钢中外来夹杂物特征的研究

纪绯绯(济南大学),段东平(北京科技大学)

摘　要　皮下夹杂是造成表面裂纹的原因之一。为了查清皮下夹杂的来源,通过对钢中添加保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物这4种加入物的特征和形成的规律观察及研究,对夹杂物的来源作出判断依据。

关键词　裂纹　夹杂物　能谱图

1　前　言

表面裂纹是工业产品中最常见的,是人们一直致力解决却难以消除的一种缺陷。有的在使用过程中可能消除,而有的则成为成品钢断裂的源头。产生的原因有多方面,皮下夹杂就是其中原因之一。包钢的重轨钢曾在较长时间内出现较严重的表面裂纹,致使钢厂不得不进行大量的人工清理工作,严重影响了钢厂的正常生产和经济效益。针对这一现象,笔者曾在包钢冶金研究所对产生的原因进行了大量的调查研究,结果发现皮下夹杂是造成这种缺陷的主要原因。产生皮下夹杂的可能原因较多,如浇注时保护渣的卷入;浇注系统耐火材料的侵蚀和冲刷;炉渣或罐渣的带入;模内和汤道的残留物吹扫不净以及钢中夹杂上浮等因素,这些夹杂都有可能残留在钢锭中或钢锭皮下。

为了查清皮下夹杂的来源,我们在实验车间进行了试验,人为的往钢中加入已知的保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物,以观察其夹杂物的特征和形成规律,从而判断裂纹夹杂物的来源。此研究结果会对夹杂物来源的判定具有重要的指导作用。

2　试验方法

2.1　冶炼

用0.5t中频炉冶炼1炉钢轨钢,出钢时分别在钢包内加入保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物,并用铁棒搅拌,然后分别注成40kg钢锭。每个钢锭的加入物均为300g,同时分析了这4种加入物的化学成分(见表1)。为了对比,另注了一个空白锭。共5个试验锭。从表面看,由于是上注锭,所以5个钢锭均有程度不同的结疤等缺陷。其中加入保护渣的表面最差。

2.2　锻造

将钢锭在煤气炉内加热至约1000℃,保温0.5h后,用450kg锻锤锻成60mm×60mm×1000mm样坯。

2.2.1　试样的制备

在5种样坯的头、中尾分别取低倍试样,观察其表面和内部缺陷情况。

2.2.2　金相试样制取

在缺陷处取金相试样,进行金相夹杂能谱分析,并与参照物对照。

2.3　试验结果

2.3.1　低倍检验

在试验坯的头、中、尾部分别取约20mm厚的低倍试样,经热酸浸蚀20～30min后吹干,观察其断面。由低倍检验结果看出:加入保护渣的锻造坯和空白锭的锻造坯的内部质量较好。加入耐火材料、炉渣和模内残留物的锻造坯内部有少量的夹杂,还有少量中心疏松,但未发现大颗粒的外来夹杂物。5个锭坯表面均有不同程度的裂纹和皮下夹杂,尤以加耐火材料为重,表面有大颗粒的夹杂,加炉渣表面质量相对较好,只有少量较短(最长约为5mm)细裂纹。

2.3.2　金相及扫描电镜检验结果

在皮下夹杂和微裂纹处进行金相试样观察和能谱分析,以判断其缺陷特征及不同加入物试样之间的夹杂物差别,并用扫描电镜分析其夹杂组成,结果见表2。

　　通过这4种加入物的能谱图的分析结果来看,保护渣的能谱图的特征是有Na峰,(耐火材料和炉渣均无此峰);耐火材料能谱图的特征是Al、Si峰较高,这与化学结果是一致的;炉渣的特点是Ca峰较高;而模内残留物则有明显的Al、Si、Ca峰说明残留物是耐火材料和炉渣的混合物,但从峰值比值看,以Al峰为主,因此可以判断残留物是以耐火材料为主。

3　试验结果分析

由表可见,虽然加入物不同,但金相显微镜下观察到的夹杂物均为Si酸盐和AlSi酸盐,看不出什么大的差别。只有通过扫描电镜进行元素分析才可以看出这些夹杂物的区别:

图1　加保护渣金相夹杂

图2　加耐火材料金相夹杂

图3　加炉渣金相夹杂

图4　加残留物金相夹杂

　　(1)加入保护渣。虽然探针打出的元素较多,但仍有特征元素Na峰的出现,这是炉渣和耐火材料所没有的。此外,图6中Mn峰值较高,可能是由于钢中的AlSi酸盐与MnS形成了复合夹杂物(见图6)。

图5　空白锭金相夹杂

图6　加保护渣夹杂能谱图

(2)加入耐火材料。仍以Al、Si峰为主,说明夹杂物主要是耐火材料(见图7)。

图7　加耐火材料夹杂能谱图

(3)加入炉渣。由图8可以看出,除Ca峰之外,还有明显的Al、Si峰,说明加入炉渣后,夹杂物中除含有炉渣成分外,还可能有包衬耐火材料或上炉加入耐火材料残留物的带入。

图8　加炉渣夹杂能谱图

(4)加模内残留物。由图9可见,主要为Al、Si、Ca峰,特别是Al峰较高,说明残留物以耐火材料为主,还含有少量的炉渣,但无Na峰。

这说明残留物中少量的保护渣在钢水和其他夹杂物的稀释下,少到探针都打不出来的程度。

图9　加残留物夹杂能谱图

(5)空白锭。主要为Si峰(见图10),但也发现过较高的Al峰,说明空白锭的主要夹杂物来源于炉衬(石英砂)和包衬(耐火材料)。

图10　空白锭夹杂能谱图 

(6)图7～10都有着不同的Fe峰值,从表1化学分析来看,只有炉渣含有较高的Fe元素,其余的含量很少,Fe峰的存在,极有可能是钢中原有的夹杂物,如氧化铁或AlSi酸盐、Si酸盐等非金属夹杂形成了皮下夹杂。

4　结　论

(1)浇注时钢锭中加入4种加入物(夹杂)以及钢中原有的非金属夹杂,均能在钢锭、钢坯表面和皮下产生夹杂、裂纹或结疤缺陷,加入耐火材料尤其明显,而加入炉渣所产生的缺陷较轻。

(2)4种加入物所产生的缺陷在金相显微镜下均为Si酸盐或AlSi酸盐,没有明显差别,通过探针分析,可以看出它们之间的差别,并基本保留了加入物的原始成分特征。

(3)4种加入物的主要差别是:加入保护渣有明显的Na峰,而炉渣和耐火材料无此峰。

加入耐火材料Al峰较高,这是区别与其它夹杂物的特征元素。

加入炉渣仍保留了原始炉渣Ca峰较高的特征,但也有明显的Al峰,说明加入炉渣的钢锭有耐火材料(包衬)带入。

加入模内残留物主要为Al峰,其次为Ca峰,说明主要是耐火材料,其次为炉渣。