177-paper-衡钢管坯和钢管显微夹杂物性质及来源分析

1衡钢管坯和钢管显微夹杂物性质及来源分析彭其春，陈本强，李光强,吴汉军（武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉，430081）彭自胜徐景峰李阳华石绍清孙群保宁建成(衡阳钢管厂)摘要：论叙了衡管LF前－LF后－VD后－中包－管坯－钢管的各工序显微夹杂物在钢中的数目变化及粒径分布，分析了显微夹杂物在圆铸坯径向截面的分布以及钢管坯沿横向和纵向的数目变化，探讨了夹杂物的来源。结果表明，应该实施增加脱氧用铝量，改进中包保护渣等措施。关键词：短流程；显微夹杂物；圆管坯1前言衡阳钢管厂EAF-LF/VD-HCC短流程生产系统是十分具有特色的管材生产线，其对钢水质量有严格的要求；该过程对显微夹杂物形成规律有较大影响，夹杂物的类型、大小、变形行为及分布规律和产品质量有密切关系[1-2]。为此对过程夹杂物行为进行系统研究用以指导生产，优化过程夹杂物的控制，以期获得高质量的管坯。2衡管电炉炼钢工艺及试验方案2.1炼钢工艺衡阳炼钢分厂管坯水平连铸生产线，采用超高功率电弧炉－炉外精炼－全水平连铸这种紧凑的生产流程生产圆管坯。炉外精炼采用了LF钢包精炼炉,VD真空脱气处理装置，喂丝机等多种精炼手段。钢包采用了全程吹氩及长水口保护浇注等措施。2.2试验方案分别在电炉终点、钢包炉处理前后、中间包、连铸正常坯和连浇坯、轧管取钢样和渣样进行分析，采用示踪法对钢中夹杂物来源进行研究；运用化学分析、金相显微镜和扫描电镜、EDAX能谱分析对钢中夹杂物组成、尺寸及分布规律、轧制过程中的行为进行研究。3显微夹杂性质及来源分析3.1各工序夹杂物变化试验炉次在各工序显微夹杂物粒径分布见表1。表1试验炉次在各工序显微夹杂物粒径分布平均值，%Table1Theparticlediameterdistributionaverageofmicroinclusioninexperimentalheatforeachprocess工序个数(个/mm2)10μm10-15μm15-20μm20μmLF1010.8575.4617.044.542.96LF后8.4868.6219.497.794.07VD后8.9371.8417.286.194.66中包15.6382.611.533.232.64铸坯16.0583.3410.343.932.39钢管16.2580.329.954.625.112（图表中“LF10”表示进入LF处理10分钟后）试验炉次各工序显微夹杂物平均个数的变化见图1。10.858.488.9315.6316.0516.250.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.00LF10LF后VD后中包铸坯轧管夹杂物平均个数(个/mm2)图1试验炉次各工序显微夹杂平均个数的变化Fig.1Theaveragenumberchangeofmicroinclusioninexperimentalheatforeachprocess20μm15-20μm10-15μm10μm0102030405060708090不同粒径所占百分比/%LF10LF后VD后中包铸坯钢管图2各工序显微夹杂物的粒径分布Fig.2Theparticlediameterdistributionofmicroinclusionforeachprocess由试验数据得出，在进入LF处理10分钟后，显微夹杂物的平均个数为10.85个/mm2，LF处理后平均个数为8.48个/mm2。可见LF精炼去除夹杂物的效果较明显。从LF后到VD，夹杂物数目还略有上升,这与现场工艺操作有关,主要是由于VD处理过程中抽真空效果不好或抽真空时间太短造成的。因此，应该加强设备管理，保证VD处理条件，适当延长真空处理时间，以提高VD去除夹杂的能力。从LF后（VD后）到中包，夹杂物数目有明显升高，表明与钢液接触的炉衬和炉渣中的氧化物分解，向钢液供氧，造成钢液污染。中包到铸坯的夹杂物数目也略有升高，表明有钢液裸露在空气中被二次氧化或有保护渣卷渣现象[3-4]存在。由于中间包钢水深度较低，钢包下渣量较大，中包保护渣易结壳吸附夹杂物能力较低，使得浇注过程卷渣和钢水二次氧化现象较严重，钢中微型夹杂物的数量高。从铸坯到轧管，一部分夹杂物（如MnS和Al2O3）受轧制应力作用改性变形，所以从铸坯到轧管的夹杂物数目略有增加。由于在精炼处理和浇注过程中夹杂物不断上浮，外来夹杂物不断进入到钢水中，使得显3微夹杂物的数量和粒径发生变化，见表1和图2。静态夹杂物的上浮速度可用斯托克斯公式［5］进行计算。mppmpgdu18/2式中：pu——夹杂物自由上浮速度/cm﹒s-1；m，p——钢液和夹杂物的密度/g﹒cm-3；g——重力加速度/dyn﹒g-1;m——钢液粘度/g﹒(cm﹒s)-1；pd——夹杂物直径/cm。由公式可知，夹杂物的上浮速度与其半径的平方成正比，所以夹杂物颗粒越大，越容易上浮，因而小颗粒夹杂物的比例越来越高。但对于钢中存在的细小夹杂物来说已不再遵循Stokes定律或在钢液中上浮速度很慢，很难进一步去除。3.2铸坯和钢管的夹杂物分布铸坯饼样试样取样如图3所示取出7个小样，然后将小样加工成20×20×15mm3试样，用于金相分析。铸坯饼样显微夹杂物的数量变化见图4。1213141516171819012345678夹杂物平均个数(个/mm2)图3铸坯取样方法图4铸坯饼样显微夹杂物的数量变化Fig.3ThesamplingmethodofcastingblankFig.4Thenumberchangeofmicroinclusionforbiscuit结果表明：（1）在铸坯上下方向上，中心部位最多，由于铸坯在凝固过程中中心部位早期是液态，四周钢液中的夹杂物在凝固之前向液心扩散，从而导致中心部位夹杂物数量相比其它部位高；其次为下部1/4处、上边部。下部1/4处夹杂物数量比上边部多；上部1/4处比较少，是由于此处在凝固过程中夹杂物向液心扩散；而夹杂物最少的部位是下边部，此处夹杂物不仅上浮，同时向液心扩散，且上浮和扩散方向都是向上，其夹杂物上浮和扩散力度比较大，从而导致此处夹杂物数量最少。（2）在铸坯水平方向上，夹杂物分布相对于中心对称；在1/4处夹杂物最多，其次是中心部位，边部最少。因为钢液在凝固过程中，边部夹杂物经过1/4处向中心扩散，而1/4处下部的夹杂物上浮至1/4处导致1/4处夹杂物最多，边部最少。钢管试样取样如图5对试样沿轧制方向和垂直轧制方向做金相分析和显微组织分析。试验炉次钢管轧制方向和垂直方向显微夹杂数量见表2。沿轧制方向显微夹杂物平均数量为16.15个/mm2，沿垂直轧制方向为16.38个/mm2，两者相差0.23个/mm2，相差率为1.45％。这是因为钢管采用的是穿孔螺旋轧制，铸坯在沿轧制方向和垂直轧制方向的变形率接近。经钙处理后，只有极小部分MnS、Al2O3夹杂被改性12345674为CaS和铝酸钙夹杂，占绝大多数的MnS、Al2O3夹杂在轧制过程中易延展，而CaS和铝酸钙夹杂则不易延展。MnS、Al2O3夹杂在轧制过程中沿轧制方向和垂直轧制方向变形量相当。因此，沿轧制方向和垂直轧制方向的显微夹杂物数量基本上相当。表2试验炉次钢管横向和纵向显微夹杂数量，个/mm2Table2Thenumberofmicroinclusioninexperimentalheatfortubebloomalongside-wiseandlengthwise图5钢管取样方法Fig.5Thesamplingmethodoftubebloom3.3夹杂物来源分析试验炉次各工序的显微夹杂组成按含量从多到少排列见表3。表3各工序显微夹杂组成表Table3Thecompositiontableofmicroinclusionforeachprocess工序夹杂物组成LF座包MnS、CaS、硅酸盐、Al2O3、镁铝尖晶石、SiO2、CaOLF吊包镁铝尖晶石、硅酸盐、Al2O3、CaO、CaS、SiO2VD吊包硅铝酸盐、SiO2、硅酸盐、镁铝尖晶石管坯MnS、镁铝尖晶石、SiO2、CaS、硅铝酸盐、Al2O3、Si钢管MnS、镁铝尖晶石、SiO2、LaO、CaS、Al2O3、硅铝酸盐、CaO从表3可以看到钢样中显微夹杂在LF座包时，主要由氧化物、硫化物、耐火材料、钢包渣组成。精炼前期，硫含量较多，故硫化物夹杂多。LF吊包和VD吊包时，显微夹杂主要由硅铝酸盐、氧化物，耐火材料、钢包渣等。在扫描电镜下发现单独存在的CaO显微夹杂物，表明石灰未完全熔化，这会破坏钢管基体连续性。LF渣粘度较大，吸附夹杂物能力较低，使得显微夹杂物数量偏高。硅铝酸盐主要是Si-Al脱氧产物在上浮过程中聚集而成。Ca处理效果不是很明显，含钙夹杂物很少。CaS应该是Ca处理产物。因为精炼处理时间较长，炉衬耐火材料侵蚀较严重，钢液中属于耐火材料的夹杂物镁铝尖晶石也占有一定的比例。铸坯显微夹杂大多是复合夹杂，其各种夹杂物组成及含量如下：MnS夹杂含Mg复合夹杂CaS夹杂硅铝酸盐复合夹杂Si夹杂Al2O3夹杂SiO2夹杂CaO夹杂。硫化物夹杂最多，其中大部分硫化物夹杂和其他复合夹杂混杂在一起。从管坯和钢管显微夹杂物组成来看，主要为含硅的夹杂物，这和电炉出钢采用硅粉脱氧有很大关系。但脱氧产物SiO2不如Al2O3容易去除，所以应根据电炉终点定氧量，确定增加用Al量。钢种横向纵向SA-210C16.8115.9336Mn2V16.3716.1537Mn516.2616.2020G16.2316.21X4216.2216.22平均16.3816.155不含Mg的硅铝酸盐类夹杂主要来自Si-Al脱氧产物聚集而成。含Mg的复合夹杂物来源比较广泛，大部分都是各种夹杂物聚合而成。这类复合夹杂中不含Si的占43%，可能来自耐火材料，其他的检测到含LaO的占10%，来自钢包渣。含K的占8%来自中包保护渣。SiO2、Al2O3可能来自浇注过程中的二次氧化产物。纯度较高的CaO来自钢包渣中未完全熔化的石灰。在铸坯中，显微夹杂物的来源应该是：脱氧产物耐火材料钢包卷渣中包保护渣。4结论（1）在铸坯中，显微夹杂物的来源：脱氧产物〉耐火材料〉钢包卷渣〉中包保护渣。（2）从管坯和钢管显微夹杂物组成来看，主要为含硅的夹杂物，这和电炉出钢采用硅锰铁脱氧有很大关系。但脱氧产物SiO2不如Al2O3容易去除，所以应根据电炉终点定氧量，确定增加用Al量。(3)在扫描电镜下发现单独存在的CaO显微夹杂物，LF渣粘度较大，吸附夹杂物能力较低，使得显微夹杂物数量偏高，建议尽快在电炉和LF精炼炉使用活性石灰，并确定合适的渣系。（4）改进中包保护渣，增强吸附夹杂能力。增大中间包的容量，应增加中间包钢水熔池深度以提高钢水在中间包的理论停留时间。参考文献1LiZhengbang,WangQinghe.TheEffectofESRonInclusionCompositionofBall-bearingSteel[A].Proceedingsofthe1986VacuumMetallurgyConferenceonSpecialtyMetalsMeltingandProcessing[C].Pittsburgh,Pennsylvania.1986.147~153.2JYCogne,BHeritier,JMonnot.CleannessandFatiguelifeofBearingSteel[A].ProductionandApplicationofCleanSteels[M].Balatonfured,Hungary,TheIron&SteelInst,June23~26,1970:26~31.3ByrneM,FenicleTW,CrambAW.TheSourcesofExogenousInclusionsinContinuousCast,Aluminum-killedSteels[J].IronandSteelMaker,1988,15(