摘要：研究了准沸腾碳素焊条钢连铸坯的凝固结构以及铸坯中的夹杂物类型和分布情况，可对准沸腾钢铸坯有更深一步的认识，以便控制它的质量。

关键词：准沸腾钢；碳素焊条钢；连铸坯；凝固结构；夹杂物

碳素焊条钢要求碳、硅含量都很低，在无真空处理的条件下铝是最好的脱氧元素。但过高的铝将会恶化钢的焊接性能，因此采用钢水脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间，而进行弱脱氧的准沸腾钢工艺来生产该钢种，这样既可在保证残铝量ω(AI)≤0．008％前提下，又能使连铸能够顺利浇钢，并使钢坯的凝固过程不发生皮下气泡缺陷。

  唐山钢铁公司(以下简称唐钢)此钢种的生产工艺流程为：150 t转炉冶炼一钢包吹Ar并用Mn—Al、Fe—Mn、Si- Ca-Ba合金和喂Ca—Fe线、Ca-Al线进行脱氧和合金化→135 mm×135 mm小方坯连铸→高速线材轧制→成品盘条。

  为了提高铸坯质量，对铸坯进行了较全面的研究。

1取样

   共取8炉次有代表性的连铸坯试样，其大包钢水氧活度a_o数据见表1。

2铸坯的凝固结构及分析

2．1  铸坯的凝固组织

    由铸坯横断面的浸蚀试样观测到，铸坯急冷层一般在1．5～3．5 mm间，接着柱状晶一直生长到接近铸坯中心，中心等轴晶区宽约8～15 mm，上述情况分别见照片1～3。并且随铸坯气孔量增多冷却强度降低，柱状晶粗化。

    与一般铸坯的凝固组织相比较，本钢种铸坯凝同组织的柱状晶相当发达，几乎达到穿晶状态。形成原因主要是由于钢的成分中合金元素含量低，并且铸坯断面小冷却速度快，使凝固过程中溶质元素偏析轻，有利于柱状晶生长。

2．2  铸坯中的气孔

    准沸腾钢连铸凝固时，易形成铸坯表层皮下气孔，铸坯气孔会影响钢的轧制和深加工，因此应尽量避免形成气孔。

    准沸腾钢的脱氧程度要求控制在一个很狭窄的范围内。连铸时由于钢水含氧量控制不当，其含量偏高时，在凝固过程中温度降低使钢水中的溶质元素平衡受到破坏，连续地冷却使碳与氧不能达到新的平衡状态，于是CO气体不停地析出。最后析出的气体不可能浮出钢锭表面，滞留的气泡就形成与柱状晶共同生长的表层气孔。由于准沸腾钢仅析出少量CO气体，且铸坯内部凝固时钢水的压力增大，所以就阻碍气泡在铸坯内部生成，而仅在铸坯表层形成气孔。

    研究的5号样炉次脱氧不充分，造成铸坯表层向里约20mm的范围形成大量气孔，气孔的分布情况见横断面低倍酸浸试样的照片4。典型的气孔端头形貌见照片5。

    对取样各炉铸坯横断面低倍酸浸试样的气孔距表面最深距离的观测情况列在表2中。根据观测，在距铸坯表面4 mm处，平行于坯表面的纵剖试样(即观察面垂直于柱状晶和气孔生长方向),它能更好地反应出气孔的数量分布密度，在铸坯上述剖面的中间20 mm×18 mm的试样上气孔的数量分布及气孔直径大小情况也在表2中。

    通过表1大包钢水的a_o数据与表2气孔状；况参数相比较，可看到气孔的数量分布密度、孔径大小和气孔深度基本与钢中氧含量相对应，所以避免铸坯出现气孔的关键是控制钢中氧含量。

3铸坯中的非金属夹杂物

    焊条钢是用于制造各种焊条、焊丝的主要原材料，其盘条须经用户多次拉拔深加工，这就要求生产的钢材具有良好的拉拔性能，即均匀的材料性能，良好的塑性和冷加工性能。为了保证这些性能，要求钢具有较高的纯净度，尤其是钢中的大型夹杂含量要低。因此有必要对本钢种中的夹杂物进行较深入的研究，以便于生产过程中控制它的产生。

3．1  非金属夹杂物的检测

    大型夹杂物是影响焊条钢拉拔深加工的主要危害之一，用大样电解法制取钢中非金属夹杂物一电解的夹杂物见体视显微镜拍摄的照片9，将取得的夹杂物用电镜进行能谱分析。在此工作的基础上，又用金相法研究了钢中非金属夹杂物，选择典型夹杂物用电镜进行能谱分析。综合上述检测分析结果，可将夹杂物分为4种主要类型，其能谱分析结果见表3。

  第1类：二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物，金相照片6为二氧化硅或简单硅酸盐类夹杂物。

  第2类：深灰色复杂硅酸盐夹杂物，见金相照片7。其中5号试样中Zr含量较高，是受到耐火材料污染的结果。

    第3类：硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，有以硅酸盐相为基体附着硫化物的复相夹杂物，见电镜照片10，也有以硫化物相为基体附着硅酸盐的双相夹杂物，见电镜照片11。它的硫化物相成分见表3，硅酸盐成分相似于第1、2两类夹杂物成分。

    第4类：铁锰氧化物固溶体夹杂，见金相照片8，大多小于3 j上m，主要存在于5号试样中，其它炉号未见。

  用网格记点法测定夹杂物所占体积分数。根据观测以3种主要类型夹杂物和3种粒径范围，在Φ10μm以下、Φ10μm～Φ20μm和Φ20μm以上(观测到Φ30μm以上的大型夹杂物很少，未单独统计，所见最大夹杂物约Φ100μm)分另0统计其体积分数。汇总统计结果，A、B、C3类夹杂物在上述3种粒径范围的7炉平均体积分数分布状况见表4。由于5号样炉次为非正常炉次，未统计在内。

    用上述方法，对7号样铸坯横断面中心内外弧方向观测的夹杂物总体积分数分布情况见图1。

3．2夹杂物观测结果及分析

    (1)H08焊条钢连铸坯中主要夹杂物有3类：第1类为二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；第2类为复杂硅酸盐夹杂物；第3类为硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物。

    第1类夹杂物主要是钢水氧化产物。第2类夹杂物主要是钢水氧化产物和脱氧产物的融合物。第3类夹杂物的形成是由于准沸腾钢氧含量较高，使S在钢中的溶解度降低，因此在凝固过程的较高温度下就开始沉淀。硫化物的析出与钢的脱氧产物液态铁锰硅酸盐的析出同时进行，就形成硅酸盐与硫化物相的复合夹杂物。而由于偏晶反应的结果形成一种球形的硫化物中含有氧化物的溶液，当温度下降时夹杂物中先是硫化物从硅酸盐中析出，而后是氧化物沉淀，固态下是一种双相夹杂物。

    当钢水含氧量高，含硅量很低时(如5号样炉次含ω(Si)=0．006％)，将出现大量的铁锰氧化物固溶体夹杂。钢水含氧高还可造成对耐火材料的浸蚀，产生含Zr的复杂硅铝酸盐夹杂。

    (2)由7个炉次3类夹杂物平均在3个粒径范围和总量上的体积分数分布状况中，可看出第1、2两类夹杂在3个粒径范围都有分布，第3类夹杂主要以Φ10μm以下的状态存在，且大多小于3μm，它的各尺寸平均体积分数之和最高，即夹杂中它的含量最高。但大型夹杂以第1类最多，第2类次之。

    (3)由在铸坯横断面中心内外弧方向7号样炉次夹杂物总含量的体积分数的分布图7，可看到夹杂物在内弧侧距坯表面约30 mm处含量最高，它的体积分数为0．55％。与镇静钢相比较，准沸腾钢连铸坯内弧侧的夹杂物聚集尚不十分显著，这主要是由于凝固过程CO的析出促进了夹杂物的上浮，明显的减轻大型夹杂在内弧侧的聚集。   

4结论   

    (1)根据以上夹杂物的成分分析结果，证实了H08钢钢中的铝元素并不直接介入和控制相应钢坯的皮下气泡生成。   

    (2)控制钢液ω(O)在(25～80)×10^-6范围，要求出钢前测定钢水含氧量，并根据测定的钢中氧活度控制脱氧剂加入量，以保证脱氧量，防止过脱氧。另外还必须注意脱氧时的脱氧剂加入量须维持钢液凝固时的碳氧乘积在一同定值上，即应在碳含量高时适当增加脱氧剂加入量。

    (3)为稳定转炉操作，防止钢水因脱硫而被迫进行后处理，不利于进行脱氧控制，以及大量的硫化物在钢坯凝同过程中生成，要求冶炼时须采用炉外铁水预脱硫处理。

    (4)为了稳定连铸机的浇注操作，必须防止因水口堵塞而加重钢液的二次氧化，因此要求控制钢中的铝质量分数保持小于0．005％。

    (5)与钢坯发生皮下气泡缺陷相对应的硅含量应存在一临界值。从唐钢一炼钢的试验看，凡影响唐钢高线轧制Φ6．5盘条者，此值应在ω(Si)≤0．012 %。因此对于转炉严重后吹的H08钢液，出钢时应配入一部分含硅脱氧剂，保持ω(Si)=0.012%～0.003%.