程中w([N])增加了3.77×10-6,可見,鋼液中吸氮的驅(qū)動力相當大,要降低鋼中[N]的含量,有必要進一步加強鋼液的澆鑄保護。

3 結(jié)論

(1)鋼從合金化3 min后、精煉結(jié)束后、中間包鋼液至形成連鑄坯的過程中,其顯微夾雜物和大型夾雜物數(shù)量均呈下降趨勢。吹氬站精煉后鋼液中顯微夾雜物和大型夾雜物數(shù)量分別下降了14.3%和42.7%,采用吹氬精煉工藝可有效去除鋼液中大型夾雜物。

(2)在精煉處理前后、中間包、鑄坯鋼中顯微夾雜物主要為A l2O3、SiO2夾雜,這主要是脫氧產(chǎn)物和鋼液二次氧化產(chǎn)物在鋼中的殘留物;大型夾雜物主要為A l2O3、SiO2以及硅鋁酸鹽等復(fù)合夾雜。

(3)從轉(zhuǎn)爐出鋼到澆注完成,鋼中全氧含量逐步下降。采用低成本的吹氬精煉工藝,純凈度可基本滿足低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼高質(zhì)量加工的要求。

(4)鋼液在吹氬精煉及運輸過程中有較強的吸氮能力,加強鋼液的澆鑄保護可降低鋼中的氮含量。

[1] 王占學(xué).控制軋制與控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1987.

[2] 劉清友,侯豁然.微合金鋼超細組織的控制軋制[J].鋼鐵研究學(xué)報,2000,12(6):29-32.

[3] 吳忠有,張志克,武杰.低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中非金屬夾雜物控制實踐[J].冶金管理,2007(8):56.

[4] 彭其春,田俊,張學(xué)輝,等.冷軋板夾雜類表面缺陷研究的進展[J].煉鋼,2009,25(1):73-77.

[5] 薛正良,王義芳,王立濤,等.用小氣泡從鋼液中去除夾雜物顆粒[J].金屬學(xué)報,2003,39(4):431-434.