低碳高錳鋼20Mn2A 精煉過程中夾雜物成分變化研究

郭動動，王立濤，孟曉玲， 張建斌，于 飛

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第三煉鋼廠 江蘇常州 213011）

20Mn2A 圓環(huán)鏈具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，廣泛用于礦山、船舶及起重機(jī)等領(lǐng)域。 由于其使用環(huán)境潮濕且惡劣，同時受到交變載荷的作用，因此要求材料具有良好的綜合力學(xué)性能和安全可靠性［1］。 隨著近年來礦山、機(jī)械、冶金等行業(yè)的發(fā)展，對圓環(huán)鏈質(zhì)量的要求越來越高，相應(yīng)地提高了對鏈條用鋼的要求［2］。

鋼液中的非金屬夾雜物破壞鋼基體連續(xù)性，造成金屬組織不均勻，使金屬性能變差，對材料的拉拔和深沖等加工性能、疲勞性能、表面質(zhì)量和耐蝕性能產(chǎn)生不利影響［3］－［9］。 中天鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中天”）為了滿足客戶對產(chǎn)品的使用要求，通過工業(yè)試驗(yàn)研究了20Mn2A 熱軋盤條煉鋼精煉過程中夾雜物的變化及爐渣堿度對夾雜物成分的影響，以優(yōu)化生產(chǎn)工藝減少夾雜物，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝流程及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中天20Mn2A 鏈條用熱軋盤條煉鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水→120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→120 t LF 精煉→10機(jī)10 流立彎式連鑄機(jī)（斷面160 mm?160 mm）。

試驗(yàn)選取2 爐鋼水，分別記為爐次1 和爐次2。 每一爐分別在LF 開始、中期、后期及結(jié)束時用吹氧管蘸取渣樣，并用取樣器取鋼水樣，然后對渣樣和鋼水樣化學(xué)成分進(jìn)行分析。 同時借助掃描電鏡對鋼水樣的夾雜物形貌、尺寸、組成等進(jìn)行分析檢測，并利用FactSage 軟件計(jì)算模擬爐渣熔點(diǎn)和爐渣在相圖中的分布，用以研究爐渣成分與夾雜物之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)過程與分析

2.1 鋼水的化學(xué)成分與渣樣的成分

試驗(yàn)過程按試驗(yàn)方案進(jìn)行了取樣分析，鋼水的化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1 所示。 LF1 代表精煉初期，LF2 代表精煉中期，LF3 代表精煉后期，LF4 為精煉終點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)爐次精煉過程鋼水成分%

為研究爐渣堿度和氧化性對夾雜的影響，對試驗(yàn)的2 爐次的渣樣成分進(jìn)行了檢測，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)爐次LF 精煉過程爐渣成分

2.2 爐渣對比分析

從表2 可以看出：

1）爐次1：精煉初期至精煉中期CaO 含量有微小增加，精煉中期之后CaO 略微降低，SiO2逐漸降低。 MnO、FeO 從精煉初期至精煉后期逐漸降低后趨于穩(wěn)定，Al2O3逐漸增加。

2）爐次2：精煉初期至精煉中期CaO 含量有明顯增加，精煉中期之后CaO 有微小降低，SiO2逐漸降低。 MnO、FeO 從精煉初期至末期逐漸降低后趨于穩(wěn)定。 精煉初期至中期，Al2O3降低，中期之后又逐漸增加。

3）爐次1 和爐次2 精煉初期渣，兩爐CaO 非常接近，爐次2 的SiO2、MnO、FeO、TiO2都比爐次1高，而Al2O3比爐次1 低，說明爐次2 渣氧化性比爐次1 高。 精煉中期之后，兩個爐次精煉渣的變化趨勢基本相同。

2.3 爐渣成分在相圖上的分布

利用FactSage 軟件計(jì)算得到各精煉渣的熔點(diǎn)［10］，如表2 所示。 試驗(yàn)的2 爐次的精煉過程渣組成在CaO－Al2O3－SiO2－MgO（4%）－1600℃相圖上的分布如圖1 所示。

圖1 可以看出，爐次1 精煉過程精煉渣始終保持較低的CaO（遠(yuǎn)離CaO 飽和析出線），CaO 活度較低，爐渣脫氧脫硫能力較弱，熔點(diǎn)較低；爐次2 精煉過程首先將精煉渣組成調(diào)至CaO 飽和析出線附近，之后爐渣組成始終沿著CaO 飽和析出線變化，CaO 活度很高，其爐渣脫氧脫硫能力強(qiáng)，熔點(diǎn)較高。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 過程鋼樣夾雜物分析

借助ASPEX 自動掃描電鏡對試驗(yàn)的2 爐20Mn2A 精煉過程鋼水樣進(jìn)行了夾雜物自動掃描，掃描面積為20 mm2。 圖2 是精煉過程鋼樣CaOMgO－Al2O3系夾雜物平均成分分布變化。

圖2 精煉過程鋼中夾雜物平均成分分布變化

從圖2 中可以看出，精煉初期主要為純Al2O3夾雜物。 精煉過程中，夾雜物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鋁尖晶石及CaO－MgO－Al2O3系夾雜物。 隨著精煉的進(jìn)行，夾雜物中CaO 含量逐漸增多。 到精煉末期，出現(xiàn)大量低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。 圖3 為精煉過程中夾雜物典型形貌。

圖3 （a）LF1、（b）LF2、（c）LF3、（d）LF4 夾雜物典型形貌圖

如圖3 所示，精煉初期脫氧產(chǎn)物Al2O3呈近球形或短棒狀，易團(tuán)聚。 精煉中期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鋁尖晶石，呈方形棱角分明。 隨著精煉的進(jìn)行，夾雜物碰撞聚合，夾雜物中CaO 含量增加，夾雜物形貌向球形轉(zhuǎn)變。

精煉末期，出現(xiàn)較大尺寸低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽，中心呈球形，成分均勻，似多個夾雜物團(tuán)聚在周圍。

對2 爐試驗(yàn)爐次的夾雜物尺寸分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（以個數(shù)表征），如圖4 所示。

圖4 夾雜物尺寸分布

爐次1 夾雜物總量先降低后增加，爐次2 夾雜物總量先增加后降低。 爐次1 未發(fā)現(xiàn)20μm 以上夾雜物，而爐次2 從精煉第2 樣開始發(fā)現(xiàn)20 μm 以上大尺寸CaO－MgO－Al2O3系夾雜物，之后一直存在。

為了進(jìn)一步確認(rèn)大尺寸夾雜物數(shù)量、分布，對精煉過程鋼樣進(jìn)行擴(kuò)大高倍檢驗(yàn)（每個鋼樣檢驗(yàn)面積約為855 mm2），統(tǒng)計(jì)20 μm 以上大尺寸夾雜物，并用電鏡能譜確認(rèn)其成分。 統(tǒng)計(jì)檢測到的大尺寸夾雜物數(shù)量如表3 所示。

表3 精煉過程大尺寸夾雜物數(shù)量及主要成分

圖5、圖6 為2 爐試驗(yàn)爐次鋼樣所檢測到的20 μm 以上大尺寸夾雜物成分分布。

圖5 爐次1 精煉過程大尺寸夾雜物成分變化（a）LF1，（b）LF2、LF3、LF4

圖6 爐次2 精煉過程大尺寸夾雜物成分（a）LF1，（b）LF2、FL3、FL4

爐次1 精煉初期大尺寸夾雜物比較多，主要為CaO－SiO2－Al2O3系夾雜物，成分與爐渣成分接近，隨著精煉的進(jìn)行，鋼中大尺寸夾雜物減少，主要為低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。

爐次2 精煉過程大尺寸夾雜物主要成分始終為低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。 大尺寸夾雜物數(shù)量初期較少，中后期逐漸增多。

精煉中后期爐次1 相比于爐次2 其大尺寸夾雜物數(shù)量要少，結(jié)合試驗(yàn)爐次爐渣組成來看，研究認(rèn)為適當(dāng)降低CaO 活度有利于降低精煉過程大尺寸低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽的生成。

4 結(jié)論

1）精煉過程兩爐鋼夾雜物成分變化基本相似，精煉初期主要為純Al2O3，精煉過程中夾雜物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鋁尖晶石及CaO－MgO－Al2O3系夾雜物。 隨著精煉的進(jìn)行，夾雜物中CaO 含量逐漸增多，到精煉末期出現(xiàn)大量低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。

2）精煉初期大尺寸夾雜物主要為CaO－SiO2－Al2O3，數(shù)量較多且部分成分與爐渣成分接近，認(rèn)為其來源于爐渣；精煉過程中大尺寸夾雜物主要為低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽，該類夾雜物直到精煉末期依然存在。

3）精煉中后期，爐次1 相比于爐次2 其大尺寸夾雜物數(shù)量要少，結(jié)合試驗(yàn)爐次爐渣組成來看，認(rèn)為適當(dāng)降低CaO 活度有利于降低精煉過程大尺寸低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽的生成。