大樣電解法分析連鑄板坯大顆粒非金屬夾雜物來(lái)源

顧鳳義, 劉 瑩, 閆文凱, 楊 覦, 李勇生

(1.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司， 天津 300030;2.天鐵集團(tuán)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(xù)性，是基體中的應(yīng)力集中點(diǎn)?；w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(yīng)力后，裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致金屬斷裂。較大顆粒的非金屬夾雜物對(duì)鋼材質(zhì)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(huì)明顯降低鋼材的各種性能；而在鋼絲和滾動(dòng)軸承鋼中，僅尺寸大于10 mm的夾雜物就會(huì)對(duì)鋼材的性能造成影響。對(duì)于不同的鋼材，有不同的非金屬夾雜物臨界尺寸，即超過(guò)該臨界尺寸的非金屬夾雜物才會(huì)對(duì)鋼材的性能產(chǎn)生影響。由于大顆粒非金屬夾雜物對(duì)鋼材的力學(xué)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(lái)源，并去除該類(lèi)夾雜物。

大顆粒非金屬夾雜物在鋼材中的分布是隨機(jī)、不連續(xù)的，要準(zhǔn)確地測(cè)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(kuò)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(duì)大塊鋼材試樣進(jìn)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(duì)其進(jìn)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(zhì)量達(dá)2～4 kg)，提取大顆粒夾雜物較為全面，試樣代表性強(qiáng)，電解時(shí)間長(zhǎng)(約10 d左右)的特點(diǎn)[3]。筆者利用大樣電解法對(duì)連鑄坯的內(nèi)外弧和中心部位的夾雜物進(jìn)行研究，以確定整個(gè)工藝過(guò)程中大顆粒夾雜物的分布和來(lái)源，從而有針對(duì)性地改進(jìn)控制工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

針對(duì)連鑄板坯生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，采用大樣電解法來(lái)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(duì)這些大顆粒非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸、形貌、成分及來(lái)源進(jìn)行研究[4]。

1.1 電解試樣的制備

選取了生產(chǎn)過(guò)程中的Q235B鋼種的連鑄板坯，澆注斷面的尺寸(長(zhǎng)×寬)為 230 mm×1 600 mm，在連鑄坯1/4處的內(nèi)弧、外弧和中心部位(見(jiàn)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(zhǎng)×寬×高)約為150 mm×50 mm×50 mm的長(zhǎng)方體，試樣質(zhì)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(yàn)過(guò)程

板坯鋼試樣電解完成后，對(duì)所獲取的陽(yáng)極泥進(jìn)行淘洗分離，得到非金屬夾雜物。然后對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行分級(jí)、稱(chēng)重、形貌分類(lèi)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(jìn)行掃描電鏡及能譜分析[5]。大樣電解主要設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。大樣電解工藝參數(shù)如表1所示(表中電解液組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖2 大樣電解主要設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

表1 大樣電解工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)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(lèi)，大部分夾雜物為蠟黃色不規(guī)則形狀或類(lèi)球狀顆粒，少部分夾雜物為紅色、黑褐色、無(wú)色的透明不規(guī)則顆粒(見(jiàn)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(shù)量來(lái)定義，普遍認(rèn)為，每10 kg鋼中夾雜物含量小于1.5 mg。通過(guò)大樣電解試驗(yàn)，Q235B鋼板坯大樣電解夾雜物分析結(jié)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(dá)到普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的潔凈度要求。

表2 Q235B鋼板坯大樣電解夾雜物分析結(jié)果

由1#～3#試樣電解的結(jié)果可知，鋼中夾雜物種類(lèi)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(mǎn)足生產(chǎn)需求，但距離潔凈鋼還有一定的差距。Q235B鋼板坯夾雜物粒級(jí)分布如圖4所示，各粒級(jí)夾雜物含量如圖5所示。

圖4 Q235B鋼板坯夾雜物粒級(jí)分布

圖5 Q235B鋼板坯各粒級(jí)夾雜物含量

2.3 夾雜物微觀形貌及來(lái)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(lái)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(lái)源 %

表4 2#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來(lái)源 %

表5 3#試樣典型大顆粒非金屬夾雜物成分及來(lái)源 %

夾雜物來(lái)源分析如下所述。

(1) 在重點(diǎn)分析的19例夾雜物中，有10例含有鈉、鉀元素，約占總數(shù)的 60%以上，鈉、鉀元素是保護(hù)渣中特有的成分，故可認(rèn)為大部分夾雜物應(yīng)來(lái)源于結(jié)晶器保護(hù)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(lèi)夾雜物為脫氧產(chǎn)物。

(3) 對(duì)19例大型夾雜物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(fù)合水口的特征成分，說(shuō)明在澆筑過(guò)程中有水口熔損脫落現(xiàn)象。

(4) 二次氧化產(chǎn)物為不規(guī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.82%，鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(lái)源于二次氧化、結(jié)晶器卷渣、中間包下渣等，呈現(xiàn)淡黃色，為不規(guī)則形狀。在這19例大型夾雜物檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了10例含有二次氧化產(chǎn)物的成分，因此二次氧化也是Q235B鋼大顆粒夾雜物的主要來(lái)源。

(5) 在大顆粒非金屬夾雜物中還發(fā)現(xiàn)有9例含有氯離子，如果氯離子與鈉離子同時(shí)存在，就會(huì)造成污染，因此在后續(xù)的夾雜物分揀時(shí)應(yīng)注意避免鹽分的污染。

3 結(jié)語(yǔ)及建議

(1) 大顆粒夾雜物大部分來(lái)源于結(jié)晶器保護(hù)渣，建議對(duì)結(jié)晶器侵入式水口進(jìn)行調(diào)整，以確保結(jié)晶器內(nèi)夾雜物的上浮，同時(shí)對(duì)保護(hù)渣的性能進(jìn)行改善，確保液渣層的厚度，減少保護(hù)渣帶來(lái)的夾雜物。

(2) 根據(jù)連鑄板坯大顆粒夾雜物中有中包渣卷入的特點(diǎn)，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(duì)含有復(fù)合鋯質(zhì)水口熔損產(chǎn)物的夾雜物，建議提高整體耐材質(zhì)量和砌筑質(zhì)量，并采用合理的烘烤制度等手段進(jìn)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(duì)板坯連鑄進(jìn)行電磁攪拌，使夾雜物的分布相對(duì)均勻一些，避免中心大量夾雜物聚集和長(zhǎng)大，影響板材的性能。