连铸板坯中非金属夹杂物的形态与分布研究

张爱民  张  维 (济南钢铁集团总公司技术中心，济南 250101)

摘  要：论述了济钢连铸板坯中非金属夹杂物的形态和分布规律，并提出了减少板坯中夹杂物的措施。

关键词：连铸坯，夹杂物，形态，分布

1  前言

在发展连铸技术实施高效连铸的过程中，提高钢的纯净度，减少钢中非金属夹杂物的总体含量，消除连铸坯缺隐，对于保证连铸机的正常生产，改善铸坯内部质量，促进中厚板产品质量的提高，具有十分重要的意义。本文对济钢连铸板坯内部夹杂物的表现形式和分布规律进行了试验研究，并就减少连铸板坯内部夹杂物含量提出了整改措施。

2  非金属夹杂物在连铸板坯截面上的分布

济钢现有三种规格的连铸机四台，根据连铸机不同的机况、钢种、拉速、中间包温度和二冷条件，在板坯横截面的头部和中间各取50mmx400mm左右的试块，将其表面加工成光洁度达R0.8mm的试样，首先分别进行硫印和酸浸的低倍检验，然后利用图像分析仪和金相显微镜检验夹杂物的大小与形貌、利用大样电解法分析钢中大颗粒夹杂物含量。具体检验过程和结果如下。

2.1  低倍检验

本试验利用硫印和酸浸分析夹杂物的分布情况。硫印检验的方法如下：把相纸在5%的稀硫酸中浸泡5min，然后将其覆盖在加工好的板坯试样表面3min，以使钢中的硫与硫酸充分反应。将相纸冲洗后，酸浸的方法如下：把试样置于1：1的盐酸槽中，利用蒸汽加热30min，然后用热水对试样表面进行冲刷，最后进行吹干处理。在硫印和酸浸的共同检验基础上，对板坯中的夹杂物进行低倍检验的综合评级。图1为酸浸后的板坯截面低倍结构。对照评级标准发现，在标准规定所有的九种低倍缺陷中，以中心偏析、针孔状气泡和三角区裂纹出现的比率最大，中心疏松、蜂窝状气泡出现较少，而氧化铝夹杂则没有。其中，在中心偏析缺陷中，以B类偏析所占比例最大，见表1。

图1  板坯截面酸浸示意图

2.2  夹杂物的定量分析检验

分别在铸坯中部的内弧、上1/4处、中心、下1/4处和外弧各取金相试样1个，按夹杂物的直径(或等效直径)分为4个级别组，利用金相显微镜和图像分析仪对夹杂物进行定量分析。其中对小于20mm夹杂物用图像分析仪直接测定其面积百分比。大于20mm的夹杂物先用人工计数然后换算成面积百分比。计数时按20～50mm,50～100mm、大于100mm分别计数。20～50mm和50～100mm夹杂物面积百分比的计算方法是，用面积的中间值乘以相应夹杂物个数再除以试样面积;大于100mm夹杂物面积百分比的计算方法是分别求出每颗夹杂物的面积，然后求和，再除以试样面积。

首先将夹杂物检测结果按粒度汇总，根据汇总结果计算出不同粒度夹杂物的相对比例，如表2所示。由表2可知：直径小于20mm的夹杂物占夹杂物总量的90%，大于50mm的大夹杂物仅占夹杂物总量的2.7%，其中大于100mm的占0.34%。尽管大夹杂物的数量很小，但其对钢材性能的危害较大。

在金相显微镜下观察，发现夹杂物的形态呈圆形或接近圆形的较多，其他呈椭圆形、半圆形以及各种不规则形状。大颗粒夹杂物基本上符合硅酸盐或复合硅酸盐夹杂物的光学物特征，但期颜色深浅不一，说明这些夹杂物的成分组成是不一样的。板坯中大颗粒夹杂物如图2所示。在轧制过程中，由于各种夹杂物的组成和性质不一样，从而呈现出不同的形态，如：硫化物呈短细条状，硅酸盐呈长条状，氧化物呈颗粒状等。

图2板坯中颗粒夹杂物示意图                        图3不同粒度夹杂物含量分布图

将检测结果按取样位置和粒度汇总，分别计算出内弧、上1/4处、中心、下1/4处和外弧不同粒度夹杂物面积百分比的平均值并绘出分布图，如图3所示。从图3可以明显看出，50～100mm的夹杂物含量最多的位置是上l/4处，最少的位置是下1/4处;≥100mm的夹杂物含量最多的位置是上表面处，最少的位置是下1/4处。

按不同的钢种将夹杂物的平均含量汇总，以Q235与SS400为例，发现两个钢种的夹杂物含量差别不大，如表3所示。

3  夹杂物的形成原因及分析

根据以上检验可知，由于夹杂物在板坯低倍缺陷中主要表现为B类中心偏析和针孔状气泡，夹杂物主要分布在板坯断面的中心线及中心线以上的内弧区域。这说明液相穴内的夹杂物仍可以上浮。

金相定量分析和大样电解的结果表明：就大于50mm的夹杂物而言，50～100mm的夹杂物比较多，平均面积百分比为0.004183%，而大于100mm夹杂物平均面积百分比仅为0.000613%，后者是前者的1/7。对于不同的钢种和不同的连铸机规格，在大于50mm的夹杂物含量和分布方面，没有发现明显的差别。但是，在同一个连铸坯，50～100mm的大颗粒夹杂物主要分布于板坯截面的上1/4处，其他部位较少，大于100mm的夹杂物内弧区域较多。

大颗粒夹杂物对中厚板的性能有着极其不利的影响，尤其对低温冲击性能和冷弯性能。就板坯中的非金属夹杂物而言，其主要来源是钢水的二次氧化、钢包及中间包的熔渣、结晶器器保护渣以及水口的熔损等外来夹杂物。钢的纯净度直接影响着钢中非金属夹杂物的存在。连铸饭坯的纯净度主要在钢水进人结晶器之前来保证，要尽可能地减少内生的和外来的夹杂;钢水在结晶器以下的凝固过程决定了铸述内部致密程度及质量。提高连铸坯质量、减少其夹杂物含量的措施，既与连铸机的结构、浇注温度、冷却制度等操作制度有关，也与钢水质量、炉外精炼有关。它要求在生产中建立一套生产无缺陷、铸坯无缺陷体系—铸坯质量设计技术和控制技术、质量管理系统及质量保证系统。控制钢中非金属夹杂物的途径，就是要减少冶炼及浇注工艺操作过程中夹杂的产生和外来夹杂对钢水的污染。主要措施如下：挡渣出钢、吹氩处理、保护浇注，采用优质耐火材料和性能相适应的保护渣。如果这些措施得当，夹杂物的种类和含量就会得到相应的控制。

4  结语

(1) 低倍检验结果表明，连铸板坯的夹杂物主要分布于B类中心偏析与针孔状气泡中，大多位于中心线以上位置。

(2) 板坯中夹杂物形态呈圆形或接近圆形的较多，其他呈椭圆形、半圆形以及各种不规则形态。

(3) 减少冶炼及浇注工艺操作过程中夹杂物的产生，主要措施是控制内生和外来夹杂对钢水的污染。