S355J2G3钢锭疏松缺陷的分析与改善

郭景喻

(北满特殊钢有限责任公司，黑龙江161041)



S355J2G3钢锭疏松缺陷的分析与改善

郭景喻

(北满特殊钢有限责任公司，黑龙江161041)

摘要：使用SEM和EDS对S355J2G3锻件低倍疏松缺陷进行分析，发现发生疏松缺陷的部位有大量的硫化物夹杂(MnS)，通过VD真空后向钢水中补喂Ca-Si线对硫化物进行变性处理从而改善锻件的疏松缺陷。

关键词：S355J2G3钢；疏松；夹杂物；变性处理

疏松是模铸钢锭常见的内部缺陷之一，在横向的低倍试样上表现为组织不致密，呈现分散的圆形或椭圆形的黑色小点，或是不规则的圆形空隙，在钢锭中往往在冒口端最为严重，向下逐渐减轻。疏松缺陷的存在使产品的使用寿命和服役周期都大大缩短[1-2]。S355J2G3是欧洲标准的低合金结构钢，应用广泛。与国标的Q345D属同一级别，我公司生产的S355J2G3锻件每年都因疏松缺陷造成大量的废品，造成大量的经济损失。通过使用SEM及EDS发现S355J2G3锻件的疏松缺陷部位有大量的硫化物夹杂聚集，因此制定了通过真空后向钢水中补喂Ca-Si线使硫化物进行变性处理，并适当延长软吹时间使夹杂物充分上浮，从而改善锻件的疏松缺陷，在生产中具有一定的指导意义[3-4]。

1S355J2G3钢疏松缺陷分析

1.1疏松缺陷的形成机理

钢液在凝固过程中，各结晶核心以树枝状晶的形式长大，由于树枝晶的相互交错，把未凝固的钢液隔成若干小的部分，在隔开的部分中液体独立收缩结晶，在得不到钢液补充的情况下，就不可避免的出现空隙，这些空隙又被大量的低熔物质与夹杂物填充。经酸侵后呈现出暗黑色的小点成为疏松。由于钢水凝固的特性，这是钢锭凝固过程中必然形成的缺陷，而且随着锭型的增大，疏松越严重[5]。

1.2疏松缺陷研究

我公司生产的S355J2G3钢种，低倍检验执行ASTM E381标准，合格级别不超过2级(相当于GB/T 1979—2001的一般疏松1.5级)。图1为我公司试验室检验该产品的低倍图片。

(a)∅550 mm，检验结果R=3

(b)∅650 mm，检验结果R=4

(a)SEM (b)EDS

(a)SEM (b)EDS

从图1可以看出，钢锭一般疏松评级为3级，横向截面内布满了黑色的“小点”。图2(a)为在放大200倍下疏松缺陷的横向SEM图，可以看出，产生缺陷的部位经过侵蚀后，夹杂物溶解并在基体上留下了“空洞”。图2(b)为图2(a)中对应点的EDS能谱图，在图中只有Fe元素的特征峰，并未发现其他杂质元素的特征峰。

图3(a)为疏松缺陷位置纵剖后的SEM图，可以清晰的看见夹杂物经纵剖后在试样的表面呈现长条状，对其进行EDS分析，其结果见图3(b)。EDS能谱图中发现有S和Mn的特征峰，根据吴华杰等[6]对钢中硫化物的形貌进行的分析，可以判定造成疏松缺陷的夹杂物为纯MnS，这是钢液凝固过程中硫化物偏析的结果。根据Hayes和Chipman对钢中许多元素的分配系数K的测定表明，C、P、S 等元素的K值均小于1，即凝固时，固液界面前的液相中将富集这些元素，如果这时液态在界面附近凝固，即形成微观偏析，如果这时液态金属沿着两相区的枝晶通道流动，则产生宏观偏析。胡军辉等[7]指出了钢液凝固过程中的Mn与S元素浓度的变化趋势，钢液在凝固的初期，由于Mn在固态钢中的溶解度远远大于S，由于选分结晶的结果，随着钢液的凝固，钢液中Mn、S含量同时增加，但S增加的速度远大于Mn在钢中增加的速度，使得Mn/S逐步降低。当接近凝固末期时大量的硫富集在树枝晶的周围，此时若锰硫的浓度积大于平衡值，就满足了MnS析出的热力学条件，形成MnS夹杂。

2改进措施

使用钙处理的方法对硫化物进行变性处理，即在真空后向钢水中补喂Ca-Si线，其原理是通过喂线增加了钢液中的有效钙含量，在钢水凝固过程中提前形成高熔点CaS质点，因此可以减少钢水在此过程中生成MnS的总量，减弱其聚集程度，并可以将部分MnS改变成CaS，即形成细小、单一的CaS相或CaS与MnS的复合相[9]。

硫化物变性处理的热力学计算[10]：

在钢液中发生的反应：

[Mn]+[S]=MnS(s)

(1)

[Ca]+[S]=CaS(s)

(2)

由式(1)和式(2)可得：

[Ca]+ MnS(l)= CaS(s) +[Mn]

(3)

ΔGθ=-284786.2+41.534T

当T=1873K时，ΔGθ=-06993.0J·mol-1。

在钢—渣界面发生反应：

(MnO)+[S]=MnS+[O]

(4)

[CaO]+[S]=[CaS]+[O]

(5)

由式(4)和式(5)可得：

(CaO)+( MnS)= (CaS) +(MnO)

(6)

ΔGθ=-34750.44+10.67T

当T=1873K时，ΔGθ=-14765.53J·mol-1。

通过上述的热力学计算及分析可知，通过钙处理的方法将MnS转化为CaS是能够实现的。因为钙的沸点较低，为了更好的实现钙处理的效果，提高钙的回收率，生产中以向钢包中喂入Ca-Si线的方式对硫化物进行变性处理，对加工的锻件进行低倍检查，其结果见图4。

(a)∅550 mm，检验结果R=2

(b)∅650 mm，检验结果R=2

从检测结果可以看出，对钢水进行硫化物变性处理后对疏松缺陷有较大的改善，规格为∅550 mm和∅650 mm的钢锭低倍检验结果均为2级，且从低倍图片明显可以看出疏松缺陷的“黑点”变的更加小且分散，这是因为通过向钢水中补喂Ca-Si线增加了钢水中有效[Ca]含量，相当于增加了钢水中的硫化物的形核核心，因此使形成的硫化物在钢中实现更加均匀的分布，且随着钢水的凝固，钢中残余的[Ca]、[S]可以提前结合为高熔点的CaS质点并弥散于钢的基体中，相当于进一步减少了钢中残余的[S]，减弱了硫的偏析[9]，从而改善了钢锭的疏松。

3结论

(1)通过SEM、EDS分析，S355J2G3钢锻件低倍疏松缺陷部位有大量的硫化物夹杂，主要成分为MnS。

(2)通过热力学计算分析，确定了钙处理使硫化物变性的可能性，并在VD后向钢水中补喂Ca-Si线，对硫化物进行变性处理，减弱了钢液凝固过程中S的偏析，从而改善了钢锭的疏松。

参考文献

[1]康大韬.大型锻件材料与热处理[M].北京:龙门书局,1998.

[2]王同路,杨军峰, 苏俊奇.优化锻造工艺参数改善轧辊坯料超声波探伤缺陷.第七届全国冶金轧辊学术交流年会会议论文集.2004.

[3]郑景斌.含硼S355J2钢板的试生产及性能研究[J].西安建筑科技大学硕士学位论文.2013.

[4]郑辉,付宪强,谢奎龙.S355J2G3钢疏松缺陷控制[J].特钢技术,2013,19(3)：20-24.

[5]宋瑞甫.提高钢锭质量的实践与探讨,宽厚板,2001,7(5)：23-44.

[6]吴华杰，陆鹏雁，岳峰，等.钙处理对钢中硫化物形态影响的试验研究.北京科技大学学报,2014,4(36)：230-234.

[7]胡俊辉. 低碳高硫磷钢硫化物凝固析出的热力学分析,宝钢技术，2005(05).

[8]Flemings MC.Solidification process, NewYork, Mc-Graw-Hill.1974.

[9]朱立光，等.CCSD36船板钢连铸二冷技术的研究.河北省冶金学会2009年炼钢-连铸技术与学术年会.2009.

[10]李波.Ca对钢中夹杂物的变性研究[J].包头钢铁学院硕士学位论文,2003(1):2-55.

编辑杜青泉

欢迎投稿！欢迎订阅！欢迎刊登广告！

Analysis and Improvement of Shrinkage Defect for S355J2G3 Steel Ingot

Guo Jingyu

Abstract：By adopting SEM and EDS, the macro shrinkage defect of S355J2G3 forgings has been analyzed. It found out that the position of shrinkage defect appeared a large number of sulfide inclusion (MnS). By supplementary feeding Ca-Si wire into the molten steel after VD vacuum process, the modifying treatment of sulfide has been performed so as to improve the shrinkage defect of forgings.

Key words：S355J2G3 steel; shrinkage; inclusion; modifying treatment

作者简介：郭景喻，男(1972—)，工程师，从事钢铁技术研发及管理工作。电话：13836208902

收稿日期：2015—07—06

中图分类号：TF771.2

文献标志码：B