Q235鋼中顯微夾雜物行為研究

馬軍紅 樸占龍 王 雁 王碩明

(華北理工大學冶金與能源學院、河北省高品質鋼連鑄工程技術研究中心，河北唐山 063009)

Q235鋼中顯微夾雜物行為研究

馬軍紅 樸占龍 王 雁 王碩明

(華北理工大學冶金與能源學院、河北省高品質鋼連鑄工程技術研究中心，河北唐山 063009)

系統分析了我國北方某鋼廠采用120 t BOF→Ar Blowing→CC工藝生產的Q235鋼中氧氮含量、鋼中顯微夾雜物類型、尺寸、數量及分布的變化歷程。結果表明，鑄坯中w(T[O])平均為78.6×10-6，w([N])平均為52.1×10-6，顯微夾雜物數量為11.2個/mm2；顯微夾雜物以SiO2-Al2O3- MnO- TiO2- MnS復合夾雜為主，粒度在2.5～15 μm之間，其中0～5 μm的夾雜約占25.01%，5～10 μm的夾雜約占43.69%，10～15 μm的夾雜約占9.47%；顯微夾雜物在距內外弧1/3～1/4處含量最高，邊部及中心部位夾雜物較少；鑄坯中含鋼包渣污染物的夾雜占41.2%，含中間包渣污染物的占23.3%。鋼包渣、中間包渣對夾雜物的吸附能力明顯不足，出鋼過程中應加鈣鋁酸鹽基渣洗料對鋼包頂渣進行改質，從而降低鋼中夾雜物數量。

Q235 顯微夾雜 氧氮含量

北方某鋼廠采用120 t BOF→Ar Blowing→CC的工藝生產Q235鋼種，其中鋼包內脫氧合金化后，再進行2 min大吹，8 min靜吹。Q235冷軋板表面時常出現斑點、翹皮、孔洞等缺陷。為分析此類表面缺陷產生的原因，對該鋼廠生產的Q235鋼中氧氮含量、顯微夾雜物類型、數量、分布等的變化歷程進行了系統分析[1]，以達到改進工藝、減少夾雜物的目的。

1 示蹤試驗

為確定夾雜物來源，向鋼包內加入鋼包渣總量8%的示蹤劑La，中間包覆蓋劑中加入其總量8%的示蹤劑Ce，對夾雜物進行示蹤分析[2- 3]。

分別在Q235鋼生產流程的吹氬前、吹氬后、5 min、20 mim時的中間包入口和出口取φ5 mm×6 mm的氧氮試樣及10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣。其中在鑄坯邊部1/4處由上(內弧)到下(外弧)均勻取7個10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經打磨、拋光后在500倍金相顯微鏡下觀察并統計各個位置處顯微夾雜物的數量和尺寸。顯微夾雜物按粒徑分為0～5、5～10、10～15、15～20 μm 4級，利用體積率法計算顯微夾雜物的數量及分布。體積率法是對各類測量夾雜物粒子的體積和表面積的比值分別進行統計的方法。

2 試驗結果統計及分析

2.1 各工序鋼中氧氮含量及顯微夾雜物分析

采用Leco氧氮測試儀對各工序氧氮試樣進行測定，各工序平均氧氮含量及顯微夾雜數量如圖1所示。中間包澆注過程平均氧氮含量及顯微夾雜數量如圖2所示，澆注過程鑄坯平均氧氮含量及顯微夾雜數量如圖3所示。

圖1 各工序鋼中平均氧氮含量及顯微夾雜數量

由圖1可知：

(1)鋼包吹氬前鋼中顯微夾雜數量為17.8 個/mm2，吹氬后顯微夾雜數量為9.2 個/mm2，較吹氬前降低了48.3%。

同時，鋼包吹氬后w(T[O])平均為144.7×10-6，較吹氬前降低了30.2%，w([N])平均為40.3×10-6，較吹氬前升高了63.8%，且合金中微量的氮不足以導致氮含量增加。說明鋼包流場去除夾雜物的效果良好，吹氬后顯微夾雜物數量降低，但由于吹氬攪拌強度過大，造成鋼液裸露，發生了嚴重的二次氧化。應取消鋼包內脫氧合金化后的2 min大吹，同時將8 min的靜吹時間延長為10～12 min。

(2)中間包出口穩態澆注時顯微夾雜數量為8.7 個/mm2，較入口升高了14.5%。同時，中間包出口穩態澆注時w(T[O])平均為92.9×10-6，較入口降低了20.9%，w([N])平均為50.8×10-6，較入口升高了19.8%。說明中間包流場去除夾雜物的效果較好，但從鋼包到中間包存在嚴重的吸氣現象，導致顯微夾雜數量的升高。

(3)穩態鑄坯中顯微夾雜數量為11.2 個/mm2，較入口升高了28.7%。同時，w(T[O])平均為78.6×10-6，比中間包出口升高了15.4%，w([N])平均為52.1×10-6，較出口升高了2.6%。說明鋼水從中間包到結晶器過程存在二次氧化現象。此外，鋼中氧含量偏高，在凝固過程中生成了新的夾雜也導致了其數量的增多。

圖2 中間包澆注過程平均氧氮含量及顯微夾雜數量

由圖2可知：

(1)中間包入口每包開澆5 min時顯微夾雜數量為13.5 個/mm2，較穩態值7.6 個/mm2高77.6%。

同時，中間包入口每包開澆5 min時，w(T[O])平均為150.7×10-6，較穩態值117.4 μg/g高28.4%，w([N])平均為58.7×10-6，較穩態值7.6×10-6高38.8%，說明每包開澆階段保護澆注不得力，發生了較嚴重的二次氧化，導致顯微夾雜數量升高，應嚴格控制換包操作。

(2)中間包出口每包開澆5 min時，顯微夾雜數量為11.2 個/mm2，較入口降低17.1%。

同時，w(T[O])平均為142.6×10-6，較入口降低5.4%，w([N])平均為67.5×10-6，較入口升高15.0%。說明中間包流場良好，與前述相符，但每包開澆階段中間包內液面波動較大，發生了嚴重的吸氣現象。

圖3 鑄坯中平均氧氮含量及顯微夾雜數量

由圖3可知：

(1)頭坯w(T[O])平均為107.4×10-6，較穩態鑄坯的78.6×10-6高36.6%，w([N])平均為58.4×10-6，較穩態鑄坯的58.4×10-6提高12.1%，顯微夾雜平均數量17.8 個/mm2，較穩態鑄坯的11.2個/mm2提高58.9%。說明開澆階段中間包及結晶器內存在嚴重的吸氣現象。應增大坯頭切割量，并對其進行降級處理，避免對鑄坯整體質量產生影響。

(2)混澆坯中w(T[O])平均為90.3×10-6，較穩態鑄坯高14.9%，w([N])平均為55.6×10-6，較穩態鑄坯高6.7%，顯微夾雜平均數量15.3 個/mm2，較穩態鑄坯高36.6%。說明換包操作節奏不夠緊湊，中間包液面波動較大，發生了較嚴重的吸氣現象。

(3)尾坯w(T[O])平均為97.8×10-6，較穩態鑄坯高24.4%，w([N])平均為60.2×10-6，較穩態鑄坯高15.5%，顯微夾雜平均數量16.4 個/mm2，較穩態鑄坯高46.4%。為穩定鑄坯質量，應增大尾坯切割量。

2.2 顯微夾雜物數量分布

在穩態鑄坯中由上(內弧)到下(外弧)均勻取7個試樣，鑄坯中顯微夾雜物由上到下的體積率分布如圖4所示。

圖4 鑄坯中平均顯微夾雜物數量分布

由圖4可知：

(1)穩態鑄坯由上(內弧)到下(外弧)顯微夾雜物的平均總體積率為0.098%，夾雜物數量較高，鑄坯潔凈度較低。

(2)在距內弧1/3～1/4處夾雜物聚集，數量最高，在距外弧1/3～1/4處夾雜物聚集較多，邊部及中心部位夾雜物較少[4]。

(3)在500倍金相顯微鏡下對拋光態鑄坯試樣統計了100個視場，發現顯微夾雜物粒徑較小，以粒徑小于10 μm的夾雜物為主，其中粒徑在0～5 μm的約占25.01%，5～10 μm的約占43.69%，10～15 μm的約占9.47%。

(4)綜上，在鑄坯內弧夾雜物的數量最高，主要是由于0～5 μm夾雜物的分布導致的。鑄坯中粒徑大于5 μm的夾雜物在經過鋼包流場、中間包流場和結晶器流場之后得到充分的上浮，而0～5 μm夾雜物不易充分上浮。

2.3 各工序鋼中顯微夾雜物類型及其來源分析

采用掃描電子顯微鏡連續視場拍攝法[5]對各工序所取試樣進行夾雜物尺寸與數量統計，主要有球形夾雜物、三角形夾雜物、不規則夾雜物三種，如圖5所示。

圖5 典型顯微夾雜物形貌

鋼包吹氬前顯微夾雜主要為Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜，來源于脫氧產物的聚集，呈不規則形狀或球形，粒度在2.5～15 μm之間。Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜中SiO2質量分數為8%～78%，Al2O3質量分數為9%～33%，MnO質量分數為8%～29%。其中含示蹤劑La的夾雜物占總數的32.6%。

鋼包吹氬后顯微夾雜主要為不規則形的Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜以及未及時排出的三角形Al2O3夾雜，粒度在5～25 μm之間。其中Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜占總數的71.4%，Al2O3夾雜占總數的28.6%。含示蹤劑La的夾雜物占總數的71.4%，說明吹Ar強度過大造成了嚴重的卷渣現象。應取消鋼包內脫氧合金化后的2 min大吹，同時將8 min的靜吹時間延長為10～12 min，避免鋼包液面的劇烈波動而造成卷渣，同時延長夾雜物的上浮時間。

中間包鋼水中顯微夾雜主要為Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜、Al2O3夾雜、MnS夾雜，呈不規則或球形，粒度在5～35 μm之間。中間包入口處Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜物占夾雜物總數的60%，Al2O3夾雜物占總數的33.33%，MnS夾雜物占總數的6.67%。中間包出口處Al2O3- SiO2- MnO復合夾雜物占夾雜物總數的68.75%，Al2O3夾雜物占總數的12.5%，MnS夾雜物占總數的18.75%。說明中間包流場良好，Al2O3夾雜去除較多，隨著溫度的降低，MnS夾雜析出開始增多。中間包內含示蹤劑La的夾雜物占總數的54.84%，說明有鋼包渣下渣，含示蹤劑Ce的夾雜物占總數的32.26%，說明中間包渣吸附夾雜效果不理想，夾雜物上浮后粘附了中間包渣又隨流場返回到了鋼液中。

鑄坯中顯微夾雜物以球形夾雜為主，主要為SiO2- MnO- MnS復合夾雜和SiO2- MnO復合夾雜，粒度在2～10 μm之間。其中SiO2- MnO- MnS占夾雜物總數的50%，SiO2- MnO占總數的50%。鑄坯中含示蹤劑La的夾雜物占總數的41.2%，含示蹤劑Ce的夾雜物占23.3%。鋼包渣及中間包渣吸附夾雜能力不強，應對其進行改質，增加對夾雜物的吸附能力。

3 結論

(1)鑄坯中顯微夾雜物平均數量為11.2 個/mm2，數量稍高，出鋼過程中應加鈣鋁酸鹽基渣洗料對鋼包頂渣改質，從而降低鋼中夾雜物。

(2)每包開澆及換包操作時，中間包液面波動較大，有較嚴重的吸氣及卷渣現象，應加強對這兩個階段的控制。

(3)鑄坯中含示蹤劑La的夾雜物占總數的41.2%，含示蹤劑Ce的夾雜物占23.3%。鋼包渣及中間包渣吸附夾雜能力不強，應對其進行改質，增加對夾雜物的吸附能力。

(4)對非穩態鑄坯采取降級處理，避免其對鑄坯整體質量產生影響。

[1] 孫學玉，董建君，張彩軍，等. Q195鋼中夾雜物行為的研究[J].河南冶金,2013,21(2)：6- 8.

[2] 王碩明，呂慶，王洪利，等.轉爐流程軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為[J].東北大學學報(自然科學版),2006,27(2):192- 195.

[3] 汪慶國,李京社,唐海燕, 等.LD→LF→CC工藝生產82B鋼的潔凈度研究[J].煉鋼，2011,27(6):57- 61.

[4] 孫立根，任英強，劉陽，等. Q235方坯非金屬夾雜物行為研究[J].鋼鐵釩鈦,2015,36(1):85- 90.

[5] 陳凌峰，趙志毅. 雜質元素總量對無取向硅鋼中夾雜物的影響[J].上海金屬，2016,38(1):51- 54.

收修改稿日期：2016- 07- 02

Research on Micro- Inclusions Behavior in Q235 Steel

Ma Junhong Piao Zhanlong Wang Yan Wang Shuoming

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology & Hebei High Quality Steel Continuous Casting Engineering and Technology Research Center, Tangshan Hebei 063009, China)

Content of T[O]、[N] and the type, size, quantity, distribution of micro- inclusions in Q235 steel produced with 120 t BOF- Ar Blowing- CC process at an iron and steel plant in Northern China have been studied in a system. The results showed that the averagew(T[O]) in casting billet was 78.6×10-6, the averagew([N]) was 52.1×10-6, and the amount of micro- inclusions was 11.2 in each square millimeter. The type of micro- inclusions was SiO2- Al2O3- MnO- TiO2- MnS compound inclusion,whose particle size was between 2.5 μm and 15 μm (inclusions of 0～5 μm accounted for about 25.01%, inclusions of 5～10 μm accounted for about 43.69%, inclusions of 10～15 μm accounted for about 9.47%). The amount of micro- inclusions reached its maximum in a quarter to a third of the inner and outer arc, while less in the edge and center of casting billet. Micro- inclusions of the ladle slag pollutants in slab was accounted for 41.2%,and the tundish slag pollutants was 23.3%. Adsorption capability for inclusions of ladle slag and tundish slag was poor. Calcium aluminate slag washing of material should be put in the ladle slag to enhance the capability.

Q235，micro- inclusions，content of T[O] and [N]

華北理工大學研究生創新項目(No.2016B02)

馬軍紅，男，研究方向為凝固理論與鑄坯質量

王碩明，男，博士，教授，研究方向為凝固理論與鑄坯質量