?600 mm圓坯中夾雜物的分布規(guī)律研究

郭俊波，沈 昶，陸 強，楊 崢，王 猛(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心；2.軌道交通關鍵零部件安徽省技術創(chuàng)新中心 安徽馬鞍山 243000)

風電、工程機械等重型制造行業(yè)的迅速發(fā)展對圓坯截面尺寸的要求不斷變大，對大斷面圓坯的使用量不斷增多。同時，與模鑄鑄錠工藝相比，大斷面連鑄圓坯具有能耗低、成本低以及環(huán)保的優(yōu)勢[1]，因此，大斷面圓坯連鑄技術得到了長足發(fā)展。近年來，國內諸多鋼鐵企業(yè)，如興澄、馬鋼、大冶特鋼、永鋼、淮鋼等先后投產了多條先進的大斷面圓坯生產線。

在大斷面圓坯連鑄過程中，由于圓坯尺寸較大、拉速較低，凝固過程相對緩慢，先凝固部分與后凝固部分的凝固組織、偏析狀態(tài)以及夾雜物分布等有較大區(qū)別，從而導致鑄坯不同部位對應的產品性能不均勻。目前，相關研究人員對大斷面圓坯凝固過程中的流場、傳熱行為等凝固行為進行了研究[1]-[4]，但對夾雜物的分布特征等還未進行系統(tǒng)研究。本實驗對某廠生產的中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼?600 mm連鑄圓坯進行了解剖分析，對鑄坯不同位置處的夾雜物分布規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，從而為鑄坯不同位置的夾雜物控制提供研究基礎。

1 研究方法

某廠生產的中碳鋁鎮(zhèn)靜鋼?600 mm連鑄圓坯的工藝流程為：電弧爐(EAF)冶煉→LF精煉→RH真空處理→圓坯連鑄，其化學成分控制見表1。在出鋼過程中加鋁鐵、硅錳合金進行脫氧合金化；LF爐精煉采用高堿度強還原性渣系進行脫氧、脫硫操作，并完成成分和溫度的調整任務；RH精煉真空處理時間保持在20 min左右，破空后進行軟吹操作；連鑄機為5流弧形圓坯連鑄機，澆注全程進行嚴格保護澆鑄，過熱度控制在20℃-40℃之間。該連鑄機主要工藝參數(shù)見表2。

表1 實驗用鋼主要化學成分(質量分數(shù))

表2 ?600 mm大圓坯連鑄機的主要工藝參數(shù)

按照圖1的示意圖在?600 mm的圓坯橫截面上沿直徑方向分別鉆取金相樣。其中，金相試樣的尺寸為?20 mm，金相樣之間的距離為30 mm。將金相試樣進行磨樣、剖光后，采用ASPEX分析儀對金相試樣中尺寸>1μm的夾雜物進行檢測，檢測面積均為166 mm2。

圖1 鑄坯取樣示意圖

2 結果與分析

2.1 夾雜物形貌與組成

ASPEX分析結果表明鑄坯中的夾雜物主要有硫化物夾雜、氧化物和硫化物組成的復合夾雜物、CaO-Al2O3-MgO系的氧化物夾雜三類(見圖2和表3)。其中，前兩類夾雜物數(shù)量較多。硫化物是鋼水凝固過程中隨著溫度下降而析出的，主要為MnS夾雜，其比例約在95%以上，其余為MnS和CaS的復合物。MnS形狀主要為球狀和長條狀，尺寸主要分布在1 μm-10 μm之間，存在少量30μm以上的長條狀夾雜，最大可達到63μm。隨著從鑄坯中心向邊部移動，硫化物夾雜的數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢(見圖3)。

圖2 鑄坯中的夾雜物形貌

表3 鑄坯中夾雜物組成(質量分數(shù))

圖3 鑄坯不同位置處夾雜物的數(shù)量變化情況

氧化物和硫化物組成的復合夾雜物根據(jù)其形貌和成分特征將其分為MnS和氧化物的復合夾雜物(即MnS-Oxide)以及CaS和氧化物的復合夾雜物(即CaS-Oxide)。其中，MnS-Oxide夾雜呈現(xiàn)“軟包硬”的包裹狀，軟層為MnS，中間部分為Al2O3為主的氧化物夾雜。CaS-Oxide則呈現(xiàn)鑲嵌類，即CaS和氧化物夾雜鑲嵌混合在一起。在數(shù)量分布上，隨著從鑄坯中心向邊部移動呈現(xiàn)增加的趨勢。

CaO-Al2O3-MgO系的氧化物夾雜則是鋼中未完全排除的脫氧產物，其成分與脫氧工藝緊密相關。其中，CaO和Al2O3的成分在90%以上，含有少量的MgO。其形態(tài)主要為球狀，尺寸大小主要分布在1 μm-17 μm之間，1 μm-10 μm的比例占80%以上。其數(shù)量隨著向鑄坯邊部移動呈減少的趨勢，但在邊部達到最大值。

2.2 大尺寸夾雜物的數(shù)量

由于大尺寸夾雜物對鋼材性能的影響較大，因此重點分析了尺寸>10 μm的大尺寸夾雜物的特征。

2.2.1 氧化物夾雜物

由圖4可以看出，隨著從鑄坯邊部向鑄坯中心擴展，大顆粒夾雜物呈現(xiàn)增加趨勢，在中心部位劇烈增加，達到最大值，這主要是由于大斷面鑄坯凝固過程中鑄坯中心區(qū)域的冷卻速率較慢所致。

圖4 鑄坯不同位置大顆粒氧化物夾雜的數(shù)量變化情況

針對某一單顆粒的氧化物夾雜，其在鋼液凝固過程中是不斷碰撞長大、上浮去除、在凝固前沿被鋼液捕捉或被推動的過程。由于大斷面鑄坯中心區(qū)域鋼液的凝固速率低于氧化物夾雜在凝固前沿捕捉/推動的臨界凝固速率，因此鋼液凝固過程中氧化物夾雜被凝固前沿不斷向中心部位未熔化的鋼液中推動，直至在中心部位聚集，數(shù)量達到最大值。在鑄坯1/2R處大顆粒夾雜物的數(shù)量達到較高值，這是由于此處為柱狀晶和等軸晶組成的的混合區(qū)，枝晶較為混亂，有很多突出的枝晶，很容易捕捉到大尺寸夾雜物[5]。為進一步研究氧化物夾雜在鑄坯上的尺寸分布情況，分析了不同位置處夾雜物的平均尺寸，見圖5。

圖5 鑄坯不同位置大顆粒氧化物夾雜物平均尺寸變化

從鑄坯邊部到中心，大顆粒夾雜物的平均尺寸呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢，其中在鑄坯1/2R處達到最大值。在鑄坯邊部，由于冷卻梯度較大，因此主要為小尺寸夾雜物。隨著凝固進行，此時的組織轉變?yōu)橹旅苤鶢罹В瑠A雜物主要以被向中心區(qū)域未熔化的鋼液推動為主，因此夾雜物碰撞、長大的機會增大，尺寸不斷增加。在鑄坯1/2R處的混晶區(qū)，大顆粒夾雜物被枝晶大量捕捉，其尺寸達到最大值。隨著繼續(xù)向中心擴展，沒有被捕捉的較小夾雜物繼續(xù)被推動、碰撞長大，夾雜物尺寸逐漸增大。因此，對于氧化物夾雜，鑄坯1/2R處的混晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)域是控制的重點。

2.2.2 硫化物夾雜

大尺寸硫化物主要為MnS夾雜，其數(shù)量變化情況見圖6。

圖6 硫化物夾雜物的數(shù)量變化情況

在距離鑄坯邊部100 mm的區(qū)域內大尺寸MnS夾雜物的數(shù)量較少，主要是由于此時為致密的柱狀晶區(qū)，冷卻梯度較大，冷卻速率高，析出的主要為小尺寸的MnS夾雜物。在鑄坯1/2R處的混晶區(qū)，枝晶間的疏松較柱狀晶區(qū)嚴重，MnS夾雜物在晶界疏松處析出空間大，有利于生成大尺寸的MnS夾雜物，因此其數(shù)量劇增。隨著繼續(xù)向鑄坯中心擴展，冷卻速率慢且時間長，MnS夾雜物在凝固末期開始大量析出，并伴隨長大，因此在中心部位達到最高值，同時存在部分長條狀的MnS沿晶界析出，最大尺寸可達63μm。

2.2.3 硫化物與氧化物的復合夾雜物

硫化物與氧化物組成的復合夾雜物是鋼液中的脫氧產物與凝固過程中不斷析出的硫化物復合而成，因此其數(shù)量分布與氧化物夾雜、硫化物夾雜的析出行為緊密相關。在距離邊部100mm的區(qū)域內，由于硫化物的析出量小，因此硫化物與氧化物的復合夾雜物的數(shù)量較少。在鑄坯1/2R處，氧化物夾雜物的數(shù)量較多，硫化物的析出量增加，因此復合夾雜物的數(shù)量達到最大值。隨著向鑄坯中心擴展，其數(shù)量稍微下降后又升高，在鑄坯中心達到較高值。

圖7 硫化物與氧化物的復合夾雜物

3 結論

?600mm的圓坯的夾雜物主要為硫化物夾雜、氧化物和硫化物組成的復合夾雜物、CaO-Al2O3-MgO系的氧化物夾雜。

隨著從鑄坯中心向邊部擴展，硫化物、氧化物和硫化物組成的復合夾雜物的數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢。氧化物夾雜呈現(xiàn)減少的趨勢，但在鑄坯邊部劇烈增加，達到最大值。

隨著鑄坯從邊部到中心擴展，大尺寸氧化物和硫化物夾雜物的數(shù)量均呈現(xiàn)增加的趨勢，在鑄坯1/2R處達到較大值，在中心部位達到最大值；氧化物和硫化物組成的復合物夾雜呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢，在鑄坯1/2R處達到最大值。碳含量和夾雜物的分布特征與鑄坯的凝固組織有重要關系，生產中應重點關注大斷面圓坯的混晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)域。