鈣處理非調(diào)質(zhì)鋼的夾雜物控制

楊利委

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第三煉鋼廠，江蘇 南京 210035）

1 技術(shù)問題和處理

為順應(yīng)汽車輕量化的發(fā)展要求，非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)運(yùn)而生，這類鋼擁有高強(qiáng)度、切削加工性能好的特征，但是在鋼鐵企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中由于其成分的特殊設(shè)計(jì)使得在冶煉過程中對夾雜物的控制有一定難度。為了解決以上難題，煉鋼過程中對鋼水開展了鈣處理，使得微小的復(fù)合夾雜物彌散分布，夾雜物形貌獲得良好的改善，且對鋼材切削性能無影響。但是伴隨鋼材的鈣處理，某些爐里發(fā)生了許多大顆粒的CaS夾雜（圖1），這一夾雜物是鏈珠型或點(diǎn)狀并且不變形夾雜，對鋼材性能尤其是疲累壽命出現(xiàn)較大影響。因此怎么樣有效地控制有危害的大顆粒保持形態(tài)CaS混雜，這是工程技術(shù)人員急切需要處理的技術(shù)問題。通過對熱力學(xué)原理計(jì)算和數(shù)理統(tǒng)計(jì)實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)其中夾雜物的影響規(guī)律，煉鋼實(shí)踐生產(chǎn)過程中利用特殊的鈣處理工藝能夠有效控制CaS夾雜物。

圖1 大顆粒硫化鈣夾雜物面掃描圖

2 工藝方案

通過“高爐鐵水——100t超高功率電弧爐初煉——LF爐精煉——VD爐真空脫氣——連鑄——加熱軋制——精整探傷——包裝檢測入庫”的工藝流程，冶煉了50爐F45MnVS非調(diào)質(zhì)鋼，LF精煉采取了專用脫氧劑，VD真空去氣，利用在不同工序進(jìn)行鋼水鈣處理改善和控制夾雜物。鋼材化學(xué)成分里包含了C、Si、Mn、P、S、Cr、V、Ca。軋制取樣后通過金相顯微鏡和掃描電鏡開展夾雜物研究[1]。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和措施

通過“高爐鐵水——100t超高功率電弧爐初煉——LF爐精煉——VD爐真空脫氣——連鑄——加熱軋制——精整探傷——包裝檢測入庫”的工藝流程來比較分析鈣處理對非調(diào)質(zhì)鋼里夾雜物轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響，實(shí)踐生產(chǎn)中開展了兩項(xiàng)具有差異性的冶煉工藝的取樣研究。一部分爐次根據(jù)原工藝開展生產(chǎn)，不開展鈣處理，在VD后所有工序取樣研究；另一部分爐次開展鈣處理工藝實(shí)驗(yàn)，第一次完成LF精煉后至進(jìn)入VD前，添加不同量的鈣線，添加鈣線后所有工序取樣研究。兩類工藝都在VD后開展微合金化，以及添加適量的硫線，讓鋼內(nèi)硫含量及微合金成分符合產(chǎn)品需要。過程樣應(yīng)用吊桶樣獲取鋼液樣品，取樣器開口取樣前密封處理，以及分別截取800mm長的鑄坯及500mm長的扎材一支。

所有的工序鋼水的基礎(chǔ)成分通過原位光譜儀測量；在鑄坯內(nèi)弧1/4位置截取金相樣，軋材隨著軋制方向在中心位置取樣，通過加工后，應(yīng)用SEM+EDS定性分析各個(gè)鋼樣里夾雜物種類隨著工序的轉(zhuǎn)變；以及對于硫化物夾雜的形態(tài)轉(zhuǎn)變影響，在500倍視場中，忽視當(dāng)量直徑低于1um的夾雜物，通過先進(jìn)的設(shè)備工具完成智能掃描夾雜物功能，隨機(jī)掃描視場相應(yīng)量研究各個(gè)工藝鋼里夾雜的種類、含量和大小；最后研究獲得鈣處理對非調(diào)質(zhì)鋼夾雜物的轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律[2]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究

（1）夾雜物種類特點(diǎn)。通過對相應(yīng)量的樣品跟蹤取樣研究夾雜物，依照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)完成夾雜物評級，以及對夾雜物開展統(tǒng)計(jì)研究；某些爐號(hào)的B類夾雜物大過規(guī)范需求1.5級，最大的話會(huì)大于2.5級。通過相應(yīng)的掃描電鏡研究夾雜物特點(diǎn)面掃描，掃描范圍是54mm2，通過計(jì)算機(jī)智能計(jì)算數(shù)量、構(gòu)成和具體比例。

通過結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，鋼里含有的夾雜物大概構(gòu)成包括Al2O3，CaO，CaS等等，并且主要的復(fù)合夾雜物為CaO—Al2O3—CaS，CaS和鈣鋁酸鹽一起存在，或者主要是鈣鋁酸鹽，部分是獨(dú)立的尺寸較低的CaS和Al2O3夾雜物，夾雜物的長寬比大致≤2.5。這一類鋼材中的夾雜物解決的核心目標(biāo)就是轉(zhuǎn)變其形態(tài)，縮減長條形MnS和鏈珠形Al2O3的產(chǎn)生，以改善鋼材加工性能，并且還能夠減少力學(xué)性能的各向異性。個(gè)別爐號(hào)B類夾雜物超出要求，通過掃描電鏡對這一類別開展研究，它的長度的最大值超過700um展現(xiàn)出鏈珠形，明確成分定性是CaS。因?yàn)殇摬脑诜圻^程中遭到頻率較大的往復(fù)拉、壓應(yīng)力，因此這一類夾雜物極有可能變成裂縫源。所以，實(shí)踐生產(chǎn)過程里需要防止這一尺寸夾雜物的出現(xiàn)[3]。

（2）夾雜物產(chǎn)生原理。通過研究大尺寸B類夾雜物的爐號(hào)生產(chǎn)過程可知，在生產(chǎn)時(shí)候連鑄過程中液面曲線波動(dòng)劇烈變化。并且這部分爐號(hào)和夾雜物有關(guān)的部分元素開展計(jì)算和研究，探討夾雜物的影響。通過相應(yīng)研究結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)某些概率產(chǎn)生頻率極其高，因此根據(jù)取樣研究和結(jié)果的相應(yīng)關(guān)系可知，這里面的元素具有相互的限制和平衡關(guān)系，這些都會(huì)給CaS夾雜的出現(xiàn)產(chǎn)生形核作用。在生產(chǎn)過程中的某些溫度條件下，鏈珠狀CaS產(chǎn)生的概率會(huì)提升。

煉鋼的過程中，Al核心是成為脫氧劑被加入到鋼內(nèi)開展脫氧反應(yīng)，產(chǎn)生Al2O3。鋼液里酸溶鋁成分越多，自由氧活性會(huì)下降，這樣的環(huán)境下，鋼液進(jìn)行鈣處理后鈣的活性和收得率會(huì)不斷提高。在鋼液里添加鈣線后，鈣和自由氧產(chǎn)生氧化鈣以及可以還原Al2O3組合產(chǎn)生鈣鋁酸鹽夾雜物，隨著鈣的含量提升，夾雜物會(huì)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律產(chǎn)生，還有部分鈣會(huì)變成CaS。有人研究相應(yīng)的反應(yīng)式計(jì)算出了相應(yīng)溫度下的Al——S平衡曲線，根據(jù)這一曲線可以得知，Al，Ca含量和鋼水溫度對CaS的影響關(guān)系。溫度隨著酸溶Als、Ca含量增加而降低，都會(huì)導(dǎo)致S均衡濃度降低，最后使得產(chǎn)生的CaS的活性減弱。鋼水內(nèi)S活性比臨界值大的情況下，氧化物變性反應(yīng)遭到阻礙。

煉鋼的時(shí)候，鈣的活性的增加，會(huì)促進(jìn)CaS夾雜，CaS之后在鈣鋁酸鹽沿質(zhì)點(diǎn)形核生長，或獨(dú)立聚集，構(gòu)成集中性夾雜物，之后軋制過程中隨軋制軌跡碎裂，構(gòu)成鏈珠狀，所以Al不能太高，也就是還原性不可以過大，才可以避免產(chǎn)生太大的CaS夾雜。因此利用精煉過程中控制鋁脫氧劑的添加機(jī)會(huì)和添加量，可以控制F45MnVS的夾雜物形貌，最后控制這一鋼種B類夾雜物級別，防止發(fā)生B類夾雜物超標(biāo)的狀況。

（3）鋼水成分和氧氮含量的轉(zhuǎn)變。所有工序中的化學(xué)成分有所不同，兩類工藝獲得的鋼水化學(xué)成分差不多相同。兩類工藝鋼里的氮含量的轉(zhuǎn)變規(guī)律差不多相同，從VD后到鑄坯，氮含量略有上升，但是由鑄坯到扎材，氮含量會(huì)稍有下降，最后都控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

（4）在不同工藝的鈣處理對比試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)鈣處理時(shí)反應(yīng)過于激烈，導(dǎo)致鋼液表層沸騰，引起鋼液再次樣化現(xiàn)象，通過中間包冶金作用，大的夾雜物會(huì)上浮，在鑄坯里兩者鋼液純凈度已經(jīng)幾乎相同水平。

5 總結(jié)

生產(chǎn)過程中通過科學(xué)鈣處理的方式來開展硫化物的形貌控制是有效地，在保證鋼材機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，科學(xué)的鈣處理可以提高鋼液純凈度、可以幫助含硫非調(diào)質(zhì)鋼里硫化物的形貌控制。鈣處理后產(chǎn)生的低熔點(diǎn)夾雜物包含了含鈣氧化物，可以當(dāng)成硫化物的形核中心，并且硫化鈣可以固溶于MnS里，鋼內(nèi)可以產(chǎn)生豐富的含鈣復(fù)合硫化物；但是鈣處理反應(yīng)激烈，引起鋼液表層沸騰，使得鋼液局部再次樣化，極易產(chǎn)生各種復(fù)合硫化物，生產(chǎn)過程中應(yīng)注意適當(dāng)控制。