超低碳钢中最大夹杂物尺寸预测方法

常桂华，张维维，赵成林，廖相巍，张宁

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

随着炼钢技术的发展，尤其是二次精炼和控制非金属夹杂物等新技术的应用，大大提高了钢的纯净度，降低了钢中非金属夹杂物的尺寸和含量。但由于钢的冶炼过程受到脱氧、二次氧化、各种冶金炉渣或耐火材料等影响，钢中仍可能存在大尺寸夹杂物，由于其发生率低很难检测到，尤其是较大体积的钢件更是如此［1］。

大尺寸夹杂物严重影响钢的力学性能，如钢的延展性、疲劳性和成形性等［2］。大量的实验结果表明，构件在循环应力作用下，裂纹首先在夹杂物或其它缺陷处萌生，且疲劳失效最可能发生在最大夹杂处。因此，预测钢中最大尺寸夹杂物有助于预测钢的力学性能和其在使用过程中的潜在危险，并且可以评估炼钢过程。

钢中夹杂物的检测方法很多，如金相法、无损检测法（超声波检测和X射线探伤等）、夹杂物聚集检测方法（冷坩埚重熔和电子束重熔）和疲劳方法等［3］。但是，利用上述方法检测钢中最大尺寸夹杂物都有一定的难度。金相法和夹杂物聚集法只能检测小体积试样，无法实现大体积钢件检测；无损检测方法可以对大体积钢件进行检测，但很难检测到尺寸小于100 μm的夹杂物；而直接用疲劳断口表面确定夹杂物尺寸，虽准确但耗时、成本高［1］。

本文采用极值分析法分析超低碳IF钢中的夹杂物，预测其最大夹杂物尺寸，并与生产实际进行了对比。

1 试验钢种和取样方法

试验所用钢种是超低碳IF钢，化学成分见表1。取样位置在铸坯内弧1/4处及宽度1/4处，数量6个，金相试样大小为15 mm×15 mm。

表1 钢种化学成分（质量分数）%

2 夹杂物观察方法

每个试样经水砂纸磨制后抛光、观察，观察后至少将材料去除0.3 mm，以产生一个新的观察面，该过程重复3次，每个试样观察4个抛光面，每个试样观察的总面积为150 mm2。采用莱卡金相显微镜，在500倍下观察的单个视场面积为0.18 mm2，应检验总视场数为833个。本文对每个单独的夹杂物测量其等效直径作为粒度大小。

IF钢铸坯试样夹杂物的形态主要有球形或近似球形、链状、簇状3种类型，见图1。3种形态夹杂物的等效直径均以图中所示的最大卡规直径L来计算。

在扫描电镜下对观察到的夹杂物进行成分分析。各类夹杂物中元素百分含量见表2。由表2可以看出，钢中夹杂物成分主要为Al、Ca、Mg的氧化物，有的含有少量的S，或单独的Al的氧化物，夹杂物成分与形态没有特定关系。

表2 各类夹杂物中元素百分含量（质量分数）%

3 最大夹杂物尺寸的预测

极值法已被应用于材料研究的许多领域，例如估算材料表面腐蚀坑深度，凝固合金显微结构的杂质最大偏析度以及合金再结晶过程中的晶粒尺寸等。Mrakami首先利用该方法评估钢中最大夹杂物的尺寸［1］，最大夹杂物尺寸的计算公式如下：

式中，x为夹杂物最大等效直径；T为重现期，一般取1 000； δML、λML分别为最大似然法估计得到的极值分布方程的比例参数和位置参数。

最大似然函数方法被证明为最有效的估计方法，其误差最小。该方法基于一种途径，即参数δML和λML的最佳值是获得的系列夹杂物长度测量值的可能最大化估计值。对似然函数的概率密度方程取对数易于实现极大化过程，得到方程如下：

式中，LL 为 ln（f（xi，δ，λ））的和的极大值；xi为按夹杂物尺寸由小到大顺序排列的第i个最大夹杂物粒度。通过数据表或计算机分析程序得到LL的最大值，其所对应的δ和λ即为δML和λML。

极值法分析钢中夹杂物是基于金相观察测定的夹杂物实际最大尺寸，推测出钢中可能存在的最大夹杂物尺寸，是一个极值理论给出的预测值，而非实际测定值。由于金相观察不可能进行全铸坯的检验，所以该方法可以在大的铸坯体积内有效评价钢中可能存在的最大夹杂物水平。

以1#铸坯的极值分析为例，给出其分析的结果。表2是金相显微镜测量的6个试样共24个抛光面上的最大夹杂物粒度，试样号为1～6，第一、二、三、四次磨制的抛光面分别为A、B、C、D。

计算过程中最佳拟和线方程设为：

表2 1#铸坯最大夹杂物粒度 μm

4 结果分析及讨论

超低碳钢中大尺寸夹杂物含量与钢的表面质量密切相关，一直以来，人们习惯通过测量中包钢水全氧数值评价钢水洁净度，但全氧代表钢中所有夹杂物的总量，无法判定夹杂物的尺寸分布，而影响超低碳钢表面质量的往往是大尺寸夹杂物，因此，有可能出现铸坯全氧很低，但由于存在大颗粒夹杂物导致冷轧后钢板表面出现裂纹。另外，即使是同一浇次生产的超低碳钢，由于连铸过程中的拉速变化、液面波动变化等也会影响铸坯中夹杂物的含量。

利用本文介绍的最大夹杂物预测方法，对鞍钢炼钢总厂两条超低碳钢生产线生产的超低碳钢铸坯进行最大夹杂物预测，同时根据不同的生产状态将连铸坯分为不同等级，具体为：浇次的头坯为Ⅰ级、未按标准升降速时的铸坯为Ⅱ级、尾坯和过渡坯为Ⅲ级、稳定浇注状态下液面波动小于5 mm时的为Ⅳ级。评价的标准还涉及连铸过程中间包和结晶器的工作状态等多种情况。具体结果如表3，表中进行金相观察的试样均取自铸坯内弧侧厚度1/4处。

表3 铸坯最大夹杂物粒度分析结果

由表3看出，1#生产线铸坯最大夹杂尺寸明显小于2#生产线，这与两条生产线的设备、工艺水平相一致，也与夹杂缺陷率水平一致。以此为依据，确定两条生产线产生冷轧夹杂缺陷率的临界夹杂物尺寸为500 μm，对超过临界夹杂尺寸的铸坯进行工艺参数优化，如降低钢包顶渣氧化性，使渣中FeO+MnO控制在12%以下；减少精炼过程吹氧升温，精炼结束后钢水静置时间大于30 min；连铸过程中避免拉速急降。采取这些措施后，超低碳钢冷轧夹杂缺陷率从0.30%降至0.05%。

5 结论

利用极值分析法对鞍钢炼钢总厂两条超低碳钢生产线的超低碳钢铸坯进行了最大夹杂物尺寸的预测，结果与生产实际中的铸坯水平相符合，证明该方法准确度高。据此确定了两条生产线产生冷轧夹杂缺陷率的临界夹杂物尺寸。

［1］ 张继明,张建锋,杨振国，等.高强钢中最大夹杂物的尺寸预测与疲劳强度预测［J］.金属学报,2004,40（8）:846-850.

［2］ 唐复平,栗红.应用极值统计法推算钢中最大夹杂物尺寸［J］.冶金分析,2007,27（9）:17-21.

［3］ Kanehiro Ogawa.Melting of Clean Maraging Steel by Vacuum Induction Method［J］.Kobe Steel Report,1989,39（1）:73-76.