重軌鋼夾雜物生產(chǎn)過程中的變化行為分析研究

陳 雄,張學(xué)偉,李揚(yáng)洲

(1.攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000; 2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083)

重軌鋼夾雜物生產(chǎn)過程中的變化行為分析研究

陳 雄1,張學(xué)偉1,李揚(yáng)洲2

(1.攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000; 2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083)

通過對(duì)“轉(zhuǎn)爐冶煉→出鋼無鋁脫氧、增碳→LF精煉→RH真空脫氣→大方坯連鑄→軋制”工藝流程生產(chǎn)重軌鋼各工藝環(huán)節(jié)系統(tǒng)取樣,采用元素化學(xué)分析,掃描電鏡-能譜分析和小樣電解等方法,研究了煉鋼流程中的夾雜物化學(xué)成分、形貌和尺寸的變化。結(jié)果表明:主要夾雜物是CaO -MgO-Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜物,經(jīng)過LF的加熱、RH的真空處理,鋼渣充分接觸和夾雜物的改性,部分夾雜物的化學(xué)成分落在1 500℃以內(nèi)的低熔點(diǎn)液相區(qū);夾雜物尺寸從轉(zhuǎn)爐30μm到RH真空處理后的5μm,再到中間包8.5μm有先減小后增加的趨勢(shì),經(jīng)過RH真空處理后,大尺寸夾雜去除效果較好,大部分在1μm～10μm之間,沒有發(fā)現(xiàn)超大型夾雜(＞100μm),說明RH去除大型夾雜效果明顯。

夾雜物;化學(xué)成分;演變規(guī)律;尺寸

1 引言

高速重軌鋼是一種高純凈度、高強(qiáng)度、高韌性、細(xì)珠光體鋼,對(duì)非金屬夾雜物的控制有著較高的要求,非金屬夾雜物的控制是高速重軌鋼生產(chǎn)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。以B類夾雜Al2O3為主的脆性夾雜是引起鋼疲勞裂紋的主要原因,因此,重軌的生產(chǎn)多采用無鋁脫氧[1,2],從根源上杜絕產(chǎn)生Al2O3夾雜物。但大尺寸長(zhǎng)條狀MnS也可作為裂紋的起點(diǎn),在應(yīng)力作用下首先于硫化物與基體的交界處形成裂紋源,隨著載荷的增加,裂紋沿著條帶狀MnS夾雜物逐漸擴(kuò)大[3]。因此當(dāng)重軌鋼中出現(xiàn)微裂紋時(shí),大尺寸硫化物的增加必然導(dǎo)致裂紋沿著硫化物迅速擴(kuò)展。所以,研究和控制重軌鋼中MnS夾雜的形態(tài)和分布也日益重要。

2 研究?jī)?nèi)容及檢驗(yàn)方法

重軌鋼轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)采用硅鈣鋇預(yù)脫氧,及硅錳復(fù)合終脫氧工藝,在現(xiàn)行工藝條件下,研究生產(chǎn)過程鋼中夾雜的演變規(guī)律[4-7],特別是復(fù)合夾雜物,以便提出針對(duì)性的對(duì)策,優(yōu)化工藝參數(shù),提高產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)該包次最后一爐進(jìn)行取樣分析,具體取樣方案是:對(duì)脫碳轉(zhuǎn)爐脫氧合金化后,LF進(jìn)站前,LF處理出站后,RH進(jìn)站前,RH真空處理出站后和在中間包內(nèi)間隔10min各取出試樣,將取出的試樣切成20mm×20mm×20mm的方塊,經(jīng)磨制和拋光后,使用掃描電鏡-能譜觀察定性夾雜物的化學(xué)成分和尺寸大小,因取出的試樣立即用水冷卻,故不考慮MnS析出夾雜物;采用非水溶液小樣電解法對(duì)中間包取出的試樣進(jìn)行提取分析,其實(shí)驗(yàn)過程是:加工試樣→磨拋→電解→超聲波清洗→淘洗→烘干→檢測(cè)[8-9]。

3 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鋼水化學(xué)成分

該試驗(yàn)爐次的化學(xué)成分變化分析見表1,脫碳轉(zhuǎn)爐采用高拉碳法,然后使用無煙煤增碳,轉(zhuǎn)爐出鋼采用無鋁脫氧,采用硅鈣鋇預(yù)脫氧、硅錳復(fù)合終脫氧劑,LF精煉進(jìn)行成分微調(diào),鋼水中磷經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹氧造渣脫磷后,含量穩(wěn)定在180ppm。

表1 該取樣分析爐次的鋼水化學(xué)成分(ω)(%)

3.2 硫含量變化

針對(duì)本爐次全流程取樣,進(jìn)行成分檢測(cè),從冶煉工序中硫含量變化可以看出(如圖1),鋼軌的[S]含量只有從680ppm經(jīng)過鐵水預(yù)處理降到70ppm,提釩轉(zhuǎn)爐增加了69ppm,到139ppm,說明鐵水扒渣不理想,在提釩轉(zhuǎn)爐內(nèi)回硫較嚴(yán)重,增加將近一倍;脫碳轉(zhuǎn)爐出鋼[S]含量為151ppm;經(jīng)過LF造渣[S]從151ppm降到110ppm,脫硫率為27%; RH階段[S]含量穩(wěn)定在100ppm;中間包[S]含量100ppm;因此,最終[S]含量主要由轉(zhuǎn)爐出鋼[S]含量決定。

圖1 冶煉各工序中硫含量變化情況

3.3 夾雜物類型變化

對(duì)夾雜物的化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,觀察到CaO-MgO-Al2O3-SiO2系復(fù)合夾雜物最多,將其放到三元系相圖中,觀察是否在低熔點(diǎn)區(qū)域,如圖2～圖4,其它工序的夾雜物分布情況不再一一復(fù)述,將各工序的夾雜物平均成分放到三元相圖中,觀察夾雜物的演變規(guī)律,如圖5～圖7。

由圖可以看出,轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧合金化(無鋁脫氧,采用硅鈣鋇預(yù)脫氧、硅錳復(fù)合終脫氧劑)后的夾雜物CaO-Al2O3-SiO2系在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)上部,主要原因是采用硅脫氧,SiO2含量很高,大部分夾雜物為球形; MnO-Al2O3-SiO2系部分在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū),主要原因是錳脫氧弱于硅脫氧,而此時(shí)鋼水中Mn O含量在15%以內(nèi)。CaOMg O-Al2O3系大部分在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)的右側(cè),主要原因是鋼中Mg O含量很低,小于10%,但CaO含量提高到50%,大部分夾雜物為球形。

圖2 CaO-Al2O3-SiO2系夾雜物成分投影

圖3 MnO-Al2O3-SiO2系夾雜物成分投影

圖4 Mg O-CaO-Al2O3系夾雜物成分投影

圖5 CaO-Al2O3-SiO2系夾雜物平均成分投影

圖6 Mn O-Al2O3-SiO2系夾雜物平均成分投影

圖7 Mg O-CaO-Al2O3系夾雜物平均成分投影

從整個(gè)過程的夾雜物演變情況看,有如下幾個(gè)特點(diǎn):CaO-Al2O3-SiO2系一直在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)內(nèi)及周圍變化,且Al2O3含量較高,其來源是合金帶入或者鋼包渣線層侵蝕嚴(yán)重造成。Mn O-Al2O3-SiO2系隨著Mn O含量而變化,當(dāng)Mn O含量達(dá)到15%以上時(shí),該系夾雜成分分散在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)之內(nèi)。CaO-MgO-Al2O3系從1、2和3的1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)到4點(diǎn)高熔點(diǎn)區(qū),最后再次回到1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū),該系夾雜成分變化在RH階段劇烈,說明RH階段攪拌能力強(qiáng),渣鋼反應(yīng)充分,夾雜物改性較為成功。表2是各工序主要夾雜物的類型,發(fā)現(xiàn)主要是CaO-Al2O3-SiO2-MgO系的復(fù)合夾雜物。

表2 各工序主要夾雜物類型

3.4 夾雜物尺寸變化

圖8是各工序夾雜物的尺寸變化情況,鋼水從轉(zhuǎn)爐到中間包過程,鋼中夾雜物尺寸呈現(xiàn)減小趨勢(shì),在中間包內(nèi)尺寸略有增大,原因是夾雜物在中間包內(nèi)聚集、長(zhǎng)大、上浮和發(fā)生二次氧化。

3.5 夾雜物形貌

3.5.1 各工序取出試樣中的夾雜物二維形貌(見圖9)

3.5.2 夾雜物的三維形貌(見圖10)

圖8 各工序夾雜物的尺寸變化情況

(a)轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧合金化后

(b)LF進(jìn)站前

(c)LF出站后

(d)RH進(jìn)站前

(e)RH出站后

圖9 各工序夾雜物二維形貌

圖10 中間包內(nèi)夾雜物三維形貌與能譜

4 結(jié)論

(1)本研究生產(chǎn)的重軌鋼主要夾雜物是CaO-Mg O-Al2O3-SiO2系復(fù)合夾雜物,轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧合金化:無鋁脫氧,采用硅鈣鋇預(yù)脫氧、硅錳復(fù)合終脫氧劑。CaO-Al2O3-SiO2系夾雜物在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)上部, MnO-Al2O3-SiO2系部分在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū),大部分夾雜物為球形。

(2)從夾雜物演變規(guī)律分析,CaOAl2O3-SiO2系一直在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)內(nèi)及周圍變化,且Al2O3含量較高,其來源可能是合金帶入或者鋼包渣線層侵蝕嚴(yán)重。MnO-Al2O3-SiO2系隨著MnO含量而變化,當(dāng)MnO含量達(dá)到15%以上時(shí),該系夾雜成分分散在1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)之內(nèi)。CaO -Mg O-Al2O3系從1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū)到高熔點(diǎn)區(qū),最后再次回到1 500℃的低熔點(diǎn)區(qū),該系夾雜成分變化在RH階段劇烈,說明RH階段攪拌能力強(qiáng),渣鋼反應(yīng)充分。

(3)從流程取樣分析看出,經(jīng)過LF的加熱、RH的真空處理,鋼渣充分接觸和夾雜物的改性,部分夾雜物的成分落在1 500℃以下的液相區(qū);經(jīng)過RH真空處理后,大尺寸夾雜去除效果較好,沒有發(fā)現(xiàn)超大型夾雜(＞100μm),說明RH去除大型夾雜效果明顯。

[1] 單麟天.重軌鋼中的夾雜物與脫氧制度[J].鋼鐵,1997(5):81-84.

[2] 吳偉,劉瀏,李峻.重軌鋼無鋁脫氧工藝的研究[J].鋼鐵,2007(3):33-36.

[3] 齊江華,吳杰,索進(jìn)平,等.百米高速重軌鋼中大型MnS夾雜的形成原因[J].鋼鐵研究, 2011(3):22-24.

[4] 陳超,侯海濱,成國(guó)光,等.脫磷鐵水-110t AOD-LF-CC-熱軋流程304不銹鋼中夾雜物的演變[J].特殊鋼,2013(1):41-44.

[5] 杜曉建.W20B鋼在BAr-CC過程中的非金屬夾雜物演變分析[D].武漢科技大學(xué),2006.

[6] 黃健,閔義,姜茂發(fā),等.IF鋼生產(chǎn)過程非金屬夾雜物的演變行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(3):368-372.

[7] 楊作宏,鄒明,馬明勝.BOF-LF-CSP工藝生產(chǎn)SPHC鋼的夾雜物演變[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2013(3):23-29,53.

[8] Fang Keming,Ni Ruiming.Research on determination of the rare-earth content in metal phases of steel[J].Metallurgical Transactions A,1986,17(2):315-323.

[9] Ryo Inoue,Rika Kimura,Shigeru Ueda, Hideaki Suito.Applicability of Nonaqueous Electrolytes for Electrolytic Extraction of Inclusion Particles Containing Zr,Ti,and Ce [J].ISIJ International,2013,53(11):1906 -1912.

Behavior Analysis of Inclusions in Heavy Rali Steel Sampling From the Whole Production Procee in Pangzhihua

CHEN Xiong1,ZHANG Xue-wei1,LI Yang-zhou2
(1.Panzhihua Iron and Steel Co.,Sichuan 617000;2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083)

Chemical element analysis,SEM-EDS analysis and small sample electrolysis were adopted to study the changes of chemical composition,morphology and size of inclusions sampling from the whole production process of heavy rail steel-“BOF steelmaking→Al-free deoxidation and adding-carbon→LF refining→RH vacuum degassing→bloom casting→rolling”.The results show that CaO-Mg O-Al2O3-SiO2composite inclusions are principal,and after the LF heating,RH vacuum treatment,fully contacting with slags and modification of inclusions,the chemical composition from part inclusions is located in low melting liquid phase area within 1500℃,the size of inclusions from 30μm in BOF,5μm after RH,to 8.5μm in tundish is inclined to increase at first and then decrease.The large inclusions are eliminated efficiently by RH vacuum treatment,leaving the size of inclusions 1μm～10μm and without large inclusions(＞100μm),which illustrates the measurable performance of RH to the Removal of inclusions.

inclusions;chemical composition;evolution law;size

TG142.13

:A

1001-5108(2015)03-0001-07

陳雄,工程師,主要從事連鑄工藝方面的工作。