超低碳鋼中最大夾雜物尺寸預測方法

常桂華，張維維，趙成林，廖相巍，張寧

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著煉鋼技術的發展，尤其是二次精煉和控制非金屬夾雜物等新技術的應用，大大提高了鋼的純凈度，降低了鋼中非金屬夾雜物的尺寸和含量。但由于鋼的冶煉過程受到脫氧、二次氧化、各種冶金爐渣或耐火材料等影響，鋼中仍可能存在大尺寸夾雜物，由于其發生率低很難檢測到，尤其是較大體積的鋼件更是如此［1］。

大尺寸夾雜物嚴重影響鋼的力學性能，如鋼的延展性、疲勞性和成形性等［2］。大量的實驗結果表明，構件在循環應力作用下，裂紋首先在夾雜物或其它缺陷處萌生，且疲勞失效最可能發生在最大夾雜處。因此，預測鋼中最大尺寸夾雜物有助于預測鋼的力學性能和其在使用過程中的潛在危險，并且可以評估煉鋼過程。

鋼中夾雜物的檢測方法很多，如金相法、無損檢測法（超聲波檢測和X射線探傷等）、夾雜物聚集檢測方法（冷坩堝重熔和電子束重熔）和疲勞方法等［3］。但是，利用上述方法檢測鋼中最大尺寸夾雜物都有一定的難度。金相法和夾雜物聚集法只能檢測小體積試樣，無法實現大體積鋼件檢測；無損檢測方法可以對大體積鋼件進行檢測，但很難檢測到尺寸小于100 μm的夾雜物；而直接用疲勞斷口表面確定夾雜物尺寸，雖準確但耗時、成本高［1］。

本文采用極值分析法分析超低碳IF鋼中的夾雜物，預測其最大夾雜物尺寸，并與生產實際進行了對比。

1 試驗鋼種和取樣方法

試驗所用鋼種是超低碳IF鋼，化學成分見表1。取樣位置在鑄坯內弧1/4處及寬度1/4處，數量6個，金相試樣大小為15 mm×15 mm。

表1 鋼種化學成分（質量分數）%

2 夾雜物觀察方法

每個試樣經水砂紙磨制后拋光、觀察，觀察后至少將材料去除0.3 mm，以產生一個新的觀察面，該過程重復3次，每個試樣觀察4個拋光面，每個試樣觀察的總面積為150 mm2。采用萊卡金相顯微鏡，在500倍下觀察的單個視場面積為0.18 mm2，應檢驗總視場數為833個。本文對每個單獨的夾雜物測量其等效直徑作為粒度大小。

IF鋼鑄坯試樣夾雜物的形態主要有球形或近似球形、鏈狀、簇狀3種類型，見圖1。3種形態夾雜物的等效直徑均以圖中所示的最大卡規直徑L來計算。

在掃描電鏡下對觀察到的夾雜物進行成分分析。各類夾雜物中元素百分含量見表2。由表2可以看出，鋼中夾雜物成分主要為Al、Ca、Mg的氧化物，有的含有少量的S，或單獨的Al的氧化物，夾雜物成分與形態沒有特定關系。

表2 各類夾雜物中元素百分含量（質量分數）%

3 最大夾雜物尺寸的預測

極值法已被應用于材料研究的許多領域，例如估算材料表面腐蝕坑深度，凝固合金顯微結構的雜質最大偏析度以及合金再結晶過程中的晶粒尺寸等。Mrakami首先利用該方法評估鋼中最大夾雜物的尺寸［1］，最大夾雜物尺寸的計算公式如下：

式中，x為夾雜物最大等效直徑；T為重現期，一般取1 000； δML、λML分別為最大似然法估計得到的極值分布方程的比例參數和位置參數。

最大似然函數方法被證明為最有效的估計方法，其誤差最小。該方法基于一種途徑，即參數δML和λML的最佳值是獲得的系列夾雜物長度測量值的可能最大化估計值。對似然函數的概率密度方程取對數易于實現極大化過程，得到方程如下：

式中，LL 為 ln（f（xi，δ，λ））的和的極大值；xi為按夾雜物尺寸由小到大順序排列的第i個最大夾雜物粒度。通過數據表或計算機分析程序得到LL的最大值，其所對應的δ和λ即為δML和λML。

極值法分析鋼中夾雜物是基于金相觀察測定的夾雜物實際最大尺寸，推測出鋼中可能存在的最大夾雜物尺寸，是一個極值理論給出的預測值，而非實際測定值。由于金相觀察不可能進行全鑄坯的檢驗，所以該方法可以在大的鑄坯體積內有效評價鋼中可能存在的最大夾雜物水平。

以1#鑄坯的極值分析為例，給出其分析的結果。表2是金相顯微鏡測量的6個試樣共24個拋光面上的最大夾雜物粒度，試樣號為1～6，第一、二、三、四次磨制的拋光面分別為A、B、C、D。

計算過程中最佳擬和線方程設為：

表2 1#鑄坯最大夾雜物粒度 μm

4 結果分析及討論

超低碳鋼中大尺寸夾雜物含量與鋼的表面質量密切相關，一直以來，人們習慣通過測量中包鋼水全氧數值評價鋼水潔凈度，但全氧代表鋼中所有夾雜物的總量，無法判定夾雜物的尺寸分布，而影響超低碳鋼表面質量的往往是大尺寸夾雜物，因此，有可能出現鑄坯全氧很低，但由于存在大顆粒夾雜物導致冷軋后鋼板表面出現裂紋。另外，即使是同一澆次生產的超低碳鋼，由于連鑄過程中的拉速變化、液面波動變化等也會影響鑄坯中夾雜物的含量。

利用本文介紹的最大夾雜物預測方法，對鞍鋼煉鋼總廠兩條超低碳鋼生產線生產的超低碳鋼鑄坯進行最大夾雜物預測，同時根據不同的生產狀態將連鑄坯分為不同等級，具體為：澆次的頭坯為Ⅰ級、未按標準升降速時的鑄坯為Ⅱ級、尾坯和過渡坯為Ⅲ級、穩定澆注狀態下液面波動小于5 mm時的為Ⅳ級。評價的標準還涉及連鑄過程中間包和結晶器的工作狀態等多種情況。具體結果如表3，表中進行金相觀察的試樣均取自鑄坯內弧側厚度1/4處。

表3 鑄坯最大夾雜物粒度分析結果

由表3看出，1#生產線鑄坯最大夾雜尺寸明顯小于2#生產線，這與兩條生產線的設備、工藝水平相一致，也與夾雜缺陷率水平一致。以此為依據，確定兩條生產線產生冷軋夾雜缺陷率的臨界夾雜物尺寸為500 μm，對超過臨界夾雜尺寸的鑄坯進行工藝參數優化，如降低鋼包頂渣氧化性，使渣中FeO+MnO控制在12%以下；減少精煉過程吹氧升溫，精煉結束后鋼水靜置時間大于30 min；連鑄過程中避免拉速急降。采取這些措施后，超低碳鋼冷軋夾雜缺陷率從0.30%降至0.05%。

5 結論

利用極值分析法對鞍鋼煉鋼總廠兩條超低碳鋼生產線的超低碳鋼鑄坯進行了最大夾雜物尺寸的預測，結果與生產實際中的鑄坯水平相符合，證明該方法準確度高。據此確定了兩條生產線產生冷軋夾雜缺陷率的臨界夾雜物尺寸。

［1］ 張繼明,張建鋒,楊振國，等.高強鋼中最大夾雜物的尺寸預測與疲勞強度預測［J］.金屬學報,2004,40（8）:846-850.

［2］ 唐復平,栗紅.應用極值統計法推算鋼中最大夾雜物尺寸［J］.冶金分析,2007,27（9）:17-21.

［3］ Kanehiro Ogawa.Melting of Clean Maraging Steel by Vacuum Induction Method［J］.Kobe Steel Report,1989,39（1）:73-76.