超高強(qiáng)鋼中夾雜物控制研究

摘要：本文研究了超高強(qiáng)鋼從LF-RH-連鑄坯-軋材整個(gè)過程夾雜物數(shù)量、成分、類型、大小以及在鋼中的分布情況，找到在全流程中夾雜物控制的關(guān)鍵問題，以最終實(shí)現(xiàn)軋材中大尺寸夾雜物的有效控制。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鋼；夾雜物；RH；熱力學(xué)

0 引言

超高強(qiáng)鋼主要用于制造承受較高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，一般具有足夠的韌性及較高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，還具有良好的焊接性和成形性。為滿足裝備輕量化的發(fā)展需求，減少資源消耗，降低原材料成本，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于其優(yōu)良的強(qiáng)韌性、良好的成形性和焊接性，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等大型裝備制造業(yè)，并向著更高強(qiáng)度級(jí)別和更優(yōu)綜合力學(xué)性能的方向發(fā)展。以汽車穩(wěn)定桿為例，穩(wěn)定桿是用彈簧鋼制成的扭桿彈簧，形狀呈“U”形，在功能上可以看成是一種特殊的彈性元件，橫置在汽車的前端和后端。鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和分布，對(duì)穩(wěn)定桿的使用有直接的、極大的影響，是決定穩(wěn)定桿質(zhì)量的極重要因素。為了保證穩(wěn)定桿有較高的疲勞強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、表面硬度和較長(zhǎng)的使用壽命，需要對(duì)鋼中各種非金屬夾雜物進(jìn)行有效控制。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

超高強(qiáng)鋼（汽車穩(wěn)定桿用鋼）的生產(chǎn)流程為：高爐→鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐→LF → RH→連鑄，其化學(xué)成分見表1。通過顯微鏡、Aspex自動(dòng)掃描電鏡等詳細(xì)評(píng)估鋼中夾雜物的變化規(guī)律；研究目前工藝條件下，鋼中的夾雜物從LF進(jìn)站直到軋材整個(gè)過程夾雜物數(shù)量、成分、類型、大小以及在鋼中的分布情況，找到全流程中夾雜物控制存在的問題，實(shí)現(xiàn)最終軋材中單個(gè)夾雜物的最大尺寸≤60μm（客戶要求）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 精煉過程鋼中夾雜物變化情況

LF精煉過程夾雜物成分變化情況如圖1和圖2所示，LF精煉過程中夾雜物數(shù)密度以及夾雜物的尺寸降低顯著，夾雜物數(shù)密度由61個(gè)/mm2降低至21個(gè)/mm2，平均直徑由4.01μm降低至2.87 μm；夾雜物面積分?jǐn)?shù)由252.2×10-6降低至35.32×10-6，大尺寸夾雜物得到有效去除，LF出站時(shí)夾雜物最大尺寸控制在13 μm以下。在LF進(jìn)站時(shí)，鋼中夾雜物主要為Al2O3，Al2O3含量高于80%。在之后的LF精煉過程中，夾雜物中的平均CaO含量逐漸上升，主要是因?yàn)長(zhǎng)F冶煉過程加入石灰造渣所致；夾雜物中MgO含量也大幅度增加，分析主要是加入的高碳錳鐵等合金帶了Mg元素，另外LF升溫造渣過程，鋼包渣線部分耐材的熔損帶入Mg元素，最終導(dǎo)致夾雜物中MgO含量的增加。

與LF出站相比較，RH進(jìn)站時(shí)（真空循環(huán)2 min）夾雜物數(shù)量及大尺寸夾雜物有所增加。夾雜物中CaO含量有所增加，高達(dá)25%左右，見圖3。分析原因是，由于RH真空循環(huán)開始，鋼液與渣之間的反應(yīng)較劇烈。在RH處理結(jié)束夾雜物成分以Al2O3為主，MgO含量下降到5%以下。

RH精煉真空處理后夾雜物數(shù)密度及平均尺寸顯著降低。夾雜物數(shù)密度由30個(gè)/mm2降低至6個(gè)/mm2；夾雜物面積分?jǐn)?shù)由122.11×10-6降低至10.76×10-6，大尺寸夾雜物得到有效去除，RH破空前夾雜物最大尺寸控制在9.48 μm以下。

2.2 鑄坯及軋材中夾雜物變化情況

圖5至圖6分別為鑄坯及軋材中夾雜物成分分布情況。在鑄坯及軋材中夾雜物的主要成分為Al2O3-CaS-MgO夾雜物，CaO含量較低。軋材中，相較鑄坯而言，夾雜物中MgO、Al2O3和CaS含量有所增加，CaO含量有所降低。

鑄坯及軋材中大尺寸夾雜物主要為鈣鋁酸鹽。鈣鋁酸鹽在軋制過程容易被軋碎、延長(zhǎng)，需要控制鋼中大尺寸夾雜物的生成，尤其是大尺寸鈣鋁酸鹽的生成，最終實(shí)現(xiàn)軋材中單個(gè)夾雜物的最大尺寸≤60 μm。由圖6可見，在目前的生產(chǎn)工藝條件下，軋材中單個(gè)夾雜物的最大尺寸≤16 μm，滿足要求。

3 熱力學(xué)計(jì)算及改進(jìn)分析

3.1 鋼液凝固過程中夾雜物的析出轉(zhuǎn)變

表2為熱力學(xué)計(jì)算鋼液成分，計(jì)算溫度由1600 ℃降低到1000 ℃，步長(zhǎng)為20 ℃。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖7所示，在目前的鋼液成分條件下1600 ℃鋼液存在組成為Al2O3-CaO-MgO-TiO2的渣相，隨著溫度降低到1550 ℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO-Al2O3尖晶石相和2CaO-Ti2O3相。隨著溫度的進(jìn)一步降低TiN、CaS開始析出，同時(shí)出現(xiàn)CaO-2MgO-8Al2O3相直至鋼液完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。

為了方便進(jìn)一步分析凝固過程中氧化物夾雜物的析出轉(zhuǎn)變，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3-CaO-MgO-CaS四元并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖8所示。由圖可知最終鋼中殘留的氧化物夾雜物主要成分是Al2O3，含量約60%左右，較實(shí)際檢測(cè)平均成分低的原因是實(shí)際過程存在部分純Al2O3夾雜。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際鑄坯中的夾雜物成分（主要是Al2O3-CaS-MgO）相差較大。在現(xiàn)有鋼種成分條件下計(jì)算，鋼中夾雜物中CaO含量遠(yuǎn)低于實(shí)際鑄坯中夾雜物檢測(cè)的結(jié)果。分析是主要是實(shí)際生產(chǎn)中鋼中的Ca含量較高導(dǎo)致的。

3.2 鋼液Ca含量對(duì)夾雜物的影響

本鋼種在實(shí)際生產(chǎn)中加入Al脫氧劑和Ti鐵合金，同時(shí)軋材中檢測(cè)的大尺寸夾雜物主要成分是Al2O3-CaS（CaO）類夾雜物，因此計(jì)算了鋼液中Ca含量對(duì)鋼中氧化物夾雜物的影響如圖9所示。由圖可知當(dāng)鋼液中Ca含量小于2ppm時(shí)，鋼液中幾乎不存在含CaO夾雜物；隨著鋼液中Ca含量繼續(xù)增加開始出現(xiàn)液相Al2O3-CaO類復(fù)合夾雜物；鋼液中Ca含量繼續(xù)增加Al2O3-CaO類復(fù)合夾雜物開始降低而出現(xiàn)Al2O3和CaO液相；鋼液中Ca含量大于約24ppm時(shí)開始出現(xiàn)固體CaS夾雜物。因此為了降低鋼中Al2O3-CaS（CaO）類夾雜物的含量，鋼液中Ca含量應(yīng)控制在降低水平，需要控制合金中Ca含量，同時(shí)需要降低LF爐渣CaO含量。

4 結(jié)論

（1） LF精煉過程中，夾雜物數(shù)密度以及夾雜物的尺寸顯著降低，雜物中的CaO、MgO含量大幅度增加。MgO含量增加主要是加入的合金、耐材的熔損帶入Mg元素所致。

（2） RH精煉真空過程夾雜物數(shù)密度及尺寸顯著降低，在RH處理結(jié)束夾雜物成分以Al2O3為主，MgO含量下降到5%以下。

（3） 在鑄坯及軋材中夾雜物的主要成分為Al2O3-CaS-MgO夾雜物，CaO含量較低。軋材中，相較鑄坯而言，夾雜物中MgO、Al2O3和CaS含量有所增加，CaO含量有所降低。

（4） 根據(jù)鋼液熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼液中Ca含量過高會(huì)生成Al2O3·CaS（CaO）類夾雜物。為了降低鋼中Al2O3-CaS（CaO）類夾雜物的含量，應(yīng)降低鋼液中Ca含量，需要控制合金中Ca含量，同時(shí)需要降低LF爐渣CaO含量。

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