摘要：小转炉由于出钢挡渣、钢水吹氩搅拌不规范、钢中夹杂物上浮时间不足、浇钢系统保护不好，造成钢中夹杂物含量高，特别是大型氧化物夹杂数量多；外来夹杂的尺寸大，对钢材性能危害严重，这些问题是小转炉钢质量差的重要原因。小转炉钢的清洁度低，不能满足生产优质钢材的要求。

关键词：转炉；气体；夹杂；清洁度

容量在30 t以下的小转炉在我国转炉钢产量中约占35％。这部分钢厂为了解决当前生产中存在的钢质量问题和开发高附加值钢种，与钢铁研究总院合作进行了钢的清洁度调查研究。调研当中，在转炉一连铸生产流程的关键部位进行了取样，对各部位所取钢样进行了化学成分、电解夹杂、大型氧化物夹杂、图像分析等多方面的分析、检测。调研结果表明，小型转炉钢工艺流程所生产的钢材气体、夹杂物含量偏高，是目前这类钢厂产品质量缺陷的重要原因，满足不了优质钢生产的要求。

1  小转炉钢清洁度调研的主要内容

    调研工作是在3个转炉钢厂进行的，工厂代号分别以SC、SE和SM表示。转炉容量在20～30 t，在小转炉钢厂中有代表性。本次调研所选钢种及冶炼成分见表1。

    表1中各钢厂所选的钢种都是该单位的主要产品，或者是当前钢的质量缺陷较多的品种。这几个品种占小转炉钢产量的85％以上，是有代表性的钢种。

    本次调研在炼钢生产流程中取样地点和检测项目见表2。

2钢中的气体含量

2．1钢中的氧含量

    转炉生产过程中钢中氧含量的变化见表3。

    表3中的氧含量是指钢中总氧量，包括夹杂物中的氧和钢中溶解氧。3个钢厂转炉吹炼终点钢中ω(C)=0．03％～0．07％，ω(O)=0．035％～0．010％。吹炼终点钢中ω([C]×[O])×10⁴值在(25～45)×10^-4范围内。3个钢厂中SC厂ω([C]×[O])×10⁴值为(25～26)×10^-4，比较接近平衡值，SM厂的ω([C]×[O])×10⁴值则与平衡值相差较远，为(32～45)×10^-4。

    转炉吹炼终点钢中氧含量与吹炼枪位、终点前降枪时间、冶炼钢种含碳量、补吹次数等因素有关。吹炼终点时钢中氧含量高，使合金烧损大，生成的氧化物夹杂量多，对提高钢的清洁度不利。转炉出钢过程中进行脱氧合金化，吹氩搅拌后钢中平均ω(O)=0．026％，为吹炼终点钢中氧质量分数的37．4 %。在此过程中转炉下渣量和吹氩搅拌状况对吹氩后钢中含氧量影响最大。小转炉挡渣不好时，盛钢桶内渣层厚度可超过120 mm。挡渣效果良好时渣层厚度可减少到50 mm。为有效地去除夹杂物，吹氩搅拌时间应不少于5 min。目前小转炉钢厂吹氩时间不到3 min。大型转炉在盛钢桶内微调钢水成分，其吹氩时间在15 min以上。小转炉的冶炼周期在25 min以内，吹氩时间经常不能保证。

    所调查的3个小转炉厂盛钢桶与中间包之间都未密封，钢水由中间包到结晶器只有SC厂装有长水口，但其密封效果也不好。在此过程钢水中的Si、Mn继续脱氧，同时钢中夹杂物上浮和钢水被空气二次氧化等作用也在进行。从总的结果看是钢中总氧含量继续下降，如图1所示。

    总体来看，小转炉炼钢一连铸一钢材流程总氧含量偏高。优质钢中间包钢水氧质量分数应在50×10^-6以下，本次调研中间包钢水氧质量分数平均为148×10^-6，约比优质钢高2倍。

2．2钢中氮含量变化

    试验所取钢样的氮含量见表4。

    由表4可见，转炉吹炼终点钢中氮质量分数在(10～23)×10^-6之间，平均氮质量分数14×10^-6。终点钢水中氮含量较低与这3个钢厂的转炉供氧强度高有关(大于4．0m³／(t·min))。高供氧强度吹炼时，熔池沸腾激烈，有较强的清洗钢中氮的作用。生产过程中钢中氮含量变化如图2所示。本次调研钢材中气体含量与济钢所发表的结果相近。

  转炉出钢、脱氧合金化、吹氩搅拌及连铸过程，钢中氮含量都在增加。钢材氮质量分数为(22～51)×10^-6，平均37×10^-6，较转炉吹炼终点增加1．64倍。钢水增氮主要来自空气吸氮和铁合金所带人的氮。其中可控制的因素包括出钢口良好维护，吹氩搅拌时钢水不能裸露过多，浇钢系统良好的密封。

2．3  钢中稳定性氧化物夹杂

    用电解法所测得的钢中夹杂物中的稳定性氧化物总量及分量数据见表5。电解夹杂试样加工成Φ10mm长100 mm的圆棒。

    在电解中有少量不稳定夹杂物未包括在表5中。将电解法分离出的夹杂物用原子吸收光谱法可以得到夹杂物的化学成分。对夹杂物进行相分析，可得到其矿相组成。

2．4连铸坯中大型氧化物夹杂

    由于大颗粒夹杂对钢的危害严重，定量的研究大颗粒夹杂日益引起人们的重视。钢中大型氧化物夹杂是用大样电解法测定的。试样重量一般在2～5 kg，电解时间需半个月。大样电解后的阳极泥量较大，可用淘洗法把碳化物洗掉，使夹杂物不被破坏，可按夹杂物的粒径分级。其缺点是不能完全保留云雾状的αAl₂O₃夹杂。电解法测得的钢中大型氧化物夹杂状况见表6。

    图3是SC厂Q235钢中的大型氧化物夹杂照片，图4是SC厂20MnSi钢中的大型氧化物夹杂照片，图5是SE厂16Mn钢中的大型氧化物夹杂照片。

    从表6中可以看出，连铸坯中大型氧化物夹杂的总量都偏高，其中SE厂Q235的大型氧化物夹杂总量达到115．77×10^-6，16Mn外弧的大型氧化物夹杂总量达到110．83×10^-6。夹杂中直径大于140μm的分别90．68％和98．32 %。SE厂的板坯大型氧化物夹杂总量相当于RH精炼钢水的5倍以上。SE厂连铸坯中大型氧化物夹杂量很高，与浇钢过程中(从盛钢桶至中间包，中间包至结晶器)钢流没有保护，钢水严重二次氧化有关。大型氧化物夹杂数量过高，使钢板在直角弯曲时角部产生裂纹，导致产品报废。SC厂的Q235和20MnSi方坯中大型氧化物夹杂的总量稍低于SE厂，但也属于高夹杂含量范围。SC厂的钢水由盛钢桶至中间包没有保护，由中间包至结晶器有保护但密封不好，钢水仍受到氧化。

    Q235连铸坯中的大型氧化物夹杂以SiO₂为主，呈透明或半透明球形。16Mn的夹杂基本上是球形，表面较为粗糙，红褐色不透明。有的夹杂顶部有空洞，表明夹杂物是在钢流旋转过程中形成的。

    外来夹杂没有一定的形状，其尺寸都比较大。主要是剥落的耐火材料、卷入钢中的保护渣等。其颜色、光泽随物料的性质而不同。图3中的大块片状物即为外来夹杂。外来夹杂由于其尺寸大，对钢材的危害性更大。

    正常情况下大于100μm的夹杂物在钢中很少见。本次调研大于140 μm的夹杂数量很大，其中多数大于300μm，这表明小转炉连铸坯的清洁度很差。这是小转炉钢材缺陷多的重要原因。如拉丝断头、钢板弯曲时的角裂、钢筋脆断、带钢分层等都与钢中有大量大颗粒氧化物夹杂有关。

    从夹杂物组成看，Q235、SL钢中的夹杂物含SiO₂质量分数很高。夹杂物的成分点在MnO-SiO₂一A1₂O₃相图中位于方石英的A区域内。16Mn和20MnSi的夹杂物中SiO₂含量有所减少，MnO的含量增加，属于复合夹杂。16Mn、20MnSi夹杂的熔点稍低于Q235和SL的夹杂。由于夹杂物中还有其它化合物，所以其实际熔点低于相图上成分点的熔点。在炼钢温度下，上述夹杂物都呈液体状态。16Mn和20MnSi的夹杂容易聚合成较大的颗粒。如果夹杂物的成分点能落在相图中部的锰铝石榴石范围内，则其熔点更低，更容易聚合而上浮。

2．5钢中硫化锰夹杂

  钢中硫形成硫化锰可减少硫对钢的危害性。用电解法测得的钢中硫化锰夹杂含量如表7。

    由表7可见，钢中MnS夹杂的含量与钢中硫含量成正比。在碳素钢和含Mn低合金钢中硫几乎全部以硫化锰的形式存在。在调研的3个钢厂中SE厂的钢中MnS夹杂量最少，其原因是该厂钢中含硫低。SC厂和SM厂如生产优质钢，应进行铁水脱硫。

2．6  图像分析

    生产过程中不同工艺环节所取钢样的图像分析结果如表8。

    表中数据是50个视场检测结果的平均值。调研所取钢样检测了夹杂物总面积与视场面积之比，夹杂物长度、频率分布及夹杂物个数等。连铸中间包内钢水的夹杂物总面积与夹杂物最大长度检测数值多数都低于盛钢桶吹氩后的钢水。这表明从吹氩结束到中间包期间，钢中夹杂物上浮的数量多于钢水氧化所产生的新夹杂。

    大多数炉次成品钢材的夹杂物长度都在50μm以上。SM厂的夹杂物最大长度达到386．5μm，较优质钢高7倍。

3改进措施

    (1)规范转炉吹炼、出钢挡渣、钢包吹氩及浇钢系统密封等工艺环节，减少夹杂物生成和促进其从钢水中排除。

    (2)采用铁水脱硫技术(KR法或喷吹法)，正常情况下可将铁水硫脱到ω(S)<0．01％；如生产低硫钢可将铁水硫脱到ω(S)=0．002％。

    (3)在技术改造中扩大转炉容量到80t，降低转炉生产节奏。根据产品要求采用钢包炉、VD或RH等不同类型的精炼设备，可以把钢中总氧质量分数降低到50× 10^-6以下。

    (4)政府利用调控手段，不再新建30 t以下小转炉。国营企业淘汰的小转炉不允许地方或私营企业重新用作冶炼设备。

4结论

    (1)小转炉由于出钢挡渣、盛钢桶内吹氩搅拌不规范、浇钢系统钢水不保护或密封不好等问题，使钢中夹杂物比优质钢高1～2倍。

    (2)Q235钢的夹杂物主要是SiO₂很高呈白色透明状态的方石英，16Mn和20MnSi的夹杂物是含有MnO的鳞石英，由于含有MnO及其它氧化物，呈褐色。这两种夹杂都是钢液凝固过程中所形成的内生夹杂。

    (3)钢中夹杂物尺寸大于140 μm的大型氧化物夹杂的数量多，是造成小转炉钢的质量缺陷的重要原因。

    (4)小转炉生产的条形钢材产品(钢筋、圆钢)的夹杂物长度达到386．5μm，为优质钢材的7倍。目前小转炉的工艺流程不适于生产优质钢。

    (5)外来夹杂物的个数较少，但尺寸较大，对钢材的危害严重。应选择优质耐火材料，性能良好的保护渣，以减少外来夹杂。

    (6)如生产优质钢应增加铁水脱硫和炉外精炼设备，以减少钢中硫化物和氧化物夹杂，有效地提高钢的清洁度。

    (7)用较高的原料和能源消耗生产清洁度低的钢是严重浪费，国家应从宏观调控方面加以限制。