超低碳鋼中最大夾雜物尺寸預(yù)測方法

常桂華，張維維，趙成林，廖相巍，張寧

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，尤其是二次精煉和控制非金屬夾雜物等新技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了鋼的純凈度，降低了鋼中非金屬夾雜物的尺寸和含量。但由于鋼的冶煉過程受到脫氧、二次氧化、各種冶金爐渣或耐火材料等影響，鋼中仍可能存在大尺寸夾雜物，由于其發(fā)生率低很難檢測到，尤其是較大體積的鋼件更是如此［1］。

大尺寸夾雜物嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能，如鋼的延展性、疲勞性和成形性等［2］。大量的實驗結(jié)果表明，構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋首先在夾雜物或其它缺陷處萌生，且疲勞失效最可能發(fā)生在最大夾雜處。因此，預(yù)測鋼中最大尺寸夾雜物有助于預(yù)測鋼的力學(xué)性能和其在使用過程中的潛在危險，并且可以評估煉鋼過程。

鋼中夾雜物的檢測方法很多，如金相法、無損檢測法（超聲波檢測和X射線探傷等）、夾雜物聚集檢測方法（冷坩堝重熔和電子束重熔）和疲勞方法等［3］。但是，利用上述方法檢測鋼中最大尺寸夾雜物都有一定的難度。金相法和夾雜物聚集法只能檢測小體積試樣，無法實現(xiàn)大體積鋼件檢測；無損檢測方法可以對大體積鋼件進(jìn)行檢測，但很難檢測到尺寸小于100 μm的夾雜物；而直接用疲勞斷口表面確定夾雜物尺寸，雖準(zhǔn)確但耗時、成本高［1］。

本文采用極值分析法分析超低碳IF鋼中的夾雜物，預(yù)測其最大夾雜物尺寸，并與生產(chǎn)實際進(jìn)行了對比。

1 試驗鋼種和取樣方法

試驗所用鋼種是超低碳IF鋼，化學(xué)成分見表1。取樣位置在鑄坯內(nèi)弧1/4處及寬度1/4處，數(shù)量6個，金相試樣大小為15 mm×15 mm。

表1 鋼種化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2 夾雜物觀察方法

每個試樣經(jīng)水砂紙磨制后拋光、觀察，觀察后至少將材料去除0.3 mm，以產(chǎn)生一個新的觀察面，該過程重復(fù)3次，每個試樣觀察4個拋光面，每個試樣觀察的總面積為150 mm2。采用萊卡金相顯微鏡，在500倍下觀察的單個視場面積為0.18 mm2，應(yīng)檢驗總視場數(shù)為833個。本文對每個單獨的夾雜物測量其等效直徑作為粒度大小。

IF鋼鑄坯試樣夾雜物的形態(tài)主要有球形或近似球形、鏈狀、簇狀3種類型，見圖1。3種形態(tài)夾雜物的等效直徑均以圖中所示的最大卡規(guī)直徑L來計算。

在掃描電鏡下對觀察到的夾雜物進(jìn)行成分分析。各類夾雜物中元素百分含量見表2。由表2可以看出，鋼中夾雜物成分主要為Al、Ca、Mg的氧化物，有的含有少量的S，或單獨的Al的氧化物，夾雜物成分與形態(tài)沒有特定關(guān)系。

表2 各類夾雜物中元素百分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 最大夾雜物尺寸的預(yù)測

極值法已被應(yīng)用于材料研究的許多領(lǐng)域，例如估算材料表面腐蝕坑深度，凝固合金顯微結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)最大偏析度以及合金再結(jié)晶過程中的晶粒尺寸等。Mrakami首先利用該方法評估鋼中最大夾雜物的尺寸［1］，最大夾雜物尺寸的計算公式如下：

式中，x為夾雜物最大等效直徑；T為重現(xiàn)期，一般取1 000； δML、λML分別為最大似然法估計得到的極值分布方程的比例參數(shù)和位置參數(shù)。

最大似然函數(shù)方法被證明為最有效的估計方法，其誤差最小。該方法基于一種途徑，即參數(shù)δML和λML的最佳值是獲得的系列夾雜物長度測量值的可能最大化估計值。對似然函數(shù)的概率密度方程取對數(shù)易于實現(xiàn)極大化過程，得到方程如下：

式中，LL 為 ln（f（xi，δ，λ））的和的極大值；xi為按夾雜物尺寸由小到大順序排列的第i個最大夾雜物粒度。通過數(shù)據(jù)表或計算機(jī)分析程序得到LL的最大值，其所對應(yīng)的δ和λ即為δML和λML。

極值法分析鋼中夾雜物是基于金相觀察測定的夾雜物實際最大尺寸，推測出鋼中可能存在的最大夾雜物尺寸，是一個極值理論給出的預(yù)測值，而非實際測定值。由于金相觀察不可能進(jìn)行全鑄坯的檢驗，所以該方法可以在大的鑄坯體積內(nèi)有效評價鋼中可能存在的最大夾雜物水平。

以1#鑄坯的極值分析為例，給出其分析的結(jié)果。表2是金相顯微鏡測量的6個試樣共24個拋光面上的最大夾雜物粒度，試樣號為1～6，第一、二、三、四次磨制的拋光面分別為A、B、C、D。

計算過程中最佳擬和線方程設(shè)為：

表2 1#鑄坯最大夾雜物粒度 μm

4 結(jié)果分析及討論

超低碳鋼中大尺寸夾雜物含量與鋼的表面質(zhì)量密切相關(guān)，一直以來，人們習(xí)慣通過測量中包鋼水全氧數(shù)值評價鋼水潔凈度，但全氧代表鋼中所有夾雜物的總量，無法判定夾雜物的尺寸分布，而影響超低碳鋼表面質(zhì)量的往往是大尺寸夾雜物，因此，有可能出現(xiàn)鑄坯全氧很低，但由于存在大顆粒夾雜物導(dǎo)致冷軋后鋼板表面出現(xiàn)裂紋。另外，即使是同一澆次生產(chǎn)的超低碳鋼，由于連鑄過程中的拉速變化、液面波動變化等也會影響鑄坯中夾雜物的含量。

利用本文介紹的最大夾雜物預(yù)測方法，對鞍鋼煉鋼總廠兩條超低碳鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)的超低碳鋼鑄坯進(jìn)行最大夾雜物預(yù)測，同時根據(jù)不同的生產(chǎn)狀態(tài)將連鑄坯分為不同等級，具體為：澆次的頭坯為Ⅰ級、未按標(biāo)準(zhǔn)升降速時的鑄坯為Ⅱ級、尾坯和過渡坯為Ⅲ級、穩(wěn)定澆注狀態(tài)下液面波動小于5 mm時的為Ⅳ級。評價的標(biāo)準(zhǔn)還涉及連鑄過程中間包和結(jié)晶器的工作狀態(tài)等多種情況。具體結(jié)果如表3，表中進(jìn)行金相觀察的試樣均取自鑄坯內(nèi)弧側(cè)厚度1/4處。

表3 鑄坯最大夾雜物粒度分析結(jié)果

由表3看出，1#生產(chǎn)線鑄坯最大夾雜尺寸明顯小于2#生產(chǎn)線，這與兩條生產(chǎn)線的設(shè)備、工藝水平相一致，也與夾雜缺陷率水平一致。以此為依據(jù)，確定兩條生產(chǎn)線產(chǎn)生冷軋夾雜缺陷率的臨界夾雜物尺寸為500 μm，對超過臨界夾雜尺寸的鑄坯進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，如降低鋼包頂渣氧化性，使渣中FeO+MnO控制在12%以下；減少精煉過程吹氧升溫，精煉結(jié)束后鋼水靜置時間大于30 min；連鑄過程中避免拉速急降。采取這些措施后，超低碳鋼冷軋夾雜缺陷率從0.30%降至0.05%。

5 結(jié)論

利用極值分析法對鞍鋼煉鋼總廠兩條超低碳鋼生產(chǎn)線的超低碳鋼鑄坯進(jìn)行了最大夾雜物尺寸的預(yù)測，結(jié)果與生產(chǎn)實際中的鑄坯水平相符合，證明該方法準(zhǔn)確度高。據(jù)此確定了兩條生產(chǎn)線產(chǎn)生冷軋夾雜缺陷率的臨界夾雜物尺寸。

［1］ 張繼明,張建鋒,楊振國，等.高強(qiáng)鋼中最大夾雜物的尺寸預(yù)測與疲勞強(qiáng)度預(yù)測［J］.金屬學(xué)報,2004,40（8）:846-850.

［2］ 唐復(fù)平,栗紅.應(yīng)用極值統(tǒng)計法推算鋼中最大夾雜物尺寸［J］.冶金分析,2007,27（9）:17-21.

［3］ Kanehiro Ogawa.Melting of Clean Maraging Steel by Vacuum Induction Method［J］.Kobe Steel Report,1989,39（1）:73-76.