逯志方,李艷霞 ,董 慶 ,趙昊乾,鄭佳星,李家楊
(1.邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司,河北 邢臺 054027;2.河北省線材工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邢臺 054027)
隨著煉鋼工藝技術(shù)的發(fā)展及耐火材料品質(zhì)壽命的提升,鋼水連澆爐數(shù)不斷增加,生產(chǎn)成本逐步降低。連澆爐數(shù)對鋼材的質(zhì)量尤其是鋼中非金屬夾雜物的含量有較大的影響[1-10]。彭其春等研究了澆次內(nèi)不同澆鑄階段低碳鋼連鑄板坯及高強(qiáng)鋼鑄坯的潔凈度[1-2],發(fā)現(xiàn)澆次末期因中間包、結(jié)晶器卷渣等因素造成鋼水夾雜物含量多,唐德池等對IF鋼不同澆注階段潔凈度進(jìn)行研究[3],得出同樣的結(jié)論,殷雪等研究了低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中間包澆注過程夾雜物的行為[4],發(fā)現(xiàn)每爐鋼包開澆時(shí)與澆注末期,鋼中全氧含量高于澆注中期的全氧含量。瑞典Hagfors Uddeholm Tooling公司的技術(shù)人員研究了鋼包使用次數(shù)對鋼水中非金屬夾雜物形成的影響[5],發(fā)現(xiàn)鋼包使用18次以上時(shí),鋼中夾雜物總數(shù)增加明顯。
很多學(xué)者對軸承鋼中大型夾雜物來源進(jìn)行了研究[6-10],分別發(fā)現(xiàn)鋼中大型夾雜物主要來源于精煉渣、引流砂及水口結(jié)瘤物等。目前尚未有學(xué)者詳細(xì)研究長時(shí)間澆鑄下連澆爐數(shù)對軸承鋼中非金屬夾雜物的影響,本文結(jié)合軸承鋼生產(chǎn)實(shí)際情況,選擇一個(gè)澆鑄性能良好的長澆次(共澆鑄29爐鋼水),確認(rèn)連鑄工序中間包、塞棒等耐材使用正常,水口內(nèi)壁光滑無附著物,采用掃描電鏡、極值分析等方法詳細(xì)研究了連澆爐數(shù)對軸承鋼中非金屬夾雜物的影響。
煉鋼工序采用BOF→LF→RH→CC工藝生產(chǎn)高碳鉻軸承鋼連鑄坯,試驗(yàn)澆次鋼水主要成分控制如表1所示,連鑄坯采用二火成材工藝生產(chǎn)Φ5.5~26 mm的盤條。選取澆注性能良好的一個(gè)長澆次(連澆29爐,澆注完水口內(nèi)壁光滑,無明顯的夾雜物附著層),對鋼中的氣體成分、非金屬夾雜物等技術(shù)指標(biāo)控制情況進(jìn)行詳細(xì)研究。
表1 軸承鋼成分 %
1)氧氮分析
對試驗(yàn)澆次內(nèi)每爐鋼坯生產(chǎn)的熱軋盤條取樣,加工成Φ5 mm的試樣,采用美國LECOTCH600氧氮?dú)渎?lián)合測定儀分析檢測試樣的全氧、全氮含量。
2)非金屬夾雜物
采用FEI Explorer 4 金屬分析儀對澆次內(nèi)第4爐、第6爐、第25爐、第29爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條的非金屬夾雜物進(jìn)行自動掃描檢測,詳細(xì)分析檢測尺寸在3 μm(Dmax)以上的氧化物夾雜的尺寸、形貌、成分等信息。對自動掃描檢測到的每個(gè)夾雜物進(jìn)行人工確認(rèn),以排除制樣檢測過程中拋光粉、灰塵等污染物對分析結(jié)果的影響。
采用ASTM E2283-08[11]標(biāo)準(zhǔn)方法對第6爐、第28爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條的大顆粒夾雜物尺寸進(jìn)行了極值分析預(yù)測。
試驗(yàn)澆次內(nèi)各爐次T.O及T.N含量控制變化如圖1所示,T.O含量控制波動范圍為(4.0~8.0)×10-6,平均為5.5×10-6,T.N含量控制波動范圍為(20~35.5)×10-6,平均為26.5×10-6,總體上各爐次T.O及T.N含量控制處于較好的控制水平。鋼中T.O及T.N含量隨連澆爐數(shù)的增加沒有明顯的變化,且各爐次T.O含量與T.N含量變化沒有明顯的規(guī)律性,這可能與連鑄工序保護(hù)澆注效果較好有關(guān)。第15爐鋼中T.N含量35.5×10-6,明顯高于其他爐次,T.O含量4.5×10-6,處于較好的控制水平,經(jīng)分析調(diào)研氮含量偏高主要受出鋼時(shí)間及LF精煉時(shí)間較長影響。第23爐次T.O含量為8.0×10-6,控制偏高,可能與該爐次連鑄工序燒眼開澆造成鋼水二次氧化有關(guān)。
圖1 澆次內(nèi)各爐次T.O及T.N控制變化
考慮到軸承鋼中非金屬夾雜物控制特點(diǎn)及研究需要,重點(diǎn)研究了CaO-Al2O3-MgO系非金屬夾雜物的成分及尺寸控制變化情況,試驗(yàn)澆次內(nèi)部分爐次非金屬夾雜物控制如圖2所示。隨著連澆爐數(shù)的增加,夾雜物中CaO含量有升高的趨勢,夾雜物尺寸無明顯的變化規(guī)律,總體上隨著分析檢測面積的增加,非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸及成分波動均增加。
圖2 鋼中非金屬夾雜物成分與尺寸控制
對檢測試樣中尺寸>9 μm的非金屬夾雜物(第25爐試樣)進(jìn)行詳細(xì)分析,夾雜物成分、形貌如圖3所示。尺寸最大的為MgO-Al2O3夾雜物(Ds1.0級,最大尺寸為25 μm),其次為MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜,CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜。單一的較大尺寸MgO-Al2O3夾雜物可能為LF精煉初期或大包澆注過程生成的,MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜可能為精煉過程中小尺寸的MgO-Al2O3夾雜物與較大尺寸的CaO-Al2O3夾雜物碰撞生成的,CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜主要為凝固過程中CaS夾雜物在CaO-Al2O3夾雜物周圍析出長大形成的。結(jié)合夾雜物尺寸及成分信息,這些較大尺寸的夾雜物為內(nèi)生夾雜物,與連澆爐數(shù)的提升沒有關(guān)系。
圖3 鋼中典型大尺寸夾雜物形貌及成分
由于各爐次生成的熱軋盤條尺寸不同,不同爐次分析的非金屬夾雜物試樣的面積不同,為減少分析偏差,對不同爐次試樣的夾雜物控制指數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖4所示,其中數(shù)量指數(shù)為夾雜物數(shù)量與檢測面積的比值,面積指數(shù)為夾雜物面積與檢測面積的比值。從圖4中可以看出,隨連澆爐數(shù)的增加,夾雜物數(shù)量指數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律,但夾雜物面積指數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢。
圖4 非金屬夾雜物指數(shù)控制
考慮到試驗(yàn)澆次非金屬夾雜物分析檢測的爐數(shù)少且檢測面積較小,為更有效的評估連澆爐數(shù)對非金屬夾雜物尤其是大顆粒夾雜物的影響,采用ASTM E2283-08標(biāo)準(zhǔn)方法分別對第4爐、第28爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條(直徑分別為18 mm與17 mm,規(guī)格相近)的大顆粒夾雜物尺寸進(jìn)行了極值統(tǒng)計(jì)分析。每爐生產(chǎn)的盤條在任意6盤上分別取1根試樣,檢測試樣橫截面上的球狀或近球狀非金屬夾雜物的最大尺寸,每個(gè)試樣分別檢測4次,每次拋磨量>30 μm,每爐盤條共計(jì)24個(gè)檢測數(shù)據(jù),大顆粒夾雜物極值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出,第6爐鋼材在預(yù)測面積為254 500 mm2條件下(逆程周期為1 000 T),預(yù)測的最大尺寸非金屬夾雜物為29.89 μm,第28爐鋼材在預(yù)測面積為226 980 mm2條件下,預(yù)測的最大尺寸非金屬夾雜物為38.39 μm(Ds2.0級),隨著連澆爐數(shù)的增加,鋼材中最大尺寸非金屬夾雜物尺寸變大,但夾雜物尺寸控制能夠滿足軸承鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016中優(yōu)質(zhì)軸承鋼Ds夾雜物級別要求。
圖5 大顆粒夾雜物極值統(tǒng)計(jì)分析
在非金屬夾雜物電鏡自動檢測與極值統(tǒng)計(jì)分析中,均未發(fā)現(xiàn)大尺寸外來夾雜物,理論上隨著澆次內(nèi)連澆爐數(shù)的增加,鋼包狀況,中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣等性能變化,會對鋼水中內(nèi)生夾雜物的上浮、去除產(chǎn)生不利影響,此外,引流砂、中包耐材、塞棒耐材等性能惡化,還會造成外來夾雜物進(jìn)入鋼水風(fēng)險(xiǎn)的增加,同時(shí)若水口內(nèi)壁附有結(jié)瘤物,隨著連澆爐數(shù)的增加,極易進(jìn)入鋼水中形成超大型夾雜物,從而降低鋼材的疲勞性能。
(1)鋼中T.O及T.N含量隨連澆爐數(shù)的增加沒有明顯的變化,且各爐次T.O含量與T.N含量變化沒有明顯的相關(guān)性。
(2)隨著連澆爐數(shù)的增加,夾雜物中CaO含量有升高的趨勢,夾雜物尺寸及數(shù)量指數(shù)無明顯的變化規(guī)律,夾雜物面積指數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢。隨著分析檢測面積的增加,非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸及成分波動均增加。
(3)檢測試樣中尺寸>9 μm的三類非金屬夾雜物分別為MgO-Al2O3夾雜物、MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜以及CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜。結(jié)合夾雜物尺寸及成分信息,這些較大尺寸的夾雜物為內(nèi)生夾雜物,與連澆爐數(shù)的提升沒有關(guān)系。
(4)極值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,1 000 T逆程周期條件下,第6爐、第28爐鋼材預(yù)測的最大尺寸非金屬夾雜物分別為29.89 μm和38.39 μm,隨著連澆爐數(shù)的增加,鋼材中最大尺寸非金屬夾雜物尺寸變大,但夾雜物尺寸控制能夠滿足軸承鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016中優(yōu)質(zhì)軸承鋼Ds夾雜物級別要求。