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IF钢铸坯表层洁净度研究

田恩华1，崔衡1，尤大利1，王振炜1，杜建新2

(1.北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083；2.北京科大恒兴高技术有限公司，北京 100083)

摘 要：采用金属原位分析仪(OPA-100)对国内某厂同浇次不同浇铸阶段(开浇头坯、正常坯、浇铸末期尾坯)的IF钢铸坯表层非金属夹杂物含量及夹杂物粒径分布进行了研究分析。结果表明：铸坯内弧和外弧表层非金属夹杂物含量及粒径的趋势基本吻合。铸坯中铝系夹杂物含量：头坯>尾坯>正常坯，正常坯中铝系夹杂物含量稳定，处于非稳态浇铸期的头坯和尾坯中铝系夹杂物含量波动较大，在距铸坯表面5.6mm之后逐渐减小；铸坯中铝系夹杂物的平均粒度和大于5μm的夹杂物所占比例均随着距铸坯表面距离的增加而减小。

关 键 词：OPA；IF钢；夹杂物；非稳态浇铸

由于IF钢中没有间隙原子，具有优越的深冲性能和非时效性，而广泛应用于汽车面板的生产[1-2]。为了保证IF钢产品良好的表面质量，不仅要严格满足成分要求，对钢中非金属夹杂物的要求也非常严格[3]，尤其要严格控制铸坯表层的非金属夹杂物。

1 研究方法

1.1 工艺条件

某钢厂生产IF钢的流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉→RH真空精炼→连铸。连铸机的工艺参数见表1。

1.2 取样方法

本试验浇次共4个炉次，取本试验浇次的第一炉第一块铸坯(头坯)，第二炉第一块铸坯(正常坯)，最后一炉最后一块铸坯(尾坯)。试验浇次中间包钢水化学成分如表2所示。

在每块铸坯的内弧、外弧分别取金属原位分析试样，金属原位分析试样尺寸为80mm×60mm×40mm。其中60mm为拉坯方向，80mm为铸坯宽度方向，位置为宽度方向铸坯边部处，40mm为铸坯厚度方向，位置为内(外)弧至厚度方向40mm。在试验进行之前，首先要去掉铸坯表面的氧化铁皮，氧化铁皮的厚度大约为0.8mm，之后每次试验刨掉1.6mm，刨削加工4次，在每次加工后均采用金属原位分析仪对试样表面进行走行扫描分析。

1.3 分析方法

1.3.1 金属原位分析

采用金属原位分析仪(OPA-100)对表层的非金属夹杂物含量及粒度进行分析测定[4-5]。OPA-100基本工作参数见表3[4-5]。

金属原位分析仪在试样表面扫描检测到非金属夹杂物时，反映该夹杂物组成元素的光谱强度会出现异常增加(通称为异常信号)。异常信号的净强度值与夹杂物的粒径分布有相关性，而异常信号的相对频数则与夹杂物含量具有相关性。通过统计分析异常信号的净强度和其出现频度可以获得夹杂物的含量和粒度，其数学表达式见式(1)、式(2)[4-5]。

D=t2／t1×I+D0                    (2)

式中，ω(Al)为铝系夹杂物的质量分数，%；ω(Alt)为钢中全铝质量分数，%；I＇为异常火花强度；I0为总体平均强度；P＇为异常频数；Pt为火花总频数；D为夹杂物粒径；D0为夹杂物粒径阈值；t1、t2为常数项。

1.3.2 金相法分析

在光学显微镜下观察和统计夹杂物的数量、尺寸分布。对所有金相试样(12mm×12mm×10mm)进行粗磨、细磨和抛光后，在金相显微镜下放大500倍，各观察50个视场，对不同粒径夹杂物的数量进行统计。

1.3.3 扫描电镜和能谱仪分析

对表面抛光好的金相试样(12mm×12mm×10mm)，用ZEISS ULTRA 55热场发射扫描电子显微镜观察典型夹杂物的形貌和尺寸，并用X射线能谱仪分析夹杂物成分。

2 试验结果及讨论

2.1 铝系夹杂物含量分析

图1为距内弧、外弧表面不同距离的铝系夹杂物含量。可以看出，头坯的铝系夹杂物含量均高于同浇次其他铸坯，这主要是由于此时处于开浇阶段，发生了较严重的卷渣和二次氧化。夹杂物在中间包内没有足够的上浮时间而被凝固坯壳捕获，同时，中间包覆盖剂和结晶器保护渣还没有及时熔化、铺展，还没有形成稳定的熔渣层而不足以防止二次氧化，且当液面波动大时由于液渣层较薄而更易引起卷渣，致使头坯铝系夹杂物含量较高。

由图1还可以看出，铸坯内弧和外弧表层铝系夹杂物含量的趋势基本吻合。正常坯中铝系夹杂物含量比较稳定，在距离铸坯表面2.4mm之后，随着距铸坯表面距离增加，铝系夹杂物含量逐渐减小。头坯和尾坯中铝系夹杂物含量，随着距铸坯表面距离的增加而上下波动，在距离铸坯表面5.6mm之后，铸坯中铝系夹杂物含量明显降低，这主要是由于头坯和尾坯处于非稳态浇铸阶段，发生了卷渣和二次氧化，造成铸坯中铝系夹杂物含量波动较大。

建议头坯和尾坯的扒坯深度大于5.6mm，正常坯扒坯深度大于2.4mm，但由于只对一个浇次的铸坯进行了分析，还不足以对该钢种的扒坯深度提出指导性原则，下一步还需加大试验样本量。

2.2 铝系夹杂物粒度分析

正常坯距铸坯内外弧表面不同距离的铝系夹杂物粒度如图2所示。可以看出，与铸坯内弧和外弧表层非金属夹杂物含量相同，内弧和外弧铝系夹杂物粒径的趋势也基本吻合。

由图2a可以看出，随着距内弧表面距离的增加，其铝系夹杂物平均粒径越来越小，在距内弧0.8mm表面处铝系夹杂物的平均粒径最大，为7.086μm，在距内弧7.2mm表面处铝系夹杂物平均粒径最小，为4.215μm；大于5μm的铝系夹杂物所占比例也越来越小，在距内弧0.8mm表面处所占比例为52.18%，到距内弧7.2mm表面处降到30.60%，两者变化规律一致。

由图2b可以看出，随着距外弧表面距离的增加，其铝系夹杂物平均粒径越来越小，在距内弧0.8mm表面处铝系夹杂物的平均粒径最大，为7.108μm，在距内弧7.2mm表面处铝系夹杂物平均粒径最小，为2.074μm；大于5μm的铝系夹杂物所占比例也越来越小，在距内弧0.8mm表面处所占比例为52.83%，到距内弧7.2mm表面处降到6.18%，两者变化规律一致。

2.3 显微夹杂物粒径分布分析

在距铸坯表面5.6mm处取金相试样，进行粗磨、细磨和抛光后，采用传统“数夹杂”的方法，对各个坯次的金相试样进行统计，得到了显微夹杂物的粒径分布情况。之前的研究表明，铸坯内弧和外弧非金属夹杂物的含量和粒径趋势都基本吻合。因此，此处只对铸坯内弧的夹杂物粒径分布进行分析。

图3是金相法统计的铸坯内弧夹杂物的粒径分布情况。其中，各铸坯小于3μm的夹杂物所占比例最大，平均达到84%。头坯中小于3μm的夹杂物所占比例大于其他坯次，随着夹杂物粒径范围的递增，头坯中夹杂物其所占比例逐渐减小，且小于其他坯次。与之相反，正常坯中小于3μm的夹杂物所占比例小于其他坯次，随着夹杂物粒径范围的递增，正常坯中夹杂物其所占比例逐渐减小，但大于其他坯次。

金属原位分析得到的距内弧5.6mm表面铝系夹杂物粒径分布如图4所示。小于3μm和3～5μm的铝系夹杂物所占比例最大，分别占到32.73%和30.82%，小于3μm的铝系夹杂物所占比例远远小于金相法统计结果。10～15μm和大于15μm的铝系夹杂物所占比例分别达到4.42%和4.58%，比金相法统计结果高很多。这是由于金相法统计视场面积总和小于金属原位分析统计的面积，且金相法不易发现较大尺寸夹杂物，金属原位分析是统计更大面积中的全部夹杂物，更容易发现较大尺寸夹杂物。因此，金属原位分析发现的10～15μm和大于15μm的铝系夹杂物所占比例比金相法高很多，从而得到的小于3μm的夹杂物所占比例远小于金相法统计结果。与金相法统计结果一样，随着夹杂物粒径区间的增大，头坯相应的铝系夹杂物所占比例相对越来越低。

但这并不能说明头坯中大尺寸铝系夹杂物含量就少，结合金属原位分析得到的铝系夹杂物含量结果进行分析，头坯中大于5μm的铝系夹杂物质量分数为13.35×10-6，而尾坯和正常坯中分别为6.08×10-6和5.88×10-6，因此，头坯中大尺寸铝系夹杂物含量也高于其他坯次。

2.4 铸坯中典型夹杂物分析

铸坯中显微夹杂物主要有：Al2O3、TiN以及Al2O3-TiN复合夹杂物。Al2O3夹杂物是IF钢中比较普遍的一种夹杂物，主要有2种形态：块状和群簇状。块状Al2O3夹杂物主要为脱氧产物，数量较多，尺寸较小，一般在10μm以下；群簇状Al2O3夹杂物，主要是块状的Al2O3夹杂物聚集长大而成，尺寸较大，一般在20μm以上。TiN夹杂物也是IF钢中比较普遍的一种夹杂物尺寸较小，多数在5μm以下，其主要呈方形，少数呈多边形，TiN夹杂物主要是在钢液降温冷却凝固过程中形成的。Al2O3-TiN复合夹杂物是以Al2O3为TiN的异质形核核心，外围大多为方形TiN，少数为多边形，此类夹杂物尺寸较小，在钢中大量分布。

3 结论

1)头坯中铝系夹杂物含量明显高于尾坯及正常坯，正常坯中铝系夹杂物含量比较稳定，头坯和尾坯由于处于非稳态浇铸阶段，造成铸坯中铝系夹杂物含量波动较大，在距铸坯表面5.6mm之后逐渐减小。

2)铸坯中铝系夹杂物平均粒径和大于5μm的铝系夹杂物所占比例变化规律一致，均随着距铸坯表面距离的增加而减小。

3)铸坯中的纯Al2O3夹杂物主要有2种形态：块状和群簇状，群簇状夹杂物尺寸较大，对铸坯质量影响较大。出现较多的夹杂物还有纯TiN及Al2O3-TiN复合夹杂物，其尺寸都较小。

参 考 文 献：

[1]   崔衡，岳峰，包燕平，等.IF钢连铸头坯洁净度研究[J].钢铁，2010，45(3)：38—41.

[2]   马衍伟，王先进.超深冲IF钢研究的最新进展[J].钢铁，1998，33(4)：65—69.

[3]   WANG M，BAO Y P.CUI H，et al.Surface cleanliness eval-uation in Ti stabilized ultralow carbon(Ti-IF)sreel[J].Ironmaking and Steelmaking，2011，38(5)：386—390.

[4]   张秀鑫，贾云海，陈吉文，等.钢中铝夹杂物原位统计分布分析的判据方法[J].冶金分析，2006，26(6)：1—4.

[5]   张秀鑫，贾云海，陈吉文，等.钢中铝夹杂物粒径的原位统计分布分析[J].冶金分析，2009，29(4)：1—6.