177paper衡鋼管坯和鋼管顯微夾雜物性質(zhì)及來源分析

177paper衡鋼管坯和鋼管顯微夾雜物性質(zhì)及來源分析彭其春，陳本強(qiáng)，李光強(qiáng),吳漢軍（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430081）彭自勝徐景峰李陽華石紹清孫群保寧建成(衡陽鋼管廠)摘要：論敘了衡管LF前－LF后－VD后－中包－管坯－鋼管的各工序顯微夾雜物在鋼中的數(shù)目變化及粒徑分布，分析了顯微夾雜物在圓鑄坯徑向截面的分布以及鋼管坯沿橫向和縱向的數(shù)目變化，探討了夾雜物的來源。結(jié)果講明，應(yīng)該實(shí)施增加脫氧用鋁量，改進(jìn)中包愛護(hù)渣等措施。關(guān)鍵詞：短流程；顯微夾雜物；圓管坯1前言衡陽鋼管廠EAF-LF/VD-HCC短流程生產(chǎn)系統(tǒng)是十分具有特色的管材生產(chǎn)線，其對鋼水質(zhì)量有嚴(yán)格的要求；該過程對顯微夾雜物形成規(guī)律有較大阻礙，夾雜物的類型、大小、變形行為及分布規(guī)律和產(chǎn)品質(zhì)量有緊密關(guān)系[1-2]。為此對過程夾雜物行為進(jìn)行系統(tǒng)研究用以指導(dǎo)生產(chǎn)，優(yōu)化過程夾雜物的操縱，以期獲得高質(zhì)量的管坯。2衡管電爐煉鋼工藝及試驗(yàn)方案2.1煉鋼工藝衡陽煉鋼分廠管坯水平連鑄生產(chǎn)線，采納超高功率電弧爐－爐外精煉－全水平連鑄這種緊湊的生產(chǎn)流程生產(chǎn)圓管坯。爐外精煉采納了LF鋼包精煉爐,VD真空脫氣處理裝置，喂絲機(jī)等多種精煉手段。鋼包采納了全程吹氬及長水口愛護(hù)澆注等措施。2.2試驗(yàn)方案分不在電爐終點(diǎn)、鋼包爐處理前后、中間包、連鑄正常坯和連澆坯、軋管取鋼樣和渣樣進(jìn)行分析，采納示蹤法對鋼中夾雜物來源進(jìn)行研究；運(yùn)用化學(xué)分析、金相顯微鏡和掃描電鏡、EDAX能譜分析對鋼中夾雜物組成、尺寸及分布規(guī)律、軋制過程中的行為進(jìn)行研究。3顯微夾雜性質(zhì)及來源分析3.1各工序夾雜物變化試驗(yàn)爐次在各工序顯微夾雜物粒徑分布見表1。表1試驗(yàn)爐次在各工序顯微夾雜物粒徑分布平均值，%Table1Theparticlediameterdistributionaverageofmicroinclusioninexperimentalheatforeachprocess工序個(gè)數(shù)(個(gè)/mm2)<10μm10-15μm15-20μm>20μmLF1010.8575.4617.044.542.96LF后8.4868.6219.497.794.07VD后8.9371.8417.286.194.66中包15.6382.611.533.232.64鑄坯16.0583.3410.343.932.39鋼管16.2580.329.954.625.11（圖表中“LF10”表示進(jìn)入LF處理10分鐘后）試驗(yàn)爐次各工序顯微夾雜物平均個(gè)數(shù)的變化見圖1。圖1試驗(yàn)爐次各工序顯微夾雜平均個(gè)數(shù)的變化Fig.1Theaveragenumberchangeofmicroinclusioninexperimentalheatforeachprocess圖2各工序顯微夾雜物的粒徑分布Fig.2Theparticlediameterdistributionofmicroinclusionforeachprocess由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，在進(jìn)入LF處理10分鐘后，顯微夾雜物的平均個(gè)數(shù)為10.85個(gè)/mm2，LF處理后平均個(gè)數(shù)為8.48個(gè)/mm2。可見LF精煉去除夾雜物的成效較明顯。從LF后到VD，夾雜物數(shù)目還略有上升,這與現(xiàn)場工藝操作有關(guān),要緊是由于VD處理過程中抽真空成效不行或抽真空時(shí)刻太短造成的。因此，應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)備治理，保證VD處理?xiàng)l件，適當(dāng)延長真空處理時(shí)刻，以提高VD去除夾雜的能力。從LF后（VD后）到中包，夾雜物數(shù)目有明顯升高，講明與鋼液接觸的爐襯和爐渣中的氧化物分解，向鋼液供氧，造成鋼液污染。中包到鑄坯的夾雜物數(shù)目也略有升高，講明有鋼液裸露在空氣中被二次氧化或有愛護(hù)渣卷渣現(xiàn)象[3-4]存在。由于中間包鋼水深度較低，鋼包下渣量較大，中包愛護(hù)渣易結(jié)殼吸附夾雜物能力較低，使得澆注過程卷渣和鋼水二次氧化現(xiàn)象較嚴(yán)峻，鋼中微型夾雜物的數(shù)量高。從鑄坯到軋管，一部分夾雜物（如MnS和Al2O3）受軋制應(yīng)力作用改性變形，因此從鑄坯到軋管的夾雜物數(shù)目略有增加。由于在精煉處理和澆注過程中夾雜物不斷上浮，外來夾雜物不斷進(jìn)入到鋼水中，使得顯微夾雜物的數(shù)量和粒徑發(fā)生變化，見表1和圖2。靜態(tài)夾雜物的上浮速度可用斯托克斯公式［5］進(jìn)行運(yùn)算。式中：——夾雜物自由上浮速度/cm﹒s-1；，——鋼液和夾雜物的密度/g﹒cm-3；——重力加速度/dyn﹒g-1;——鋼液粘度/g﹒(cm﹒s)-1；——夾雜物直徑/cm。由公式可知，夾雜物的上浮速度與其半徑的平方成正比，因此夾雜物顆粒越大，越容易上浮，因而小顆粒夾雜物的比例越來越高。但關(guān)于鋼中存在的細(xì)小夾雜物來講已不再遵循Stokes定律或在鋼液中上浮速度專門慢，專門難進(jìn)一步去除。3.2鑄坯和鋼管的夾雜物分布鑄坯餅樣試樣取樣如圖3所示取出7個(gè)小樣，然后將小樣加工成20×20×15mm3試樣，用于金相分析。鑄坯餅樣顯微夾雜物的數(shù)量變化見圖412341234567圖3鑄坯取樣方法圖4鑄坯餅樣顯微夾雜物的數(shù)量變化Fig.3ThesamplingmethodofcastingblankFig.4Thenumberchangeofmicroinclusionforbiscuit結(jié)果講明：（1）在鑄坯上下方向上，中心部位最多，由于鑄坯在凝固過程中中心部位早期是液態(tài)，四周鋼液中的夾雜物在凝固之前向液心擴(kuò)散，從而導(dǎo)致中心部位夾雜物數(shù)量相比其它部位高；其次為下部1/4處、上邊部。下部1/4處夾雜物數(shù)量比上邊部多；上部1/4處比較少，是由于此處在凝固過程中夾雜物向液心擴(kuò)散；而夾雜物最少的部位是下邊部，此處夾雜物不僅上浮，同時(shí)向液心擴(kuò)散，且上浮和擴(kuò)散方向差不多上向上，其夾雜物上浮和擴(kuò)散力度比較大，從而導(dǎo)致此處夾雜物數(shù)量最少。（2）在鑄坯水平方向上，夾雜物分布相關(guān)于中心對稱；在1/4處夾雜物最多，其次是中心部位，邊部最少。因?yàn)殇撘涸谀踢^程中，邊部夾雜物通過1/4處向中心擴(kuò)散，而1/4處下部的夾雜物上浮至1/4處導(dǎo)致1/4處夾雜物最多，邊部最少。鋼管試樣取樣如圖5對試樣沿軋制方向和垂直軋制方向做金相分析和顯微組織分析。試驗(yàn)爐次鋼管軋制方向和垂直方向顯微夾雜數(shù)量見表2。沿軋制方向顯微夾雜物平均數(shù)量為16.15個(gè)/mm2，沿垂直軋制方向?yàn)?6.38個(gè)/mm2，兩者相差0.23個(gè)/mm2，相差率為1.45％。這是因?yàn)殇摴懿杉{的是穿孔螺旋軋制，鑄坯在沿軋制方向和垂直軋制方向的變形率接近。經(jīng)鈣處理后，只有極小部分MnS、Al2O3夾雜被改性為CaS和鋁酸鈣夾雜，占絕大多數(shù)的MnS、Al2O3夾雜在軋制過程中易延展，而CaS和鋁酸鈣夾雜則不易延展。MnS、Al2O3夾雜在軋制過程中沿軋制方向和垂直軋制方向變形量相當(dāng)。因此，沿軋制方向和垂直軋制方向的顯微夾雜物數(shù)量差不多上相當(dāng)。表2試驗(yàn)爐次鋼管橫向和縱向顯微夾雜數(shù)量，個(gè)/mm2Table2Thenumberofmicroinclusioninexperimentalheatfortubebloomalongside-wiseandlengthwise鋼種橫向縱向SA-210C16.8115.9336Mn2V16.3716.1537Mn516.2616.2020G16.2316.21X4216.2216.22平均16.3816.15圖5鋼管取樣方法Fig.5Thesamplingmethodoftubebloom3.3夾雜物來源分析試驗(yàn)爐次各工序的顯微夾雜組成按含量從多到少排列見表3。表3各工序顯微夾雜組成表Table3Thecompositiontableofmicroinclusionforeachprocess工序夾雜物組成LF座包MnS、CaS、硅酸鹽、Al2O3、鎂鋁尖晶石、SiO2、CaOLF吊包鎂鋁尖晶石、硅酸鹽、Al2O3、CaO、CaS、SiO2VD吊包硅鋁酸鹽、SiO2、硅酸鹽、鎂鋁尖晶石管坯MnS、鎂鋁尖晶石、SiO2、CaS、硅鋁酸鹽、Al2O3、Si鋼管MnS、鎂鋁尖晶石、SiO2、LaO、CaS、Al2O3、硅鋁酸鹽、CaO從表3能夠看到鋼樣中顯微夾雜在LF座包時(shí)，要緊由氧化物、硫化物、耐火材料、鋼包渣組成。精煉前期，硫含量較多，故硫化物夾雜多。LF吊包和VD吊包時(shí)，顯微夾雜要緊由硅鋁酸鹽、氧化物，耐火材料、鋼包渣等。在掃描電鏡下發(fā)覺單獨(dú)存在的CaO顯微夾雜物，講明石灰未完全熔化，這會(huì)破壞鋼管基體連續(xù)性。LF渣粘度較大，吸附夾雜物能力較低，使得顯微夾雜物數(shù)量偏高。硅鋁酸鹽要緊是Si-Al脫氧產(chǎn)物在上浮過程中集合而成。Ca處理成效不是專門明顯，含鈣夾雜物專門少。CaS應(yīng)該是Ca處理產(chǎn)物。因?yàn)榫珶捥幚頃r(shí)刻較長，爐襯耐火材料腐蝕較嚴(yán)峻，鋼液中屬于耐火材料的夾雜物鎂鋁尖晶石也占有一定的比例。鑄坯顯微夾雜大多是復(fù)合夾雜，其各種夾雜物組成及含量如下：MnS夾雜>含Mg復(fù)合夾雜>CaS夾雜>硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜>Si夾雜>Al2O3夾雜>SiO2夾雜>CaO夾雜。硫化物夾雜最多，其中大部分硫化物夾雜和其他復(fù)合夾雜混雜在一起。從管坯和鋼管顯微夾雜物組成來看，要緊為含硅的夾雜物，這和電爐出鋼采納硅粉脫氧有專門大關(guān)系。但脫氧產(chǎn)物SiO2不如Al2O3容易去除，因此應(yīng)依照電爐終點(diǎn)定氧量，確定增加用Al量。不含Mg的硅鋁酸鹽類夾雜要緊來自Si-Al脫氧產(chǎn)物集合而成。含Mg的復(fù)合夾雜物來源比較廣泛，大部分差不多上各種夾雜物聚合而成。這類復(fù)合夾雜中不含Si的占43%，可能來自耐火材料，其他的檢測到含LaO的占10%，來自鋼包渣。含K的占8%來自中包愛護(hù)渣。SiO2、Al2O3可能來自澆注過程中的二次氧化產(chǎn)物。純度較高的CaO來自鋼包渣中未完全熔化的石灰。在鑄坯中，顯微夾雜物的來源應(yīng)該是：脫氧產(chǎn)物>耐火材料>鋼包卷渣>中包愛護(hù)渣。4結(jié)論（1）在鑄坯中，顯微夾雜物的來源：脫氧產(chǎn)物〉耐火材料〉鋼包卷渣〉中包愛護(hù)渣。（2）從管坯和鋼管顯微夾雜物組成來看，要緊為含硅的夾雜物，這和電爐出鋼采納硅錳鐵脫氧有專門大關(guān)系。但脫氧產(chǎn)物SiO2不如Al2O3容易去除，因此應(yīng)依照電爐終點(diǎn)定氧量，確定增加用Al量。(3)在掃描電鏡下發(fā)覺單獨(dú)存在的CaO顯微夾雜物，LF渣粘度較大，吸附夾雜物能力較低，使得顯微夾雜物數(shù)量偏高，建議盡快在電爐和LF精煉爐使用活性石灰，并確定合適的渣系。（4）改進(jìn)中包愛護(hù)渣，增強(qiáng)吸附夾雜能力。增大中間包的容量，應(yīng)增加中間包鋼水熔池深度以提高鋼水在中間包的理論停留時(shí)刻。參考文獻(xiàn)1LiZhengbang,WangQinghe.TheEffectofESRonInclusionCompositionofBall-bearingSteel[A].Proceedingsofthe1986VacuumMetallurgyConferenceonSpecialtyMetalsMeltingandProcessing[C].Pittsburgh,2JYCogne,BHeritier,JMonnot.CleannessandFatiguelifeofBearingSteel[A].ProductionandApplicationofCleanSteels[M].Balatonfured,3ByrneM,FenicleTW,CrambAW.TheSourcesofExogenousInclusionsinContinuousCast,Aluminum-killedSteels[J].IronandSteelMaker,1988,15(6):41~50.4ByrneM,CrambAW.OperatingExperiencewithLargeTundishes[J]