轮辋用钢B类非金属夹杂物控制研究

富晓航，温 瀚，贾刘兵，魏延根，梁晋嘉

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

在汽车行驶的过程中，车轮需要同时承受整车重量以及各种动载产生的应力，因此，车轮质量对整车性能的影响至关重要。为顺应节能、环保的发展趋势，汽车企业越来越重视车轮轻量化研究，这对车轮用钢的各项性能提出了更高的要求。丁韦[1]等研究了闪光对焊过程中大尺寸非金属夹杂物会导致焊接接头塑性下降，出现微裂纹。徐永先[2]等研究了钢水纯净度对焊缝裂纹敏感性的影响。赵凤晓[3]等研究了疲劳裂纹均是从内部或者亚表面的夹杂物处产生，说明大尺寸非金属夹杂物会严重降低车轮整体疲劳性能。

目前某钢厂生产的高强轮辋用钢偶尔会出现以B类夹杂为主的非金属夹杂物超标的情况，导致材料降级，影响整体制造成本的同时，对成品车轮的的疲劳性能也有一定影响。

1 原因分析

该系列钢种的炼钢流程为KR脱硫→BOF→LF精炼 →RH真空处理→连铸，产出板坯宽度在1000mm~2000mm之间，热轧工艺流程为步进式加热炉→可逆式粗轧机→7机架精轧机→地下卷取机，最终轧制成2mm~8mm厚度的轮辋用钢。对该钢厂热轧轮辋用钢B类非金属夹杂物超标的样品进行扫描电镜分析，结果见图1。

图1 B类夹杂形貌及成分

累计分析30余个样品，结合面扫描结果，参考尹安远[4]等研究的钢中非金属夹杂物的鉴定方法，并根据夹杂物Al、Ca含量计算夹杂物实际化学成分，参考CaO-A12O3二元系相图，发现B类夹杂不合样品夹杂物化学成分大部分为12CaO·7Al2O3等低熔点钙铝酸盐。12CaO·7Al2O3系列钙铝酸盐夹杂物熔点较低，大约在1440℃左右。分析认为，尺寸较大的低熔点钙铝酸盐在冶炼过程中没有完全去除是导致B类夹杂不合的主要原因。

2 试验

高熔点Al2O3在浇铸过程中容易在水口处聚集引起堵塞，现阶段采取的措施是通过钙处理使Al2O3变性为钙铝酸盐，使夹杂物在钢水中呈液态，不在水口处聚集，从而保证浇铸顺利进行。邓志银[5]等研究了夹杂物的去除效率与夹杂物固相比例密切之间的关系。根据其研究结果，呈现液态的钢液中夹杂物比较容易被浸润，在钢液与钢渣界面被阻隔，停留的时间相对长，没有足够的时间穿过钢渣界面便又被流动的钢液从钢渣界面带回到钢液中，导致液态的夹杂物比较难被去除。而对于呈固态的夹杂物，其在钢渣界面停留的时间非常短暂，受流动的钢液惯性影响，能够比较快的穿过钢渣界面进入到钢渣层，从而被去除。

2.1 试验方案

基于分析，非金属夹杂物固态比液态更容易在精炼过程中被去除。另外，固态夹杂物硬度较高，在后续轧制过程中不易变形，在保证大尺寸固态夹杂物去除效果和可浇铸性的前提下，适当提高夹杂物熔点可以显著提高夹杂物控制水平。据此制定改善方案：

（1）降低Ca含量：目前该钢种在RH破空后采用喂钙线的方式对钢液进行钙处理，平均Ca含量在20ppm左右。设计降低Ca含量降低至10ppm左右，减少钙铝酸盐复合夹杂物中CaO比例，随着夹杂物中Al2O3含量的增加，夹杂物熔点不断升高，更有利于夹杂物去除。

（2）调整LF炉脱S模式：该钢种在LF炉冶炼过程中按照深脱S模式控制，目前平均S含量在15ppm左右。设计调整LF炉脱S模式为低硫模式，主要目的是利用少量的S和Ca结合产生CaS夹杂物，可以适当减少低熔点钙铝酸盐的产生，提高复合夹杂物熔点，唐德池[6]等也研究了钙铝酸盐外包裹硫化物的复合夹杂物在轧制过程中不易变形，可以降低夹杂物轧制过程中的变形量。

2.2 试验过程

共计冶炼10炉板坯，通过减少喂钙线长度及降低LF炉脱硫时间控制成品Ca、S含量。实际4炉平均S含量29ppm，Ca含量11ppm，基本达到预期。整体冶炼及浇铸过程控制稳定，浇铸曲线平稳，无明显棒位上涨，浇铸结束后水口正常，未见明显结瘤。

图2 浇铸曲线及停浇后水口

2.3 试验样品分析

试验炉次共计轧制52卷。取不同炉次10块样品进行扫描电镜分析，平均夹杂物化学成分见表1。

表1 平均夹杂物成分

根据能谱分析结果，B类非金属夹杂物钙铝比在0.48左右，参考CaO-AL2O3二元系相图判断该夹杂物为CA+CA2+少量CaS，说明通过上述措施的实施，夹杂物熔点比前期有一定提高。取不同炉次10块样品进行金相分析，各类非金属夹杂物控制情况见表2。

表2 试验炉次夹杂物检验结果

金相结果显示，A类夹杂全部为0级，说明微调S含量并未引起硫化物夹杂明显提高。D、DS类夹杂均控制在1.0级以内，B类夹杂全部控制在1.0级以下，说明大尺寸高熔点、高硬度夹杂物去除效果良好。

3 应用效果

应用该方案批量生产64炉，生产过程中均无明显棒位上涨，浇铸结束后水口正常，未见明显结瘤。对比前期夹杂物检验合格率平均合格率95.33%，改善后合格率平均98.8%，效果显著。

4 结论

考虑到大尺寸夹杂物对轮辋用钢焊接性能的影响，对轮辋用钢B类非金属夹杂物超标问题开展全流程分析研究。轮辋用钢B类非金属夹杂物不合主要原因为12CaO·7Al2O3等低熔点钙铝酸盐夹杂物在冶炼过程中不易去除导致。一方面采取措施在冶炼过程中降低钢液中的Ca含量，另一方面优化LF炉精炼脱S工艺。调整后提高了钙铝酸盐复合夹杂物熔点，使其更易去除。据此调整后，B类非金属夹杂物检验合格率明显提升。