連鑄坯非金屬顯微夾雜物體積率分析

1、第31卷 第1期Vol.31l.1稀 有 金 屬CHINESEJOURNALOFRAREMETALS2007年2月Feb.2007連鑄坯非金屬顯微夾雜物體積率分析王洪利,邸光明,王碩明,劉憲民1*234(1.天津大學(xué)熱能研究所,天津300072;2.承德盛豐鋼鐵有限公司,河北承德067000;3.河北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009;4.石家莊鋼鐵公司技術(shù)中心,河北石家莊050031)摘要:借助掃描電鏡和示蹤法,利用金相學(xué)體積率法對(duì)BOF-LF-VD-CC流程生產(chǎn)的GCr15方坯連鑄軸承鋼和SS400板坯連鑄中碳鋼中非金屬顯微夾雜物的類型、特點(diǎn)、數(shù)量和分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,GC

2、r15軸承鋼顯微夾雜體積分?jǐn)?shù)為0.03%,SS400板坯顯微夾雜體積分?jǐn)?shù)為0.025%;05Lm的夾雜占兩種鑄坯夾雜物的比例最大,決定了鑄坯內(nèi)弧至外弧夾雜物分布的特點(diǎn)。10Lm的夾雜所占比例很小,在1%4.5%。關(guān)鍵詞:非金屬顯微夾雜物;示蹤法;體積分?jǐn)?shù);連鑄坯中圖分類號(hào):TF777.2;TF777.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0258-7076(2007)01-0047-06隨著工業(yè)迅速發(fā)展,鋼材需求日益增大、質(zhì)量要求日益提高。鋼中非金屬顯微夾雜物1的類型、數(shù)量、尺寸及分布對(duì)鋼的力學(xué)性能和使用性能影響很大,尤其對(duì)軸承鋼的疲勞強(qiáng)度非常有害2,3。鋼中即使很少量的非金屬顯微夾雜物,亦足以影響金

3、屬的機(jī)械性能,降低材料的質(zhì)量4鋼包渣、中間包覆蓋劑、中間包打結(jié)料中分別加入Ba,La,Ce示蹤元素,并利用結(jié)晶器保護(hù)渣中含有的Na和K元素進(jìn)行夾雜物來(lái)源分析。1.2 試樣加工金相樣在鑄坯寬度方向的1/4處沿內(nèi)弧到外弧方向切取,切成20mm20mm20mm的金相樣8個(gè),見(jiàn)圖1。本次試樣GCr15軸承鋼方坯和SS400中碳鋼板坯化學(xué)成分如表1所示。以往,非金屬顯微夾雜物多采用面積統(tǒng)計(jì)法,計(jì)算量大且當(dāng)量直徑轉(zhuǎn)換復(fù)雜,使得面積法使用受到一定限制;而利用金相學(xué)體積率法5,具有簡(jiǎn)便、直觀和統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度高的優(yōu)點(diǎn),對(duì)進(jìn)一步提高非金屬顯微夾雜物6,7的分析有一定的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)上述問(wèn)題,本文分別以唐鋼150t轉(zhuǎn)爐流

4、程生產(chǎn)的SS400連鑄板坯和石鋼50t轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)的GCr15軸承鋼連鑄方坯為研究對(duì)象,用金相學(xué)體積率法進(jìn)行分析,同時(shí)也為轉(zhuǎn)爐流程連鑄坯非金屬顯微夾雜物8,92 顯微夾雜分析2.1 GCr15顯微夾雜的形貌及組成的研究提供基礎(chǔ)資料。1 金相試樣選取及加工1.1 試樣選取本次金相試樣分別取自50t轉(zhuǎn)爐(試驗(yàn)鋼種GCr15)和150t轉(zhuǎn)爐(試驗(yàn)鋼種SS400)連鑄坯。為了提高金相試樣中非金屬顯微夾雜物來(lái)源判斷的準(zhǔn)確性,采用了示蹤劑追蹤。分別在兩組澆注試驗(yàn)的y收稿日期:2006-04-05;修訂日期:2006-06-20圖1 金相試樣制備示意方案Fig.1 Sketchofmetallographi

5、csample基金項(xiàng)目:國(guó)家科技部重點(diǎn)推廣項(xiàng)目(2004EC000059);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(502265)作者簡(jiǎn)介:王洪利(1976-),男,唐山樂(lè)亭人,博士研究生c48稀 有 金 屬31卷通過(guò)Me-f3萬(wàn)能金相顯微鏡觀察和KYKY-2800型掃描電子顯微鏡及能譜分析,鑄坯中檢測(cè)出5類顯微夾雜10,11鉻的復(fù)合氧化物)、e類硫化鈣夾雜。其形貌和能譜分析結(jié)果如圖2,3和表2所示。2.2 SS400顯微夾雜的形貌及組成鑄坯中主要檢測(cè)出兩類顯微夾雜物:f類氧化鋁夾雜和g類鈣鋁酸鹽夾雜。其中,鈣鋁酸鹽夾雜物從形貌上可分為兩種,顯微鏡下夾雜物基體有:a類鉻鈣酸鹽夾雜(群落狀含Si,Al,Ca

6、,S的鉻的復(fù)合氧化物)、b類鉻硅酸鹽夾雜(球形含Si,Al,Ca,S的鉻的復(fù)合氧化物)、c類鉻錳酸鹽夾雜、d類Al2O3夾雜形貌(含Si,Al,Mn的表1 GCr15和SS400金相試樣化學(xué)成分(%)Table1 ChemicalcompositionofGCr15andSS400metallographicsampleSpecimensGCr15SS400C0.960.20Si0.210.045Mn0.290.26Cr/Ca1.44/-S0.007P0.0090.022Ni+Cu0.026-Al/Als0.023/-Mo0.0004-/0.00170.0030.018/0.016-圖2 GC

7、r15鑄坯中顯微夾雜物的形貌Fig.2 Morphologyofmicro-inclusionsinGCr15slab(a)Calciumchromateinclusions;(b)Siliconchromateinclusions;(c)Manganesechromateinclusions;(d)Aluminumsoxideinclusions圖3 GCr15鑄坯中顯微夾雜物能譜圖Fig.3 EDSofmicro-inclusionsinGCr15slab(a)Spectrometricgraphofcalciumchromateinclusions;(b)Spectrometricgra

8、phofsiliconchromateinclusions;(c)Spectrometricgraphof1期 王洪利等 連鑄坯非金屬顯微夾雜物體積率分析 49發(fā)亮區(qū)域,從而構(gòu)成3CaO#Al2O3;夾雜物基體為均質(zhì)顏色,從而構(gòu)成12CaO#7Al2O3。其形貌和能譜分析結(jié)果如圖4,5和表3所示12。3 體積率分析體積率法是對(duì)各類測(cè)量夾雜物粒子的體積和表面積的比值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法。本文采用體圖4 SS400鑄坯中顯微夾雜物的形貌Fig.4 Morphologyofmicro-inclusionsinSS400slab(a)Morphologyofaluminumsoxideinclusion

9、s;(b)Morphologyofcalciumaluminatesinclusions圖5 SS400鑄坯中顯微夾雜物的能譜圖Fig.5 EDSofmicro-inclusionsinSS400slab(a)Spectrometricgraphofaluminumsoxideinclusions;(b)Spectrometricgraphofcalciumaluminatesinclusions表2 GCr15鑄坯中顯微夾雜物能譜分析結(jié)果(%)Table2 EDSresultsofmicro-inclusionsinGCr15slab(%)ElementsabcdeAl0.210.280.4

10、511.160.11Si0.530.410.490.680.79S0.440.27-0.1941.6Ca0.620.200.070.2755.64Cr6.872.762.211.77-Fe90.7195.5995.9284.620.85Mn-0.590.390.95Ba-0.28-La0.150.490.270.34-Na/K0.47/0-0.08/0.220/0.06表3 GCr15鑄坯中顯微夾雜物能譜分析結(jié)果(%)Table3 EDSresultsofmicro-inclusionsinGCr15slabElementsAl2O33CaO#Al2O312CaO#7Al2O3Mg-0.83A

11、l28.8417.3513.35Si-0.070.17S-0.470.37Ca-42.1419.46Fe29.916.2132.39Mn-0.24Ba0.35-La0.22-Ce-Na/K-0.07/0.0750稀 有 金 屬31卷積率法對(duì)金相試樣顯微夾雜物進(jìn)行分析。顯微夾雜物的數(shù)量、類型和粒徑沿鑄坯內(nèi)弧至外弧厚度方向的分布分別如圖611所示。由圖6,7,GCr15軸承鋼連鑄坯顯微夾雜總體積率為0.03%,其中:a類鉻鈣酸鹽夾雜28%,b類鉻硅酸鹽夾雜33.5%,c類鉻錳酸鹽夾雜3215%,d類Al2O3夾雜4.6%,而e類硫化鈣夾雜不足1.4%。顯微夾雜主要為a,b,c3類,均多為脫氧產(chǎn)物。

12、其中a,b類占61.5%,化學(xué)成分接近,區(qū)別主要在于Cr和Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異及示蹤元素種類的區(qū)別。c類占32.5%,該類夾雜含Mn較高,但未達(dá)到錳硅比的合理范圍,在脫氧過(guò)程中仍未完全形成低熔點(diǎn)液態(tài)復(fù)合脫氧產(chǎn)物上浮排除。d類占4.6%,主要為Al2O3夾雜,以塊狀形式獨(dú)立存在,多為10Lm夾雜不足1%;SS400中碳鋼板坯中,05Lm夾雜占約86%以上,510Lm占約9.5%,而10Lm夾雜不足415%。顯微夾雜在鑄坯內(nèi)外弧上的分布趨勢(shì)為鑄坯內(nèi)弧夾雜物含量較高,且在距內(nèi)弧的1/53/5處出現(xiàn)夾雜物聚集區(qū),形成這種分布主要是05Lm夾雜的分布所致。說(shuō)明5Lm夾雜物在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的鋼包流場(chǎng)、中間包流場(chǎng)、

13、大半徑連鑄機(jī)且具有電磁攪拌功能的結(jié)晶器中能夠較好的上浮,而05Lm夾雜上浮不充分13。由圖9,10,SS400連鑄坯顯微夾雜總體積率為0.025%,各類夾雜比例為:f類Al2O3夾雜占14137%,g類鈣鋁酸鹽夾雜占85.63%,其中,3CaO#Al2O3類夾雜占23.46%,12CaO#7Al2O3類夾雜占62.17%。g類夾雜的分布特點(diǎn)決定了SS400鑄坯中夾雜的分布趨勢(shì)。GCr15軸承鋼顯微夾雜中,含示蹤元素La的夾雜物占總測(cè)試數(shù)的98.15%;含Na和K的占總測(cè)試數(shù)的31.5%;含Ba的占總測(cè)試數(shù)的5.57%。含2種以上示蹤元素的顯微夾雜占總測(cè)試數(shù)的32.9%。說(shuō)明有1/3的顯微夾雜物

14、在鋼液中相互碰撞聚集長(zhǎng)大141%;SS400中碳鋼板坯中,05Lm的夾雜占約86%以上,510Lm占約9.5%,而10Lm的夾雜不足4.5%。鑄坯顯微夾雜的分布特點(diǎn)主要有05Lm的夾雜決定。5Lm夾雜物在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的鋼包流場(chǎng)、中間包流場(chǎng)、大半徑連鑄機(jī)且具有電磁攪拌功能的結(jié)晶器中能夠較好的上浮去除,顯著地提高了鋼的潔凈度。3.SS400板坯夾雜物中,Al2O3夾雜占14137%、鈣鋁酸鹽夾雜占85.63%,其中,3CaO#Al2O3類夾雜占23.46%,12CaO#7Al2O3類夾雜占62.17%。4.金相試樣顯微夾雜成分復(fù)雜且?guī)缀跞亢聚櫾?說(shuō)明非金屬顯微夾雜并不是通過(guò)單一渣子形成的,而是通

15、過(guò)多種熔渣不斷聚集、吸附、碰撞而成。其中,中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣、鋼包渣對(duì)夾雜物的影響逐漸減小。參考文獻(xiàn):1 KiedsslingR. Non-MetallicInclusioninSteelM.London:Met.Soc.,1978.2 MurakamiY,KodamaS,KonumaS. Basicfatiguemechanismandevaluationofcorrelationbetweenthefatiguefracturestressandthesizeandlocationofnon-metallicinclusionsJ.Int.J.Fatigue,1989,11(5):

16、296.3 楊建虹. 軸承鋼潔凈度對(duì)軸承疲勞壽命的影響J.軸承,2001,(9):28.4 LundT,AkessonJ. EffectofSteelManufacturingProcessesontheQualityofBearingSteelsM.Philadelphia:ASTM,1988.308.5 沈桂琴. 光學(xué)金相技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983.161.6。SS400板坯顯微夾雜中,含示蹤元素La的夾雜物占總測(cè)試數(shù)14.57%;含Na和K的占總測(cè)試數(shù)67.47%;含Ba的占總測(cè)試數(shù)15.13%。含2種以上示蹤元素的顯微夾雜占總測(cè)試數(shù)81.74%,說(shuō)明大多數(shù)顯微夾雜物來(lái)源廣泛

17、并在鋼液中相互碰撞、聚集、吸附長(zhǎng)大。兩種鑄坯顯微夾雜試樣中均沒(méi)有檢測(cè)到示蹤元素Ce,表明中包耐火材料、中包搗打料對(duì)鋼質(zhì)量影響很小。YoshiyukiK,TsutomuM. RecentbearingimprovementsinsteelcleanlinessinhighcarbonchromiumJ.ISIJInternational,1996,36(6):89.7 KaufmannB. SeparationofnonmetallicparticlesintundishesJ.SteelResearch,1993,64(4):203.8 SeijiNishi,etal. MeltingofCl

18、eanMaragingSteelbyVacuumIn-ductionMethodR.R&DKobeSteelReport,1989.9 戴云閣. 連鑄坯中的非金屬夾雜物J.鋼鐵釩鈦,1997,(9):34.10 張德堂. 鋼中非金屬夾雜鑒別M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1991.11 田白玉. 鋼中非金屬夾雜物及其金相鑒別J.機(jī)械產(chǎn)品與科技,2004,(4):31.124 結(jié) 論1.在現(xiàn)行工藝條件下,SS400連鑄板坯顯微夾雜物體積率平均為0.025%,GCr15軸承鋼顯微夾雜物體積率平均為0.03%,達(dá)到了較高的潔凈度水平。2.鑄坯中顯微夾雜粒徑較小。GCr15軸承鋼連鑄坯中,05Lm的夾雜占約

19、91.5%以上,510Lm徐 超,李國(guó)棟,王利剛. La0.8Ce0.2(Fe1-xCox)10.5Si2.5金屬J.有金屬,5229(6):927. 稀 有 金 屬 31卷14 周 凌. T-iCr合金中片狀相表面浮突的研究J.稀有金屬,2002,26(1):1.13 郭廣思,王廣太,隋智通. Ca-La2O3-Ni體系反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究J.稀有金屬,2005,29(6):934.VolumeRatioAnalysisofNon-MetallicMicro-InclusionsinCastingSlabWangHongli1*,DiGuangming2,WangShuoming3,LiuXianmin4(1.ThermalEnergyResearchInstitute,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.ShengfengIronandSteelCorp.,Chengde067000,China;3.SchoolofMetallurgyandEnergy,HebeiPolytechnicUniversity,Tangshan063009,China;4.TechniqueCenter,ShijiazhuangIronandStee