摘 要:采用大样电解方法萃取 Q235B钢连铸板坯中的大颗粒非金属夹杂物,用扫描电镜及能 谱对比分析了连铸坯内弧、外弧、中心部位的夹杂物成分,判断了非金属夹杂物的来源,结果可为进 一步提高连铸板坯的纯净度提供借鉴。 

关键词:大样电解法;大颗粒非金属夹杂物;连铸板坯 

中图分类号:TG115.5                                                文献标志码:A                                               文章编号:1001-4012(2022)06-0029-05 

钢中的非金属夹杂物破坏了金属基体的连续 性,是基体中的应力集中点。基体与夹杂物间的初 始空隙为裂纹萌生位置,金属材料受到外部应力后, 裂纹快速扩展导致金属断裂。较大颗粒的非金属夹 杂物对钢材质量的影响更大。在铝脱氧的厚钢板 中,只有尺寸大于200μm 的非金属夹杂物才会明 显降低钢材的各种性能;而在钢丝和滚动轴承钢中, 仅尺寸大于10μm 的夹杂物就会对钢材的性能造 成影响。对于不同的钢材,有不同的非金属夹杂物 临界尺寸,即超过该临界尺寸的非金属夹杂物才会 对钢材的性能产生影响。由于大颗粒非金属夹杂物 对钢材的力学性能及加工性能影响很大,因此需要 找到大颗 粒 非 金 属 夹 杂 物 的 来 源,并 去 除 该 类 夹 杂物。

大颗粒 非 金 属 夹 杂 物 在 钢 材 中 的 分 布 是 随 机、不连续的,要准确地测定钢中大颗粒非金属夹 杂物的含量 以 及 粒 径 的 组 成,就 必 须 扩 大 研 究 的 范围。大样电解法是分析大颗粒非金属夹杂物最 有效的 方 法 之 一。大 样 电 解 法[1-2]是 对 大 块 钢 材 试样进行电解和分离,以获取 尺 寸 大 于 80μm 的 大型非金属 夹 杂 物,并 对 其 进 行 深 入 分 析 的 一 种 研究方法。该 方 法 具 有 试 样 尺 寸 大(试 样 质 量 达 2~4kg),提取大颗粒夹杂物较为全面,试样代表 性强,电解时间长(约10d左右)的特点[3]。笔者 利用大样电解法对连铸坯的内外弧和中心部位的 夹杂物进行 研 究,以 确 定 整 个 工 艺 过 程 中 大 颗 粒 夹杂物的分 布 和 来 源,从 而 有 针 对 性 地 改 进 控 制 工艺,提高产品质量。

1 试验方法 

针对连铸板坯生产过程中存在的问题,采用大 样电解法来获取钢坯试样中尺寸大于80μm 的大 颗粒非金属夹杂物,并对这些大颗粒非金属夹杂物 的数量、尺寸、形貌、成分及来源进行研究[4]。

1.1 电解试样的制备 

选取了生产过程中的 Q235B钢种的连铸板坯, 浇注断面的尺寸(长×宽)为 230mm×1600mm, 在连铸坯1/4处的内弧、外弧和中心部位(见图1中 的位置1,3,2)沿垂直板坯浇铸方向各截取一块试 样,制 成 尺 寸 (长 × 宽 × 高 )约 为 150 mm × 50mm×50mm 的长方体,试样质量约为2.5kg。

1.2 试验过程 

板坯钢试样电解完成后,对所获取的阳极泥进 行淘洗分离,得到非金属夹杂物。然后对非金属夹 杂 物进行分级、称重、形貌分类及观察,并在体式显微镜下挑选具有典型代表性的非金属夹杂物颗粒进 行扫描电镜及能谱分析[5]。大样电解主要设备结构 如图2所示。大样电解工艺参数如表1所示(表中 电解液组成为质量分数)。

2 试验结果及分析 

2.1 夹杂物宏观形貌 

将分离挑选出的夹杂物置于体式显微镜下观察 及分类,大部分夹杂物为蜡黄色不规则形状或类球 状颗粒,少部分夹杂物为红色、黑褐色、无色的透明 不规则颗粒(见图3)。

2.2 夹杂物分布及其所占比例 

钢的洁净度通常以每10kg钢中含有非金属 夹杂物的数量来定义,普遍认为,每10kg钢中夹 杂物 含 量 小 于 1.5 mg。 通 过 大 样 电 解 试 验, Q235B钢板坯大样电解夹杂物分析结果如表2所 示,由表2可以看出:连铸板坯洁净度较洁净钢还 有差 距,但 能 够 达 到 普 通 碳 素 结 构 钢 的 洁 净 度 要求。

由1 # ~3 # 试样电解的结果可知,钢中夹杂物种 类和含量呈不均匀分布。由粒径大于140μm 的夹杂 物含量可知,该连铸板坯完全满足生产需求,但距离 洁净钢还有一定的差距。Q235B钢板坯夹杂物粒级 分布如图4所示,各粒级夹杂物含量如图5所示。

2.3 夹杂物微观形貌及来源分析

1 # ~3 # 试样典型大颗粒非金属夹杂物微观形 貌如图6~8所示,1 # ~3 # 试样典型大颗粒非金属 夹杂物成分及来源如表3~5所示。 

夹杂物来源分析如下所述。 

(1)在重点分析的19例夹杂物中,有10例含 有钠、钾元素,约占总数的 60%以上,钠、钾元素是 保护渣中特有的成分,故可认为大部分夹杂物应来 源于结晶器保护渣。 

(2)粒径为80μm~140μm 的大部分夹杂物 以氧、硅、铝、铁等元素为主,颜色分别为透明、蜡黄 和褐黑等,该类夹杂物为脱氧产物。

(3)对19例大型夹杂物进行分析,发现1例含 有锆元素,夹杂物在显微镜下为乳白色,呈半透明球 状,尺寸约为120μm,锆元素是复合水口的特征成 分,说明在浇筑过程中有水口熔损脱落现象。

(4)二次氧化产物为不规则大颗粒(140μm~ 300μm)夹杂,夹杂物呈黑色,氧、铁元素含量极高, 比较典型的是3 # 试样的示例5,其氧元素质量分数 为41.82%,铁元素质量分数为56.75%,夹杂物呈 片状堆积,尺寸约为200μm~300μm。有一部分 二次氧化物除含有氧、铁元素外,还有一定量的硅、 钙、镁等元素,这部分夹杂物来源于二次氧化、结晶 器卷渣、中间包下渣等,呈现淡黄色,为不规则形状。 在这19例大型夹杂物检测中发现了10例含有二次 氧化产物的成分,因此二次氧化也是 Q235B钢大颗 粒夹杂物的主要来源。 

(5)在大颗粒非金属夹杂物中还发现有9例含有氯 离子,如果氯离子与钠离子同时存在,就会造成污染,因 此在后续的夹杂物分拣时应注意避免盐分的污染。

3 结语及建议 

(1)大颗粒夹杂物大部分来源于结晶器保护 渣,建议对结晶器侵入式水口进行调整,以确保结晶 器内夹杂物的上浮,同时对保护渣的性能进行改善, 确保液渣层的厚度,减少保护渣带来的夹杂物。

(2)根据连铸板坯大颗粒夹杂物中有中包渣卷 入的特点,要保持高液面浇铸,并建议建立气幕挡墙 防止形成涡流。

(3)对含有复合锆质水口熔损产物的夹杂物, 建议提高整体耐材质量和砌筑质量,并采用合理的 烘烤制度等手段进行控制。 (4)由于大颗粒夹杂物在连铸坯中的分布不均 匀,因此建议对板坯连铸进行电磁搅拌,使夹杂物的 分布相对均匀一些,避免中心大量夹杂物聚集和长 大,影响板材的性能。

参考文献: 

[1] 褚立新,李金柱,曹阳.用大样电解法分析大型非金属 夹杂物[J].昆钢科技,2007(1):22-31. 

[2] 李宏.阳极泥法分离提取钢中夹杂物方法的评价[J]. 物理测试,2005,2(3):32-36. 

[3] 李宏.钢中非金属夹杂物存在状态的不确定性与检测 [J].冶金分析,2008,28(9):1-6. 

[4] 李慧改.水溶液电解法提取钢中超细非金属夹杂物研 究[J].上海金属,2010,32(6):43-46. 

[5] 刘桂江,程丽杰,谷强,等.对非金属夹杂物检验标准 GB/T10561—2005 的 探 讨 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2021,57(1):15-18.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 6期 (pp:29-33)>