管线钢中液态和固态夹杂物去除率对比.pdf

通信作者:邵肖静(),女,博士,高级工程师;E m a i l:q q c o m;收稿日期:管线钢中液态和固态夹杂物去除率对比邵肖静(冶金工业信息标准研究院,北京 )摘要:为了比较液态和固态夹杂物的去除率,对比了管线钢冶炼过程中常见的四类典型夹杂物A lO、M g O A lO、C a O A lO C a S、C a O A lO在R H真空处理中的去除率.研究结果表明,钢液中的固态夹杂物比液态夹杂物更容易去除.为了得到液态夹杂物不易去除的原因,采用高温激光共聚焦扫描显微镜原位观察了C a O A lO夹杂物在 钢液中的行为.结果表明,该类夹杂物不易发生聚合长大,随着温度的降低,夹杂物的尺寸进一步增加,其后被凝固基体捕捉.铸坯中大于等于 m的C a O A lO类夹杂物经轧制后延展就可以造成热轧板中大尺寸夹杂物超标.关键词:热轧钢种;夹杂物;生成;去除中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()C o m p a r a t i v e o nr e m o v a l r a t eo f l i q u i dn o n m e t a l l i c i n c l u s i o n sa n ds o l i dn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s i np i p e l i n e s t e e lS H A OX i a o j i n gC h i n aM e t a l l u r g i c a l I n f o r m a t i o na n dS t a n d a r d i z a t i o nI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n aA b s t r a c t:I no r d e rt oc o m p a r et h er e m o v a lr a t e so fl i q u i dn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n sa n ds o l i dn o n m e t a l l i c i n c l u s i o n s,t h er e m o v a l r a t e so f f o u r t y p i c a l i n c l u s i o n sA lO,M g O A lO,C a O A lO C a Sa n dC a O A lOi np i p e l i n es t e e l d u r i n gR Hv a c u u mt r e a t m e n tw e r ec o m p a r e d T h er e s u l t s s h o wt h a t s o l i di n c l u s i o n s i nm o l t e ns t e e l a r ee a s i e r t or e m o v e t h a n l i q u i d i n c l u s i o n s I no r d e r t o f i n do u t t h er e a s o nw h y l i q u i d i n c l u s i o n sa r ed i f f i c u l t t or e m o v e,t h eb e h a v i o ro fC a O A lOi n c l u s i o n s i nm o l t e ns t e e l a t w a s i n s i t uo b s e r v e db yh i g ht e m p e r a t u r ec o n f o c a l s c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p e T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do fi n c l u s i o ni sn o te a s yt op o l y m e r i z ea n dg r o w u p W i t ht h ed e c r e a s eo ft e m p e r a t u r e,t h es i z eo ft h ei n c l u s i o nf u r t h e ri n c r e a s e s,a n dt h e ni ti sc a p t u r e db yt h es o l i d i f i e dm a t r i x T h eC a O A lOt y p ei n c l u s i o n s mi nc a s t i n gs l a bc a nc a u s et h el a r g es i z ei n c l u s i o n se x c e e d t h es t a n d a r d i nt h eh o t r o l l e dp l a t e K e yw o r d s:h o t r o l l i n gs t e e l;i n c l u s i o n s;f o r m a t i o n;r e m o v e目前,用户对钢铁厂生产的管线钢和车轮钢等热轧品种都提出夹杂物级别的要求.大尺寸夹杂物超标已成为当前困扰国内外中厚板企业的共同问题 .常识认为钢液中的液态夹杂物更容易上浮去除,因此,为了去除夹杂物,热轧钢种中常采用钙处理将夹杂物控制为低熔点的C a O A lO C a S系夹杂物.住友金属的研究表明,含C a、A l、S元素的夹杂物是H I C管线钢的裂纹源头,提出应该控制夹杂物中合适的C a O、C a S和A lO组成.张卫华等对X 管线钢中夹杂物进行了研究,发现其中大尺寸夹杂物的主要成分为低熔点钙铝酸盐.宝钢在X 管线钢钢板中发现批量探伤不合,原因是成分为A l、C a和少量的S等元素的夹杂物沿轧制方向延伸和密集分布导致探伤不合.首钢管线钢中B类夹杂物研究 表明,该类夹杂物为w(A lO)的低熔点钙铝酸盐夹杂物,作者还认为优化钙处理后的软吹工艺可以促进夹杂物的上浮去除.为了解决高级别管线钢热轧钢板中大尺寸夹杂物超标的问题,先通过调整L F精炼工艺,得到炉含不同类型典型夹杂物的管线钢,炉典型夹杂物分别为A lO(少量M g O)、M g O A lO(少量C a O)、C a O A lO C a S、C a O A lO(少量M g O),然后 年月第 卷 第期炼钢S t e e l m a k i n gA u g V o l N o 采用相同的R H精炼工艺,对比R H精炼过程中不同类型的固态和液态夹杂物的去除率,并采用高温激光共聚焦显微镜对液态夹杂物难以去除的原因进行了分析.试验方法试验选用商用X 管线钢,其主要化学成分为:w(C),w(S i),w(M n),w(A l),w(S),w(O).管线钢采用“铁水预处理转炉L FR H连铸”生产工艺,为了对比液态夹杂物和固态夹杂物的去除率,进行了炉X 管线钢的冶炼.通过L F精炼控制不同氧化性程度的炉渣、调整钢渣反应时间、改变钙处理等方式控制炉R H到 站 夹 杂 物 分 别 为A lO(少 量M g O)(文中简称A lO)、M g O A lO(少量C a O)(文 中 简 称M g O A lO)、C a O A lO C a S、C a O A lO(少量M g O)(文中简称C a O A lO),采用相同的R H循环搅拌工艺,R H结束后进行取样.对R H进站和R H精炼结束钢液分别进行提桶取样.采用A S P E X扫描电镜对R H精炼到站和R H精炼结束夹杂物的粒径、数量等特征进行分析.试验结果及讨论 试验结果为了验证不同类型夹杂物在R H精炼过程中的去除率,为夹杂物成分的控制提供理论依据,选择了管线钢冶炼过程中最常见的类典型夹杂物 A lO、M g O A lO、C a O A lO C a S、C a O A lO,对比R H精炼过程中的去除率.通过在L F精炼造不同氧化性程度的炉渣、控制精炼时间、调整L F结束钙处理等方式控制R H到站夹杂物的成分,从而得到以上类成分为主的典型夹杂物.采用A s e p x扫描电镜对炉R H进站试样中夹杂物进行成分分析,结果如图 a、图 a、图 a和图 a所示,图中红线区域为钢液中液态夹杂物成分区.图 a所示R H进站夹杂物主要为固态A lO夹杂物,由图中红线区域(液态夹杂物成分区)可知A lO在 为固态夹杂物.图 a所示R H进 站 夹 杂 物 主 要 为M g O A lO.M g O A lO作为高熔点夹杂物,在钢液中为固态夹杂物.图 a所 示R H进 站 夹 杂 物 主 要 为C a O A lO C a S,由图中红线区域可知C a O A lO C a S既有固态夹杂物又有液态夹杂物.图 a所示R H进站夹杂物主要为C a O A lO,由图中红线区域可知C a O A lO类在钢液中多为液态夹杂物.将采用相同R H工艺搅拌去除夹杂物后的试样进行A s e p x扫描电镜分析,结果如图 b、图 b、图 b和图 b所示.由于每个试样扫描的面积不同,为了对比类夹杂物的去除效果,对A s p e x扫描电镜分析的数据进行数据处理.首先,根据每类夹杂物不同粒径的数量占比等效计算出 mm面积内不同粒径夹杂物的数量.其次,根据式()计算出类夹杂物在不同粒径范围内的实际去除率,结果如图所示.再次,由于不同粒径范围内的夹杂物数量占比不同,为了考虑数量的影响,根据式()图A lO(少量M g O)夹杂物A s p e x扫描电镜结果F i g A s p e xS E Mr e s u l t so fA lO(as m a l l a m o u n t o fM g O)i n c l u s i o n s第期邵肖静,等:管线钢中液态和固态夹杂物去除率对比图M g O A lO(少量C a O)夹杂物A s p e x扫描电镜结果F i g A s p e xS E Mr e s u l t so fM g O A lO(as m a l l a m o u n t o fC a O)i n c l u s i o n s图C a O A lO C a S夹杂物A s p e x扫描电镜结果F i g A s p e xS E Mr e s u l t so fC a O A lO C a S i n c l u s i o n s图C a O A lO(少量M g O)夹杂物A s p e x电镜结果F i g A s p e xS E Mr e s u l t so fC a O A lO(as m a l l a m o u n to fM g O)i n c l u s i o n s 炼钢第 卷计算出每个粒径范围内夹杂物的数量占夹杂物总数的百分比,结果见表.最后,用式()计算得到考虑了数量和实际去除率两个因素的不同粒径夹杂物相对去除率,作图.M(nR H进站nR H结束)/nR H进站()式中:nR H进站为进站试样中夹杂物数量;nR H结束为R H处理结束试样中夹杂物数量;M为夹杂物实际去除率.Nni/n总()式中:ni为某一个粒径范围内的A s p e x电镜扫描的夹杂物数量;n总为A s p e x电镜扫描的某一试样的夹杂物总数;N为不同粒径占比.ZMN()式中:M为夹杂物实际去除率;N为不同粒径占比;Z为夹杂物相对去除率.图四类典型固态和液态夹杂物在不同粒径范围内的实际去除率F i g T h ea c t u a l r e m o v a l r a t eo f f o u r t y p i c a l s o l i da n dl i q u i d i n c l u s i o n s i nd i f f e r e n t s i z er a n g e s表R H进站试样中夹杂物在不同粒径数量占比T a b l e I n c l u s i o nn u m b e rr a t i ow i t hd i f f e r e n t s i z er a n g e s i ns a m p l e sa t t h eb e g i n n i n go fR Ht r e a t m e n t粒径/m数量占比A lOM g O A lOC a O A lO C a SC a O A lO 总计 图四类典型固态和液态夹杂物在不同粒径范围内的相对去除率F i g T h er e l a t i v er e m o v a l r a t eo f f o u r t y p i c a l s o l i da n dl i q u i d i n c l u s i o n s i nd i f f e r e n t s i z er a n g e s由图可知,夹杂物总去除率从高到低依次为M g O A lOA lOC a O A lO C a SC a O A lO.经R H处理后,C a O A lO夹杂物在、m和 m以上粒径范围内数量不降反增;C a O A lO C a S在 m和 m粒径范围内同样出现了数量不降反增的情况;M g O A lO和A lO这两类固态夹杂物在R H处理后全粒径范围内夹杂物数量未出现增加.可知,固态M g O A lO和A lO夹杂物比C a O A lOC a S和C a O A lO更容易去除.至于去除量的问题,就不能单纯考虑实际去除率,而需要考虑夹杂物数量占比的情况,具体见图.可知,m和 m粒径范围内的夹杂物相对去除率高于 、m和 m以上粒径范围内夹杂物.讨论由于夹杂物的去除率和夹杂物聚集能力紧密相关.聚合力主要受到两个夹杂物粒子间引力的影响.Y i n 等观察和统计了不同类型夹杂物的的长程吸引力,如图所示.可知,夹杂物粒子间吸引力由大到小的总体趋势为:固态夹杂物半液态夹杂物液态夹杂物.为了验证液态夹杂物的聚合效果.采用高温激光共聚焦扫描显微镜对含C a O A lO夹杂物的试样进行高温显微观察.如图所示,显示 第期邵肖静,等:管线钢中液态和固态夹杂物去除率对比图不同类型的夹杂物粒子吸引力比较 F i g C o m p a r i s o no f a t t r a c t i o nw i t hd i f f e r e n tt y p e so f i n c l u s i o n s 的钢液中夹杂物为液态近球状.两个夹杂物尺寸分别为长 m、宽 m和长 m、宽 m.两个粒子尽管在图 e、图 g、图 i和图 j中发生了多次聚合,但是这种聚合是不稳定的,聚合的夹杂物最终仍然分离.表明在钢液中粒径为 m的钙铝酸盐夹杂物自发聚合长大的趋势很小.在实际生产中,关于该粒径范围的近球状夹杂物经轧制变形后的实际长度,有研究者曾做过统计 研 究,将 板 卷 中 条 串 夹 杂 物 利 用P h o t o s h o p工具软件统计出夹杂物面积,再换算出等面积的单个球状夹杂物的直径,其与条串夹杂物长 度 的 关 系 如 图所 示.可 知,铸 坯 中 m左右的夹杂物经轧制变形后就足以达到图 钢液保温过程中夹杂物的聚合/分离行为F i g A g g r e g a t i o n/s e p a r a t i o nb e h a v i o ro f i n c l u s i o n sd u r i n g l i q u i ds t e e l 炼钢第 卷“A S TM B”标准的 级(m).中厚板中发现的大尺寸B类夹杂物(m)多来自精炼过程中 m的低熔点钙铝酸盐夹杂物.由原位观察可知,这一尺寸范围的夹杂物在冶炼过程中很难碰撞长大,这就是造成管线钢中夹杂物超标的现象难以杜绝的主要原因.图夹杂物轧制前后的尺寸对应关系F i g S i z ec o r r e s p o n d e n c eo f i n c l u s i o n sb e f o r ea n da f t e r r o l l i n g由以上结果可知,去除夹杂物提高钢水洁净度可以利用钢中高熔点A lO和M g O A lO夹杂在R H精炼过程高效快速去除的特点.通过减少L F精炼过程渣钢反应、调整渣系,使得R H到站夹杂物主要为A lO和M g O A lO,这些高熔点夹杂物在R H精炼过程能够高效快速去除.结论)热轧管线钢种冶炼过程中常见的四类典型夹杂物R H真空去除率从 高到低依次 为M g O A lOA lOC a O A lO C a S C a O A lO.)就本文研究的管线钢中常见的类夹杂物而言,钢液中的固态夹杂物比液态夹杂物更容易去除.)高温激光共聚焦扫描显微镜原位观察结果表明,C a O A lO系液态夹杂物在钢液中不易发生碰撞聚合长大.这就导致该类夹杂物在R H精炼过程中难以通过碰撞长大去除.)通过减少L F精炼过程渣钢反应、调整渣系,使得R H到站 夹杂 物 主 要 为A lO和M g O A lO,有利于R H高效去夹杂物.参 考 文 献H I G U C H IY,N UM A T AM,F U K A G AWAS,e ta l I n c l u s i o nm o d i f i c a t i o nb yc a l c i u mt r e a t m e n tJ I S I JI n t e r n a t i o n a l,(S):N UM A T AM,H I G U C H IYT h ec h a n g ei nc o m p o s i t i o no fi n c l u s i o n s i nm o l t e ns t e e l d u r i n gs i m u l t a n e o u sa d d i t i o no fC aa l l o ya n dC a O A lOf l u xJT e t s u t o H a g a n e ,():K A N GYJ,L IF,M O R I T AK,e ta l M e c h a n i s ms t u d yo nt h ef o r m a t i o no fl i q u i dc a l c i u m a l u m i n a t e si n c l u s i o nf r o mM g OA lOs p i n e lJ S t e e lR e s e a r c hI n t e r n a t i o n a l ,():L IQ,WA N GXH,L IHB,e ta l V a r i a t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n sc o m p o s i t i o ni nX p i p e l i n es t e e l r e f i n e db yh i g hb a s i c i t y s l a gJ J o u r n a l o f I r o n a n d S t e e l R e s e a r c hI n t e r n a t i o n a l,(S):U C H I D AS,M A S A O K AT,U C H I B O R IH,e ta l P r o d u c t i o no f s u p e rc l e a ns t e e lb ys l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sJN i p p o nK o k a nT e c h n i c a lR e p o r t,:李强,王新华,李海波,等低合金高强钢中非金属夹杂物的改性J北京科技大学学报,():K U S H I D AT,H I G U C H IYA d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fh i g hs t r e n g t hl i n e p i p ef o rs o u rs e r v i c eJS u m i t o m oS e a r c h,():张卫华,陈小伟,闻康,等 X 管线钢中非金属夹杂物的检验及其对钢性能的影响J理化检验:物理分册,():魏立国,彭勇,徐 惟 诚,等 X 管 线 钢 探 伤 不 合 的 分 析C/第十四届全国钢质量与非金属夹杂物控制学术会议桂林:中国金属学会,:李永东,王文军,朱志远,等管线钢非金属夹杂物控制研究C/第十五届全国炼钢学术会议论文集厦门:中国金属学会,:Y I NHB,S H I B A T A H,E M IT,e ta l C h a r a c t e r i s t i c so fa g g l o m e r a t i o no fv a r i o u s i n c l u s i o np a r t i c l e so nm o l t e ns t e e ls u r f a c eJ I S I J I n t e r n a t i o n a l,():李强高强度中厚板钢C a O A lO系条串状夹杂物的研究D北京:北京科技大学,:第期邵肖静,等:管线钢中液态和固态夹杂物去除率对比