20g钢中夹杂物研究精品

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20g钢中夹杂物研究
闫卫兵1，2，杨海平2，任毅1，2
(1．北京科技大学冶金学院，北京100083; 2．河北钢铁集团宣钢公司炼钢厂，河北宣
化075100)
摘要:20g钢在轧制过程中易发生表面纵裂，对钢水中氧、氮含量和纯净度要求严格。

研究了宣钢炼钢厂生产20g钢过程中各工序钢中全氧及氮含量的变化，夹杂物的种类及粒度分布，大型夹杂物的组成、分布及其来源。

介绍了非稳态浇铸对铸坯洁净度的影响，使用示踪剂追踪了夹杂物的来源，并制定了改进措施，20g钢铸坯质量得到显著改善。

关键词:20g钢;夹杂物;研究
1 前言
宣钢炼钢厂生产20g钢工艺流程为:120 t顶底复吹转炉→130t LF精炼→连铸。

选取了20g钢1个中包浇次的中间包前2炉取样。

在钢包和中间包钢液中取氧氮样、电解样，在连铸浇铸过程中切取铸坯样，取样前在钢包渣、中间包覆盖剂加入示踪元素，并利用结晶器保护渣中固有的示踪剂K和Na跟踪钢包渣、中间包覆盖剂、结晶器对钢液的污染。

根据铸坯样中夹杂物的示踪剂判定夹杂物的来源，对铸坯样进行夹杂物的检验，分析其夹杂物的种类、数量、形态、分布。

2 各工序钢中全氧及氮含量的变化
钢中的氧、氮含量主要与转炉冶炼、炉外精炼及保护浇铸有关。

因此，分别在钢包、中间包及铸坯取样，精炼过程钢中平均T［O］和［N］的变化规律如图1所示，浇铸过程中间包钢液中平均T［O］和［N］的变化规律如图2所示，铸坯中平均T［O］和［N］的变化规律如图3所示。

由图1可知，20g 钢在精炼过程中的氧、氮含量变化为:在LF精炼过程中吹氩搅拌，钢液面波动较大，极易发生二次氧化，致使钢中氧氮含量升高;LF精炼末期，钢水通过弱氩气底吹，使钢水中氧氮含量降低。

分析图1、2可知，20g钢在浇铸过程中的氧、氮含量变化为:钢液由钢包流入中间包时保护浇铸效果较差，二次氧化严重，且非稳态钢液面波动较大，容易造成卷渣，致使钢液污染，洁净度下降。

非稳态浇铸时钢液洁净度较差，二次氧化严重，应严格保护浇铸。

换包时应及时调整拉速，避免中间包钢液面产生较大波动。

一般在浇铸过程中，钢液中的夹杂物经过钢包和中间包的上浮，夹杂物数量减少，钢的洁净度升高。

但在图3(a)所示的试验中，铸坯中的T［O］和［N］却有升高的反常现象，为了核实数据的准确性，将铸坯中切取的备样再次进行氧氮分析，结果如图3(b)所示。

分析认为:中间包内钢液由1流向6流流动过程中有二次氧化，致使6流铸坯中氧氮含量升高。

3 各工序钢中夹杂物的分析
对20g钢试样进行金相试验，观察钢中夹杂物的形貌，主要有球形、三角形和不规则夹杂物3种。

3．1 LF精炼中夹杂物的组成
LF精炼中钢水的夹杂物主要是球形，其他氧化物和点状硫化物尺寸较小。

其中钙铝酸盐和钙硅酸盐较多，硫化钙夹杂较少。

钙铝酸盐夹杂组成为Ca 20%～50%、Al 10%～15%、Si 5%～7% 。

3．2 LF处理后夹杂物的组成
LF处理后钢水中沿晶硫化物较多，且有聚集状铝氧化物。

钢水中的夹杂物主要有硫化
锰和氧化铝。

硫化锰夹杂物组成为Mn 30%～50%、S 20%～30%，氧化铝夹杂物组成为Al 30%～40%、Fe3%～20% 。

3．3 中间包内钢水的夹杂物组成
中间包钢水夹杂物主要是粒径10 μm 左右的氧化物和硫化物，以及少量的沿晶硫化物，其中氧化物主要是钙硅铝镁复合夹杂物，硫化物主要是硫化锰夹杂物。

复合夹杂物组成为Ca 15%～30%、Si5%～10%、Al 3%～10%、Mg＜5%，硫化锰夹杂物组成为S 10%～30%、Mn 20%～50%。

3．4 铸坯中夹杂物的组成
20g钢铸坯中夹杂主要有3类:CaS－SiO2－Al2O3复合夹杂物、MnS夹杂、Al2O3夹杂，其中CaS－SiO2－Al2O3复合夹杂物最多，其次是MnS夹杂，Al2O3夹杂最少。

铸坯中夹杂物含硫较高，CaS－SiO2－Al2O3复合夹杂硫含量为3%～15%，MnS夹杂中硫含量约为25%。

3．5 各工序钢中夹杂物数量的变化
各工序20g钢中夹杂物的变化如图4、5所示。

分析图4、5可知:
(1) LF精炼后期，经过钙处理后钢水中夹杂物已经变性，同时钢水经过搅拌，取样时夹杂物并未完全上浮。

因此LF精炼后钢水应有足够弱氩气搅拌时间使显微夹杂物充分上浮，才能达到去除夹杂物的目的。

(2) LF精炼后至浇铸前钢包静置，钢液稳定，有利于夹杂物上浮。

因此中间包钢水内夹杂物明显降低，但仍未达到LF精炼中的水平。

(3) 中间包稳态浇铸时效果不理想，应优化中间包流场，进一步降低稳态浇铸时钢液中夹杂物含量。

(4) 夹杂物在结晶器中进一步去除，铸坯洁净度较高。

3．6 铸坯中夹杂物数量分布
铸坯从内弧到外弧取10个点，在500倍金相显微镜下观察，统计各个点处夹杂物的数量和分布。

根据统计结果用体积率法计算夹杂物数量，夹杂物按粒度分为0～5μm、5～10μm、10～15μm、15～20μm四级。

20g钢正常坯和开机坯中夹杂物在铸坯厚度上沿内弧到外弧的体积率分布如图6、7所示。

由于粒径15～20μm夹杂很少，所以图中没有绘制其夹杂物体积率分布。

由图6、7可知:
(1) 在距内弧1/4处夹杂物数量最高，开机坯中夹杂物数量沿内弧到外弧波动较大，正常坯中夹杂物分布较平均。

(2) 铸坯中夹杂物粒径较小，以＜10μm的夹杂物占大多数。

其中0～5μm的占60%，5～10μm的占35%，10～15μm的较少，占5%。

(3) 正常坯中夹杂物平均总体积率0．149%，铸坯洁净度较高;开机坯中显微夹杂物平均总体积率为0．184%，是正常坯的1．23倍。

4 各工序钢中大型夹杂物分析
将取自宣钢的20g试样进行大样电解试验，经过试样的加工、电解、分离、称重等过程，对电解出来的大型夹杂物数量、粒度进行统计，并对其成分进行扫描电镜分析。

4．1 LF精炼中大型夹杂物的组成
LF精炼过程中大型夹杂物形貌多呈块状，形状不规则，粒度较大。

LF精炼过程钢液中主要有以下几类夹杂:
(1) SiO2－Al2O3夹杂，这类夹杂数量最多，形态多为块状，且粒径较大，主要是脱氧产物，其能谱成分见表1。

(2) SiO2夹杂，这类夹杂SiO2含量达到70%以上，形状不规则，主要来自于钢包渣，其
组成为SiO2 70．4%，Fe2O3 29．6% 。

(3) CaO－SiO2－Al2O3复合夹杂，其组成为CaO 8．1%～13．28%，SiO214．86%～22．45%，Al2O3 3．23%～8．19%，其余为Fe2O3。

(4) MnO夹杂。

夹杂中含有很高的TiO2，这类夹杂物数量很少，其能谱成分见表2。

4．2 LF精炼后大型夹杂物的组成
LF精炼后大型夹杂物多为块状，形状不规则，少量球形夹杂，粒度较LF 精炼中减小。

LF精炼后钢液中大型夹杂物主要有以下几类:
(1) CaO－SiO2－Al2O3－MnO复合夹杂。

这类夹杂含量最多:一部分形状不规则;一部分呈球形，成分范围波动较大，主要由脱氧产物和精炼渣复合形成。

其能谱成分见表3、4。

(2) SiO2－Al2O3夹杂。

这类夹杂呈块状，颜色发黄，SiO2含量较高，达到40%以上。

其能谱成分见表5。

4．3 中间包钢液中大型夹杂物的组成
中间包钢液中大型夹杂物球形较多，部分为块状夹杂，形状不规则。

在中间包入口处大型夹杂物主要为SiO2－Al2O3和SiO2夹杂，在中间包出口处主要为CaO－SiO2－Al2O3－MnO 复合夹杂、SiO2－Al2O3夹杂和CaO－SiO2－Al2O3复合夹杂。

中间包出口处大型夹杂多为复合夹杂，且MgO含量比入口处要高。

分析可知中间包工作层为镁质，钢液在中间包流动过程中，对中间包工作层冲刷侵蚀卷入到钢液中，与夹杂物相互碰撞结合，形成大型复合夹杂。

4．4 铸坯中大型夹杂物的组成
铸坯中大型夹杂物主要为含硫的CaO－SiO2－Al2O3－MgO复合夹杂和少量的SiO2夹杂。

其中含硫复合夹杂组成为:SO3 15%～20%、SiO2＜40%、CaO＜15% 、MgO＜7%、Al2O3 5%～17%;SiO2夹杂中SiO2＞70%。

4．5 大型夹杂物总量分析
冶炼过程各工序钢液中大型夹杂物数量变化如图8所示。

转炉出钢后大型夹杂物含量很高，可能是由于转炉下渣严重所致。

经LF精炼夹杂物变性，同时底吹氩气搅拌，大型夹杂物上浮排出，去除效果较好。

LF精炼后大型夹杂物含量为40．8mg/10 kg，比LF精炼前降低97．3%，钢水洁净度较高。

非稳态浇铸时，由于钢水液面波动较大，卷渣和二次氧化严重，使钢中大型夹杂物含量再次升高。

稳态浇铸时钢中夹杂物数量基本与LF精炼后的水平相当，但仍较高。

铸坯中大型夹杂物数量变化如图9所示。

开机坯中大型夹杂物含量偏高，应减少开浇和换包时的钢液面波动，避免长水口缝隙吸气导致的二次氧化。

正常坯中大型夹杂物含量低，洁净度较高。

由于宣钢中间包为双中包结构(见图10)，钢液由1流向6流流动过程中，夹杂物慢慢上浮，所以6流正常坯中大型夹杂物含量比1流低20．02%，钢中大型夹杂物得到进一步去除。

4．6 大型夹杂物粒度分析
大型夹杂物粒径分布如图11所示。

中间包钢液由入口流出首先经过1流，极易形成短路流，大颗粒夹杂来不及上浮，直接流入结晶器，造成1流铸坯中大颗粒夹杂较多。

而钢液在流向6流的过程中，大颗粒夹杂由于浮力较大，优先上浮，所以在6流铸坯中大颗粒夹杂比1流减少43．04%。

此外，由于中间包液面波动，部分钢液有机会与空气接触发生二次氧化形成小颗粒夹杂，使6流铸坯中粒径80～140 μm夹杂增加3．25 mg/10 kg。

因此，应对中间包流场进行优化，以尽量去除大颗粒夹杂，避免增加小颗粒夹杂，充分发挥中间包的冶金功能，提高铸坯的洁净度
4．7 大型夹杂物来源分析
为了确定铸坯中大型夹杂物的来源，对含有示踪元素的夹杂物个数进行统计，如图12所示。

(1) 铸坯大型夹杂物中含La2O3的夹杂物约占总测试数的77%，含Ce2O3的夹杂物约占总测试数的54%，含Na2O和K2O的夹杂物占总测试数的98%。

这说明在浇铸过程中，从钢包→中间包→结晶器→铸坯卷渣现象严重。

(2) 含2种以上示踪剂成分的夹杂物占总测试数的79%，说明大多数夹杂物有多种来源并在钢液中相互碰撞聚集长大。

(3) 从示踪剂元素所占比例可以看出，铸坯中的大型夹杂物主要来源于结晶器保护渣，其次是钢包渣和中间包渣。

5 非稳态浇铸对铸坯洁净度的影响
在钢水浇铸过程中，非稳态是指开浇、换包前后、浇铸结束时钢水液面波动较大、拉速变化频繁的浇铸状态。

由于在此状态下，钢水二次氧化及湍流卷渣比稳态严重，从而影响钢水的洁净度，因此加强对非稳态浇铸的控制对提高铸坯洁净度的稳定性非常关键。

中间包钢水稳态浇铸时显微夹杂平均含量为55．5个/ mm2，非稳态浇铸时为57．6个/mm2，比稳态浇铸时高2．1个/mm2;中间包钢水稳态浇铸时大型夹杂物平均含量为57．25mg/10kg，非稳态浇铸时为318．89mg/10 kg，是稳态浇铸时的5．57倍。

正常坯中夹杂物平均含量为38．5个/mm2，开机坯中为58．5个/mm2，是正常坯的1．5倍;正常坯中大型夹杂物平均含量为18．13 mg/10 kg，开机坯中为33．14 mg/10 kg，是正常坯的1．8倍。

以上数据说明非稳态浇铸对铸坯洁净度影响很大，是影响产品合格率的主要因素。

因此，提高非稳态浇铸操作的稳定性是提高产品整体质量的关键。

6 改进措施
(1) 20g钢铸坯中MnS夹杂较多，硫含量较高，为20%～35%。

增加铁水预处理工序，可减少铁水中硫带入转炉，降低转炉终点硫含量。

(2) 20g钢铸坯中主要是10 μm 以下的小粒径夹杂，控制LF后期弱氩气搅拌，使小颗粒夹杂黏附在气泡表面排入渣中，并延长软吹氩时间5min，提高LF去除夹杂物的能力。

(3) 进一步提高操作水平，缩短换包时敞浇时间;改善长水口密封，减少长水口吸气，从而减少钢水二次氧化。

(4) 20g钢铸坯中大型夹杂物主要是大于300μm的复合夹杂，大部分来源于中间包和结晶器卷渣。

采用钢包长水口下渣检测、利用钢包称重减少钢包下渣量; 采用中间包称重，严格恒重恒液面操作，杜绝低液面操作，减少卷渣。

(5) 开展中间包增设挡墙+坝或挡墙+坝+阻流器的试验研究，解决钢水停留时间短、夹杂物无法完全上浮的问题。

(6) 采用恒拉速拉钢实现稳态浇铸，减少中间包和结晶器液面波动，提高铸坯的纯净度。

通过以上措施的实施，宣钢生产的20g钢连铸坯内部质量得到显著改善，可以满足轧管生产和用户的要求。