Si、Mn脱氧条件下Q355低合金结构钢中非金属夹杂物的演变规律

郭 健

（河钢唐钢技术中心，河北唐山 063000）

高强度低合金钢是常用的工程结构用钢，其洁净度是目前各大钢厂关注的重要问题之一。钢中存在大量夹杂物破坏了钢基体的连续性及致密性，对钢的力学和使用性能影响不利[1-2]。然而在实际冶炼过程中，非金属夹杂物的产生是不可避免的，为保证钢的质量及性能要求，应尽量减少钢中非金属夹杂物的数量或改变其形态及成分。某钢厂Q355低合金结构钢中钙铝酸盐夹杂物评级达到3级，不能满足其标准要求，导致冲击韧性下降。目前，研究主要集中在LF-RH精炼过程夹杂物的演变规律[3-8]，缺少对小尺寸夹杂物与全氧含量关系的清晰论证，以及对从精炼到连铸全流程中非金属夹杂物类型、数量和形貌变化规律的探讨，因此有必要对Si、Mn脱氧条件下Q355低合金结构钢中非金属夹杂物的演变规律进行研究，从而为提高产品质量提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 生产工艺

某钢厂Q355钢的生产工艺流程为：电炉→LF精炼→连铸，电炉出钢时加入Si、Mn合金进行脱氧合金化，LF精炼后造渣脱S，加入适量的合金微调Si、Mn、Al等元素含量，之后进行钙处理使Al2O3夹杂物变性，改善钢水可浇铸性，静吹后至连铸浇铸。Q355钢的化学成分如表1所示。

1.2 取样方法

从LF精炼进站、造渣合金化、喂铝、钙处理到连铸中间包不同时间节点取钢水样，采用能有效避免疏松及缩孔等缺陷的直径53 mm、高90 mm圆柱形提桶取样器，取样器插入钢液面以下400 mm，以保证样品代表性。采用线切割在提桶样中心密实部位切取直径5 mm、长50 mm棒状氧氮试样和15 mm×15 mm×15 mm金相试样。

1.3 试验方法

利用TC600型氧氮分析仪对钢水T[O]、T[N]进行定量分析；利用蔡司金相显微镜选取10个不同视场（每个视场面积1 mm2），对粒径大于10 μm的夹杂物进行定量分析，并采用扫描电子显微镜和能谱分析仪对夹杂物进行定性分析；利用扫描电子显微镜能谱自动分析功能，对粒径小于10 μm的夹杂物进行扫描，扫描视场为10 mm2，并根据成分筛除不合格结果后进行定量和定性分析。

2 试验结果与分析

2.1 夹杂物定量分析结果

2.1.1 w（T[O]）、w（T[N]）变化规律

各工序钢中w（T[O]）、w（T[N]）变化如表2所示。从表2可以看出，在LF精炼过程中，进站时钢中w（T[O]）为0.004 9% ，造渣合金化及喂铝阶段w（T[O]）持续升高，最高为0.009 8% 。其原因为：进站及造渣合金化阶段渣中w（FeO＋MnO）过高，分别为7.92% 和2.64% ，精炼渣氧化性强使钢水二次氧化造成w（T[O]）升高，且钢液面裸露，使钢水w（T[N]）略有升高[9]，如表3 所示。至钙处理阶段精炼渣已经转变为还原性白渣，随着夹杂物的上浮去除，钢中w（T[O]）迅速降低至0.001 4% ，降低了85.71% ，说明LF过程去除钢中非金属夹杂物的效果较好；中包w（T[O]）较钙处理后提高至0.004 0% ，钢水中w（T[O]）总体呈先上升后下降的趋势。此外钙处理至中包过程共增氮0.001 9% （质量分数），表明此阶段钢水保护性较差，二次氧化现象严重。

表2 各工艺阶段T[O]和T[N]含量变化（质量分数）Table 2 Variation in contents of T[O]and T[N]in each process stage（mass fraction） %

表3 精炼渣成分（质量分数）Table 3 Compositions of refining slag（mass fraction） %

2.1.2 夹杂物数量变化

各工序夹杂物数量如表4所示。粒径大于10 μm的夹杂物数量变化为：LF进站和造渣合金化阶段较多，分别为10、15个/10 mm2；喂铝后下降为5个/10 mm2；钙处理后为1个/10 mm2，基本消失，中包和连铸阶段又上升，分别为6和2个/10 mm2。粒径小于10 μm的夹杂物数量变化为：LF进站较少，仅为25个/mm2；造渣合金化后升高至59个/mm2；喂铝又急剧上升，增至109个/mm2；钙处理后减少至36个/mm2；中包降至20个/mm2；连铸阶段趋于平稳，基本保持在22个/mm2。夹杂物数量整体呈先上升后下降最后趋于平稳的趋势。

表4 各工艺阶段夹杂物数量Table 4 Number of inclusions in each process stage

2.1.3 粒径小于10 μm的夹杂物数量与w（T[O]）对应关系

粒径小于10 μm的夹杂物数量与w（T[O]）对应关系如图1所示。在进站、造渣合金化、喂铝阶段随着夹杂物数量从25个/mm2上升至109 个/mm2，w（T[O]）也从0.004 9%上升至0.009 8% ；钙处理阶段夹杂物数量降至36个/mm2，w（T[O]）也随之降至0.001 4% ；中包及铸坯阶段夹杂物数量和w（T[O]）的波动范围较小，分别在20～22个/mm2及0.001 7%～0.002 4% 之间，粒径小于10 μm的夹杂物数量与w（T[O]）的变化趋势相同。

图1 粒径小于10 μm的夹杂物数量与w（T[O]）对应关系Fig.1 Number of inclusions with particle size less than 10 μm corresponds to w（T[O]）

钢中全氧由自由氧与以夹杂物形式存在的结合氧组成。出钢脱氧后，全氧差异主要体现在以夹杂物形式存在的结合氧部分。粒径小于10 μm的夹杂物数量占比大且在钢中分布均匀，对w（T[O]）的变化起决定性作用；而粒径大于10 μm的夹杂物数量少且分布不均匀，对w（T[O]）变化的影响极小。

2.2 夹杂物演变规律分析

2.2.1 精炼进站阶段夹杂物类型

精炼进站阶段夹杂物主要为SiO2-MnO-CaO，如图2三元相图所示。电炉出钢时钢水中溶解氧含量较高，加入硅铁、锰铁进行脱氧合金化，脱氧产物为SiO2、MnO以及微量的Al2O3、CaO。Al2O3和CaO来源于硅铁合金中的少量Al、Ca（wAl＝0.5%～2.0% ，wCa＝1.0%～1.5% ）与钢液中的氧反应，此阶段夹杂物主要成分为SiO2-MnO复合夹杂物。

图2 LF进站夹杂物主要成分Fig.2 Main components of inclusion entering LF

2.2.2 精炼造渣合金化阶段夹杂物类型

精炼造渣合金化阶段夹杂物仍为SiO2-MnOCaO，但SiO2-MnO成分比例升高，如图3三元相图所示。加入Si、Mn等合金微调成分后，部分合金与钢液中的氧反应，形成新的SiO2-MnO类夹杂物，造成此阶段夹杂物数量增加，夹杂物主要类型仍为SiO2-MnO。

图3 造渣合金化阶段夹杂物主要成分Fig.3 Main components of inclusion during slagmaking and alloying stage

2.2.3 精炼喂铝阶段夹杂物类型

精炼喂铝后夹杂物主要为Al2O3-SiO2-MnO，如图4三元相图所示。铝加入后钢水中残余的氧被进一步去除生成大量Al2O3；在精炼造渣后的还原气氛下，钢液及精炼渣中脱氧产物SiO2-MnO与Al发生还原反应生成[Si]、[Mn]及Al2O3，此阶段Al2O3含量大幅度升高，夹杂物主要成分转变为Al2O3。具体化学反应方程式为：

图4 喂铝后夹杂物主要成分Fig.4 Main components of inclusion after aluminum feeding

喂铝后钢渣及耐材中部分MgO被加入的铝还原进入钢液，与Al2O3和Al2O3-CaO反应生成Al2O3含量较高的铝镁尖晶石类复合夹杂物，其典型形貌和能谱面扫描结果如图5所示。

图5 喂铝后铝镁尖晶石类复合夹杂物形貌（a）及能谱面扫描结果（b～e）Fig.5 Morphology（a）and energy spectrum area scanning results（b to e）of typical MgO-Al2O3 spinel composite inclusions after aluminum feeding

2.2.4 精炼钙处理阶段夹杂物类型

钙处理后夹杂物主要成分为Al2O3-CaOMgO，如图6三元相图所示。此时夹杂物中Si、Mn含量已较低，钢液中的钙与Al2O3发生还原反应而变性为钙铝酸盐，夹杂物主要成分为Al2O3。

图6 钙处理后夹杂物主要成分Fig.6 Main components of inclusions after calcium feeding

2.2.5 连铸阶段夹杂物类型

连铸阶段夹杂物主要成分为Al2O3-CaOMgO，如图7三元相图所示。钙处理后经过静吹，钢中Ca与Al2O3反应更充分，造成钙铝酸盐类夹杂物增多。此时中包耐材被侵蚀会有少量MgO进入钢水中，与钙铝酸盐结合生成复合夹杂物Al2O3-CaO（MgO）[10]，在钢水凝固过程中CaO-Al2O3外层的CaO与钢液中的S发生反应[11-12]，生成CaS包裹在复合夹杂物外围，因此在中包及铸坯中夹杂物主要为Al2O3-CaO（MgO）-CaS，其形貌及能谱面扫描结果如图8所示。

图7 中包夹杂物主要成分Fig.7 Main components of inclusion in tundish

图8 铸坯中Al2O3-CaO（MgO）-CaS夹杂物的形貌（a）及能谱面扫描结果（b～e）Fig.8 Morphology（a）and energy spectrum area scanning results（b to e）of Al2O3-CaO（MgO）-CaS inclusions in slab

3 结论

（1）粒径小于10 μm的夹杂物数量与w（T[O]）的变化趋势相同，整体呈先上升后下降最后趋于平稳的趋势，其中喂铝工序的w（T[O]）最高，为0.009 8% 。

（2）Si、Mn脱氧Q355低合金结构钢中非金属夹杂物的演变规律为：电炉出钢后主要夹杂物为SiO2-MnO，LF 喂铝后转变为Al2O3-SiO2-MnO（MgO），钙处理后转变为Al2O3-CaO（MgO），浇铸后铸坯中形成Al2O3-CaO（MgO）-CaS复合夹杂物。

（3）铸坯中Al2O3-CaO（MgO）-CaS复合夹杂物的形成过程为：钢水凝固过程中S与Al2O3-CaO（MgO）夹杂物表层的CaO反应，最外层生成CaS。