410 S铁素体不锈钢连铸板坯中非金属夹杂物的分布和类型

陈兴润，王建新，潘吉祥，徐 斌

(酒钢集团 天风不锈钢有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

410 S铁素体不锈钢连铸板坯中非金属夹杂物的分布和类型

陈兴润，王建新，潘吉祥，徐 斌

(酒钢集团 天风不锈钢有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

本文用金相检验法对410 S不锈钢连铸板坯中的非金属夹杂物数量进行统计分析，研究了夹杂物的数量分布，并用扫描电镜对夹杂物成分进行研究.试验结果表明:410 S连铸板坯中夹杂物尺寸以0～10 μm为主;距边部1/4位置处和中部从铸坯表层至心部非金属夹杂物数量有少量增加，沿厚度方向相同位置上夹杂物相比，中部夹杂物数量明显增加;在连铸坯表层宽度方向边部和1/4位置处各尺寸范围内的夹杂物数量差别甚小;连铸板坯中非金属夹杂物都呈现为球状，类型为CaO－SiO2－Al2O3－MgO－MnO.

410 S铁素体不锈钢;非金属夹杂物;连铸板坯;数量分布;金相分析

非金属夹杂物严重影响410 S铁素体不锈钢板坯的质量，造成板坯修磨工作量增加甚至于产生废坯.此外，非金属夹杂物对后续产品的机械性能、耐腐蚀性能和表面质量等都有强烈的影响［1～3］.

近年来，国内外的科研工作者在不锈钢夹杂物方面做了大量研究工作［4～8］.酒钢集团天风不锈钢公司作为西北地区生产不锈钢的生产企业，目前已具备年产100万t不锈钢板坯的生产能力.随着用户对酒钢不锈钢产品质量的要求逐渐提高，以及国内不锈钢市场的竞争愈加激烈，酒钢也开始加强不锈钢钢水纯净度方面的工作.本文介绍了酒钢在分析410 S铁素体不锈钢连铸板坯中非金属夹杂物分布方面的初步研究结果.

1 生产工艺

410 S不锈钢冶炼以高炉铁水为原料，经过铁水罐脱磷、脱硅处理后，直接兑入AOD转炉进行冶炼.AOD转炉采用FeSi(w(Si)=77%)合金终脱氧，吨钢FeSi加入量为20 kg左右.AOD工序处理完毕后，送到LF进行精炼.LF精炼过程加入一定量的CaO和CaF2造渣，精炼渣二元碱度控制在2.3～2.5左右，炉渣中Al2O3质量分数在3%左右，MgO质量分数在7%左右;底吹氩气量控制在0.15～0.20 m3/min之间，当成分和温度达到要求后，将钢液运至连铸平台进行浇铸.

2 试验材料及方法

为研究410 S铁素体不锈钢板坯中夹杂物的分布规律，在连铸板坯上取样，用光学显微镜观察连铸板坯中不同部位的夹杂物数量和大小，并进行统计分析.用扫描电镜对夹杂物进行面分布分析，确定夹杂物的主要成分.410 S铁素体不锈钢板坯断面尺寸为220 mm×1 260 mm.考虑到夹杂物在直弧型连铸机浇铸板坯中呈对称分布，只对铸坯的1/4断面进行取样分析，具体的试样切取如图1所示.试样切取后，沿厚度方向分别在B、C试样上间隔取5个试样，沿长度方向在D和E试样上间隔取5个试样，按照B1、B2、B3、B4、B5， C1、C2、C3、C4、C5……标注.试样经过粗磨、精磨、抛光后，在光学显微镜下观察金相组织.每个试样在500倍的放大倍数下观察20个视场，统计视场中夹杂物数量和大小，然后汇总分析.

图1 板坯试样切取示意图Fig.1 The cutting diagram of 410 S slab specimen

本文取1个浇次6炉钢水对应的6块中间坯进行夹杂物数量统计，在数据分析时取连铸坯样的平均值.表1是这6块连铸板坯的化学成分及全氧量.

表1 本研究使用的410 S不锈钢连铸坯化学成分及全氧量(质量分数)Table 1 The composition and total oxygen of 304 stainless steel slabs in the study(mass fraction)%

3 试验结果

3.1 连铸板坯中夹杂物分布

非金属夹杂物在410 S连铸板坯中沿宽度方向和厚度方向上的数量分布如图2所示，从图中可以看出410 S连铸板坯中夹杂物以尺寸0～10 μm为主.图2(a)、(b)为夹杂物距边部1/4位置处和中心厚度方向上的分布;图2(c)、(d)为夹杂物在连铸坯表层宽度方向边部和1/4位置处的分布.从图2(a)、(b)中可以看出，距边部1/4位置处和中心从铸坯表层至中心的非金属夹杂物数量有少量增加.距边部1/4位置处和中心沿厚度方向相同位置上夹杂物相比，中心夹杂物数量明显增加.从图2(c)、(d)中可以看出，夹杂物在连铸坯表层宽度方向边部和1/4位置处各尺寸范围内的夹杂物数量没有明显的变化规律.

3.2 连铸板坯中夹杂物类型

对板坯中典型夹杂物的形貌和成分进行分析，如图3所示.从图3中可以看出，所观察到的夹杂物都呈现为球状，这说明夹杂物在钢液的凝固过程中已经形成，由于夹杂物与钢液的界面张力的作用而呈现球状［9］，夹杂物尺寸都小于10 μm.由扫描电镜分析得知，夹杂物主要含Si、Ca、Al、Mg、Mn和O等元素，表明夹杂物类型为CaO－SiO2－Al2O3－MgO－MnO.

4 讨论

图2 410 S铸坯中夹杂物的分布Fig.2 Distribution of inclusions of 410 S slab

钢水中非金属夹杂物按其来源分为内生夹杂物和外来夹杂物.外来夹杂物一般尺寸较大，从上面的夹杂物尺寸来看，410 S连铸板坯中的夹杂物属于内生夹杂物.在410 S不锈钢冶炼过程中，尺寸较大的脱氧产物在LF精炼过程中不断上浮并被炉渣吸收，最终到连铸中包后只剩下一些尺寸较小的非金属夹杂物［10］.此外，在410 S不锈钢浇铸过程中，随着钢水温度的降低，脱氧反应的平衡向右移，钢水中溶解的氧不断与钢中的Al、Ca、Mg、Si和Mn发生反应，产生 CaO－SiO2－Al2O3－MgO－MnO类型的复合夹杂物［11～12］.因此，410 S连铸板坯中的夹杂物主要为尺寸较小的脱氧产物和钢水冷却凝固过程中的析出物.

图3 410 S铸坯中夹杂物的形貌和成分Fig.3 Chemical composition and typical morphology of inclusions of 410 S slab

从连铸坯表层的夹杂物数量检测结果来看，夹杂物在宽度方向边部和1/4位置处各尺寸范围内的夹杂物数量没有明显的变化规律.主要原因为:在410 S钢液中无论是宽度方向边部还是1/4位置处，钢水中尺寸较小的脱氧产物分布都比较均匀，在连铸过程中钢水在结晶器中迅速凝固形成坯壳，这时坯壳中的夹杂物主要为尺寸较小的脱氧产物，钢水冷却凝固过程中的析出物很少存在.D1到D5，E1到E5试样中各尺寸范围的夹杂物数量不同，主要还是跟夹杂物在钢水中分布的随机性有关.

边部1/4位置处(B1到B5)和中心(C1到C5)，沿厚度方向表层至心部非金属夹杂物数量都是一个增加的过程，这主要跟钢水在结晶器中的凝固现象有关.钢水在结晶器边部凝固时间最短，厚度方向表层中的夹杂物主要为尺寸较小的脱氧产物.从边部到结晶器中心凝固时间逐渐增长，厚度方向上的夹杂物除了钢水中已有的脱氧产物外，还有一些冷却凝固过程中产生的析出物，因此沿厚度方向表层至心部小于10 μm的非金属夹杂物数量是逐渐增加的.大于10 μm的非金属夹杂物数量也逐渐增加，与部分小粒度夹杂物凝聚长大有关.沿厚度方向相同位置上夹杂物相比，中部夹杂物数量明显高于1/4位置处，其原因与上面是一致的，结晶器中部的钢水凝固时间要比1/4位置处的钢水凝固时间长.

5 结论

(1)410 S连铸板坯中夹杂物以0～10 μm为主，大于10 μm的夹杂物数量较少.

(2)距边部1/4位置处和中部从铸坯表层至心部非金属夹杂物数量有少量增加;距边部1/4位置处和中部沿厚度方向相同位置上夹杂物相比，中部夹杂物数量明显增加;在连铸坯表层宽度方向边部和1/4位置处各尺寸范围内的夹杂物数量没有明显的变化规律;

(3)连铸板坯中非金属夹杂物都呈现为球状，类型为CaO－SiO2－Al2O3－MgO－MnO.

［1］Heon Young Ha，Chan Jin Park，Hyuk Sang Kwon.Effects of non－metallic inclusions on the initiation of pitting corrosion in 11%Cr ferritic stainless steel examined by micro－droplet cell［J］.Corrosion science，2007(49):1266－1275.

［2］Liu Xiao，Yang Jichun，Yang Lin，et al.Effect of Ce on inclusions and impact property of 2Cr13 stainless steel［J］. Journal of iron and steel research，international，2010，17 (12):59－64.

［3］Jiang Zhouhua，Li Shuangjiang，Li Yang.Thermodynamic calculation of inclusion formation in Mg－Al－Si－0 system of 430 stainless steel melts［J］.Journal of iron and steel research，international，2011，18(2):14－17.

［4］Joo Hyun Park.Effect of inclusions on the solidification structures offerriticstainlesssteel:computationaland experimental study of inclusion evolution［J］.CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry，2011(35):455－462.

［5］Cabalin L M，Mateo M P，Laserna J J.Large area mapping of non－metallic inclusions in stainless steel by an automated system based on laser ablation［J］.Spectrochimica Acta Part B，2004(59):567–575.

［6］Park J H.Thermodynamic investigation on the formation of inclusions containing MgAl2O4spinel during 16Cr–14Ni austenitic stainless steel manufacturing processes［J］. Materials Science and Engineering A，2008(471):43–51.

［7］Yu Hailiang，LiuXianghua，Bi Hong－yun，et al，Deformation behavior of inclusions in stainless steel strips during multi－pass cold rolling［J］.Journal of materials processing technology，2009(209):455–461.

［8］范光伟，王贵平，李志斌.OCr18N9不锈钢中非金属夹杂物来源［J］.北京科技大学学报，2007，29(8):776－780.

(FAN Guangwei，WANG Guiping，LI Zhibin.Origin of non－metallic inclusions in OCr18Ni9 stainless steel［J］. Journal of University of Science and Technology Beijing， 2007，29(8):776－780.)

［9］雷锐戈.316 L不锈钢夹杂物水平的改善［J］.世界钢铁，2010，3:34－38.

(LEI Ruige.Practice on the improvement for the inclusion level of 316 L stainless steel［J］.World Iron＆Steel，2010，3:34－38.)

［10］付邦豪，陈超，成国光，等.430不锈钢冶炼过程的夹杂物［J］.钢铁，2012，47(1):40－43.

(FU Banghao，CHEN Chao，CHENG Guoguang，et al. Inclusions in 430 stainless steelmaking during AOD－LFCC process［J］.Iron and Steel，2012，47(1):40－43.)

［11］王贵平，李志斌，夏焱.304不锈钢连铸坯中的非金属夹杂物数量分布［J］.材料与冶金学报，2009，8(3):162－164.

(WANG Guiping，LI Zhibin，XIA Yan.Distribution of non－metallic inclusion quantity in 304 stainless steel slab［J］.Journal of Materials and Metallurgy，2009，8(3):162－164.)

［12］Mikio Suzukj，Ryuji Yamaguchj，KatsuhikoMurakami. Inclusion particle growth during solidification of stainless steel［J］.ISIJ，2001，41(3):247－256.

Distribution and type of non－metallic inclusion in continuous－casting slab of 410 S ferrite stainless steel

Chen Xingrun，Wang Jianxin，Pan Jixiang，Xu Bin

(Jiuquan Iron and Steel Group Corporation，Tianfeng Stainless Steel Co.，Ltd.，Jiayuguan，735100，China)

Inclusion amount was investigated by using metallographic analysis，distribution of the non metallic inclusion was researched and composition of the non－metallic inclusions was analyzed by SEM in this paper.The results showed that the inclusion size of the 410 S slabs is mostly 0－10 μm;the non－metallic inclusion amount increases slightly from the surface to the base metal of slab at the 1/4 position from the edge.While in the center，on the same location along the thickness direction，the non－metallic inclusion amount of center increases significantly compared to the 1/4 position from the edge;near the 410 S stainless steel slabs surface，distribution of the non metallic inclusion amount in the size range has little difference;the non－metallic inclusions of the 410 S slab are all spherical，the type of inclusions is mainly CaO－SiO2－Al2O3－MgO－MnO.

410 S ferrite stainless steel;non－metallic inclusion;continuous－casting slab;quantity distribution; metallographic analysis

TG 506.7，TF 764.1

A

1671-6620(2013)01-0013-04

2013-01-05.

陈兴润 (1985—)，男，助理工程师，硕士，E－mail:chenxingrun850204@126.com.