山东冶金
《山东冶金》　　2005年第1期

莱钢连铸20CrMnTiH钢非金属夹杂物研究

季春生，刘  美，管庆刚，符  浩，陈  才
（莱芜钢铁股份有限公司，山东 莱芜 271104）

摘　要：利用大样电解法、LEO-1450型能谱分析仪和NEOPHOT-32型金相显微镜对连铸生产的20CrMnTiH钢中非金属夹杂物的种类、含量、来源、形状、尺寸及分布等进行了研究。结果表明,精炼前夹杂物数量多,颗粒较大,类型主要为硅钙、硅锰酸盐等；中间包中主要为硅酸盐类型的球形和玻璃状夹杂物；铸坯中主要为硅铝酸盐球形夹杂物。经LF精炼后,非金属夹杂物去除率可达99%以上。
关键词：电炉；连铸坯；非金属夹杂物；精炼
中图分类号：TG142.1+3　　 文献标识码：A　　 文章编号：1004-4620（2005）01-0040-03

Study on Non-Metallic Inclusion in 20CrMnTiH Steel by Continuous-casting at Laiwu Steel

JI Chun-sheng, LIU Mei, GUAN Qing-gang, FU Hao, CHEN Cai
（Laiwu Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104，China）

Abstract: The type, content, origin, shape, dimension and distribution of the nonmetallic inclusion in 20CrMnTiH steel by continuous casting are studied by means of the electrolytic separation technique, LEO-01450 spectrometer and NEOPHOT-32 microscope. The results show that the account of inclusion is more and the size of inclusion is larger before refinement, the type is mainly Si-Ca, Si-Mn inclusion, etc; inclusion in the tundish is mainly spherical and vitreous silicate type; inclusion in slab is mainly spherical silica aluminate inclusion type. Through refinement of LF, the rate of wiping away the nonmetallic inclusion can reach to 99% above.
Key words: electric arc furnace; continuous casting slab; nonmetallic inclusion; refinement

1 前 言

　　钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物和硅酸盐等物质，分内生夹杂物和外来夹杂物两种。内生夹杂物是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧化物、硅酸盐和钢在凝固过程中由于硫、氮等元素溶解度下降而形成的硫化物、氮化物，这些夹杂物来不及排除而留在钢中；外来夹杂物是炉渣或耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固过程中未及时浮出而残留于钢中。非金属夹杂物破坏了钢的连续性，造成钢的组织不均匀，严重危害钢材质量，降低了钢的使用寿命。研究20CrMnTiH钢中夹杂物的数量、尺寸、形态、种类，探明其来源，为改善产品质量提供依据，对降低夹杂物对钢材性能的影响、提高钢材质量有重要作用。

2 试验方法

2.1 冶炼工艺
　　20CrMnTiH钢电炉冶炼工艺流程为：
　　电炉冶炼→EBT出钢→钢水合金化，以硅钙、硅铁脱氧，加覆盖剂→LF精炼→吹氩，成分微调，分别喂铝线、钛芯线、硅钙芯线，脱氧出钢→合金钢连铸机连铸，电磁搅拌
2.2 取样点与试样制作
　　分别在精炼前、后、中间包及连铸坯上取样，对所取试样切下头部夹渣部分，加工成Φ70mm×150mm的圆柱形试样，重量约为2～3kg。试样端部钻M12mm×10mm螺孔，以利于电解挂样。
2.3 检测方法
　　采用大样电解法分析钢中大于50μm的非金属夹杂物的数量，分离出电解钢样中的氧化物夹杂，得出夹杂物总量并按夹杂物的颗粒尺寸分级。采用LEO-1450型能谱分析仪测定夹杂物的组成，NEOPHOT-32型金相显微镜分析夹杂物分布及形貌，以了解钢中夹杂物的来源、形态和形成过程。

3 结果与分析

3.1 试验结果
　　大样电解分析结果见表1。

表1  各工序20CrMnTiH钢夹杂物数量统计

精炼时间/min

中间包温度/℃

夹杂物含量/mg.kg-1

备  注

精炼前

[O]×10-6

精炼后

[O]×10-6

中间包

铸坯

37

1540

82.03

62

0.98

26

2.18

3.52

保护浇注

40

1532

176.83

86

0.73

22

2.25

2.01

保护浇注

42

1530

135.6

78

0.13

12

0.27

0.62

保护浇注

35

1546

166.2

85

1.39

30

68.54

77.68

保护浇注

35

1526

161.1

82

1.98

28

21.46

16.21

保护浇注

 

 

144.35

 

1.04

 

18.94

20.01

平均> 50μ m

　　电解所得夹杂物通过电子探针测定分析，其主要组成是CaO—SiO2—MnO—Al2O3。通过显微观察电解分离之后夹杂物的形貌，绝大部分为透明球形，另有黑色、黄色或铁锈色，有的无色，有的不透明呈乳白色等。有的球形夹杂物中有孔洞，也有少量的夹杂物呈不规则的玻璃状或类铁片状（见图1～3）。由图可以看出，20CrMnTiH钢精炼前夹杂物类型主要为硅钙、硅锰酸盐等，部分夹杂物中FeO含量较高，说明炉渣进入钢水中；中间包中主要为硅酸盐类型的球形和玻璃状夹杂物；铸坯中主要为硅铝酸盐球形夹杂物，部分夹杂物含有象征耐火材料蚀损的特征元素MgO。

白球，硅钙酸盐型 黑球，硅锰酸盐型 灰球，硅钙酸盐型 破损球片状，硅锰酸盐型
主要成分：SiO2,CaO 主要成分：SiO2，CaO，MnO 主要成分：SiO2，CaO 主要成分：SiO2，MnO，MgO，FeO

图1  精炼前夹杂物形貌及成分

   

蓝球,硅钙酸盐型,主要成分:SiO2，CaO

透明玻璃，硅酸盐型，主要成分：Na2O，Al2O3，SiO2

图2  中间包夹杂物形貌及成分　　

   

透明球
硅铝酸盐型
主要成分：
SiO2，Al2O3

图3  连铸坯夹杂物形貌及成分

　　 夹杂物金相分布统计结果见表2。由表2可知，钢中非金属夹杂物粒径较小，最大夹杂物等效直径为267μm ，其值远小于电解分离所得夹杂物粒径。原因是钢中夹杂物是随机分布的，金相试样的切面遇到大颗粒夹杂物的几率很小，即使遇到也不一定刚好切在夹杂物的最大截面上。因此，金相试样上测定的夹杂物尺寸分布并不能代表钢中夹杂物实际尺寸的分布。

表2  金相观察20CrMnTiH钢夹杂物数量分布统计

工序

夹杂物
总数/个

不同范围段（μ m）夹杂物数量分布

最大直径
/ μ m

2～10

10～30

30～40

40～50

＞50

精炼前

359

178

51

8

10

12

119.3

精炼后

30

17

12

0

1

0

42.7

中间包

159

153

6

0

0

0

27.4

连铸坯

126

122

4

0

0

0

30.2

精炼前

238

166

44

8

5

15

267.4

精炼后

181

149

14

12

5

1

51.6

中间包

24

20

4

0

0

0

26.0

连铸坯

15

12

3

0

0

0

20.1

3.2 结果分析
　　试验结果表明20CrMnTiH钢精炼前大型夹杂物数量多，颗粒较大，精炼后和中间包、连铸坯夹杂物粒径较小，数量也大大减少。精炼前钢中大于50μm的夹杂物含量平均为144.35mg/kg，精炼后减少为1.04mg/kg，去除率为99.3%。可见精炼对去除钢中大型夹杂物是十分有效的。中间包有时出现大颗粒夹杂物，且数量较多，因此应防止钢水浇注过程中的污染，提高钢水纯净度。本次试验分析到的夹杂物在成分上基本是氧化物，从表1、表2可以看出，严格控制钢水中的含氧量，是减少非金属夹杂物及控制其形态的有效途径。
　　由表1可知，大于50μm的夹杂物由精炼后的1.04mg/kg到中间包和连铸坯分别增加到18.94mg/kg、20.01mg/kg，说明由钢包到中间包钢水出现了二次污染。中间包钢水流动非常复杂，可用斯托克斯公式对夹杂物的上浮进行说明：

Vs=gD2（ρF  -ρP）/（18μ）     （1）

式中 Vs——斯托克斯上浮速度；
     g——重力加速度，9.8m/s2；
     D——夹杂物直径，μ m ；
         ρF   ——钢液密度，7.0g/cm3；
         ρP ——夹杂物密度，3.5g/ cm3；
     μ——钢液粘度，μ=0.05g·（cm·s）-1。
    夹杂物从中间包底上浮到钢渣界面需要时间（tf）为：

tf=L/Vs            （2）

式中 L——中间包钢水深度，650mm；
　　选取直径为20μm的夹杂物进行计算，Vs为0.91cm/min；tf 为71.43min。依此计算可得表3。

表3  夹杂物上浮速度与上浮时间

夹杂物直径/μ m

上浮速度Vs/cm.min-1

上浮时间tf /min

350

280.12

0.23

260

154.58

0.42

150

51.45

1.26

100

22.87

2.84

50

5.72

11.36

30

2.06

31.55

20

0.91

71.43

　　由表3可知，大于50μm的夹杂物上浮时间很短，均小于钢水停留时间，应该能够全部上浮至钢渣界面。但夹杂物含量从精炼之后，到中间包、连铸坯逐步增加，说明钢水的二次氧化较严重。中间包大颗粒夹杂物较多，这是由于非稳态浇注（指开浇、换钢包连浇或拉速突然变化的浇注状态）产生的，因此，减少非稳态浇注带来的夹杂物是提高连铸坯质量的重要环节。
　　钢渣的卷入、耐火材料的蚀损以及钢液被空气二次氧化是钢中生成大型夹杂物的主要原因；其夹杂物形貌及成分分析结果表明，钢中夹杂物成分变化规律与生产浇注过程中浮渣和耐火材料变化规律相似。浮渣卷入、耐火材料侵蚀和二次氧化是大型夹杂物的主要来源。
3.3 建议
　　（1）根据试验结果可以看出，20CrMnTiH钢经LF炉精炼后，非金属夹杂物去除率高达99%以上，说明精炼对去除夹杂物效果较好，因此应保证吹氩时间，以促进夹杂物的排除。
　　（2）进一步加强白渣法操作，造渣脱氧并防止钢水二次氧化。
　　（3）针对钢水二次污染的问题，应保证中间包的保护浇注。

4 结 论

4.1 精炼对夹杂物去除率可高达99%。主要原因在于精炼前夹杂物含量较高，经过LF炉的精炼，对去除20CrMnTiH钢中夹杂物，尤其是大颗粒夹杂物是非常显著的。
4.2 20CrMnTiH钢中非金属夹杂物粒径变化规律是：精炼前夹杂数量较多、粒径较大，精炼后夹杂数量大大减少、粒径较小，中间包、连铸坯夹杂物数量有所增加，粒径也较大。夹杂物的含量从精炼之后到连铸坯有逐步上升的趋势。
4.3 电解分离所得夹杂物粒径远大于利用金相显微镜观察所得的夹杂物粒径，电解所得夹杂物粒径分布能更好地代表钢中夹杂物尺寸的分布。

返回上页