钛强化低合金高强钢夹杂物的控制研究

吾塔,李立民,吴军,卜志胜,丁寅,刘军威,程杰

（1.新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部;2.新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂）

1 前言

低合金高强度结构钢是一类用途非常广泛的钢种，其强化元素通常为碳、锰。为了提高钢的韧性，通常采用低碳、低锰，添加铌、钒、钛三种元素的一种或者两种复合强化。板材生产中通常以铌、钒强化为主。随着市场的变化，用户对钢材的质量要求更高，要求钢材不仅要具备高强度，还要有良好的韧性。因此，既经济又能大幅度提高钢材强度的钛元素优势得以显现。钛作为炼钢过程中重要的微合金化元素，同Nb、V一样得到了广泛应用，但钛的含量通常控制在0.01%～0.03%，主要作用是提高钢材的韧性和焊接性能，较低的钛含量对钢材强度贡献并不显著。

由于钢中的钛可显著细化晶粒，提高钢的强度、韧性和改善钢的焊接性能。随着钛的价格优势逐渐显现，钢的钛强化得到了关注。Nb、Ti、V在钢中通常以氮化物或者碳、氮化物的形态析出。TiN或富氮的Ti(C,N)高温稳定性优异，TiN和Ti(C,N)在铁基体中的固溶积小，使其在高温下仍会发生明显的固溶从而保证仍具有足够体积分数的TiN或富氮的Ti(C,N)相存在，TiN或Ti(C,N)在高温下的粗化速率小，从而可保证其平均尺寸足够细小，相同质量分数的Nb、Ti、V，TiC 和 Ti(C、N)的强化效果明显大于 Nb、V的碳氮化物。

在高氧含量钢水中加入钛，生成大颗粒钛的氧化物夹杂，会恶化钢材性能。同时，钢水中高的氮含量容易使析出物TiN和Ti(C,N)粒度增大，形成大颗粒夹杂。因此，在冶炼过程中，根据钢水碳、硅、锰含量选择合适的脱氧合金化元素以及合适的钛加入时机是研究的重点。

2 钛强化低合金结构钢生产工艺

根据低合金高强度热轧钢卷Q355D质量要求，以合金元素减量化为设计原则。在降低锰含量的前提下，添加Ti元素进行强化。根据钛活性大，容易氧化的特点，通过转炉出钢不同的脱氧工艺试验，研究钛强化对成品钢水氧、氮含量及钢中夹杂物类型及含量的影响，通过控轧、控冷工艺设计，开发出成本低且具有良好内部质量及冷加工使用性能的Q355D热轧钢卷。

2.1 减量化成分设计

根据Orowan机制作用下钢中第二相强化增量随第二相体积分数和平均尺寸的变化规律[1]。一部分钛在高温条件下以TiN形式存在阻止晶粒长大外，其余的钛主要以TiC或富碳的Ti(C,N)形式在形变奥氏体中应变诱导析出或在卷取过程中在铁素体中析出，奥氏体中形变诱导析出的TiC的尺寸通常约在10nm，而铁素体中析出的TiC的尺寸可控制在2～5nm，可产生强烈的沉淀强化效果。但高的氮含量提高了氮在溶液中的浓度，将使钢中的TiN和Ti(C,N)微粒长大，形成大颗粒夹杂恶化钢的性能。TiN、TiC、AlN 在钢水中析出顺序为 TiN＞AlN＞TiC。为有效降低氮碳化钛的大颗粒夹杂生成，控制钢水中的氮含量为0.0040%～0.0060%；其次，在加入钛合金前，先加入铝进行脱氧，部分铝与氮结合，消耗一部分钢水中的氮。钛在钢中形成的夹杂主要分钛的氧化物夹杂和钛与氮结合生成的大颗粒TiN和Ti(C、N)。为降低钛的氧化物夹杂生成量，成分设计上确定钢中的铝含量控制在0.015%～0.040%；在降低锰含量的同时，根据钢的强度要求,结合钛的强化效果，设计钢中钛含量的目标值为0.055%。控制钢中的氮含量不大于0.0060%，Q355D热轧钢卷成分设计见表1。

表1 Q355试验钢的成分控制要求 %

2.2 生产工艺流程及关键控制点

生产工艺流程：铁水脱硫预处理—120t转炉顶底复吹冶炼—LF精炼—板坯连铸

由于钛元素活泼，若钢中氧、硫、含量高，会导致钢的性能不稳定，钛与氧、氮、硫等元素结合生成大颗粒的Ti2O3、Ti4C2S2等析出物，降低了有效钛，减弱了析出强化效果。因此，生产钛强化结构钢Q355D，采用铁水脱硫预处理、转炉冶炼，并经LF精炼工艺快速深脱氧、脱硫，控制钢水增氮，避免含钛的大颗粒复合夹杂物生成。根据钛在钢中的强化机理结合炼钢生产的工艺特点。在成分设计上确定钢水中的钛、氮含量控制在合理的范围，达到最佳的强化效果。其次，提高钢水纯净度，降低钢液中的氧含量。首先采用铝脱氧，铝可与氮结合消耗钢水中的一部分氮，再加入钛铁可提高钛的回收率，获得更多细小的TiC、Ti(C,N)和TiN析出物，阻止析出物晶粒的长大，起到细晶强化的效果。

通过分析研究，结合炼钢装备状况，确定工艺控制要点：（1）铁水预脱硫，脱硫后铁水硫含量不大于0.005%。

（2）转炉吹炼控制吹炼次数，转炉留碳操作，出钢碳含量不小于0.08%，防止出钢过程钢水增氮，转炉出钢过程降低铝铁加入量，避免剧烈反应导致钢水过量增氮。

（3）LF采用CaO-Al2O3-SiO2-CaF2-MgO五元渣系，LF终渣成分控制在 CaO 50%～60%，SiO2≤15%；TFe≤1.2%；Al2O315%～30%；MgO≤5%，CaF2≤5%。

（4）连铸保护浇铸措施，采用长水口和下水口氩封保护浇铸，中间包高碱度覆盖剂,保温隔离空气防止钢水二次氧化。连铸恒拉速，投入板坯轻压下以降低板坯中心偏析，提高板坯内部质量。

3 试验分析

3.1 成分控制效果

试验钢成分控制实绩见表2。由于Q355钢生产的难点是钛的氧化。因此，钢中铝、钛含量的稳定性是控制的重点。对试验钢成品铝、氮含量进行了成分的单值-移动极差控制分析,见图1、图2。

表2 试验钢成分控制实绩 %

不同炉次[C]最大偏差小于0.023%，[Si]最大偏差小于0.10%，[Mn]最大偏差小于0.049%，[Ca]最大偏差不大于0.0047%。不同炉次之间铝钛含量稳定，波动范围小，钢中Ti含量在0.051%～0.059%，Ti最大偏差为0.008%；钢中Al含量在0.022%～0.029%,Al含量最大偏差不大于0.007%，为轧制后钢材的性能稳定性创造了条件。钢材氧氮抽检结果显示，氮含量0.0039%～0.0055%，最大偏差为0.0016%，氧含量小于0.0030%

图1 钛强化Q345试验钢钢中铝含量的J-MR控制图

图2 钛强化Q345试验钢钢中Ti含量的J-MR控制图

3.2 冶炼过程控制分析

3.2.1 转炉冶炼

由于钛的活性大，与氧结合的能力强，为有效防止钛的氧化物生成，在转炉出钢进行预脱氧并对钢包顶渣还原改质，为有效防止钛的氧化物生成，转炉出钢严格控制下渣量，出钢量达到1/4采用电石等复合脱氧剂和铝铁脱氧；[2]为防止钢水反应剧烈反应导致钢水增氮，转炉出钢进行了铝全脱氧和半脱氧对比试验各5炉，过程氮含量5炉的均值见图3。钢材氮含量检测结果显示，半脱氧氮低于全脱氧。两种脱氧方案都能满足钛强化低合金高强钢对氮含量的要求。

图3 转炉出钢不同脱氧方案的过程氮含量

3.2.2 LF精炼

（1）LF精炼初始温度≥1530℃。

（2）LF精炼初期补加铝铁快速深度脱氧、脱硫，达到控制钢水增氮和有效除去钢水中非金属夹杂的目的,避免了LF长时间处理造成钢水增氮。

（3）LF精炼处理加入复合脱氧剂（主要成分为活性石灰、电石、萤石）和碳化硅造买弧渣，LF精炼终渣成分控制范围：CaO含量50%～58%、SiO2含量5%～12%、Al2O3含量18%～27%、CaF2含量3%～5%。增加了终渣量，渣量控制在5～6kg/t钢。通过大渣量和泡沫渣埋弧操作，实现了快速脱硫，有效控制了钢水增氮。

（4）在LF深脱氧后的处理钢水中加入钛铁合金化，钢包底吹氩搅拌成分均匀后进行钙处理，钢中的钙含量控制在0.0015%～0.0040%，钢水中钛含量控制在0.050%～0.060%，钛的回收率大于65%。

3.3 连铸过程控制

（1）由于钢水含钛量较高，易被氧化，必须强化保护浇铸，连铸过程开浇温度在1575℃～1585℃。

（2）板坯连铸过程控制，开浇前中间包充氩气降低氮的浓度，钢包长水口和中间包下水口采用氩封保护浇铸，中包加入高碱度钢水覆盖剂保温、隔绝空气的效果，连铸过程钢水增[N]≤0.00080%,钢水[Al]的损失（LF精炼结束钢水TAl含量与连铸成品钢水铝含量的差值）小于0.0080%。

（3）连铸钢水的液相线温度为1520℃。过热度控制在15～35℃，板坯拉速控制在1.0～1.3m/min。

（4）连铸过程采用板坯动态轻压下技术，对连铸板坯进行压下处理，改善板坯中心偏析，板坯低倍检测中心偏析不大于2.6(曼内斯曼标准)。生产出的板坯热装轧制。

4 钢中夹杂物分析

Q355D钢材的纯净度分析，通过对钢板试样全断面扫描电镜分析，钢中夹杂物进行了统计，大颗粒夹杂和形状特殊的夹杂通过能谱仪进行分析。

图4Al-S-TI三元相图

图5 Al-S-Mn三元相图

图4显示，对钢板截面扫描显示Al-S-Ti三元相图中，存在细小0～10μm的MnS、Al2O3和Ti的氧化物的复合夹杂。对钢板截面扫描显示图5，Al-S-Mn三元相图中，存在0～10μm的MnS和Al2O3的复合夹杂。

图6Al-S-Ca三元相图

图7Al-Ti-N三元相图

图6显示，对钢板截面面扫描显示Al-S-Ca中，存在细小的0～10μm硫、铝、钙的复合夹杂，其中铝、钙以氧化物形态存在，硫以硫化锰形态存在。图7显示，对钢板截面面扫描显示Al-Ti-N中，存在细小的氮化钛，显示氮化铝大颗粒夹杂极少。存在细小的0～10μm的氮化钛夹杂，氮化铝的夹杂基本不存在，其中铝、钛有一部分以氧化物形态存在氮碳化钛大颗粒夹杂的控制方法。

图8 类型1球形夹杂

图9 类型2方形夹杂

图8中的夹杂最大直径达到12μm，是Al2O3、CaO、MnS、TiC的复合夹杂。图9中的夹杂形貌为规则的正方形，其成分显示为Ti(C、N)。上述两类夹杂，类型1为不规则的夹杂，粒度相对较大；类型2为球形夹杂，其中含有高熔点的Al2O3、TiC。这两类夹杂，在LF精炼末期钢水经过钙处理后，保证软吹时间大于8分钟，通过钢包底吹氩弱搅拌，改善钢包的脱硫、去夹杂动力学条件，增加夹杂的碰撞机率，可以大幅度降低氧化物夹杂，大于30μm的夹杂可以完全去除。类型2为Ti(C、N)夹杂，由于钛的碳氮物在钢水中析出顺序为TiN、AlN、TiC。为有效降低氮、碳化钛的大颗粒夹杂生成，控制钢水中的氮含量不大于0.006%。在钢水充分脱氧的LF处理末期，并加入一定的固氮元素铝，再加入钛铁，经钢包底吹氩弱搅拌钢水混匀和夹杂物上浮去除。

5 钢材的韧性对比分析

由于通过钛强化成分设计降低了碳含量，Q355D热轧钢卷的卷取温度从550℃提高到610℃。在卷取温度更高的情况下，钛强化冲击功值显著高于铌强化，见表3。

表3 钛强化与铌强化的Q355D冲击功对比

6 结论

Q355D热轧卷钛强化夹杂物控制的研究表明：

（1）以减量化合金设计为原则，充分发挥了钛元素在钢中细化晶粒的强化作用，在降低合金成本的同时，钢材的韧塑性提高、冷加工成型性能改善。

（2）确定钛强化低合金高强钢夹杂物的控制措施：铁水深脱硫、转炉降低再吹次数、LF精炼埋弧操作，控制钢水生产全程的增氮。转炉出钢首先加入硅锰、铝铁脱氧合金化，在钢水深度还原和顶渣变性处理后的LF精炼末期加入钛铁，连铸采取大包中间包长水口吹氩保护措施，减少大颗粒TiN或Ti(C、N)夹杂的生成。

（3）钢中的大颗粒夹杂通过延长LF处理末期的低吹氩搅拌时间去除，存在直径小于15μm夹杂，主要组成为 Al2O3、CaO、MnS、TiC；另一种夹杂为钛的碳氮化物，最大宽度11.4μm，生产中通过严格控制钢水过程增氮来控制这类大颗粒夹杂的形成。

（4）通过较高的钛含量和锰含量的减量化设计，显著提高Q355D热轧卷的韧塑性，大幅度降低生产成本，提高了产品的市场竞争力。