小方坯冷镦钢SWRCH22A非稳态铸坯夹杂物分布

孙振宇 ，李叶忠 ，赵晨光 ，李泽林 ，王成青 ，高立超 ，翟利平

（1.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山114021；2.鞍钢股份有限公司科技质量部，辽宁 鞍山114021）

SWRCH22A为碳素冷镦钢，主要用于生产自攻螺钉、紧固螺栓等标准紧固件及自行车零部件。在冷镦钢加工过程中，所承受的变形速度高，标准件变形量大（60%～70%），要求冷镦钢盘条必须具有良好的性能。冷镦钢盘条边缘的大颗粒夹杂物对冷顶锻裂纹的产生有直接影响，主要表现在夹杂物受到冷镦压力脱落后形成裂纹源。因此，为了保证冷镦钢的加工性能，要求钢材具有较高的纯净度，尤其是钢中大于50 μm的大型夹杂物含量要低。

冷镦钢连铸坯稳态浇注时的铸坯质量基本能保证要求，其夹杂物尺寸在50 μm以下，为圆形或近似圆形。而非稳态时期，由于钢水二次氧化和卷渣，钢水中大型夹杂物含量增加，钢水纯净度变差，铸坯质量恶化。根据IF钢中夹杂物与T[O]关系研究结果[1]得知：T[O]与大型夹杂物没有对应关系，T[O]难以表征大型夹杂物数量。为此，采用金相分析方法研究了小方坯冷镦钢SWRCH22A非稳态铸坯的头坯、尾坯以及过渡坯中的夹杂物分布情况。

1 研究方法

1.1 生产工艺及浇铸参数

SWRCH22A碳素冷镦钢生产工艺为铁水预处理脱硫→转炉冶炼→LF精炼、钙处理→180 mm×180 mm小方坯连铸。LF钙处理后软吹10 min左右。浇铸过程钢包钢水约100 t，中间包钢水约25 t，中间包钢水过热度约25℃，连铸拉速2.0 m/min。全程保护浇铸，即大包和中间包之间采用大包套管，大包水口和大包套管之间采用氩封，中间包与结晶器之间采用浸入式水口，中间包水口与浸入式水口之间采用密封垫，结晶器采用保护渣。

1.2 取样方法

分别取SWRCH22A头坯1～16 m，每隔1 m取一块样；交换钢包交接坯（过渡坯）1～17 m，每隔1 m取一块样；尾坯1～10 m，每隔1 m取一块样。测中间包钢水温度及化学成分，结果见表1。图1为取样示意图。

表1 中间包钢水温度及化学成分

图1 取样示意图

按照图1所示,沿每个铸坯的厚度方向，在内弧表面和距离内弧表面的1/4处取30 mm×20 mm×20 mm的金相试样各6个。在显微镜下观察夹杂物颗粒，并对典型夹杂进行拍照，采用扫描电镜对典型夹杂分析成分。研究铸坯夹杂物成分、形态、尺寸分布情况。

2 检测结果

2.1 夹杂物尺寸分布情况

铸坯夹杂物尺寸分布情况见表2。由表2可见，尾坯中10～20 μm的小尺寸夹杂物较多，头坯与过渡坯夹杂物尺寸分布类似，尺寸较大。

表2 夹杂物尺寸分布情况 个/mm2

2.2 头坯夹杂物情况

观察发现,头坯夹杂物的形态有团蔟状、近似圆形、块状3种类型，其中1～6 m的头坯内均存在团蔟状、近似圆形的夹杂物，尺寸较大，最大可达500 μm；7～16 m的头坯内夹杂物近似圆形，夹杂物尺寸在100 μm以下。头坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化见图2，典型夹杂物形貌见图3。能谱分析结果显示，夹杂物主要成分为Al2O3。

2.3 过渡坯夹杂物情况

过渡坯夹杂物有近似圆形、块状、长条形3种，其中1～3 m的过渡坯内均存在近似圆形、块状的夹杂物，近似圆形的夹杂物尺寸小，在20 μm以下，而块状夹杂物尺寸大，最大可达100 μm；4～17 m过渡坯中夹杂物形状变为圆形、长条形，尺寸在20 μm以下，过渡坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化见图4，夹杂物典型形貌见图5。能谱分析表明，夹杂物主要成分为Al2O3和钙铝酸盐。

图2 头坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化

图3 头坯中典型夹杂物形貌

图4 过渡坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化

图5 过渡坯中夹杂物典型形貌

2.4 尾坯夹杂物情况

尾坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化见图6，夹杂物典型形貌见图7。由图6看出，1～10 m的尾坯中夹杂物尺寸较小，由图7看出，夹杂物只有近似圆形一种，与正常铸坯没有差别。能谱分析结果显示，夹杂物主要成分为Al2O3和钙铝酸盐。

3 夹杂物结果分析

图6 尾坯中夹杂物尺寸随取样位置的变化

图7 尾坯夹杂物典型形貌

小方坯冷镦钢SWRCH22A属于铝脱氧钢种，高熔点的Al2O3以及钢液中的Al还原炉渣或耐材中的MgO生成MgO·Al2O3。钙处理时钙对高熔点的Al2O3和MgO·Al2O3进行变质处理，形成液态低熔点的钙铝酸盐。热力学上，钙可以很容易地将MgO·Al2O3变性为液态钙铝酸盐，但夹杂物变性受夹杂物尺寸和反应时间的限制，部分夹杂物变性不完全或不能变性。

头坯1～6 m存在的大量蔟状夹杂物主要为炉渣和耐材成分，7 m以后为变性不完全的MgO·Al2O3和不变性的Al2O3，分析其来源主要应为首罐开浇过程中,中间包冲刷脱落的耐材、LF炉冶炼过程的脱氧产物未充分变形及去除、开浇过程产生了大量的二次氧化产物所致；过渡坯中夹杂物为变性不完全的 MgO·Al2O3和不变性的Al2O3，分析其来源主要应为LF炉脱氧产物未充分去除、更换钢水罐开浇时产生的二次氧化产物；尾坯中的夹杂物主要为已变性的液态钙铝酸盐，对冷镦性能有利。

4 夹杂物控制方法

根据以上的检验及分析得知，小方坯冷镦钢SWRCH22A非稳态铸坯夹杂物的分布及形态比较复杂。为了更好的控制夹杂物，进一步提高铸坯的纯净度，提出以下控制方法。

（1）提高中间包耐火材料的质量及中间包整备质量，提高中间包的耐冲刷性和洁净度。

（2）优化LF炉脱氧合金（铝线段）加入时机和加入量，保证LF炉冶炼前期一次性调铝成功率，优化冷镦钢精炼工艺操作，保证LF炉冶炼周期充足，增加LF炉冶炼结束后的弱吹氩工艺，进一步为夹杂物去除提供时间。

（3）优化连铸换罐操作，缩短换罐时间，尽量减少钢水二次污染。

（4）优化切割程序，对铸坯分级标注管理，对后续性能造成影响的铸坯报废或降级处理。

5 结论

（1）分析认为，小方坯冷镦钢SWRCH22A非稳态铸坯不同位置的夹杂物尺寸随着浇注长度的增加而减小。应采取提高中间包耐材质量、优化冷镦钢精炼工艺操作、缩短连铸换罐时间等措施以提高小方坯冷镦钢SWRCH22A铸坯的纯净度。

（2）建议将小方坯冷镦钢SWRCH22A头坯1～6 m进行报废处理，头坯7～16 m以及中间过渡坯降级处理，而尾坯可以正常使用。