美国IH2SP ARCELORMITTAL公司管线钢中由夹杂氧化物引起的裂缝的减少.doc

美国IH2SP ARCELORMITTAL公司管线钢中由夹杂氧化物引起的裂缝的减少
Hongbin Yin – ArcelorMittal Global R&D - East Chicago, USA
Rick Besich – No.2 Steel Producing, ArcelorMittal USA Indiana Harbor
Floyd Demmon – Quality Assurance, ArcelorMittal USA Indiana Harbor
Ella Shale – Customer Technical Service, ArcelorMittal USA Flat Carbon
Robert Kittridge – Rolling Operation, ArcelorMittal USA Indiana Harbor
H. Thomas Tsai – ArcelorMittal Global R&D - East Chicago, USA
Bruce Forman – ArcelorMittal Global R&D - East Chicago, USA
M.Metin Yavuz – ArcelorMittal Global R&D - East Chicago, USA
摘要
美国印第安纳ArcelorMittal钢铁生产厂提供管材要求提供的板坯。由夹杂物引起的裂缝在那些使用电阻焊生产管材的厂商那里会有一个很主要的缺陷。所要做的就是确定缺陷的根源，并以最低的成本解决问题。起初，钢铁洁净度的研究主要是通过钢铁的生产和铸造过程，而后发现钢在交付过程中，氧（O）的总含量要比浇铸样少6 ppm，洁净度提高。因此了解板坯中夹杂物的分布状态是解决问题的关键。
缺陷映射技术可以反映板坯中夹杂物的分布情况。基于映射结果，尝试使用新型的SEN来控制氩气的流速。水流和数学模型同时验证了这种新型的SEN——Ar气流速组合的确可以提高铸件中流速。基于这些结果，目前的废品率降低超过了50%。
关键词 非金属夹杂物，钩裂纹，钢的洁净度，电抗焊接，模流，管道和管材

引言
在北美市场，美国IH2SPArcelorMittal二号连铸机提供的北美市场上各个管材生产商所应用的板坯。让人疑惑的是，为什么相类似的板坯产品在不同厂家在完成不同管线生产后会有显著不同的废品率。解决卷板裂缝的不同工艺过程，对于利用电阻焊去制造直径是150-200 mm的管材。通过超声波检测电阻焊焊接区域出现问题的主要原因是钩裂纹。
钩裂纹是焊接管产品常见的缺陷，通常是条状MnS回填裂缝或中心分离的结果。对于IH2SP提供的板坯，较为详细的调查指出夹杂氧化物在厚管壁中的含量大约在15%左右。图3显示的是通过SEM-EDAX检查出的典型的有CaO-Al2O3夹杂引起的钩裂纹。这些夹杂缺陷沿着焊缝大约700um长，距表面2.2mm。给出的管壁厚12.5mm，缺陷是管厚的17%。根据对原始板坯的追踪观察，这些夹杂引起的钩裂纹几乎都在板的上表面。就像如图3中所提到的图2中超声波检测的非金属夹杂物的性质和位置各不相同，要比钩裂纹

图1 最高钩裂纹废品率的板坯分割和焊接过程。
为了详细理解这些问题，提出最小成本的解决方案，这需要公司相关领域的工程师作出努力。钢的洁净度研究发现，进过LMF过程铸造交货的钢总的氧含量在6-8ppm。尽管如此，板坯缺陷映射技术的应用可以反映出15%板厚和板两侧三分之一宽度处是Ar气泡最集中的区域。必须提到的是切割区域恰好在气泡集中的区域。通过缺陷的影射可以观察到一些气泡包含着非金属夹杂物。一旦在切割处焊接，钩裂纹的形成概率会很高。
在认识到这些问题之后，有改变气泡其中程度，并远离切割位置提议。SEN设计改变和Ar气流速度的改变可以钢水在模具中更加稳定。说模型和数学模型的使用意图来改变气泡集中区域。用来控制Ar气流水平的新SEN可以改变缺陷的分布因此降低钩裂纹造成的废品率。
根据效果和大量的试验，目前的废品率水平降低超过50%，本文用来总结这些结果并指出以后改进的方向。

Fig.3 Typical hook crack defect caused by non-metallic inclusions.
1钢洁净度研究
ArcelorMittal USA IH2SP有两个200吨的碱性氧气转炉和两个电弧加热的LMF向两台常规铸机提供钢水。在LMF，管钢等级取决于除硫情况——阻止MnS引起的钩裂纹和提高中心线质量。Ca的处理也被应用与夹杂减轻和阻止铸口堵塞。在LMF处理的末端，钢水没有矿渣后进行至少5min的电磁搅拌会使得夹杂物漂浮在表面。No.2连铸机是个单独的弧形结晶器，是个能容纳30ton的漏斗。液态钢传送到模具由滑动闸板机构控制。氩气从中间罐喷嘴处添加，有钢板弹簧舌片，浸入式喷嘴（SEN）的口和SEN接头。钢包到中间罐由长的喷嘴隔离，振控系统用来检测钢包中的矿渣，防止矿渣污染中间罐。中间罐要尽可能保持密封，在洁净钢生产过程中可以填充Ar气来清洗。中间罐的液态钢中上覆盖人工合成的溶剂对夹杂进行吸附。总的来说，优质生产要依据管的等级来进行生产。
向上述所提到的，所发现的钩裂纹是有氧化夹杂物所引起的。因此，一系列的钢的洁净度研究都是按着原有洁净钢生产的常规操作条件进行的。总氧量的测试在LMF处理的末端取样，当钢包中剩余100吨左右时，在中间罐或模具中取样。平均氧含量值随着过程在图4中绘出。在模具中的氧含量在6~8 ppm，这指出IH2SP的钢的洁净度已经达到世界级水品。同时，氮要少于2ppm，选取中间罐到模具的试样测量全氮含量。
为确保Ca处理和夹杂物变性，常使用局部重熔技术伴随着SEM和阴极发光显微镜（CLM）。经过重熔技术处理过的LMF试样典型的夹杂CLM和SEM图像如图5所示。夹杂物（有颜色的斑点）的分散证实是优质的洁净钢。夹杂物颗粒大部分是绿色的Cao-Al2O3液态夹杂和橙色的CaS覆盖在液态的Cao-Al2O3颗粒上（当放大倍数较低时，橙色与绿色混合显现为黄色）。这表明目前在洁净钢生产和降低夹杂物上，IH2SP进行的LMF实验是成功的。
基于洁净钢的研究，在钢铁冶炼和铸造阶段，在常规的操作条件下，总结出的洁净钢生产流程是出色的。尽管如此，在钢中发现的夹杂物和在钩裂纹缺陷中发现的夹杂物是相同类型的。可以清晰的看到板坯中夹杂物的分布，对于钩裂纹来说，原因不在于洁净钢。诱导钩裂纹在15%板厚处形成的氧化物夹杂集中也说明夹杂分布是问题最重要的因素。
来自IH2SP2号连铸机的板坯尺寸是235x（最大1930）。因此15%板厚相当于原是板坯厚度的35 mm。众所周知，一个弧形的铸件，在铸机弯曲的部分能够收集Ar气泡。对同样铸机中的样品利用超声波对Ca进行测试说明气泡或夹杂带（黑点）在接近表面处大约30-45 mm（如图6所示）。气泡或夹杂在板坯

厚度的13%-19%,这与炉体厚度生长是一致的。当钢水经过铸机管道弯曲的部分时。在凝固过程中，依据铸机的半径和厚度增长的计算，Ar气泡收集的情形去图7所示。
可以看出，在管壁厚15%处由氧化物夹杂引起的钩裂纹是板坯右边的气泡和夹杂带。众所周知，Ar气泡容易吸附在氧化物夹杂上[2]。如果亚毫米级的气泡部分附着在氧化物夹杂上面，就会引起焊接缺陷。因此，即使钢水很洁净，在气泡和夹杂收集的地方也是有污染的。
模具中流动结构知识说明气泡在板坯宽度范围内是不同的。本文中图6和文献[3]证明气泡在窄的地方要比在中心处更容易集中。不幸的是，MIDAS试验仅仅选取了三个位置，在其他板坯宽度范围内没有气泡分布的相关数据。因此板坯缺陷映射技术可以用来检查铸造板坯内部气泡或加载的分布。
2板坯缺陷分布
为了研究板坯一侧气泡或夹杂的分布，板坯试样在铸机上被切割，板坯是按着钢管等级的稳定状态使用标准的操作条件——包括SEN设计、铸造速度、和Ar气流速。在板坯的上表面用机器选取下至50 mm多种厚度板坯试样。同样的水平，气泡和夹杂可以被统计出尺寸、形态和每种缺陷的位置，同时记录下来。使用空间统计技术，结合铸造因素可以计算出等高线。在内部大量夹杂中，有超过99%的缺陷都是气泡。在气泡表面包含大量氧化物夹杂的气泡（归结为A2类型）明显不同于单一的气泡（归结A1）类型可以区分出混合的缺陷（A1+A2）和仅为A2类型缺陷。
图8是在SOC下A2类型缺陷的分布图，颜色加深表示缺陷密度增加。X-Y轴分别表示距离的百分数和距离表面的深度。通常下，A2类型的缺陷密度随着深度和宽度而改变，甚至是铸机的曲率，在某种程度上，流动状态是倾斜的。这种倾斜被认为是最初滑动口与铸机模具呈45度角所引起的。这种分布证实了图6中MIDAS分析的结果，夹杂带存在较窄的表面，而板皮中心是洁净的。

两个最集中的A2类型缺陷区域（粉色到红色）在板坯一边约30-40mm深，并且在较窄的板面上覆盖大约10-30%的区域。尽管如此，也可以清晰的看出在三分之一出切割是正确的，尽管有着相对较高的A2缺陷，在距板坯表面深度25-40 mm的地方（约是板厚的11-17%）。因此，当在边缘进行焊接时，如果附着在气泡上的夹杂物数量很大就会有较大的几率殷切钩裂纹缺陷。这也就解释了为什么氧化物夹杂引起的钩裂纹很大，而且需要利用超声波来进行检测。
识别钩裂纹产生的原因，与之最相关的就是钢水流入铸机之中，提出建议尝试新的操作条件（NOC)，其中包括新的SEN设计和新的Ar气流速控制，目的在三分之一切割处使Ar气泡漂浮和改变A2缺陷的集中区域。因此，在SOC操作并在NOC优化下，铸机内全尺寸的水模型和数学模型可以理解液体流动情况。
3 水模型和数学模型结果
在ArcelorMittal Global R&D有全尺寸的弯曲模具水模型，总长2.8米。滑动式闸门系统是2号连铸机实际系统的直接复制，有着一个真正的喷嘴，顶板和SEN都是应用水模型，对Ar气的提供有着更好的模拟。由左边角度的SEN设计在不同气流速度的情况下；利用速度测试染色和玻璃粉显现以及可视气泡追踪技术来进行测试。
根据上述，其中解决钩裂纹最重要的因素是允许气泡在遇到弯曲之前逃离。因此，收集大量同样尺寸气泡可以追溯在每个测试的最低位置，也可以通过测量最低位置获得有效深度值。如图9所示，在生产量合适时，NOC实际操作给出的是最浅的有效深度。并且在旧的SOC操作下在铸机中气泡的深度更深。
在水模型中记录模拟的NOC操作十分重要，流动情况可以得到优化而且钢水流的波动最小，以至于当NOC试验时，不能得到边部的影响。
根据ArcelorMittal 的经验，气泡和夹杂很容易在凝固前收集，由于钢水向下流动超过了气泡的浮力，并且流动不会停滞，所以这种洗涤效果很小[3]。为了SOC和NOC操作下铸机中流动情况，多使用数学模型。为了确保数学模型的有效性，在全尺寸水模型的速度测量常常会在数学模型的结果上做微小的调整。图10 是在凝固前5m的范围，厚度5 mm内流速分布模拟图，(模拟结果，不考虑凝固壳的生长)。不像NOC操作，在SOC下，在窄表面可以看到强烈的向下现象，也推着气泡和夹杂向下。在有效深度内，这与全规模的水模型所观察到的情况是一致的（图9）。 当气泡在向下流动和气泡的浮力达到平衡时，就会停留下来，而且有很大的几率被凝固所俘获。这也证实了图8中的板坯缺陷分布情况，在较窄面上气泡和夹杂缺陷更深。

在SOC操作下，可以看出在图10中停滞流（很低的流动速率）被集中在两侧很窄的区域，比较靠近板宽的三分之一处。当一些气泡脱离强烈度流动区域，并且尝试浮向临近的滞流区域，他们也可以容易被凝固框架所俘获，而且很难被钢流冲洗。这解释了在图8中板坯缺陷分布中气泡在板坯宽度的三分之一处集中的原因。同时，板坯的中心区域在这种（SOC)条件下是相对比较洁净的，因为中心区域有足够的向上钢水流推动气泡向上。
不像SOC，在NOC操作下窄表面附近流体结构有向下流动的更弱。因此，又很少的气泡被向下推动，并且气泡或夹杂带都很小。进一步，在SOC条件下，可以移动到更深的大气泡明显减少，因此，在NOC操作条件下超洁净钢得到了改善。
新操作条件的流动特性是在SOC减弱的情况下两个滞流集中的区域。图10中NOC下的流动情况，是均匀分布在宽度内的。这将有利于移动高度集中的气泡和夹杂，很大机会减少三分之一板坯切割处钩裂纹问题。
4 运算结果
在No.2CC上，连续加热，尝试实行新的操作条件。在这次试验中，模流行为，模流水平计算和SEN闭合可以监视，没有发现问题。实验板坯经过了仔细的检查表面质量得到维持。随后可以了解到，试验板坯得到客户的认可，同时NOC在生产通知单中起到了作用。
图11显示铸造操作条件改变前（SOC）后（NOC）的操作结果。经过对废品率长期的监视，可以看出NOC降低客户处废品率达一半以上。目前IH2SP的废品率最低，为管材制造用优质钢的主要提供者。进一步的成果将会连续提高USA IH2SP ArcelorMittal的板坯质量和用户产品的性能。
5 结论
尽管炼钢阶段十分重要，研究表明凝固阶段夹杂物的分布情况对一些客户的特定问题十分关键。铸造阶段使用的Ar气能够团聚夹杂物，可能是形成更大的夹杂物的原因。随着客户对钢材质量的要求不断提高，传统处理钢材质量问题的方法必须替换为直接收集更有意义的数据和信息相互协作的方法。这样可以更容易的作出判断，纠正问题。在ArcelorMittal IH2SP工作的成功就是这种密切合作的结果。