非合金结构钢生产的质量状况及改进措施

周春林，梁新维，周学宇，高剑辉，戴云阁，刘春明

（1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.承德钢铁公司，河北 承德 067002）

非合金结构钢生产的质量状况及改进措施

周春林1，2，梁新维2，周学宇2，高剑辉2，戴云阁1，刘春明1

（1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.承德钢铁公司，河北 承德 067002）

概括介绍了我国非合金结构钢的发展现状，从优化质量的角度探讨了非合金结构钢的生产过程和质量问题，并指出了在现有生产条件下进一步提高质量的可能性.

非合金结构钢;纯净度;非金属夹杂物;连铸

我国非合金结构钢的生产已经取得了长足的发展.尽管如此，由于各企业在设备条件、工艺流程、生产控制能力等方面的差异，表现在生产水平和质量上仍有很大差距，质量波动也较大.本文以在现有生产条件下提高非合金结构钢的质量为目标，通过分析非合金结构钢生产过程的各个环节，以期对非合金结构钢生产有新的认识.

碳素结构钢和优质碳素结构钢属于非合金结构钢类.钢中有害杂质含量较低，纯洁度和化学成分均匀性较高.碳素结构钢以规定最低强度为主要特征，并具有一定的综合力学性能和工艺性能.优质碳素结构钢除要求保证化学成分外，还要保证力学性能，要按用途所需保证低倍组织和满足其他一些规定的要求［1，2］.

碳素结构钢和优质碳素结构钢是自炼钢出现以来最先发展的最基础钢类，已经有约200余年生产历史.它用途广泛、生产数量大、品种规格多、价格便宜.

我国的碳素结构钢和优质碳素结构钢的生产起步较晚;1952年分别制定了第一个碳素结构钢和优质碳素结构钢部颁标准.上世纪70年代以后步入快速发展阶段，逐步形成了品种、规格多样化，产量、质量和综合成材率不断提高，消耗不断下降的多层次生产局面;产品基本上可以满足国内需要，产品标准已经全面向国际标准看齐［3，4］.

随着对钢质量要求和技术标准水平的提高，以及生产技术的进步，非合金结构钢生产工艺流程不断得到完善和优化.目前，国内采用的先进生产工艺流程通常为［5～10］:铁水预处理→复吹转炉炼钢→二次精炼→连铸→连轧，或超高功率电炉炼钢→二次精炼→连铸→连轧.上述流程都是以新技术、新工艺和新装备为基础的，从而使钢的纯净度、化学成分稳定性和均匀性高，也提高了钢的综合性能.

非合金结构钢中的中高碳钢（例如45#钢），其性能与成分密切相关.据统计、回归分析，钢中的C是影响45#钢强度和断面收缩率的主要原因［11，12］.因此，很多企业研究得出了化学成分 C、Si、Mn、P、S 与 σb、σs、δ5%、ψ% 的多元回归方程式，用于指导生产操作和性能预测［13，14］.

为了搞好非合金结构钢特别是中高碳钢的生产，国内企业家在生产中积累了很多经验;包括完善转炉终点控制、挡渣出钢和炉外增碳操作［15～17］，以及连铸过程关键技术;例如二冷冷却制度、比水量、专用保护渣和钢水过热度控制等［18］.尽管如此，国内在非合金结构钢生产水平和质量上与国外先进水平相比仍有较大差距［19］，质量波动较大，有待改进.本文涉及的质量探讨可能高于标准要求，但有助于推动非合金结构钢生产的进一步发展.

1 调查研究范围和方法

质量调查的钢种为碳素结构钢Q195 L、优质碳素结构钢45#.采用连续跟踪、系统取样方式进行研究.转炉容量30 t，连铸机为R6.5/12 m一机两流全弧形板坯连铸机和R7.0 m四机四流全弧形方坯连铸机.取样炉次的基本工艺流程如下框图所示:

2 调查研究结果

2.1 非合金结构钢水成分变化

2.1.1 钢中碳含量变化

碳是45#、Q195 L钢中最重要元素，其含量与钢性能及钢质量密切相关，同时也是操作水平的标志之一.对转炉终点和铸坯取样，其碳含量（质量分数/%）的波动及平均值见表1.图1为45#、Q195 L钢沿取样点的碳含量平均值的变化.

表1 转炉终点和铸坯取样的碳含量（质量分数）的波动和平均值Table 1 Fluctuation and average of carbon content（mass fraction）in samp ling from converter end point and casting blank %

图1 45#、Q195 L钢沿取样点平均碳含量的变化Fig.1 Variation ofmean carbon content in 45#and Q195 L steels along sampling points

表1的结果表明，45#钢的转炉终点控制不稳定，终点碳含量波动大，控制准确性有待提高;图1的结果说明，平均碳含量从转炉到吹氩站进站和中间包到结晶器之间呈明显增长趋势.显然，从转炉到吹氩站间的变化是由炉后增碳所致，而中间包到结晶器间则与包内所加覆盖剂有关.可见，铸坯中碳含量既与转炉终点有关，更主要是受生产过程的调整和控制.

钢的成分优化是提高碳素钢性能的前提条件.从性能要求上讲，C、Si、Mn含量都有最佳值，P、S则越低越好.因此，提高终点碳和沿程碳控制的准确性和稳定性，以及与Si、Mn等元素的最佳组合还有待今后更仔细的研究.

2.1.2 钢中氮含量变化

45#、Q195 L钢中平均氮含量（质量分数）沿取样点的变化见图2.从图2可见，钢中氮含量多数阶段呈明显增长状态.钢水中氮含量的来源单一，主要来自空气，而钢水从空气中吸氮的同时也吸氧，所以钢水沿程必须加强保护，以减少钢中氮含量增加.

2.1.3 钢中总氧量变化

钢中总氧量［TO］=［O］溶解+［O］结合，［O］溶解为钢液脱氧后与钢中元素相平衡且溶于钢中的氧，其值很低而且波动不大.［O］结合是以内生和外来夹杂物形式存在于钢中的结合氧.因此，脱氧后钢中总氧量［TO］实际上体现了氧化物夹杂数量，故可用［TO］量作为钢纯净度的量度.

图2 45#、Q195 L钢中平均氮含量沿取样点的变化Fig.2 Variation ofmean content of nitrogen in 45#and Q195 L steels along sampling points

图3为经CAS精炼和未经CAS精炼45#钢中［TO］的平均值沿取样点的变化.从吹氩站进站到中间包阶段，［TO］呈明显下降趋势，说明钢水精炼和中间包对净化钢质有明显效果.

图3 经CAS精炼和未经CAS精炼45#钢中［TO］的平均值沿取样点变化Fig.3 Variation ofmean［TO］content in steels refined with CAS and without CAS along sampling points

从图3可以看出，从吹氩后到中间包，经CAS精炼的钢中［TO］下降幅度比未经CAS精炼的钢中［TO］下降幅度要大.可见CAS精炼具有较好的去除夹杂效果.显然，在有条件的情况下，钢水采用精炼措施对提高钢质量有明显好处.

2.2 渣中成分变化

图4为冶炼45#钢的熔渣中 CaO、SiO2、Al2O3、MnO、MgO和全铁TFe沿取样点的变化.熔渣的TFe除转炉终点稍高外，沿程其他位置均处于较低水平，说明熔渣氧化性控制较好.渣中Al2O3主要来源于脱氧产物、二次氧化产物、耐火材料浸蚀物和钢水覆盖剂.可见，渣中Al2O3来源多、数量大.因此，控制渣中Al2O3来源，对提高钢的纯净性有利.从取样点渣中CaO、SiO2含量可见，转炉终点渣碱度偏高，说明转炉造渣制度有待加强.

图4 45#钢熔渣化学成分沿取样点的变化Fig.4 Variation of chem ical com ponents in slag of 45#steel a long sam p ling points

随着钢水的转移和浇铸操作，大包渣和中间包渣都有可能进入到结晶器中.因此，结晶器渣可能包括转炉渣、中间包渣、二次氧化产物等.它们在结晶器中如果来不及上浮，将滞留钢中成为夹杂物.因此，减少转炉下渣、加强夹杂物的上浮排除工作及加强浇铸操作，对提高钢的纯净性都是有益的.

由于是碳素钢，熔渣成分不复杂，沿取样点变化无明显异常，说明生产上只要控制好工艺参数，防止碱度、氧化性、Al2O3的大幅度波动，就会有利于提高钢质量.

2.3 铸坯凝固组织检验

作为铸坯内部质量（缺陷）的检测，通常采用硫印检测法和热酸浸蚀法.但随着炉外精炼设备的广泛采用，钢中硫的质量分数多已控制在0.005%以下，使硫印检测不易判断，有时检测结果出现“白板”;热酸浸蚀法虽然能够显示出铸坯内部缺陷及粗大柱状晶组织，但操作复杂，控制不当极易将缺陷扩大.本文采用的凝固组织显示方法，是对试样剖面加工、腐蚀、成像的方法，可以获得结晶组织和内部缺陷的较清晰图貌，铸坯凝固组织检测参照国家低倍评级标准.

45#钢铸坯凝固组织检测结果及低倍缺陷情况见表2，图5为铸坯组织及缺陷显示情况的照片.从表2和图5可见，铸坯柱状晶发育明显，个别试样柱状晶直至坯心.试样普遍存在中心裂纹和中心疏松.在受检的4个试样中有两个存在残余缩孔.从检验结果看，喂线试样略好于不喂线试样.由铸坯检验看，试样缺陷差异不大，说明炉与炉之间铸坯低倍组织波动不大.所检铸坯质量缺陷主要与钢水过热度高、冷却速度大等因素有关.可见，铸坯质量的好坏与连铸操作密切相关.要减少铸坯缺陷，必须严格控制好连铸工艺参数.

表2 铸坯凝固组织检测结果Table 2 Test results of solidification structure of slab

图5 显示铸坯凝固组织（缺陷）的照片Fig.5 Photographs show ing the solidification structure（bug）of slab

2.4 试样的金相检验

在OLYCIA m3金相图像分析系统上，根据夹杂物与基体的灰度差别，利用体视学原理对试样中非金属夹杂物进行定量测定.非金属夹杂物数量沿取样点的变化见表3.根据检测，金相检验的夹杂物粒度为 0～10μm的占 96.96% ～98.59%，＞30μm的夹杂物占0～0.61%，可见金相检验的主要是钢液内生的小颗粒夹杂.

由表3可见，沿取样点低碳钢（Q195 L）比中碳钢（45#）夹杂物密度普遍偏低，这与低碳钢中常存元素含量少，生产过程相对简化，Fe－Si、Fe－Mn等物料加入量少等特点所产生的内在夹杂物少密切相关.生产沿程对比可见，低碳钢铸坯钢质比较纯净，吹氩后、结晶器取样点钢中夹杂物密度高而且呈大幅度波动.因此，加强生产沿程各环节的操作，对提高钢铸坯质量，减少钢的内生夹杂物数量有利.

在生产沿程中，45#钢夹杂物密度比Q195 L钢高，在铸坯中也是如此.这说明45#钢比Q195 L钢生产复杂，所产生的内生夹杂物多，因此纯净性比Q195 L钢差.众所周知，45#钢属优质碳素结构钢，质量要求相对较严格，因此对钢纯净性要求也应该更高.

45#钢在吹氩站、中间包和结晶器中夹杂物密度呈明显下降趋势，说明钢水精炼操作、中间包对净化钢质有明显作用.为更好地发挥其效能，应该在设备和工艺参数上继续改进，以强化其功能，进一步发挥净化钢质的作用.夹杂物密度在中间包、结晶器与铸坯间表现的波动，说明浇铸参数的影响也很大.铸流控制不当，将使液面覆盖渣被卷携转移的机会增多，并使钢中夹杂物上浮的机会减少，从而不利于减少钢中夹杂物.

表3 非金属夹杂物密度（个/mm2，最小值～最大值/平均值）沿取样点的变化Table 3 Variation of nonmetallic inclusion density（number of nonmetallic inc lusions/mm2，m inimum～maximum/mean）along sam pling points

2.5 铸坯试样的大样电解

对45#钢、Q195 L钢铸坯试样的大样进行电解，获得的粒径≥50μm的夹杂物占47.14% ～79.13%.可见大样电解分离出来的夹杂物主要是外来夹杂物.由不同铸造条件铸坯获得的夹杂物总量（质量分数）平均值如表4所示.由表4可见，对于45#钢，经CAS精炼比未经CAS精炼的试样夹杂物总量低很多，说明CAS精炼对净化45#钢钢质有明显作用，有利于提高钢的纯净性;结晶器喂线钢夹杂物总量明显高于不喂线钢，这可能与喂线钢所产生的夹杂物来不及从钢中排除有关.

Q195 L钢的夹杂物总量在各种处理方式下都高于45#钢.在经CAS精炼情况下，Q195 L钢夹杂物总量是经同样处理的45#钢的10倍以上.可见，低碳钢比中碳钢的外来夹杂物要多很多，这可能与低碳钢的钢水氧位高和炉渣氧化性较强有直接关系.

表4 试样大样电解结果（夹杂物总量（质量分数）平均值）Table 4 Results of large samp le electrolyte samples（average of inclusion quantities） 10－7

无论对45#钢还是Q195 L钢而言，钢水即使经过CAS精炼，铸坯的夹杂物总量仍然比较高.可见，在这样的条件下要生产高品牌纯净钢，将是非常困难的.这说明，非合金钢生产尽管采用了比较先进的设备和工艺流程，实际上并没有达到预期的效果，这可能是非合金钢实物质量比预想的要差的主要原因.这说明，非合金钢实物质量有堪忧之处.设想，在同样生产条件下，如果能按纯净钢的操作方式组织生产，那么非合金钢的实物质量可能是另一种局面.

3 结语与展望

（1）我国碳素结构钢和优质碳素结构钢经过多年生产和发展，技术标准已经全面向国际标准看齐，钢的纯净性、化学成分稳定性和均匀性大幅度提高，产品基本上可以满足国内市场需要.

（2）从优质钢的角度审视非合金钢产品，在成分控制和优化，铸坯质量及纯净性等方面尚存在质量堪忧之处.尽管生产中采用了较先进的流程和设备，但并不一定达到预期效果，其原因与生产过程中操作和控制密切相关.

（3）从提高产品质量的角度考虑，在同样生产条件下，如果能按照纯净钢的操作方式组织生产，非合金结构钢产品的实物质量有可能进一步提高.

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Quality status for producing the unalloyed structural steels and its im provementmeasures

ZHOU Chun-lin1，2，LIANG Xin-wei2，ZHOU Xue-yu2，GAO Jian-hui2，DAIYun-ge1，LIU Chun-ming1
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Chengde Iron and Steel Corporation，Chengde 067002，China）

This review introduced the domestic development actuality of unalloyed structural steels，and discussed the manufacturing process and the quality problem of unalloyed structural steels from the viewpoint for optimizing the quality.And the review indicated the probability to improve the quality of steel on existing production condition.

non－alloy structural steel;purity and cleanliness;non－metallic inclusion;continuous casting

TG142.41

A

1671-6620（2012）03-0197-05

2012-07-11.

国际钒技术委员会资助.

周春林 （1963—），男，承德钢铁集团有限公司高级工程师;刘春明 （1961—），男，东北大学教授，博士生导师，E－mail:cmliu@mail.neu.edu.cn.