大样电解法分析连铸板坯大颗粒非金属夹杂物来源

顾凤义, 刘 莹, 闫文凯, 杨 觎, 李勇生

(1.天津钢铁集团有限公司， 天津 300030;2.天铁集团有限公司， 邯郸 056404)

钢中的非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性，是基体中的应力集中点。基体与夹杂物间的初始空隙为裂纹萌生位置，金属材料受到外部应力后，裂纹快速扩展导致金属断裂。较大颗粒的非金属夹杂物对钢材质量的影响更大。在铝脱氧的厚钢板中，只有尺寸大于200 mm的非金属夹杂物才会明显降低钢材的各种性能；而在钢丝和滚动轴承钢中，仅尺寸大于10 mm的夹杂物就会对钢材的性能造成影响。对于不同的钢材，有不同的非金属夹杂物临界尺寸，即超过该临界尺寸的非金属夹杂物才会对钢材的性能产生影响。由于大颗粒非金属夹杂物对钢材的力学性能及加工性能影响很大，因此需要找到大颗粒非金属夹杂物的来源，并去除该类夹杂物。

大颗粒非金属夹杂物在钢材中的分布是随机、不连续的，要准确地测定钢中大颗粒非金属夹杂物的含量以及粒径的组成，就必须扩大研究的范围。大样电解法是分析大颗粒非金属夹杂物最有效的方法之一。大样电解法[1-2]是对大块钢材试样进行电解和分离，以获取尺寸大于80 mm的大型非金属夹杂物，并对其进行深入分析的一种研究方法。该方法具有试样尺寸大(试样质量达2～4 kg)，提取大颗粒夹杂物较为全面，试样代表性强，电解时间长(约10 d左右)的特点[3]。笔者利用大样电解法对连铸坯的内外弧和中心部位的夹杂物进行研究，以确定整个工艺过程中大颗粒夹杂物的分布和来源，从而有针对性地改进控制工艺，提高产品质量。

1 试验方法

针对连铸板坯生产过程中存在的问题，采用大样电解法来获取钢坯试样中尺寸大于80 mm的大颗粒非金属夹杂物，并对这些大颗粒非金属夹杂物的数量、尺寸、形貌、成分及来源进行研究[4]。

1.1 电解试样的制备

选取了生产过程中的Q235B钢种的连铸板坯，浇注断面的尺寸(长×宽)为 230 mm×1 600 mm，在连铸坯1/4处的内弧、外弧和中心部位(见图1中的位置1，3，2)沿垂直板坯浇铸方向各截取一块试样，制成尺寸(长×宽×高)约为150 mm×50 mm×50 mm的长方体，试样质量约为2.5 kg。

图1 大样电解试样在连铸坯上的取样位置示意

1.2 试验过程

板坯钢试样电解完成后，对所获取的阳极泥进行淘洗分离，得到非金属夹杂物。然后对非金属夹杂物进行分级、称重、形貌分类及观察，并在体式显微镜下挑选具有典型代表性的非金属夹杂物颗粒进行扫描电镜及能谱分析[5]。大样电解主要设备结构如图2所示。大样电解工艺参数如表1所示(表中电解液组成为质量分数)。

图2 大样电解主要设备结构示意

表1 大样电解工艺参数

2 试验结果及分析

2.1 夹杂物宏观形貌

将分离挑选出的夹杂物置于体式显微镜下观察及分类，大部分夹杂物为蜡黄色不规则形状或类球状颗粒，少部分夹杂物为红色、黑褐色、无色的透明不规则颗粒(见图3)。

图3 大样电解夹杂物宏观形貌

2.2 夹杂物分布及其所占比例

钢的洁净度通常以每10 kg钢中含有非金属夹杂物的数量来定义，普遍认为，每10 kg钢中夹杂物含量小于1.5 mg。通过大样电解试验，Q235B钢板坯大样电解夹杂物分析结果如表2所示，由表2可以看出:连铸板坯洁净度较洁净钢还有差距，但能够达到普通碳素结构钢的洁净度要求。

表2 Q235B钢板坯大样电解夹杂物分析结果

由1#～3#试样电解的结果可知，钢中夹杂物种类和含量呈不均匀分布。由粒径大于140 mm的夹杂物含量可知，该连铸板坯完全满足生产需求，但距离洁净钢还有一定的差距。Q235B钢板坯夹杂物粒级分布如图4所示，各粒级夹杂物含量如图5所示。

图4 Q235B钢板坯夹杂物粒级分布

图5 Q235B钢板坯各粒级夹杂物含量

2.3 夹杂物微观形貌及来源分析

1#～3#试样典型大颗粒非金属夹杂物微观形貌如图6～8所示，1#～3#试样典型大颗粒非金属夹杂物成分及来源如表3～5所示。

图6 1#试样典型大颗粒非金属夹杂物微观形貌

图7 2#试样典型大颗粒非金属夹杂物微观形貌

图8 3#试样典型大颗粒非金属夹杂物微观形貌

表3 1#试样典型大颗粒非金属夹杂物成分及来源 %

表4 2#试样典型大颗粒非金属夹杂物成分及来源 %

表5 3#试样典型大颗粒非金属夹杂物成分及来源 %

夹杂物来源分析如下所述。

(1) 在重点分析的19例夹杂物中，有10例含有钠、钾元素，约占总数的 60%以上，钠、钾元素是保护渣中特有的成分，故可认为大部分夹杂物应来源于结晶器保护渣。

(2) 粒径为80 mm～140 mm的大部分夹杂物以氧、硅、铝、铁等元素为主，颜色分别为透明、蜡黄和褐黑等，该类夹杂物为脱氧产物。

(3) 对19例大型夹杂物进行分析，发现1例含有锆元素，夹杂物在显微镜下为乳白色，呈半透明球状，尺寸约为120 mm，锆元素是复合水口的特征成分，说明在浇筑过程中有水口熔损脱落现象。

(4) 二次氧化产物为不规则大颗粒(140 mm～300 mm)夹杂，夹杂物呈黑色，氧、铁元素含量极高,比较典型的是3#试样的示例5，其氧元素质量分数为41.82%，铁元素质量分数为56.75%，夹杂物呈片状堆积，尺寸约为200 mm～300 mm。有一部分二次氧化物除含有氧、铁元素外，还有一定量的硅、钙、镁等元素，这部分夹杂物来源于二次氧化、结晶器卷渣、中间包下渣等，呈现淡黄色，为不规则形状。在这19例大型夹杂物检测中发现了10例含有二次氧化产物的成分，因此二次氧化也是Q235B钢大颗粒夹杂物的主要来源。

(5) 在大颗粒非金属夹杂物中还发现有9例含有氯离子，如果氯离子与钠离子同时存在，就会造成污染，因此在后续的夹杂物分拣时应注意避免盐分的污染。

3 结语及建议

(1) 大颗粒夹杂物大部分来源于结晶器保护渣，建议对结晶器侵入式水口进行调整，以确保结晶器内夹杂物的上浮，同时对保护渣的性能进行改善，确保液渣层的厚度，减少保护渣带来的夹杂物。

(2) 根据连铸板坯大颗粒夹杂物中有中包渣卷入的特点，要保持高液面浇铸，并建议建立气幕挡墙防止形成涡流。

(3) 对含有复合锆质水口熔损产物的夹杂物，建议提高整体耐材质量和砌筑质量，并采用合理的烘烤制度等手段进行控制。

(4) 由于大颗粒夹杂物在连铸坯中的分布不均匀，因此建议对板坯连铸进行电磁搅拌，使夹杂物的分布相对均匀一些，避免中心大量夹杂物聚集和长大，影响板材的性能。