馬軍紅 樸占龍 王 雁 王碩明

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院、河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北唐山 063009)

Q235鋼中顯微夾雜物行為研究

馬軍紅 樸占龍 王 雁 王碩明

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院、河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北唐山 063009)

系統(tǒng)分析了我國北方某鋼廠采用120 t BOF→Ar Blowing→CC工藝生產(chǎn)的Q235鋼中氧氮含量、鋼中顯微夾雜物類型、尺寸、數(shù)量及分布的變化歷程。結(jié)果表明，鑄坯中w(T[O])平均為78.6×10-6，w([N])平均為52.1×10-6，顯微夾雜物數(shù)量為11.2個/mm2；顯微夾雜物以SiO2-Al2O3- MnO- TiO2- MnS復(fù)合夾雜為主，粒度在2.5～15 μm之間，其中0～5 μm的夾雜約占25.01%，5～10 μm的夾雜約占43.69%，10～15 μm的夾雜約占9.47%；顯微夾雜物在距內(nèi)外弧1/3～1/4處含量最高，邊部及中心部位夾雜物較少；鑄坯中含鋼包渣污染物的夾雜占41.2%，含中間包渣污染物的占23.3%。鋼包渣、中間包渣對夾雜物的吸附能力明顯不足，出鋼過程中應(yīng)加鈣鋁酸鹽基渣洗料對鋼包頂渣進(jìn)行改質(zhì)，從而降低鋼中夾雜物數(shù)量。

Q235 顯微夾雜 氧氮含量

北方某鋼廠采用120 t BOF→Ar Blowing→CC的工藝生產(chǎn)Q235鋼種，其中鋼包內(nèi)脫氧合金化后，再進(jìn)行2 min大吹，8 min靜吹。Q235冷軋板表面時常出現(xiàn)斑點(diǎn)、翹皮、孔洞等缺陷。為分析此類表面缺陷產(chǎn)生的原因，對該鋼廠生產(chǎn)的Q235鋼中氧氮含量、顯微夾雜物類型、數(shù)量、分布等的變化歷程進(jìn)行了系統(tǒng)分析[1]，以達(dá)到改進(jìn)工藝、減少夾雜物的目的。

1 示蹤試驗(yàn)

為確定夾雜物來源，向鋼包內(nèi)加入鋼包渣總量8%的示蹤劑La，中間包覆蓋劑中加入其總量8%的示蹤劑Ce，對夾雜物進(jìn)行示蹤分析[2- 3]。

分別在Q235鋼生產(chǎn)流程的吹氬前、吹氬后、5 min、20 mim時的中間包入口和出口取φ5 mm×6 mm的氧氮試樣及10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣。其中在鑄坯邊部1/4處由上(內(nèi)弧)到下(外弧)均勻取7個10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后在500倍金相顯微鏡下觀察并統(tǒng)計(jì)各個位置處顯微夾雜物的數(shù)量和尺寸。顯微夾雜物按粒徑分為0～5、5～10、10～15、15～20 μm 4級，利用體積率法計(jì)算顯微夾雜物的數(shù)量及分布。體積率法是對各類測量夾雜物粒子的體積和表面積的比值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

2.1 各工序鋼中氧氮含量及顯微夾雜物分析

采用Leco氧氮測試儀對各工序氧氮試樣進(jìn)行測定，各工序平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量如圖1所示。中間包澆注過程平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量如圖2所示，澆注過程鑄坯平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量如圖3所示。

圖1 各工序鋼中平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量

由圖1可知：

(1)鋼包吹氬前鋼中顯微夾雜數(shù)量為17.8 個/mm2，吹氬后顯微夾雜數(shù)量為9.2 個/mm2，較吹氬前降低了48.3%。

同時，鋼包吹氬后w(T[O])平均為144.7×10-6，較吹氬前降低了30.2%，w([N])平均為40.3×10-6，較吹氬前升高了63.8%，且合金中微量的氮不足以導(dǎo)致氮含量增加。說明鋼包流場去除夾雜物的效果良好，吹氬后顯微夾雜物數(shù)量降低，但由于吹氬攪拌強(qiáng)度過大，造成鋼液裸露，發(fā)生了嚴(yán)重的二次氧化。應(yīng)取消鋼包內(nèi)脫氧合金化后的2 min大吹，同時將8 min的靜吹時間延長為10～12 min。

(2)中間包出口穩(wěn)態(tài)澆注時顯微夾雜數(shù)量為8.7 個/mm2，較入口升高了14.5%。同時，中間包出口穩(wěn)態(tài)澆注時w(T[O])平均為92.9×10-6，較入口降低了20.9%，w([N])平均為50.8×10-6，較入口升高了19.8%。說明中間包流場去除夾雜物的效果較好，但從鋼包到中間包存在嚴(yán)重的吸氣現(xiàn)象，導(dǎo)致顯微夾雜數(shù)量的升高。

(3)穩(wěn)態(tài)鑄坯中顯微夾雜數(shù)量為11.2 個/mm2，較入口升高了28.7%。同時，w(T[O])平均為78.6×10-6，比中間包出口升高了15.4%，w([N])平均為52.1×10-6，較出口升高了2.6%。說明鋼水從中間包到結(jié)晶器過程存在二次氧化現(xiàn)象。此外，鋼中氧含量偏高，在凝固過程中生成了新的夾雜也導(dǎo)致了其數(shù)量的增多。

圖2 中間包澆注過程平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量

由圖2可知：

(1)中間包入口每包開澆5 min時顯微夾雜數(shù)量為13.5 個/mm2，較穩(wěn)態(tài)值7.6 個/mm2高77.6%。

同時，中間包入口每包開澆5 min時，w(T[O])平均為150.7×10-6，較穩(wěn)態(tài)值117.4 μg/g高28.4%，w([N])平均為58.7×10-6，較穩(wěn)態(tài)值7.6×10-6高38.8%，說明每包開澆階段保護(hù)澆注不得力，發(fā)生了較嚴(yán)重的二次氧化，導(dǎo)致顯微夾雜數(shù)量升高，應(yīng)嚴(yán)格控制換包操作。

(2)中間包出口每包開澆5 min時，顯微夾雜數(shù)量為11.2 個/mm2，較入口降低17.1%。

同時，w(T[O])平均為142.6×10-6，較入口降低5.4%，w([N])平均為67.5×10-6，較入口升高15.0%。說明中間包流場良好，與前述相符，但每包開澆階段中間包內(nèi)液面波動較大，發(fā)生了嚴(yán)重的吸氣現(xiàn)象。

圖3 鑄坯中平均氧氮含量及顯微夾雜數(shù)量

由圖3可知：

(1)頭坯w(T[O])平均為107.4×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯的78.6×10-6高36.6%，w([N])平均為58.4×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯的58.4×10-6提高12.1%，顯微夾雜平均數(shù)量17.8 個/mm2，較穩(wěn)態(tài)鑄坯的11.2個/mm2提高58.9%。說明開澆階段中間包及結(jié)晶器內(nèi)存在嚴(yán)重的吸氣現(xiàn)象。應(yīng)增大坯頭切割量，并對其進(jìn)行降級處理，避免對鑄坯整體質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(2)混澆坯中w(T[O])平均為90.3×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高14.9%，w([N])平均為55.6×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高6.7%，顯微夾雜平均數(shù)量15.3 個/mm2，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高36.6%。說明換包操作節(jié)奏不夠緊湊，中間包液面波動較大，發(fā)生了較嚴(yán)重的吸氣現(xiàn)象。

(3)尾坯w(T[O])平均為97.8×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高24.4%，w([N])平均為60.2×10-6，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高15.5%，顯微夾雜平均數(shù)量16.4 個/mm2，較穩(wěn)態(tài)鑄坯高46.4%。為穩(wěn)定鑄坯質(zhì)量，應(yīng)增大尾坯切割量。

2.2 顯微夾雜物數(shù)量分布

在穩(wěn)態(tài)鑄坯中由上(內(nèi)弧)到下(外弧)均勻取7個試樣，鑄坯中顯微夾雜物由上到下的體積率分布如圖4所示。

圖4 鑄坯中平均顯微夾雜物數(shù)量分布

由圖4可知：

(1)穩(wěn)態(tài)鑄坯由上(內(nèi)弧)到下(外弧)顯微夾雜物的平均總體積率為0.098%，夾雜物數(shù)量較高，鑄坯潔凈度較低。

(2)在距內(nèi)弧1/3～1/4處夾雜物聚集，數(shù)量最高，在距外弧1/3～1/4處夾雜物聚集較多，邊部及中心部位夾雜物較少[4]。

(3)在500倍金相顯微鏡下對拋光態(tài)鑄坯試樣統(tǒng)計(jì)了100個視場，發(fā)現(xiàn)顯微夾雜物粒徑較小，以粒徑小于10 μm的夾雜物為主，其中粒徑在0～5 μm的約占25.01%，5～10 μm的約占43.69%，10～15 μm的約占9.47%。

(4)綜上，在鑄坯內(nèi)弧夾雜物的數(shù)量最高，主要是由于0～5 μm夾雜物的分布導(dǎo)致的。鑄坯中粒徑大于5 μm的夾雜物在經(jīng)過鋼包流場、中間包流場和結(jié)晶器流場之后得到充分的上浮，而0～5 μm夾雜物不易充分上浮。

2.3 各工序鋼中顯微夾雜物類型及其來源分析

采用掃描電子顯微鏡連續(xù)視場拍攝法[5]對各工序所取試樣進(jìn)行夾雜物尺寸與數(shù)量統(tǒng)計(jì)，主要有球形夾雜物、三角形夾雜物、不規(guī)則夾雜物三種，如圖5所示。

圖5 典型顯微夾雜物形貌

鋼包吹氬前顯微夾雜主要為Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜，來源于脫氧產(chǎn)物的聚集，呈不規(guī)則形狀或球形，粒度在2.5～15 μm之間。Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～78%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～33%，MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～29%。其中含示蹤劑La的夾雜物占總數(shù)的32.6%。

鋼包吹氬后顯微夾雜主要為不規(guī)則形的Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜以及未及時排出的三角形Al2O3夾雜，粒度在5～25 μm之間。其中Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜占總數(shù)的71.4%，Al2O3夾雜占總數(shù)的28.6%。含示蹤劑La的夾雜物占總數(shù)的71.4%，說明吹A(chǔ)r強(qiáng)度過大造成了嚴(yán)重的卷渣現(xiàn)象。應(yīng)取消鋼包內(nèi)脫氧合金化后的2 min大吹，同時將8 min的靜吹時間延長為10～12 min，避免鋼包液面的劇烈波動而造成卷渣，同時延長夾雜物的上浮時間。

中間包鋼水中顯微夾雜主要為Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜、Al2O3夾雜、MnS夾雜，呈不規(guī)則或球形，粒度在5～35 μm之間。中間包入口處Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜物占夾雜物總數(shù)的60%，Al2O3夾雜物占總數(shù)的33.33%，MnS夾雜物占總數(shù)的6.67%。中間包出口處Al2O3- SiO2- MnO復(fù)合夾雜物占夾雜物總數(shù)的68.75%，Al2O3夾雜物占總數(shù)的12.5%，MnS夾雜物占總數(shù)的18.75%。說明中間包流場良好，Al2O3夾雜去除較多，隨著溫度的降低，MnS夾雜析出開始增多。中間包內(nèi)含示蹤劑La的夾雜物占總數(shù)的54.84%，說明有鋼包渣下渣，含示蹤劑Ce的夾雜物占總數(shù)的32.26%，說明中間包渣吸附夾雜效果不理想，夾雜物上浮后粘附了中間包渣又隨流場返回到了鋼液中。

鑄坯中顯微夾雜物以球形夾雜為主，主要為SiO2- MnO- MnS復(fù)合夾雜和SiO2- MnO復(fù)合夾雜，粒度在2～10 μm之間。其中SiO2- MnO- MnS占夾雜物總數(shù)的50%，SiO2- MnO占總數(shù)的50%。鑄坯中含示蹤劑La的夾雜物占總數(shù)的41.2%，含示蹤劑Ce的夾雜物占23.3%。鋼包渣及中間包渣吸附夾雜能力不強(qiáng)，應(yīng)對其進(jìn)行改質(zhì)，增加對夾雜物的吸附能力。

3 結(jié)論

(1)鑄坯中顯微夾雜物平均數(shù)量為11.2 個/mm2，數(shù)量稍高，出鋼過程中應(yīng)加鈣鋁酸鹽基渣洗料對鋼包頂渣改質(zhì)，從而降低鋼中夾雜物。

(2)每包開澆及換包操作時，中間包液面波動較大，有較嚴(yán)重的吸氣及卷渣現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)對這兩個階段的控制。

(3)鑄坯中含示蹤劑La的夾雜物占總數(shù)的41.2%，含示蹤劑Ce的夾雜物占23.3%。鋼包渣及中間包渣吸附夾雜能力不強(qiáng)，應(yīng)對其進(jìn)行改質(zhì)，增加對夾雜物的吸附能力。

(4)對非穩(wěn)態(tài)鑄坯采取降級處理，避免其對鑄坯整體質(zhì)量產(chǎn)生影響。

[1] 孫學(xué)玉，董建君，張彩軍，等. Q195鋼中夾雜物行為的研究[J].河南冶金,2013,21(2)：6- 8.

[2] 王碩明，呂慶，王洪利，等.轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(2):192- 195.

[3] 汪慶國,李京社,唐海燕, 等.LD→LF→CC工藝生產(chǎn)82B鋼的潔凈度研究[J].煉鋼，2011,27(6):57- 61.

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[5] 陳凌峰，趙志毅. 雜質(zhì)元素總量對無取向硅鋼中夾雜物的影響[J].上海金屬，2016,38(1):51- 54.

收修改稿日期：2016- 07- 02

Research on Micro- Inclusions Behavior in Q235 Steel

Ma Junhong Piao Zhanlong Wang Yan Wang Shuoming

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology & Hebei High Quality Steel Continuous Casting Engineering and Technology Research Center, Tangshan Hebei 063009, China)

Content of T[O]、[N] and the type, size, quantity, distribution of micro- inclusions in Q235 steel produced with 120 t BOF- Ar Blowing- CC process at an iron and steel plant in Northern China have been studied in a system. The results showed that the averagew(T[O]) in casting billet was 78.6×10-6, the averagew([N]) was 52.1×10-6, and the amount of micro- inclusions was 11.2 in each square millimeter. The type of micro- inclusions was SiO2- Al2O3- MnO- TiO2- MnS compound inclusion,whose particle size was between 2.5 μm and 15 μm (inclusions of 0～5 μm accounted for about 25.01%, inclusions of 5～10 μm accounted for about 43.69%, inclusions of 10～15 μm accounted for about 9.47%). The amount of micro- inclusions reached its maximum in a quarter to a third of the inner and outer arc, while less in the edge and center of casting billet. Micro- inclusions of the ladle slag pollutants in slab was accounted for 41.2%,and the tundish slag pollutants was 23.3%. Adsorption capability for inclusions of ladle slag and tundish slag was poor. Calcium aluminate slag washing of material should be put in the ladle slag to enhance the capability.

Q235，micro- inclusions，content of T[O] and [N]

華北理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(No.2016B02)

馬軍紅，男，研究方向?yàn)槟汤碚撆c鑄坯質(zhì)量

王碩明，男，博士，教授，研究方向?yàn)槟汤碚撆c鑄坯質(zhì)量