H08焊条钢连铸坯质量的研究

H08焊条钢连铸坯质量的研究摘要：转炉用准沸腾钢生产工艺冶炼H08焊条钢，生产过程中钢水的脱氧程度决定了钢中非金属夹杂物的形态和行为，会直接影响到钢的质量。

为改善H08焊条钢的质量，特别对连铸坯进行了必要的检测分析，并对H08焊条钢连铸坯中非金属夹杂物的形态与行为作了深入的研究。

碳素焊条钢必须具备低电焊耗电、高熔敷效率以及焊缝金属材料性能优良的工艺性能，因此钢中碳、硅含量要求都很低，在焊条钢的标准中对它的化学成分有严格的要求。

日本、美国、德国等发达国家的钢铁公司准沸腾钢的冶炼和连铸技术已达到很高的水平，多功能RH真空精炼处理是实现用连铸机浇铸准沸腾钢的关键技术手段。

但是，这一技术所需设备投资大，工艺复杂，处理成本高，在我国它很难为一般厂家所采纳。

在国内唐山钢铁集团公司(以下简称唐钢)首先开发出以转炉冶炼→钢包吹Ar、喂线、成分微调→方坯连铸的工艺流程生产准沸腾钢的技术，目前许多厂家也采用这种工艺生产碳素焊条钢、低碳拉丝钢等。

在无真空处理的条件下铝是最好的脱氧元素。

但过高的[A1]将会恶化钢的焊接性能，因此采用钢水脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间的弱脱氧工艺来生产准沸腾钢，这样即可在保证残铝量w(A1)≤0.008％前提下，连铸能够顺利浇钢，又使钢坯的凝固过程不发生皮下气泡缺陷。

1 生产工艺及实验方案唐钢H08焊条钢的生产工艺流程为：150t转炉冶炼→钢包吹Ar并用MnAl、FeMn、SiCaBa合金和喂CaFe 线、CaAl线进行脱氧和合金化→135mm×135mm小方坯连铸→高速线材轧制→成品盘条。

H08焊条钢成分见表1。

实验共选取8炉次有代表性的连铸坯试样。

对铸坯的凝固组织结构、铸坯的气孔和非金属夹杂物进行检验分析。

取样炉次的工艺参数见表2。

表1 H08A普通碳素焊条钢的化学成分表2 取样炉次工艺数据2 铸坯的凝固组织由铸坯横断面的浸蚀试样观测到，铸坯急冷层一般为1.5～3.5mm，接着柱状晶一直生长到接近铸坯中心，中心等轴晶区宽约8～15 mm，上述情况分别见照片1、2、3。

并且随铸坯气孔量增多冷却强度降低，柱状晶粗化。

除3、4个炉次外，铸坯中心都存在着内裂，部分有微缩孔。

与一般铸坯的凝固组织相比较，本钢种铸坯凝固组织的柱状晶相当发达，几乎达到穿晶状态。

形成原因主要是由于钢的成分中合金元素含量低，并且铸坯断面小，冷却速度快，使凝固过程中溶质元素偏析低，有利于柱状晶生长。

有资料认为，含C量对准沸腾钢凝固组织有很大影响。

w(C)=0.1％左右为一次树枝状晶组织，w(C)>0.15％为二次树枝状晶组织，而w(C)<0.08%时为网络状凝固组织。

本次送检的8炉H08焊条钢均w(C)<0.08％，但浸蚀试样上未见网络状凝固组织，主要是一次柱状晶组织，没有二次枝晶生长。

由照片1可见，在距铸坯表面约2mm处一次柱状晶开始生长，并与传热方向有一定的倾斜，倾斜角度在10～15°的范围。

这里仅在较清晰的各炉1号试样上测定一次枝晶间距，情况见表3。

表3 一次枝晶间距测量值试样号一次枝晶间距/㎜距铸坯表面9㎜处距铸坯表面18㎜处1 0.200 0.2002 0.165 0.1663 0.163 0.1974 0.157 0.1935 0.1936 0.162 0.2227 0.205 0.1838 0.238 0.22533 铸坯中的气孔准沸腾钢连铸凝固时，易形成铸坯表层皮下气孔，铸坯气孔会影响钢的轧制和深加工，因此应尽量避免形成气孔。

准沸腾钢的脱氧程度要求控制在一个很狭窄的范围内。

连铸时由于钢水含氧量控制不当，其含量偏高时，在凝固过程中温度降低，钢水中的溶质元素平衡受到破坏，连续地冷却使碳与氧不能达到新的平衡状态，于是CO气体不停地析出。

最后析出的气体不可能浮出钢液面，滞留在钢中形成与柱状晶共同生长的表层气孔。

由于准沸腾钢仅析出少量CO气体，且连铸坯内部凝固时钢水的压力增大，所以就阻碍气泡在铸坯内部生成，而仅在铸坯表层形成气孔。

根据IRSID模型，气泡生成和发育的条件为：P g-2σl／g/r≥P1式中，P g为钢液中溶解气体的压力，MPa；P1为钢水局部液体压力，MPa；2σl／g/r为表面压力为σl／g时，液面气泡半径为r的压力，MPa。

凝固钢液出现气泡时，P1=0.1MPa，若r>200μm，则2σl／g/r可忽略不计，此时，P g≥0.1MPa时出现气泡。

所以保证铸坯质量的关键是控制临界气泡的形成，也就是P g=P CO+P N2+P H2<P1，其中最主要的是C0气泡的生成，即CO临界尺寸气泡的生成。

研究的5号样炉次脱氧不充分，造成铸坯表层向里约20mm的范围形成大量气孔，气孔的分布情况见横断面低倍酸浸试样的照片4。

典型的气孔端头形貌见照片5。

对取样各炉铸坯横断面低倍酸浸试样的气孔距表面最深距离观测情况列在表4中。

根据观测，在距铸坯表面4mm处，平行于坯表面的纵剖试样(即观察面垂直于柱状晶和气孔生长方向)，它能更好地反应出气孔的数量分布密度，在铸坯上述剖面的中间20mm×18mm的试样上，气孔的数量分布及气孔直径大小情况也在表4中。

表4 H08焊条钢剖样气孔状况参数试样号气孔个数气孔直径/㎜气孔距表面最深距离/㎜1 1 0.20 32 3 0.23 123 1 0.2645 50 0.60-0.91 236 12 0.20-0.51 67 15 0.28-0.44 68 12 0.29-0.53 8通过表2相关的大包内钢液的氧活度αo参数与表4气孔状况参数相比较，可看到气孔的数量分布密度、孔径大小和气孔深度基本与钢中[0]含量相对应，所以避免铸坯出现气孔的关键是控制钢中氧含量。

由横断面试样可观察到气孔量增大，铸坯中心内裂及微缩孔情况加剧，很可能是显微气孔产生造成的结果。

4 铸坯中的非金属夹杂物焊条钢是用于制造各种焊条、焊丝的主要原材料，其盘条须经用户多次拉拔深加工，这就要求生产的钢材具有良好的拉拔性能，即均匀的材料性能，良好的塑性和冷加工性能。

为了保证这些性能，要求钢具有较高的纯净度，尤其是钢中大于50μm的大型夹杂含量要低。

因此有必要对该钢种中的夹杂物进行较深入的研究，以便于生产过程中控制它的产生。

大型夹杂物是影响焊条钢拉拔深加工的主要危害之一，用大样电解法制取钢中非金属夹杂物，将取得的较大夹杂物用电镜进行能谱分析。

分别电解8炉钢的连铸坯试样，制取的夹杂物基本相同。

其钢中大型夹杂物的平均值为0.1235×10-6。

由于5号试样含氧量高，其夹杂物类型更复杂，故以5号试样为例，电解的夹杂物见体视显微镜拍摄的照片9，由照片9可见到3种主要夹杂物，并分别作能谱分析。

①透明球状夹杂物，颜色逐渐由无色透明到淡黄色或淡紫色。

成分见能谱图1、2。

无色透明者为较纯的Si02，颜色较淡者为铁锰硅酸盐。

图1 球状复杂成分硅酸盐夹杂能谱图图2 球状含Zr高的复杂成分硅铝酸盐夹杂能谱图②灰白色不透明无光泽球状夹杂物，成分见能谱图1，为复杂硅酸盐。

③不透明深灰色到黑色有光泽球状夹杂物，成分见能谱图2，是复杂玻璃相，其中Zr含量较高，是受到耐火材料污染所致。

4.1 夹杂物的金相研究及能谱分析用金相法观测连铸坯的非金属夹杂物，选择典型夹杂物用电镜进行能谱分析。

金相观察的主要夹杂物类型：第1种为二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物，见金相照片6为简单硅酸盐类夹杂物，其能谱图基本相似于能谱图1、2；第2种为深灰色复杂硅酸盐夹杂物，见金相照片7；第3种为硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，有以硅酸盐为基体附着硫化物的复相夹杂物，见电镜照片10，也有以硫化物为基体附着硅酸盐的双相夹杂物，见电镜照片11。

第4种为铁锰氧化物固溶体夹杂，见金相照片8，大多小于3μm，主要存在于5号试样中，其它炉号未见。

电解的夹杂物中未见此种夹杂物，主要是由于它颗粒小制取过程中被水冲走。

为了避开内弧侧夹杂物聚集的影响，在横断面上垂直内外弧方向上的铸坯中心取样。

抛光试样在500倍显微镜下每处观测100个视场，用网格记点法测定夹杂物所占体积率。

根据观测将夹杂物分为上述4种类型和3种粒径范围(Φ10μm以下、Φ10μm～Φ20μm和Φ20μm以上)，观测到Φ30 μm以上的大型夹杂物很少，所见最大夹杂物约Φ100μm。

4.2 夹杂物观测结果及分析(1)H08焊条钢连铸坯中主要夹杂物有3种，第1种为二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；第2种为复杂硅酸盐夹杂物；第3种为硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物。

第1种夹杂物主要是钢水氧化产物；第2种夹杂物主要是钢水氧化产物和脱氧产物的融合物；第3种夹杂物的形成是由于准沸腾钢氧含量较高，使S在铁中的溶解度降低，因此在凝固过程的较高温度下就开始沉淀。

硫化物的析出与钢的脱氧产物液态铁锰硅酸盐的析出同时进行，就形成硅酸盐与硫化物相复合的夹杂物。

而由于偏晶反应的结果形成一种球形的硫化物中含有氧化物的溶液，当温度下降时夹杂物中先是硫化物从硅酸盐中析出，而后是氧化物沉淀，固态下是一种双相夹杂物。

当钢水含氧量高，含硅量很低时(如5号样炉次w(Si)=0.006％)，将出现大量的铁锰氧化物固溶体夹杂。

钢水含氧高还可造成对耐火材料的浸蚀，产生含Zr的复杂硅铝酸盐夹杂。

(2)从7个炉次3种夹杂物3个粒径范围和总量的平均体积分数上看(见表5)，第1和第2两种夹杂在3个粒径范围都有分布；第3种夹杂主要为Φ10μm以下的夹杂物，且大多小于3 μm，其总量体积分数最高，即夹杂中其含量最高。

但大型夹杂以第1种最多，第2种次之。

表5 3种夹杂物各粒度范围的平均体积分数％种类＜10μm10-20μm＞20μm总量1 0.029 0.018 0.006 0.0532 0.016 0.012 0.001 0.0293 0.093 0.006 0 0.099(3)在铸坯横断面内外弧方向上，从表层至铸坯中心各炉次夹杂物总量的体积分数是随机分布的。

但随钢水含氧量的增高，其各部位夹杂总量有升高的趋势。

(4)在铸坯横断面中心内外弧方向上，从第7炉次的夹杂物总量体积分数的分布来看，其夹杂物在内弧侧距坯表面约30mm处含量最高，其体积分数达0.55％，见图3。

与镇静钢相比，准沸腾钢连铸坯内弧侧的夹杂物聚集尚不十分显著，这主要是由于凝固过程CO析出促进了夹杂物上浮，明显减轻了大型夹杂在内弧侧的聚集。

图3 夹杂物由内弧至外弧方向上的分布图5 结论(1)H08焊条钢铸坯凝固组织的柱状晶相当发达，几乎达到穿晶状态，无二次枝晶出现。

(2)准沸腾钢连铸凝固时易形成铸坯表层皮下气孔，气孔的数量分布密度、孔径大小和气孔深度基本与钢中[O]含量相对应，所以避免铸坯出现气孔的关键是控制钢中氧含量。