趙春華 巴鈞濤 馮玉合(.中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部煉鋼廠，黑龍江604；.中國第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

自2010年起，我公司生產(chǎn)的支承輥與軋輥在精加工序成批出現(xiàn)表面外露夾雜缺陷。夾雜外露多發(fā)生在一錠出多件的鋼錠上，如44 t錠出4件、63 t錠出6件時(shí)易出現(xiàn)外露夾雜。而48 t錠和63 t錠出一件或兩件的則很少或沒有出現(xiàn)夾雜外露的情況。據(jù)此分析可能與鍛件的拔長比有關(guān)系，即拔長比過大，鋼錠中固有的A型偏析向表面移動(dòng)，在隨后的機(jī)械加工中容易暴露在表面。這是產(chǎn)生外露夾雜的外部原因。內(nèi)部原因則是鋼錠的純凈度差，如鋼水純凈則不會(huì)出現(xiàn)如此嚴(yán)重的夾雜外露，外露夾雜的外觀形態(tài)見圖1。

多數(shù)外露夾雜存在于細(xì)的輥頸處，少數(shù)出現(xiàn)于輥身。UT探傷時(shí)不能發(fā)現(xiàn)，粗加工過程正常，基本都在精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)。夾雜形態(tài)可歸納為細(xì)小條狀缺陷、彌散分布點(diǎn)狀缺陷和較大明顯帶有白色外露夾渣缺陷三種。

1 缺陷性質(zhì)分析

1.1 取樣

對錠重為63 t的YB-70鋼支承輥進(jìn)行了解剖。精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，在字端輥徑外表面局部有肉眼可見的夾雜缺陷。為確定缺陷性質(zhì)，對該部位先用鋸床切取了?289 mm×200 mm試片，再用氣割方式軸向取下帶有外露夾雜的150 mm×100 mm×70 mm試塊(圖2)，對外露夾雜面進(jìn)行酸洗低倍檢驗(yàn)，然后用鉬絲切割方式取了3個(gè)20 mm×15 mm×10 mm的金相塊，進(jìn)行高倍檢驗(yàn)。再用鉬絲切割方式把剩余試塊分解成兩個(gè)試塊，各在外露夾雜的對面用鉬絲切割縱向開出鋸口，打開斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

a) 點(diǎn)狀分布的外露夾雜 b) 較大且明顯帶有白色夾渣的外露夾雜圖1 支承輥外露夾雜外觀形態(tài)Figure 1 Configuration of exposed inclusions of backup roll

1.2 低倍檢驗(yàn)

經(jīng)酸洗后檢驗(yàn)，類似多條短而細(xì)小的宏觀裂紋更加清晰可見(見圖3)。

圖2 取樣部位示意圖Figure 2 The schematic drawing of sampling position

圖3 多條細(xì)小裂紋的缺陷表面 Figure 3 Defective surface with small cracks

圖4 木紋狀斷口的宏觀形貌(4×)Figure 4 The macro morphology of wood grain shaped fracture(4×)

1.3 斷口檢驗(yàn)

縱向斷口的宏觀形態(tài)為典型的木紋狀斷口，堆積在一起呈條帶狀分布的外來夾雜(夾渣)隨處可見(見圖4)。

1.4 高倍檢驗(yàn)

縱向夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果為：硫化物細(xì)系0.5級(jí)，氧化鋁細(xì)系1級(jí)，硅酸鹽粗系>5級(jí)，球狀細(xì)系0.5級(jí)，橫向夾雜物的C類夾雜也同樣>5級(jí)。其分布特征為縱向呈條帶狀分布(見圖5)，橫向呈密集型分布(圖6)。50倍下觀察到面積和含量這樣高的外來夾雜實(shí)屬少見。

1.5 掃描電鏡能譜檢驗(yàn)

根據(jù)掃描電鏡能譜檢驗(yàn)，堆積在條帶處的密集型夾雜以Ca、Si、Mg、F、Al、O為主的元素成分含量較高，其形貌特征是多數(shù)為沿縱向斷口呈密集型長條狀分布(見圖7～圖9)。據(jù)此，可以斷定，夾雜的成分中存在精煉渣。

圖5 外來夾雜縱向分布(50×) Figure 5 The longitudinal distribution of foreign inclusions(50×)

圖6 對應(yīng)縱向部位的橫截面外來夾雜Figure 6 The foreign inclusions in cross section corresponding to vertical position

圖7 條狀?yuàn)A渣(23×)Figure 7 The strip inclusions

圖8 呈灰白色條帶狀分布的外來夾渣(100×)Figure 8 The offwhite band shaped distribution of foreign inclusions (100×)

圖9 夾渣處局部能譜成分檢測結(jié)果Figure 9 The EDS test results of local slag inclusion position

CSiMnPSCrNiMoV0.48～0.580.40～0.700.40～0.70≤0.015≤0.0154.50～5.500.40～0.500.45～0.600.10～0.20

2 冶煉工藝

2.1 化學(xué)成分

YB-70支承輥的化學(xué)成分見表1。

2.2 冶煉工藝

電爐提供粗煉鋼水→精煉爐真空精煉→真空澆注鋼錠。精煉爐在鋼水受鋼前，在包底加入錳鐵或鋁塊進(jìn)行預(yù)脫氧。石灰∶螢石=4∶1造高堿性渣。用碳粉、硅鐵粉、硅鈣粉擴(kuò)散脫氧，不用鋁粉。粉狀脫氧劑在渣料加入后分兩批加入，溫度達(dá)到1 560℃以后調(diào)整合金成分。成分達(dá)到要求后將溫度升至1 650℃進(jìn)入真空工位，在266.644 Pa以內(nèi)保持20 min。真空結(jié)束后升溫至1 560～1 570℃，按劑量0.5 kg/t加入硅鈣塊終脫氧，然后出鋼。鋼錠采用真空澆注，真空度不大于66.66 Pa，澆注溫度1 520～1 540℃。

3 討論分析

根據(jù)掃描電鏡分析結(jié)果，夾雜物為各種元素的氧化物，元素中含有很高的F、Ca、Mg。可以判斷，其成分中含有精煉渣，但同時(shí)不能否定有內(nèi)生夾雜存在。

鋼錠夾雜物分為內(nèi)生夾雜與外來夾雜兩種，降低鋼錠內(nèi)生夾雜的主要方法有：加強(qiáng)精煉爐的脫氧，降低鋼水中的含氧量；真空后進(jìn)行軟吹，使小顆粒夾雜物有充分上浮的時(shí)間；澆注時(shí)注意保護(hù)，防止鋼水二次氧化；選擇合適的澆注溫度，使進(jìn)入鋼錠模的夾雜物可以良好上浮。而減少外來夾雜的方法有：澆注系統(tǒng)的清潔干燥以及防止?jié)沧r(shí)的卷渣進(jìn)入等。

根據(jù)分析，由于精煉包內(nèi)的精煉渣被直接卷入到鋼錠模內(nèi)造成外露夾雜的可能性幾乎為零，而由于精煉鋼水夾雜物未充分上浮、中間包內(nèi)沖刷的渣子隨鋼流進(jìn)入鋼錠模的可能性很大。因此，控制支承輥產(chǎn)生外露夾雜的思路要從提高精煉鋼水純凈度及減少隨中間包內(nèi)鋼水進(jìn)入鋼錠模內(nèi)渣子數(shù)量著手。

3.1 精煉鋼水的純凈度

3.1.1 精煉爐擴(kuò)散脫氧

為了保證爐渣的良好還原性，我們對冶煉工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。要求必須保證渣的堿度、粘度和一定的流動(dòng)性。粉狀脫氧劑沒有進(jìn)行調(diào)整，仍然以碳粉、硅鐵粉和硅鈣粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，為了延長在白渣下精煉的時(shí)間，在白渣形成以后，要每隔15 min～20 min繼續(xù)向爐內(nèi)加入20 kg左右的粉狀脫氧劑，確保渣中較低的FeO、MnO含量。

3.1.2 強(qiáng)化出鋼前的軟吹

從2011年起，我們認(rèn)識(shí)到出鋼前軟吹對小顆粒夾雜物上浮的重要性。在終脫氧喂完線以后，馬上將氬氣流量調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的40 L/min以下軟吹15 min，并且在軟吹后不能二次送電。這樣就保證了鋼水中細(xì)小夾雜物的充分上浮。

3.2 鑄錠環(huán)節(jié)夾雜物的控制

3.2.1 中間包清理

隨著生產(chǎn)節(jié)奏的加快，鑄錠準(zhǔn)備工作時(shí)間越來越短，澆后中間包不能及時(shí)翻包，造成中間包底粘渣嚴(yán)重，在循環(huán)使用時(shí)清理不凈。另外，在中間包周轉(zhuǎn)使用時(shí)，由于水口方磚炸裂而更換新方磚后，方磚處用剛玉澆注料打結(jié)的面積太大，不易打牢，在澆注時(shí)會(huì)隨鋼水進(jìn)入鋼錠模，來不及上浮而流在鋼錠中就增加了外露夾雜的風(fēng)險(xiǎn)。

澆注時(shí)中間包內(nèi)夾雜物流場模擬見圖10。在澆注過程中，夾雜物隨鋼水進(jìn)入中間包后，沿包底向包壁運(yùn)動(dòng)，再沿包壁返向鋼水表面，部分大顆料夾雜被吸附去除，但還有大部分夾雜物會(huì)隨著鋼水的循環(huán)流動(dòng)與鋼水混合在一起。模擬結(jié)果顯示，對于鋼錠危害較大的尺寸為200 μm的夾雜物隨鋼液進(jìn)入鋼錠模的幾率為43%。

當(dāng)中間包底存在未清理干凈的殘?jiān)鼤r(shí)，鋼液澆入后，粘層熔化，部分大顆粒夾雜可以上浮，但多數(shù)的夾雜會(huì)隨著鋼水在包內(nèi)循環(huán)流動(dòng)而混合。當(dāng)中間包注滿鋼水開澆后(大約4 min )，這些夾雜物便會(huì)進(jìn)入鋼錠模。如果在4 min內(nèi)包底殘?jiān)鼇聿患叭可细〉脑?，?huì)有很多的大顆粒夾雜物隨后續(xù)澆入的鋼水直接從水口澆入到鋼錠模內(nèi)。因此，澆注前一定要清理中間包。

圖10 60 t中間包夾雜物運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算結(jié)果Figure 10 The simulation result for inclusions motion in 60 t tundish

3.2.2 中間包卡渣

中間包鋼水表面存在一層渣子，由于在澆注過程中精煉渣進(jìn)入到中間包內(nèi)的數(shù)量很小，這層渣大部分是由中間包未清理干凈的殘?jiān)?、侵蝕的中間包耐火材料、鋼水二次氧化產(chǎn)物組成，數(shù)量不多，主要以SiO2、Al2O3、FeO、MnO及少量的CaO、CaF2等組成，渣子顏色為黑色。中間包內(nèi)的渣子如果進(jìn)入帽口內(nèi)，以SiO2、Al2O3、FeO、MnO為主的氧化物浮在鋼水面上，在鋼錠凝固過程中隨著鋼錠模內(nèi)鋼水的循環(huán)作用帶入到鋼錠下部而形成夾雜物。因此，澆注時(shí)要對中間包采取措施防止氧化渣進(jìn)入鋼錠模。

4 應(yīng)用效果

采取以上改進(jìn)措施后，支承輥加工時(shí)外露夾雜的現(xiàn)象有了明顯的好轉(zhuǎn)，再未出現(xiàn)過成批的外露夾雜報(bào)廢質(zhì)量事故。

5 結(jié)論

(1)通過廢品解剖分析，確定了支承輥外露夾雜的主要成分是以Ca、Si、Mg、F、Al、O為主的元素，存在著精煉渣的成分。

(2)精煉鋼水不純凈、中間包清理不干凈及中間包卡渣不好，都可能產(chǎn)生外露夾雜。

(3)通過加強(qiáng)精煉爐的擴(kuò)散脫氧，強(qiáng)化出鋼前軟吹，可以提高鋼水的純凈度。

(4)通過嚴(yán)格清理中間包的底渣和卡渣，可以有效防止外露夾雜的產(chǎn)生。

[1] 邱紹岐，祝桂華.電爐煉鋼原理及工藝.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.