大樣電解法分析連鑄板坯大顆粒非金屬夾雜物來源

顧鳳義, 劉 瑩, 閆文凱, 楊 覦, 李勇生

(1.天津鋼鐵集團有限公司， 天津 300030;2.天鐵集團有限公司， 邯鄲 056404)

鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬基體的連續性，是基體中的應力集中點。基體與夾雜物間的初始空隙為裂紋萌生位置，金屬材料受到外部應力后，裂紋快速擴展導致金屬斷裂。較大顆粒的非金屬夾雜物對鋼材質量的影響更大。在鋁脫氧的厚鋼板中，只有尺寸大于200 mm的非金屬夾雜物才會明顯降低鋼材的各種性能；而在鋼絲和滾動軸承鋼中，僅尺寸大于10 mm的夾雜物就會對鋼材的性能造成影響。對于不同的鋼材，有不同的非金屬夾雜物臨界尺寸，即超過該臨界尺寸的非金屬夾雜物才會對鋼材的性能產生影響。由于大顆粒非金屬夾雜物對鋼材的力學性能及加工性能影響很大，因此需要找到大顆粒非金屬夾雜物的來源，并去除該類夾雜物。

大顆粒非金屬夾雜物在鋼材中的分布是隨機、不連續的，要準確地測定鋼中大顆粒非金屬夾雜物的含量以及粒徑的組成，就必須擴大研究的范圍。大樣電解法是分析大顆粒非金屬夾雜物最有效的方法之一。大樣電解法[1-2]是對大塊鋼材試樣進行電解和分離，以獲取尺寸大于80 mm的大型非金屬夾雜物，并對其進行深入分析的一種研究方法。該方法具有試樣尺寸大(試樣質量達2～4 kg)，提取大顆粒夾雜物較為全面，試樣代表性強，電解時間長(約10 d左右)的特點[3]。筆者利用大樣電解法對連鑄坯的內外弧和中心部位的夾雜物進行研究，以確定整個工藝過程中大顆粒夾雜物的分布和來源，從而有針對性地改進控制工藝，提高產品質量。

1 試驗方法

針對連鑄板坯生產過程中存在的問題，采用大樣電解法來獲取鋼坯試樣中尺寸大于80 mm的大顆粒非金屬夾雜物，并對這些大顆粒非金屬夾雜物的數量、尺寸、形貌、成分及來源進行研究[4]。

1.1 電解試樣的制備

選取了生產過程中的Q235B鋼種的連鑄板坯，澆注斷面的尺寸(長×寬)為 230 mm×1 600 mm，在連鑄坯1/4處的內弧、外弧和中心部位(見圖1中的位置1，3，2)沿垂直板坯澆鑄方向各截取一塊試樣，制成尺寸(長×寬×高)約為150 mm×50 mm×50 mm的長方體，試樣質量約為2.5 kg。

圖1 大樣電解試樣在連鑄坯上的取樣位置示意

1.2 試驗過程

板坯鋼試樣電解完成后，對所獲取的陽極泥進行淘洗分離，得到非金屬夾雜物。然后對非金屬夾雜物進行分級、稱重、形貌分類及觀察，并在體式顯微鏡下挑選具有典型代表性的非金屬夾雜物顆粒進行掃描電鏡及能譜分析[5]。大樣電解主要設備結構如圖2所示。大樣電解工藝參數如表1所示(表中電解液組成為質量分數)。

圖2 大樣電解主要設備結構示意

表1 大樣電解工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 夾雜物宏觀形貌

將分離挑選出的夾雜物置于體式顯微鏡下觀察及分類，大部分夾雜物為蠟黃色不規則形狀或類球狀顆粒，少部分夾雜物為紅色、黑褐色、無色的透明不規則顆粒(見圖3)。

圖3 大樣電解夾雜物宏觀形貌

2.2 夾雜物分布及其所占比例

鋼的潔凈度通常以每10 kg鋼中含有非金屬夾雜物的數量來定義，普遍認為，每10 kg鋼中夾雜物含量小于1.5 mg。通過大樣電解試驗，Q235B鋼板坯大樣電解夾雜物分析結果如表2所示，由表2可以看出:連鑄板坯潔凈度較潔凈鋼還有差距，但能夠達到普通碳素結構鋼的潔凈度要求。

表2 Q235B鋼板坯大樣電解夾雜物分析結果

由1#～3#試樣電解的結果可知，鋼中夾雜物種類和含量呈不均勻分布。由粒徑大于140 mm的夾雜物含量可知，該連鑄板坯完全滿足生產需求，但距離潔凈鋼還有一定的差距。Q235B鋼板坯夾雜物粒級分布如圖4所示，各粒級夾雜物含量如圖5所示。

圖4 Q235B鋼板坯夾雜物粒級分布

圖5 Q235B鋼板坯各粒級夾雜物含量

2.3 夾雜物微觀形貌及來源分析

1#～3#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物微觀形貌如圖6～8所示，1#～3#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來源如表3～5所示。

圖6 1#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物微觀形貌

圖7 2#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物微觀形貌

圖8 3#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物微觀形貌

表3 1#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來源 %

表4 2#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來源 %

表5 3#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來源 %

夾雜物來源分析如下所述。

(1) 在重點分析的19例夾雜物中，有10例含有鈉、鉀元素，約占總數的 60%以上，鈉、鉀元素是保護渣中特有的成分，故可認為大部分夾雜物應來源于結晶器保護渣。

(2) 粒徑為80 mm～140 mm的大部分夾雜物以氧、硅、鋁、鐵等元素為主，顏色分別為透明、蠟黃和褐黑等，該類夾雜物為脫氧產物。

(3) 對19例大型夾雜物進行分析，發現1例含有鋯元素，夾雜物在顯微鏡下為乳白色，呈半透明球狀，尺寸約為120 mm，鋯元素是復合水口的特征成分，說明在澆筑過程中有水口熔損脫落現象。

(4) 二次氧化產物為不規則大顆粒(140 mm～300 mm)夾雜，夾雜物呈黑色，氧、鐵元素含量極高,比較典型的是3#試樣的示例5，其氧元素質量分數為41.82%，鐵元素質量分數為56.75%，夾雜物呈片狀堆積，尺寸約為200 mm～300 mm。有一部分二次氧化物除含有氧、鐵元素外，還有一定量的硅、鈣、鎂等元素，這部分夾雜物來源于二次氧化、結晶器卷渣、中間包下渣等，呈現淡黃色，為不規則形狀。在這19例大型夾雜物檢測中發現了10例含有二次氧化產物的成分，因此二次氧化也是Q235B鋼大顆粒夾雜物的主要來源。

(5) 在大顆粒非金屬夾雜物中還發現有9例含有氯離子，如果氯離子與鈉離子同時存在，就會造成污染，因此在后續的夾雜物分揀時應注意避免鹽分的污染。

3 結語及建議

(1) 大顆粒夾雜物大部分來源于結晶器保護渣，建議對結晶器侵入式水口進行調整，以確保結晶器內夾雜物的上浮，同時對保護渣的性能進行改善，確保液渣層的厚度，減少保護渣帶來的夾雜物。

(2) 根據連鑄板坯大顆粒夾雜物中有中包渣卷入的特點，要保持高液面澆鑄，并建議建立氣幕擋墻防止形成渦流。

(3) 對含有復合鋯質水口熔損產物的夾雜物，建議提高整體耐材質量和砌筑質量，并采用合理的烘烤制度等手段進行控制。

(4) 由于大顆粒夾雜物在連鑄坯中的分布不均勻，因此建議對板坯連鑄進行電磁攪拌，使夾雜物的分布相對均勻一些，避免中心大量夾雜物聚集和長大，影響板材的性能。