钙处理非调质钢的夹杂物控制

杨利委

（南京钢铁联合有限公司第三炼钢厂，江苏 南京 210035）

1 技术问题和处理

为顺应汽车轻量化的发展要求，非调质钢应运而生，这类钢拥有高强度、切削加工性能好的特征，但是在钢铁企业实际生产过程中由于其成分的特殊设计使得在冶炼过程中对夹杂物的控制有一定难度。为了解决以上难题，炼钢过程中对钢水开展了钙处理，使得微小的复合夹杂物弥散分布，夹杂物形貌获得良好的改善，且对钢材切削性能无影响。但是伴随钢材的钙处理，某些炉里发生了许多大颗粒的CaS夹杂（图1），这一夹杂物是链珠型或点状并且不变形夹杂，对钢材性能尤其是疲累寿命出现较大影响。因此怎么样有效地控制有危害的大颗粒保持形态CaS混杂，这是工程技术人员急切需要处理的技术问题。通过对热力学原理计算和数理统计实践研究，发现其中夹杂物的影响规律，炼钢实践生产过程中利用特殊的钙处理工艺能够有效控制CaS夹杂物。

图1 大颗粒硫化钙夹杂物面扫描图

2 工艺方案

通过“高炉铁水——100t超高功率电弧炉初炼——LF炉精炼——VD炉真空脱气——连铸——加热轧制——精整探伤——包装检测入库”的工艺流程，冶炼了50炉F45MnVS非调质钢，LF精炼采取了专用脱氧剂，VD真空去气，利用在不同工序进行钢水钙处理改善和控制夹杂物。钢材化学成分里包含了C、Si、Mn、P、S、Cr、V、Ca。轧制取样后通过金相显微镜和扫描电镜开展夹杂物研究[1]。

3 实验内容和措施

通过“高炉铁水——100t超高功率电弧炉初炼——LF炉精炼——VD炉真空脱气——连铸——加热轧制——精整探伤——包装检测入库”的工艺流程来比较分析钙处理对非调质钢里夹杂物转变规律的影响，实践生产中开展了两项具有差异性的冶炼工艺的取样研究。一部分炉次根据原工艺开展生产，不开展钙处理，在VD后所有工序取样研究；另一部分炉次开展钙处理工艺实验，第一次完成LF精炼后至进入VD前，添加不同量的钙线，添加钙线后所有工序取样研究。两类工艺都在VD后开展微合金化，以及添加适量的硫线，让钢内硫含量及微合金成分符合产品需要。过程样应用吊桶样获取钢液样品，取样器开口取样前密封处理，以及分别截取800mm长的铸坯及500mm长的扎材一支。

所有的工序钢水的基础成分通过原位光谱仪测量；在铸坯内弧1/4位置截取金相样，轧材随着轧制方向在中心位置取样，通过加工后，应用SEM+EDS定性分析各个钢样里夹杂物种类随着工序的转变；以及对于硫化物夹杂的形态转变影响，在500倍视场中，忽视当量直径低于1um的夹杂物，通过先进的设备工具完成智能扫描夹杂物功能，随机扫描视场相应量研究各个工艺钢里夹杂的种类、含量和大小；最后研究获得钙处理对非调质钢夹杂物的转变的影响规律[2]。

4 实验结果和研究

（1）夹杂物种类特点。通过对相应量的样品跟踪取样研究夹杂物，依照相应的标准完成夹杂物评级，以及对夹杂物开展统计研究；某些炉号的B类夹杂物大过规范需求1.5级，最大的话会大于2.5级。通过相应的扫描电镜研究夹杂物特点面扫描，扫描范围是54mm2，通过计算机智能计算数量、构成和具体比例。

通过结论可以发现，钢里含有的夹杂物大概构成包括Al2O3，CaO，CaS等等，并且主要的复合夹杂物为CaO—Al2O3—CaS，CaS和钙铝酸盐一起存在，或者主要是钙铝酸盐，部分是独立的尺寸较低的CaS和Al2O3夹杂物，夹杂物的长宽比大致≤2.5。这一类钢材中的夹杂物解决的核心目标就是转变其形态，缩减长条形MnS和链珠形Al2O3的产生，以改善钢材加工性能，并且还能够减少力学性能的各向异性。个别炉号B类夹杂物超出要求，通过扫描电镜对这一类别开展研究，它的长度的最大值超过700um展现出链珠形，明确成分定性是CaS。因为钢材在服役过程中遭到频率较大的往复拉、压应力，因此这一类夹杂物极有可能变成裂缝源。所以，实践生产过程里需要防止这一尺寸夹杂物的出现[3]。

（2）夹杂物产生原理。通过研究大尺寸B类夹杂物的炉号生产过程可知，在生产时候连铸过程中液面曲线波动剧烈变化。并且这部分炉号和夹杂物有关的部分元素开展计算和研究，探讨夹杂物的影响。通过相应研究结果能够发现某些概率产生频率极其高，因此根据取样研究和结果的相应关系可知，这里面的元素具有相互的限制和平衡关系，这些都会给CaS夹杂的出现产生形核作用。在生产过程中的某些温度条件下，链珠状CaS产生的概率会提升。

炼钢的过程中，Al核心是成为脱氧剂被加入到钢内开展脱氧反应，产生Al2O3。钢液里酸溶铝成分越多，自由氧活性会下降，这样的环境下，钢液进行钙处理后钙的活性和收得率会不断提高。在钢液里添加钙线后，钙和自由氧产生氧化钙以及可以还原Al2O3组合产生钙铝酸盐夹杂物，随着钙的含量提升，夹杂物会根据相应的规律产生，还有部分钙会变成CaS。有人研究相应的反应式计算出了相应温度下的Al——S平衡曲线，根据这一曲线可以得知，Al，Ca含量和钢水温度对CaS的影响关系。温度随着酸溶Als、Ca含量增加而降低，都会导致S均衡浓度降低，最后使得产生的CaS的活性减弱。钢水内S活性比临界值大的情况下，氧化物变性反应遭到阻碍。

炼钢的时候，钙的活性的增加，会促进CaS夹杂，CaS之后在钙铝酸盐沿质点形核生长，或独立聚集，构成集中性夹杂物，之后轧制过程中随轧制轨迹碎裂，构成链珠状，所以Al不能太高，也就是还原性不可以过大，才可以避免产生太大的CaS夹杂。因此利用精炼过程中控制铝脱氧剂的添加机会和添加量，可以控制F45MnVS的夹杂物形貌，最后控制这一钢种B类夹杂物级别，防止发生B类夹杂物超标的状况。

（3）钢水成分和氧氮含量的转变。所有工序中的化学成分有所不同，两类工艺获得的钢水化学成分差不多相同。两类工艺钢里的氮含量的转变规律差不多相同，从VD后到铸坯，氮含量略有上升，但是由铸坯到扎材，氮含量会稍有下降，最后都控制在标准范围内。

（4）在不同工艺的钙处理对比试验过程中，发现钙处理时反应过于激烈，导致钢液表层沸腾，引起钢液再次样化现象，通过中间包冶金作用，大的夹杂物会上浮，在铸坯里两者钢液纯净度已经几乎相同水平。

5 总结

生产过程中通过科学钙处理的方式来开展硫化物的形貌控制是有效地，在保证钢材机械性能的基础上，科学的钙处理可以提高钢液纯净度、可以帮助含硫非调质钢里硫化物的形貌控制。钙处理后产生的低熔点夹杂物包含了含钙氧化物，可以当成硫化物的形核中心，并且硫化钙可以固溶于MnS里，钢内可以产生丰富的含钙复合硫化物；但是钙处理反应激烈，引起钢液表层沸腾，使得钢液局部再次样化，极易产生各种复合硫化物，生产过程中应注意适当控制。