輪輞用鋼B類非金屬夾雜物控制研究

富曉航，溫 瀚，賈劉兵，魏延根，梁晉嘉

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

在汽車行駛的過程中，車輪需要同時承受整車重量以及各種動載產(chǎn)生的應(yīng)力，因此，車輪質(zhì)量對整車性能的影響至關(guān)重要。為順應(yīng)節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展趨勢，汽車企業(yè)越來越重視車輪輕量化研究，這對車輪用鋼的各項性能提出了更高的要求。丁韋[1]等研究了閃光對焊過程中大尺寸非金屬夾雜物會導(dǎo)致焊接接頭塑性下降，出現(xiàn)微裂紋。徐永先[2]等研究了鋼水純凈度對焊縫裂紋敏感性的影響。趙鳳曉[3]等研究了疲勞裂紋均是從內(nèi)部或者亞表面的夾雜物處產(chǎn)生，說明大尺寸非金屬夾雜物會嚴(yán)重降低車輪整體疲勞性能。

目前某鋼廠生產(chǎn)的高強輪輞用鋼偶爾會出現(xiàn)以B類夾雜為主的非金屬夾雜物超標(biāo)的情況，導(dǎo)致材料降級，影響整體制造成本的同時，對成品車輪的的疲勞性能也有一定影響。

1 原因分析

該系列鋼種的煉鋼流程為KR脫硫→BOF→LF精煉 →RH真空處理→連鑄，產(chǎn)出板坯寬度在1000mm~2000mm之間，熱軋工藝流程為步進式加熱爐→可逆式粗軋機→7機架精軋機→地下卷取機，最終軋制成2mm~8mm厚度的輪輞用鋼。對該鋼廠熱軋輪輞用鋼B類非金屬夾雜物超標(biāo)的樣品進行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖1。

圖1 B類夾雜形貌及成分

累計分析30余個樣品，結(jié)合面掃描結(jié)果，參考尹安遠(yuǎn)[4]等研究的鋼中非金屬夾雜物的鑒定方法，并根據(jù)夾雜物Al、Ca含量計算夾雜物實際化學(xué)成分，參考CaO-A12O3二元系相圖，發(fā)現(xiàn)B類夾雜不合樣品夾雜物化學(xué)成分大部分為12CaO·7Al2O3等低熔點鈣鋁酸鹽。12CaO·7Al2O3系列鈣鋁酸鹽夾雜物熔點較低，大約在1440℃左右。分析認(rèn)為，尺寸較大的低熔點鈣鋁酸鹽在冶煉過程中沒有完全去除是導(dǎo)致B類夾雜不合的主要原因。

2 試驗

高熔點Al2O3在澆鑄過程中容易在水口處聚集引起堵塞，現(xiàn)階段采取的措施是通過鈣處理使Al2O3變性為鈣鋁酸鹽，使夾雜物在鋼水中呈液態(tài)，不在水口處聚集，從而保證澆鑄順利進行。鄧志銀[5]等研究了夾雜物的去除效率與夾雜物固相比例密切之間的關(guān)系。根據(jù)其研究結(jié)果，呈現(xiàn)液態(tài)的鋼液中夾雜物比較容易被浸潤，在鋼液與鋼渣界面被阻隔，停留的時間相對長，沒有足夠的時間穿過鋼渣界面便又被流動的鋼液從鋼渣界面帶回到鋼液中，導(dǎo)致液態(tài)的夾雜物比較難被去除。而對于呈固態(tài)的夾雜物，其在鋼渣界面停留的時間非常短暫，受流動的鋼液慣性影響，能夠比較快的穿過鋼渣界面進入到鋼渣層，從而被去除。

2.1 試驗方案

基于分析，非金屬夾雜物固態(tài)比液態(tài)更容易在精煉過程中被去除。另外，固態(tài)夾雜物硬度較高，在后續(xù)軋制過程中不易變形，在保證大尺寸固態(tài)夾雜物去除效果和可澆鑄性的前提下，適當(dāng)提高夾雜物熔點可以顯著提高夾雜物控制水平。據(jù)此制定改善方案：

（1）降低Ca含量：目前該鋼種在RH破空后采用喂鈣線的方式對鋼液進行鈣處理，平均Ca含量在20ppm左右。設(shè)計降低Ca含量降低至10ppm左右，減少鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜物中CaO比例，隨著夾雜物中Al2O3含量的增加，夾雜物熔點不斷升高，更有利于夾雜物去除。

（2）調(diào)整LF爐脫S模式：該鋼種在LF爐冶煉過程中按照深脫S模式控制，目前平均S含量在15ppm左右。設(shè)計調(diào)整LF爐脫S模式為低硫模式，主要目的是利用少量的S和Ca結(jié)合產(chǎn)生CaS夾雜物，可以適當(dāng)減少低熔點鈣鋁酸鹽的產(chǎn)生，提高復(fù)合夾雜物熔點，唐德池[6]等也研究了鈣鋁酸鹽外包裹硫化物的復(fù)合夾雜物在軋制過程中不易變形，可以降低夾雜物軋制過程中的變形量。

2.2 試驗過程

共計冶煉10爐板坯，通過減少喂鈣線長度及降低LF爐脫硫時間控制成品Ca、S含量。實際4爐平均S含量29ppm，Ca含量11ppm，基本達(dá)到預(yù)期。整體冶煉及澆鑄過程控制穩(wěn)定，澆鑄曲線平穩(wěn)，無明顯棒位上漲，澆鑄結(jié)束后水口正常，未見明顯結(jié)瘤。

圖2 澆鑄曲線及停澆后水口

2.3 試驗樣品分析

試驗爐次共計軋制52卷。取不同爐次10塊樣品進行掃描電鏡分析，平均夾雜物化學(xué)成分見表1。

表1 平均夾雜物成分

根據(jù)能譜分析結(jié)果，B類非金屬夾雜物鈣鋁比在0.48左右，參考CaO-AL2O3二元系相圖判斷該夾雜物為CA+CA2+少量CaS，說明通過上述措施的實施，夾雜物熔點比前期有一定提高。取不同爐次10塊樣品進行金相分析，各類非金屬夾雜物控制情況見表2。

表2 試驗爐次夾雜物檢驗結(jié)果

金相結(jié)果顯示，A類夾雜全部為0級，說明微調(diào)S含量并未引起硫化物夾雜明顯提高。D、DS類夾雜均控制在1.0級以內(nèi)，B類夾雜全部控制在1.0級以下，說明大尺寸高熔點、高硬度夾雜物去除效果良好。

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用該方案批量生產(chǎn)64爐，生產(chǎn)過程中均無明顯棒位上漲，澆鑄結(jié)束后水口正常，未見明顯結(jié)瘤。對比前期夾雜物檢驗合格率平均合格率95.33%，改善后合格率平均98.8%，效果顯著。

4 結(jié)論

考慮到大尺寸夾雜物對輪輞用鋼焊接性能的影響，對輪輞用鋼B類非金屬夾雜物超標(biāo)問題開展全流程分析研究。輪輞用鋼B類非金屬夾雜物不合主要原因為12CaO·7Al2O3等低熔點鈣鋁酸鹽夾雜物在冶煉過程中不易去除導(dǎo)致。一方面采取措施在冶煉過程中降低鋼液中的Ca含量，另一方面優(yōu)化LF爐精煉脫S工藝。調(diào)整后提高了鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜物熔點，使其更易去除。據(jù)此調(diào)整后，B類非金屬夾雜物檢驗合格率明顯提升。