渣洗工藝對低碳鈦微合金鋼潔凈度及性能的影響

王博　李書恒　王杏娟　朱立光　黃偉麗　牛躍威

關鍵詞：渣洗;顯微夾雜物;潔凈度;力學性能;微合金鋼

0 引言

低碳微合金鋼以其優(yōu)異的力學性能，主要應用于運輸、橋梁、建筑、管道等行業(yè)。特別是工程結構用鋼方面，低碳微合金鋼因具有強度高、塑性好、使用靈活等特點得到了建筑行業(yè)的廣泛認可。國內外對低碳微合金鋼的相關研究較多，普遍在低合金鋼的基礎上添加Nb、V、Ti等合金元素并運用控軋控冷技術使其獲得優(yōu)異的綜合力學性能，同時在冶煉過程中大部分采用了LF、RH等爐外精煉的方式獲得更優(yōu)質、高潔凈度的鋼材。

隨著市場競爭的激烈及客戶對鋼材品質的要求，低成本生產(chǎn)高品質用鋼已成為國內外鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。由于LF精煉處理需要消耗大量人力及物料，生產(chǎn)成本相對較高，同時LF精煉處理也不能夠滿足高效、快速生產(chǎn)的要求。因此，開發(fā)出一種高效、低成本生產(chǎn)高品質鋼的冶煉方法顯得尤為重要。

大量研究表明，渣洗工藝可以極大程度地提升出鋼過程的脫氧效率、去除夾雜物，特別是能夠有效降低鋼中硫元素含量，從而達到提升鋼材潔凈度及韌性的作用。渣洗工藝的實施能有效降低鋼液的硫含量，脫硫效率能達到30 %～50 %。因此，對于一些沒有精煉設備的中小企業(yè)采用渣洗工藝生產(chǎn)既可以縮短冶煉周期，節(jié)約成本，又可以改善鋼材潔凈度，提升產(chǎn)品品質。

某廠生產(chǎn)的DL350低碳鈦微合金冷軋結構鋼，原生產(chǎn)工藝為“轉爐→吹氬→連鑄”，生產(chǎn)初期產(chǎn)品夾雜物含量較高且冷軋斷后伸長率較低，不能滿足客戶要求。通過采用“渣洗+吹氬”的方式，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提升了生產(chǎn)效率。研究表明，采用新工藝后產(chǎn)品潔凈度及性能明顯改善。

1 試驗方法

在某廠120 t轉爐進行渣洗對比試驗，試驗用鋼DL350成分如表1所示。生產(chǎn)工藝為：“轉爐→渣洗+吹氬→連鑄”，其渣洗工藝操作要點如下：1）出鋼溫度。溫度越高對渣洗脫S越有利，但較高的溫度會使轉爐爐襯侵蝕嚴重，從而降低爐齡，因此渣洗出鋼溫度制定為1 650～1 680 ℃；2）渣洗料加入量及加入時機。理論上，渣洗料加入量越多對脫S越有利，但渣洗料加入過多短時間內在轉爐出鋼過程中難以完全熔化，因此加入量以剛好完全熔化為最佳。通過綜合考慮現(xiàn)場冶煉條件及前期試驗，渣洗料加入量在900～1 000 kg為宜，在出鋼量1/4加入鋁錠、鋁塊及適量硅錳合金，隨后加入渣洗料；3）爐渣FeO含量。渣洗工藝鋼包渣中FeO含量越低，則對脫S反應越為有利，試驗采用擋渣帽配合擋渣錐聯(lián)合擋渣，同時配有下渣自動檢測系統(tǒng)，嚴格控制下渣量，降低FeO含量；4）底吹氬流量。出鋼過程控制底吹氬氣流量，確保合金及頂渣熔化且液面裸露不大。表2為預熔性渣洗料成分。

試驗過程分別對采用渣洗工藝及未采用渣洗工藝鋼水、鑄坯及軋材取樣，分析渣洗工藝對鋼材潔凈度及性能影響。

2 試驗結果

2.1 氧、氮含量變化

鋼中的氧含量反映了鋼的潔凈程度，同時也可以側面反映出生產(chǎn)過程中是否存在二次氧化現(xiàn)象。因此，取生產(chǎn)過程中吹氬前、后餅樣進行分析。圖1為未渣洗與渣洗生產(chǎn)工藝下吹氬前、后氧、氮含量變化情況?？梢钥闯觯丛翠撘好撗鹾體（T.O）=56×10-6，其鋼水氧含量在合理范圍內，吹氬后w（T.O）=36×10-6，較吹氬前降低了35.7 %，吹氬前后N含量變化不大。渣洗工藝鋼液脫氧后w（T.O）=50×10-6，吹氬后w（T.O）=28×10-6，較吹氬前降低了44.0%，氧含量大幅度下降。通過對比未渣洗與渣洗工藝氧、氮含量可以發(fā)現(xiàn)，采用渣洗工藝鋼液中的氧、氮含量均有明顯下降，說明渣洗工藝對鋼液脫氧及夾雜物去除有明顯效果。

2.2 潔凈度分析

分別對未渣洗與渣洗工藝條件下過程及鑄坯分析顯微夾雜物含量，研究渣洗工藝對鋼液潔凈度的影響。采用自動磨樣機對所有金相試樣進行粗磨、細磨和拋光，采用德國卡爾蔡司公司的JENAVERT顯微鏡對各試樣進行觀察和定量分析。分別取冶煉過程吹Ar前后餅樣及鑄坯內弧不同位置（表層、1/4、中心）金相試樣，圖2為鑄坯取樣位置示意圖。

每個金相試樣在400倍視場下連續(xù)觀察100個視場，統(tǒng)計每個視場夾雜物的數(shù)量、形貌、尺寸。為了分析顯微夾雜物粒度分布，根據(jù)其影響程度分級，即將夾雜物按尺寸分為（0，5]、（5，10]、（10，15]、（15，20] μm四級，采用直線法進行統(tǒng)計。根據(jù)統(tǒng)計結果分析顯微夾雜物數(shù)量，采用單位面積內夾雜物的當量個數(shù)（粒度7.5 μm）來表征夾雜物數(shù)量密度，夾雜物當量個數(shù)的統(tǒng)計公式如下：

式中：I為單位面積上相當于當量直徑B的夾雜的數(shù)量，個/mm2；B為夾雜當量直徑，本計算中B=7.5 μm； Si為不同級別夾雜（平均直徑分別為2.5、7.5、12.5、17.5 μm）的平均面積，mm2；ni為各級夾雜個數(shù)；F為視域面積，400倍時為310 μm×235 μm； N為視場數(shù)，本計算中為100個。

因此，顯微夾雜物數(shù)量密度I為單位面積上當量直徑為7.5 μm的夾雜物的個數(shù)。

圖3為未渣洗與渣洗工藝條件下吹氬前后鋼中顯微夾雜物數(shù)量情況。未渣洗吹氬前鋼中顯微夾雜物為89個/mm2，吹氬后顯微夾雜物為65個/mm2，夾雜物數(shù)量密度減少約27 %，說明吹氬對夾雜物去除有明顯效果，但整體含量較高；而渣洗工藝下吹氬前鋼中顯微夾雜物為20個/mm2，吹氬后顯微夾雜物為16個/mm2，夾雜物數(shù)量密度減少約20%。通過對比未渣洗與渣洗工藝吹氬前后顯微夾雜物含量變化可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)渣洗工藝處理后的鋼液顯微夾雜物含量明顯降低，潔凈度明顯提升。

圖4為未渣洗與渣洗工藝條件下鑄坯不同位置（表層、1/4、中心）顯微夾雜物統(tǒng)計情況。可以看出，鑄坯不同位置顯微夾雜物含量略有區(qū)別，但相差不大，夾雜物含量較吹氬前后明顯降低，說明中間包冶煉對夾雜物去除有一定幫助。未渣洗工藝鑄坯顯微夾雜物平均數(shù)量密度為21.3個/mm2，渣洗工藝鑄坯中平均顯微夾雜物數(shù)量密度為15.7個/mm2，說明渣洗工藝對鑄坯潔凈度提升改善明顯。

2.3 夾雜物類型統(tǒng)計

分別對未渣洗及渣洗工藝條件下鑄坯顯微夾雜物類型進行分析統(tǒng)計。圖5為未渣洗工藝鑄坯中主要夾雜物形貌及能譜。通過統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，未渣洗工藝鑄坯中顯微夾雜物主要為MnS、TiN、MnS-TiN及Al2O3及其的復合夾雜物。其中MnS夾雜物數(shù)量約占所統(tǒng)計夾雜物總量的50 %，形狀呈球形和條狀，尺寸在2～8 μm； TiN夾雜物數(shù)量約占統(tǒng)計夾雜物總量的20 %，形狀呈三角形和矩形，尺寸在3～5 μm； MnS-TiN復合夾雜物數(shù)量約占統(tǒng)計夾雜物總量的20 %，形狀多為球形，尺寸在2～10 μm； 另外還存在一定量的Al2O3及其復合夾雜物，數(shù)量約占10 %，形狀為球形和一些不規(guī)則形狀，尺寸在3～8 μm。

圖6為渣洗工藝條件下鑄坯中主要顯微夾雜物形貌及能譜。通過統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)渣洗工藝處理的鑄坯夾雜物主要為MnS、TiN、MnS-TiN及少量的Al2O3，其中MnS夾雜物數(shù)量約占所統(tǒng)計夾雜物總量的40 %，形狀呈球形和條狀，尺寸在2～5 μm； TiN夾雜物數(shù)量約占統(tǒng)計夾雜物總量的20 %，形狀呈三角形和矩形，尺寸在2～4 μm； MnS-TiN復合夾雜物含量數(shù)量約占統(tǒng)計夾雜物總量的25 %，形狀多為球形，尺寸在3～8 μm； Al2O3及其復合夾雜物數(shù)量約占5 %，為不規(guī)則形狀，尺寸在3～8 μm。與未渣洗工藝相比，主要夾雜物成分、類別與未渣洗鑄坯變化不大，但夾雜物尺寸整體有所減小。

表3為未渣洗與渣洗工藝條件下試樣組織及夾雜物評級情況?？梢钥闯觯丛磁c渣洗工藝下熱軋組織主要為F+P，晶粒度在10.5～11級，但未渣洗試樣夾雜物評級較高，A類夾雜物在2.0～2.5級，B類夾雜物在1.5～2.0級，而采用渣洗工藝后，夾雜物評級明顯降低，A類夾雜物降低到1.0～1.5級，B類夾雜物降低到0.5～1.0級，夾雜物含量的降低也為后續(xù)產(chǎn)品性能提升打下基礎。

2.4 性能檢測

分別對未渣洗與渣洗工藝試樣進行力學性能檢測及拉伸試驗。表4為熱軋板材力學性能檢測結果。未渣洗試樣屈服強度在433～476 MPa， 抗拉強度520～532 MPa， 符合產(chǎn)品設計強度要求，但斷后伸長率較低，在26.0 %～28.0 %。渣洗試樣屈服強度在434～460 MPa， 抗拉強度487～522 MPa， 與未渣洗試樣相比變化不大，但斷后伸長率明顯提高，達到29.0 %～31.0 %。

表5為未渣洗與渣洗工藝試樣冷軋產(chǎn)品力學性能檢測結果。冷軋產(chǎn)品性能要求屈服強度不低于335 MPa， 抗拉強度不低于440 MPa， 斷后伸長率不小于18 %。未渣洗試樣厚度1.0 mm， 屈服強度398～410 MPa， 抗拉強度441～458 MPa， 斷后伸長率15 %～16 %，力學性能滿足指標，但斷后伸長率不合格。渣洗工藝試樣厚度1.0 mm、1.2 mm， 屈服強度401～413 MPa， 抗拉強度461～489 MPa， 斷后伸長率19 %～20 %，滿足了產(chǎn)品對斷后伸長率的要求。

3 結 論

1）通過對比未渣洗與渣洗工藝吹氬前后鋼液氧、氮含量可以發(fā)現(xiàn)，未渣洗鋼液吹氬后w（T.O）=36×10-6，渣洗鋼液吹氬后w（T.O）= 28×10-6，w（T.O）下降了22.2%，說明渣洗工藝對鋼液脫氧及夾雜物去除有明顯效果。

2）對未渣洗與渣洗工藝過程及鑄坯不同位置顯微夾雜物分析可以發(fā)現(xiàn)，吹氬前后顯微夾雜物數(shù)量密度降低明顯，未渣洗吹氬后顯微夾雜物65個/mm2，渣洗吹氬后顯微夾雜物16個/mm2；未渣洗鑄坯顯微夾雜物數(shù)量密度為21.3個/mm2，渣洗工藝鑄坯中平均顯微夾雜物數(shù)量密度為15.7個/mm2，說明渣洗工藝對鑄坯潔凈度提升改善明顯。

3）對鋼中夾雜物類型進行分析可以發(fā)現(xiàn)，未渣洗試樣夾雜物評級較高，A類夾雜物在2.0～2.5，個別試樣還出現(xiàn)了較大的B類夾雜物，而采用渣洗工藝后，夾雜物評級明顯降低，A類夾雜物降低到1.0～1.5，B類夾雜物降低到0.5～1.0。

4）對熱軋、冷軋產(chǎn)品力學性能分析發(fā)現(xiàn)，未渣洗工藝熱軋板材斷后伸長率26.0 %～28.0 %，通過渣洗后試樣斷后伸長率達到了29.0 %～31.0 %，未渣洗冷軋產(chǎn)品斷后伸長率15 %～16 %，渣洗工藝試樣斷后伸長率19 %～20 %，伸長率提升明顯，但強度整體變化不大，滿足客戶使用要求。

本文摘自《煉鋼》2023年第6期