Si、Mn脫氧條件下Q355低合金結構鋼中非金屬夾雜物的演變規律

郭 健

（河鋼唐鋼技術中心，河北唐山 063000）

高強度低合金鋼是常用的工程結構用鋼，其潔凈度是目前各大鋼廠關注的重要問題之一。鋼中存在大量夾雜物破壞了鋼基體的連續性及致密性，對鋼的力學和使用性能影響不利[1-2]。然而在實際冶煉過程中，非金屬夾雜物的產生是不可避免的，為保證鋼的質量及性能要求，應盡量減少鋼中非金屬夾雜物的數量或改變其形態及成分。某鋼廠Q355低合金結構鋼中鈣鋁酸鹽夾雜物評級達到3級，不能滿足其標準要求，導致沖擊韌性下降。目前，研究主要集中在LF-RH精煉過程夾雜物的演變規律[3-8]，缺少對小尺寸夾雜物與全氧含量關系的清晰論證，以及對從精煉到連鑄全流程中非金屬夾雜物類型、數量和形貌變化規律的探討，因此有必要對Si、Mn脫氧條件下Q355低合金結構鋼中非金屬夾雜物的演變規律進行研究，從而為提高產品質量提供理論指導。

1 試驗材料與方法

1.1 生產工藝

某鋼廠Q355鋼的生產工藝流程為：電爐→LF精煉→連鑄，電爐出鋼時加入Si、Mn合金進行脫氧合金化，LF精煉后造渣脫S，加入適量的合金微調Si、Mn、Al等元素含量，之后進行鈣處理使Al2O3夾雜物變性，改善鋼水可澆鑄性，靜吹后至連鑄澆鑄。Q355鋼的化學成分如表1所示。

1.2 取樣方法

從LF精煉進站、造渣合金化、喂鋁、鈣處理到連鑄中間包不同時間節點取鋼水樣，采用能有效避免疏松及縮孔等缺陷的直徑53 mm、高90 mm圓柱形提桶取樣器，取樣器插入鋼液面以下400 mm，以保證樣品代表性。采用線切割在提桶樣中心密實部位切取直徑5 mm、長50 mm棒狀氧氮試樣和15 mm×15 mm×15 mm金相試樣。

1.3 試驗方法

利用TC600型氧氮分析儀對鋼水T[O]、T[N]進行定量分析；利用蔡司金相顯微鏡選取10個不同視場（每個視場面積1 mm2），對粒徑大于10 μm的夾雜物進行定量分析，并采用掃描電子顯微鏡和能譜分析儀對夾雜物進行定性分析；利用掃描電子顯微鏡能譜自動分析功能，對粒徑小于10 μm的夾雜物進行掃描，掃描視場為10 mm2，并根據成分篩除不合格結果后進行定量和定性分析。

2 試驗結果與分析

2.1 夾雜物定量分析結果

2.1.1 w（T[O]）、w（T[N]）變化規律

各工序鋼中w（T[O]）、w（T[N]）變化如表2所示。從表2可以看出，在LF精煉過程中，進站時鋼中w（T[O]）為0.004 9% ，造渣合金化及喂鋁階段w（T[O]）持續升高，最高為0.009 8% 。其原因為：進站及造渣合金化階段渣中w（FeO＋MnO）過高，分別為7.92% 和2.64% ，精煉渣氧化性強使鋼水二次氧化造成w（T[O]）升高，且鋼液面裸露，使鋼水w（T[N]）略有升高[9]，如表3 所示。至鈣處理階段精煉渣已經轉變為還原性白渣，隨著夾雜物的上浮去除，鋼中w（T[O]）迅速降低至0.001 4% ，降低了85.71% ，說明LF過程去除鋼中非金屬夾雜物的效果較好；中包w（T[O]）較鈣處理后提高至0.004 0% ，鋼水中w（T[O]）總體呈先上升后下降的趨勢。此外鈣處理至中包過程共增氮0.001 9% （質量分數），表明此階段鋼水保護性較差，二次氧化現象嚴重。

表2 各工藝階段T[O]和T[N]含量變化（質量分數）Table 2 Variation in contents of T[O]and T[N]in each process stage（mass fraction） %

表3 精煉渣成分（質量分數）Table 3 Compositions of refining slag（mass fraction） %

2.1.2 夾雜物數量變化

各工序夾雜物數量如表4所示。粒徑大于10 μm的夾雜物數量變化為：LF進站和造渣合金化階段較多，分別為10、15個/10 mm2；喂鋁后下降為5個/10 mm2；鈣處理后為1個/10 mm2，基本消失，中包和連鑄階段又上升，分別為6和2個/10 mm2。粒徑小于10 μm的夾雜物數量變化為：LF進站較少，僅為25個/mm2；造渣合金化后升高至59個/mm2；喂鋁又急劇上升，增至109個/mm2；鈣處理后減少至36個/mm2；中包降至20個/mm2；連鑄階段趨于平穩，基本保持在22個/mm2。夾雜物數量整體呈先上升后下降最后趨于平穩的趨勢。

表4 各工藝階段夾雜物數量Table 4 Number of inclusions in each process stage

2.1.3 粒徑小于10 μm的夾雜物數量與w（T[O]）對應關系

粒徑小于10 μm的夾雜物數量與w（T[O]）對應關系如圖1所示。在進站、造渣合金化、喂鋁階段隨著夾雜物數量從25個/mm2上升至109 個/mm2，w（T[O]）也從0.004 9%上升至0.009 8% ；鈣處理階段夾雜物數量降至36個/mm2，w（T[O]）也隨之降至0.001 4% ；中包及鑄坯階段夾雜物數量和w（T[O]）的波動范圍較小，分別在20～22個/mm2及0.001 7%～0.002 4% 之間，粒徑小于10 μm的夾雜物數量與w（T[O]）的變化趨勢相同。

圖1 粒徑小于10 μm的夾雜物數量與w（T[O]）對應關系Fig.1 Number of inclusions with particle size less than 10 μm corresponds to w（T[O]）

鋼中全氧由自由氧與以夾雜物形式存在的結合氧組成。出鋼脫氧后，全氧差異主要體現在以夾雜物形式存在的結合氧部分。粒徑小于10 μm的夾雜物數量占比大且在鋼中分布均勻，對w（T[O]）的變化起決定性作用；而粒徑大于10 μm的夾雜物數量少且分布不均勻，對w（T[O]）變化的影響極小。

2.2 夾雜物演變規律分析

2.2.1 精煉進站階段夾雜物類型

精煉進站階段夾雜物主要為SiO2-MnO-CaO，如圖2三元相圖所示。電爐出鋼時鋼水中溶解氧含量較高，加入硅鐵、錳鐵進行脫氧合金化，脫氧產物為SiO2、MnO以及微量的Al2O3、CaO。Al2O3和CaO來源于硅鐵合金中的少量Al、Ca（wAl＝0.5%～2.0% ，wCa＝1.0%～1.5% ）與鋼液中的氧反應，此階段夾雜物主要成分為SiO2-MnO復合夾雜物。

圖2 LF進站夾雜物主要成分Fig.2 Main components of inclusion entering LF

2.2.2 精煉造渣合金化階段夾雜物類型

精煉造渣合金化階段夾雜物仍為SiO2-MnOCaO，但SiO2-MnO成分比例升高，如圖3三元相圖所示。加入Si、Mn等合金微調成分后，部分合金與鋼液中的氧反應，形成新的SiO2-MnO類夾雜物，造成此階段夾雜物數量增加，夾雜物主要類型仍為SiO2-MnO。

圖3 造渣合金化階段夾雜物主要成分Fig.3 Main components of inclusion during slagmaking and alloying stage

2.2.3 精煉喂鋁階段夾雜物類型

精煉喂鋁后夾雜物主要為Al2O3-SiO2-MnO，如圖4三元相圖所示。鋁加入后鋼水中殘余的氧被進一步去除生成大量Al2O3；在精煉造渣后的還原氣氛下，鋼液及精煉渣中脫氧產物SiO2-MnO與Al發生還原反應生成[Si]、[Mn]及Al2O3，此階段Al2O3含量大幅度升高，夾雜物主要成分轉變為Al2O3。具體化學反應方程式為：

圖4 喂鋁后夾雜物主要成分Fig.4 Main components of inclusion after aluminum feeding

喂鋁后鋼渣及耐材中部分MgO被加入的鋁還原進入鋼液，與Al2O3和Al2O3-CaO反應生成Al2O3含量較高的鋁鎂尖晶石類復合夾雜物，其典型形貌和能譜面掃描結果如圖5所示。

圖5 喂鋁后鋁鎂尖晶石類復合夾雜物形貌（a）及能譜面掃描結果（b～e）Fig.5 Morphology（a）and energy spectrum area scanning results（b to e）of typical MgO-Al2O3 spinel composite inclusions after aluminum feeding

2.2.4 精煉鈣處理階段夾雜物類型

鈣處理后夾雜物主要成分為Al2O3-CaOMgO，如圖6三元相圖所示。此時夾雜物中Si、Mn含量已較低，鋼液中的鈣與Al2O3發生還原反應而變性為鈣鋁酸鹽，夾雜物主要成分為Al2O3。

圖6 鈣處理后夾雜物主要成分Fig.6 Main components of inclusions after calcium feeding

2.2.5 連鑄階段夾雜物類型

連鑄階段夾雜物主要成分為Al2O3-CaOMgO，如圖7三元相圖所示。鈣處理后經過靜吹，鋼中Ca與Al2O3反應更充分，造成鈣鋁酸鹽類夾雜物增多。此時中包耐材被侵蝕會有少量MgO進入鋼水中，與鈣鋁酸鹽結合生成復合夾雜物Al2O3-CaO（MgO）[10]，在鋼水凝固過程中CaO-Al2O3外層的CaO與鋼液中的S發生反應[11-12]，生成CaS包裹在復合夾雜物外圍，因此在中包及鑄坯中夾雜物主要為Al2O3-CaO（MgO）-CaS，其形貌及能譜面掃描結果如圖8所示。

圖7 中包夾雜物主要成分Fig.7 Main components of inclusion in tundish

圖8 鑄坯中Al2O3-CaO（MgO）-CaS夾雜物的形貌（a）及能譜面掃描結果（b～e）Fig.8 Morphology（a）and energy spectrum area scanning results（b to e）of Al2O3-CaO（MgO）-CaS inclusions in slab

3 結論

（1）粒徑小于10 μm的夾雜物數量與w（T[O]）的變化趨勢相同，整體呈先上升后下降最后趨于平穩的趨勢，其中喂鋁工序的w（T[O]）最高，為0.009 8% 。

（2）Si、Mn脫氧Q355低合金結構鋼中非金屬夾雜物的演變規律為：電爐出鋼后主要夾雜物為SiO2-MnO，LF 喂鋁后轉變為Al2O3-SiO2-MnO（MgO），鈣處理后轉變為Al2O3-CaO（MgO），澆鑄后鑄坯中形成Al2O3-CaO（MgO）-CaS復合夾雜物。

（3）鑄坯中Al2O3-CaO（MgO）-CaS復合夾雜物的形成過程為：鋼水凝固過程中S與Al2O3-CaO（MgO）夾雜物表層的CaO反應，最外層生成CaS。