渣洗工藝對低碳鈦微合金鋼潔凈度及性能的影響

王博　李書恒　王杏娟　朱立光　黃偉麗　牛躍威

關鍵詞：渣洗;顯微夾雜物;潔凈度;力學性能;微合金鋼

0 引言

低碳微合金鋼以其優異的力學性能，主要應用于運輸、橋梁、建筑、管道等行業。特別是工程結構用鋼方面，低碳微合金鋼因具有強度高、塑性好、使用靈活等特點得到了建筑行業的廣泛認可。國內外對低碳微合金鋼的相關研究較多，普遍在低合金鋼的基礎上添加Nb、V、Ti等合金元素并運用控軋控冷技術使其獲得優異的綜合力學性能，同時在冶煉過程中大部分采用了LF、RH等爐外精煉的方式獲得更優質、高潔凈度的鋼材。

隨著市場競爭的激烈及客戶對鋼材品質的要求，低成本生產高品質用鋼已成為國內外鋼鐵行業發展的必然趨勢。由于LF精煉處理需要消耗大量人力及物料，生產成本相對較高，同時LF精煉處理也不能夠滿足高效、快速生產的要求。因此，開發出一種高效、低成本生產高品質鋼的冶煉方法顯得尤為重要。

大量研究表明，渣洗工藝可以極大程度地提升出鋼過程的脫氧效率、去除夾雜物，特別是能夠有效降低鋼中硫元素含量，從而達到提升鋼材潔凈度及韌性的作用。渣洗工藝的實施能有效降低鋼液的硫含量，脫硫效率能達到30 %～50 %。因此，對于一些沒有精煉設備的中小企業采用渣洗工藝生產既可以縮短冶煉周期，節約成本，又可以改善鋼材潔凈度，提升產品品質。

某廠生產的DL350低碳鈦微合金冷軋結構鋼，原生產工藝為“轉爐→吹氬→連鑄”，生產初期產品夾雜物含量較高且冷軋斷后伸長率較低，不能滿足客戶要求。通過采用“渣洗+吹氬”的方式，節約了生產成本，提升了生產效率。研究表明，采用新工藝后產品潔凈度及性能明顯改善。

1 試驗方法

在某廠120 t轉爐進行渣洗對比試驗，試驗用鋼DL350成分如表1所示。生產工藝為：“轉爐→渣洗+吹氬→連鑄”，其渣洗工藝操作要點如下：1）出鋼溫度。溫度越高對渣洗脫S越有利，但較高的溫度會使轉爐爐襯侵蝕嚴重，從而降低爐齡，因此渣洗出鋼溫度制定為1 650～1 680 ℃；2）渣洗料加入量及加入時機。理論上，渣洗料加入量越多對脫S越有利，但渣洗料加入過多短時間內在轉爐出鋼過程中難以完全熔化，因此加入量以剛好完全熔化為最佳。通過綜合考慮現場冶煉條件及前期試驗，渣洗料加入量在900～1 000 kg為宜，在出鋼量1/4加入鋁錠、鋁塊及適量硅錳合金，隨后加入渣洗料；3）爐渣FeO含量。渣洗工藝鋼包渣中FeO含量越低，則對脫S反應越為有利，試驗采用擋渣帽配合擋渣錐聯合擋渣，同時配有下渣自動檢測系統，嚴格控制下渣量，降低FeO含量；4）底吹氬流量。出鋼過程控制底吹氬氣流量，確保合金及頂渣熔化且液面裸露不大。表2為預熔性渣洗料成分。

試驗過程分別對采用渣洗工藝及未采用渣洗工藝鋼水、鑄坯及軋材取樣，分析渣洗工藝對鋼材潔凈度及性能影響。

2 試驗結果

2.1 氧、氮含量變化

鋼中的氧含量反映了鋼的潔凈程度，同時也可以側面反映出生產過程中是否存在二次氧化現象。因此，取生產過程中吹氬前、后餅樣進行分析。圖1為未渣洗與渣洗生產工藝下吹氬前、后氧、氮含量變化情況?？梢钥闯?，未渣洗鋼液脫氧后w（T.O）=56×10-6，其鋼水氧含量在合理范圍內，吹氬后w（T.O）=36×10-6，較吹氬前降低了35.7 %，吹氬前后N含量變化不大。渣洗工藝鋼液脫氧后w（T.O）=50×10-6，吹氬后w（T.O）=28×10-6，較吹氬前降低了44.0%，氧含量大幅度下降。通過對比未渣洗與渣洗工藝氧、氮含量可以發現，采用渣洗工藝鋼液中的氧、氮含量均有明顯下降，說明渣洗工藝對鋼液脫氧及夾雜物去除有明顯效果。

2.2 潔凈度分析

分別對未渣洗與渣洗工藝條件下過程及鑄坯分析顯微夾雜物含量，研究渣洗工藝對鋼液潔凈度的影響。采用自動磨樣機對所有金相試樣進行粗磨、細磨和拋光，采用德國卡爾蔡司公司的JENAVERT顯微鏡對各試樣進行觀察和定量分析。分別取冶煉過程吹Ar前后餅樣及鑄坯內弧不同位置（表層、1/4、中心）金相試樣，圖2為鑄坯取樣位置示意圖。

每個金相試樣在400倍視場下連續觀察100個視場，統計每個視場夾雜物的數量、形貌、尺寸。為了分析顯微夾雜物粒度分布，根據其影響程度分級，即將夾雜物按尺寸分為（0，5]、（5，10]、（10，15]、（15，20] μm四級，采用直線法進行統計。根據統計結果分析顯微夾雜物數量，采用單位面積內夾雜物的當量個數（粒度7.5 μm）來表征夾雜物數量密度，夾雜物當量個數的統計公式如下：

式中：I為單位面積上相當于當量直徑B的夾雜的數量，個/mm2；B為夾雜當量直徑，本計算中B=7.5 μm； Si為不同級別夾雜（平均直徑分別為2.5、7.5、12.5、17.5 μm）的平均面積，mm2；ni為各級夾雜個數；F為視域面積，400倍時為310 μm×235 μm； N為視場數，本計算中為100個。

因此，顯微夾雜物數量密度I為單位面積上當量直徑為7.5 μm的夾雜物的個數。

圖3為未渣洗與渣洗工藝條件下吹氬前后鋼中顯微夾雜物數量情況。未渣洗吹氬前鋼中顯微夾雜物為89個/mm2，吹氬后顯微夾雜物為65個/mm2，夾雜物數量密度減少約27 %，說明吹氬對夾雜物去除有明顯效果，但整體含量較高；而渣洗工藝下吹氬前鋼中顯微夾雜物為20個/mm2，吹氬后顯微夾雜物為16個/mm2，夾雜物數量密度減少約20%。通過對比未渣洗與渣洗工藝吹氬前后顯微夾雜物含量變化可以發現，經渣洗工藝處理后的鋼液顯微夾雜物含量明顯降低，潔凈度明顯提升。

圖4為未渣洗與渣洗工藝條件下鑄坯不同位置（表層、1/4、中心）顯微夾雜物統計情況?？梢钥闯?，鑄坯不同位置顯微夾雜物含量略有區別，但相差不大，夾雜物含量較吹氬前后明顯降低，說明中間包冶煉對夾雜物去除有一定幫助。未渣洗工藝鑄坯顯微夾雜物平均數量密度為21.3個/mm2，渣洗工藝鑄坯中平均顯微夾雜物數量密度為15.7個/mm2，說明渣洗工藝對鑄坯潔凈度提升改善明顯。

2.3 夾雜物類型統計

分別對未渣洗及渣洗工藝條件下鑄坯顯微夾雜物類型進行分析統計。圖5為未渣洗工藝鑄坯中主要夾雜物形貌及能譜。通過統計分析可以發現，未渣洗工藝鑄坯中顯微夾雜物主要為MnS、TiN、MnS-TiN及Al2O3及其的復合夾雜物。其中MnS夾雜物數量約占所統計夾雜物總量的50 %，形狀呈球形和條狀，尺寸在2～8 μm； TiN夾雜物數量約占統計夾雜物總量的20 %，形狀呈三角形和矩形，尺寸在3～5 μm； MnS-TiN復合夾雜物數量約占統計夾雜物總量的20 %，形狀多為球形，尺寸在2～10 μm； 另外還存在一定量的Al2O3及其復合夾雜物，數量約占10 %，形狀為球形和一些不規則形狀，尺寸在3～8 μm。

圖6為渣洗工藝條件下鑄坯中主要顯微夾雜物形貌及能譜。通過統計分析可以發現，經渣洗工藝處理的鑄坯夾雜物主要為MnS、TiN、MnS-TiN及少量的Al2O3，其中MnS夾雜物數量約占所統計夾雜物總量的40 %，形狀呈球形和條狀，尺寸在2～5 μm； TiN夾雜物數量約占統計夾雜物總量的20 %，形狀呈三角形和矩形，尺寸在2～4 μm； MnS-TiN復合夾雜物含量數量約占統計夾雜物總量的25 %，形狀多為球形，尺寸在3～8 μm； Al2O3及其復合夾雜物數量約占5 %，為不規則形狀，尺寸在3～8 μm。與未渣洗工藝相比，主要夾雜物成分、類別與未渣洗鑄坯變化不大，但夾雜物尺寸整體有所減小。

表3為未渣洗與渣洗工藝條件下試樣組織及夾雜物評級情況?？梢钥闯?，未渣洗與渣洗工藝下熱軋組織主要為F+P，晶粒度在10.5～11級，但未渣洗試樣夾雜物評級較高，A類夾雜物在2.0～2.5級，B類夾雜物在1.5～2.0級，而采用渣洗工藝后，夾雜物評級明顯降低，A類夾雜物降低到1.0～1.5級，B類夾雜物降低到0.5～1.0級，夾雜物含量的降低也為后續產品性能提升打下基礎。

2.4 性能檢測

分別對未渣洗與渣洗工藝試樣進行力學性能檢測及拉伸試驗。表4為熱軋板材力學性能檢測結果。未渣洗試樣屈服強度在433～476 MPa， 抗拉強度520～532 MPa， 符合產品設計強度要求，但斷后伸長率較低，在26.0 %～28.0 %。渣洗試樣屈服強度在434～460 MPa， 抗拉強度487～522 MPa， 與未渣洗試樣相比變化不大，但斷后伸長率明顯提高，達到29.0 %～31.0 %。

表5為未渣洗與渣洗工藝試樣冷軋產品力學性能檢測結果。冷軋產品性能要求屈服強度不低于335 MPa， 抗拉強度不低于440 MPa， 斷后伸長率不小于18 %。未渣洗試樣厚度1.0 mm， 屈服強度398～410 MPa， 抗拉強度441～458 MPa， 斷后伸長率15 %～16 %，力學性能滿足指標，但斷后伸長率不合格。渣洗工藝試樣厚度1.0 mm、1.2 mm， 屈服強度401～413 MPa， 抗拉強度461～489 MPa， 斷后伸長率19 %～20 %，滿足了產品對斷后伸長率的要求。

3 結 論

1）通過對比未渣洗與渣洗工藝吹氬前后鋼液氧、氮含量可以發現，未渣洗鋼液吹氬后w（T.O）=36×10-6，渣洗鋼液吹氬后w（T.O）= 28×10-6，w（T.O）下降了22.2%，說明渣洗工藝對鋼液脫氧及夾雜物去除有明顯效果。

2）對未渣洗與渣洗工藝過程及鑄坯不同位置顯微夾雜物分析可以發現，吹氬前后顯微夾雜物數量密度降低明顯，未渣洗吹氬后顯微夾雜物65個/mm2，渣洗吹氬后顯微夾雜物16個/mm2；未渣洗鑄坯顯微夾雜物數量密度為21.3個/mm2，渣洗工藝鑄坯中平均顯微夾雜物數量密度為15.7個/mm2，說明渣洗工藝對鑄坯潔凈度提升改善明顯。

3）對鋼中夾雜物類型進行分析可以發現，未渣洗試樣夾雜物評級較高，A類夾雜物在2.0～2.5，個別試樣還出現了較大的B類夾雜物，而采用渣洗工藝后，夾雜物評級明顯降低，A類夾雜物降低到1.0～1.5，B類夾雜物降低到0.5～1.0。

4）對熱軋、冷軋產品力學性能分析發現，未渣洗工藝熱軋板材斷后伸長率26.0 %～28.0 %，通過渣洗后試樣斷后伸長率達到了29.0 %～31.0 %，未渣洗冷軋產品斷后伸長率15 %～16 %，渣洗工藝試樣斷后伸長率19 %～20 %，伸長率提升明顯，但強度整體變化不大，滿足客戶使用要求。

本文摘自《煉鋼》2023年第6期