鋁脫氧鋼澆注過程漂浮物成分組成試驗分析

辛建平

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業部，黑龍江161042)

核電、加氫等鋁脫氧鋼是我公司最為重要的產品組成部分。因其具有高附加值的特性，核電、加氫產品也成為了我公司盈利的重要保證。在以往澆注核電、加氫鋼錠的過程中，都會發現在鋼水表面漂浮一層白色的渣樣物質，初步判斷夾雜物為澆注過程中二次氧化生成的Al2O3夾雜物。為驗證鋁脫氧鋼澆注后期鋼液上漂浮的夾雜物的性質及成分組成，分析其來源，并指導鋁脫氧鋼夾雜物的原因分析，特進行了本次試驗。

1 試驗方案

因在真空澆注過程中無法直接對漂浮物進行取樣，冶煉產品時無法進行分析，在澆注洗包料塊上進行試驗，為了盡量減少成本，配料仍采用100%混屑，熱兌時進行卡渣。

模擬鋁脫氧產品鋼的冶煉方式，精煉包在兌鋼前包底用2.6 kg/t的鋁塊進行脫氧，用白灰、螢石造渣，精煉過程使用鋁粉和碳粉進行擴散脫氧，采用LH+VT的單真空冶煉工藝，精煉過程不真空，冶煉2 h以上，出鋼前分析[O]≤25×10-6時，按Al=0.04%計算加入鋁鐵進行終脫氧，軟吹15～20 min出鋼。

鑄錠附具準備除了洗中間包外，底盤、鋼錠模、導流管等都是按產品進行附具的打磨與清理，中間包進行吸風，澆注時抽真空至99.98 Pa以內，澆注過程進行氬氣置換和注流保護。

為了防止澆注過程精煉渣的卷入，澆注時精煉包在未下渣前卡鋼水，中間包在剩一環鋼水時進行關閉卡渣。

澆注后不加任何材料，澆后立即用鐵板將鋼錠模上口蓋住，防止異物落入，鋼錠冷卻后，分別在上表面取表面附著物進行化學分析，在鋼錠最上端部位取試料加工成金相塊，進行夾雜物能譜儀分析，確定夾雜的成分。

2 試驗過程

2.1 冶煉澆注過程

(1)材質為洗包用料塊，鋼水量100 t，冶煉方法為LH+VT。

(2)采用100%混屑配料，倒包熱兌，熱兌時進行了嚴格卡渣。

(3)兌鋼前精煉包底加鋁塊2.6 kg/t，用白灰∶螢石=4∶1，渣厚200～300 mm造渣，使用鋁粉、碳粉進行擴散脫氧。

(4)按Al=0.04%計算加入鋁鐵進行終脫氧，加完后軟吹25 min后出鋼。

(5)出鋼前取爐后樣和氣體樣，分析報出[Al]、[O]元素含量，[O]=25×10-6，[Al]=0.034%。

(6)冶煉總時間3 h。

(7)按正常產品要求使用內表面狀態良好的鋼錠模，內表面噴砂除銹。鋼錠模不戴保溫帽。

(8)底盤使用正常周轉用底盤，底盤按正常產品要求進行安裝焊接整體底盤套，并打磨合格。

(9)使用新中間包進行洗包，徹底吸風，中間包水口直徑?50 mm。

(10)澆注真空度達到99.98 Pa以下時開始澆注，澆注時中間包測量鋼水溫度。

(11)精煉包執行卡鋼水操作。

(12)在中間包剩余1環鋼水時，關閉卡渣。

(13)澆注完畢，不加發熱劑和保溫劑，真空蓋打開后用鐵板將上模口蓋住，防止保溫期間落入異物。

2.2 取樣

(1)待鋼錠澆注完畢后，觀察鋼水液面，確定漂浮物聚集區域，如圖1所示。

(2)鋼錠冷卻凝固后，在料塊上端取漂浮物粉末樣，如圖2所示。

圖1 漂浮物聚集區域Figure 1 Floating area

圖2 漂浮物粉末Figure 2 Floating powder

(3)將漂浮物聚集區內的試料氣割加工成金相試樣。

3 檢測分析

3.1 漂浮物粉末成分分析

從料塊上端取下的漂浮物粉末進行檢測，具體成分如表1所示。

表1 漂浮物化學成分檢測結果(質量分數，%)Table 1 Test results of floating chemical composition (mass fraction, %)

圖3 1#試樣斷口夾雜物形貌和化學成分Figure 3 Morphology and chemical composition of fracture inclusions in No.1 specimen

圖4 2#試樣斷口夾雜物形貌和化學成分Figure 4 Morphology and chemical composition of fracture inclusions in No.2 specimen

3.2 金相試樣斷口形貌及缺陷成分分析

將試料隨機加工成若干30 mm×30 mm方形截面，打開斷口進行掃描電鏡分析。在幾塊試樣上發現若干缺陷區域，缺陷斷口形貌及成分如圖3～圖6所示。

圖5 3#試樣斷口夾雜物形貌和化學成分Figure 5 Morphology and chemical composition of fracture inclusions in No.3 specimen

圖6 4#試樣斷口夾雜物形貌和化學成分
Figure 5 Morphology and chemical composition of fracture inclusions in No.4 specimen

斷口缺陷具體化學成分如表2所示。

表2 斷口夾雜物化學成分(質量分數，%)Table 2 Chemical composition of inclusions in fracture (mass fraction, %)

4 結論

從能譜分析報告和缺陷解剖分析結果來看：試驗料塊上端的粉末狀物質的主要成分是Fe2O3、Al2O3和MgO，在試驗料塊取下的試樣的缺陷主要為Al2O3，同時有少量的CaO、MgO及其他復合夾雜物。其含量與精煉渣有所不同，我們分析試樣產生缺陷的原因主要為Al2O3沒有順利從鋼液中排出所致。由于核電、加氫鋼中要求具有一定的鋁含量(為了提高韌性)，因此，鋼水在冶煉操作中采用的是Al脫氧造渣工藝方式，脫氧產生的Al2O3絕大部分從鋼中上浮，少量、微小、彌散的Al2O3和Al會不可避免的存在鋼中，正常情況下鋼中存在少量、微小、彌散的Al2O3不會造成危害。如果澆注過程中鋼水注流保護不好，與空氣接觸，使鋼中的Al進一步氧化成Al2O3，造成Al2O3聚集，Al2O3聚集形核增大，形成超標缺陷。這些Al2O3在澆注序如不能充分上浮，殘留鋼中，最終導致超標缺陷產生。

參考文獻

[1] 黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業出版社，2002：427.