摘要：通过非水溶液电解、扫描电镜、图像仪等手段，对连铸小板坯中的夹杂物进行了研究，找出了夹杂物数量、尺寸、组成、分布和类型在连铸不同工序中的变化规律，提出了改善小板坯洁净度的建议。
关键词：非水溶液电解；连铸；小板坯；夹杂物
由于现代工程技术的发展，人们对钢的纯净度要求不断提高，在20世纪70年代初夹杂含量只能降到235×10-6左右，而在90年代已能将其去除到40×10-6以下。钢的性能、质量在一定程度上取决于钢中夹杂物的数量、形态和尺寸的分布。掌握铸坯中夹杂物的来源、类型、数量和分布规律，对于控制小板坯的质量、满足不同用户的要求具有重要意义。
本文以三流小板坯为研究对象，进行了夹杂物的分析研究。
1 研究方法
炼钢厂的生产工艺流程为：转炉炼钢→钢包吹氩→连铸，转炉公称容量为30t，连铸机的机型为全弧形，浇铸拉速为1.2～1.9m/min，浇铸断面为300mm×120mm，中间包内衬采用硅质绝热板，生产的钢种主要为普碳钢。
2005年1月开始对小板坯中的夹杂物进行了研究，试验钢种为Q195钢(w(C)为0.09％，w(Si)为0.18％，w(Mn)为0.43％，w(P)为0.016％，w(S)为0.022％)。取样后将钢样加工成Φ10mm×100mm试样，以试样为阳极，不锈钢片为阴极，用无水甲醇为溶剂的有机溶液作电解液，PH值为8，阳极电流密度不大于100mA/cm2，电解时控制电解液温度为-5～+5℃。用这种方法把夹杂物从钢中无损伤地萃取分离出来；用其它电解方法很容易破坏的硫化物夹杂也能被完整保留下来。然后将萃取出来的夹杂物单层地放置在一抛光的平面上，采用LEO-1450型扫描电子显微镜和KEVEX sigma能谱分析系统，对提取出的夹杂物进行形貌及成分分析。用图像仪检测钢中非金属夹杂物的大小和数量。
2 试验结果与分析
2.1 夹杂物类型分析
2.1.1 钢液中夹杂物类型分析
用扫描电镜对从试样中提取出来的夹杂物观察发现，吹氩前后及中间包钢液中的夹杂物以球状硅酸盐夹杂物和不规则状硅酸盐夹杂物为主。图1中标有字母A的夹杂为球状硅酸盐夹杂，可以看出，该类夹杂物大量存在于钢液中，图1中标有字母B的夹杂为不规则状硅酸盐夹杂，这类夹杂物数量也较多，且夹杂物粒径较大。
钢液中典型夹杂物扫描电镜分析，检测结果见表1、表2。
表1 球状硅酸盐夹杂的质量分数 ％
|
O |
Mg |
Al |
Si |
Ca |
Mn |
|
39.33 |
0.60 |
2.08 |
28.11 |
4.95 |
24.9 |
表2 不规则状硅酸盐夹杂的质量分数 ％
|
O |
Mg |
Al |
Si |
Ca |
Mn |
|
63.22 |
0.00 |
1.91 |
34.87 |
0.00 |
0.00 |
根据表1中数据折算成化合物的质量分数：Al203=7.29％，Si02=55.63％，CaO=6.41％，MgO=0.94％，MnO=29.73％。夹杂物中含有较多的Si、Mn、A1，由夹杂物的形貌及成分可知，球状夹杂物主要来源于脱氧产物，属内生夹杂物。
根据表2中数据折算成化合物的质量分数：A1203=8.82％，Si02=91.88％，CaO=0.00％，MgO=0.00％，MnO=0.00％。这类夹杂物的显著特点是Si02高，w(SiO2)=91.88％，w(MnO)=0，由夹杂物的形貌及成分可知不规则状夹杂物具有明显外来夹杂物的特征，主要来源于耐火材料，属外来夹杂物。由于Q195钢碳含量低，钢水温度偏高，钢水对耐火材料的侵蚀较严重，而Si恰好是耐火材料中的主要元素，可见这类外来夹杂物主要是耐火材料的侵蚀物。
2.1.2 铸坯中夹杂物类型分析
铸坯中夹杂物以球状硅酸盐夹杂物为主，多数夹杂物含有Ca、Ti等外来元素。在铸坯样中发现了钢液样中未观察到的硫化锰夹杂以及硅酸盐+硫化锰的复合夹杂，图2中标有字母A的条状夹杂为典型硫化锰夹杂物，图2中标有字母B的球状夹杂为硅酸盐+硫化锰复合夹杂，球体灰色部分为硅酸盐，白点为硫化锰。
2.2 夹杂物粒度及数量分析
2.2.1 钢液中夹杂物粒度及数量分析
经图像仪分析发现，吹氩前后相比，钢水中的球状夹杂物以直径小于80μm的夹杂为主，球状夹杂物的最大直径由180μm下降到120μm，说明吹氩工艺能去除部分直径较大的球状夹杂物。但是由耐火材料带入的不规则状夹杂物最大粒径由300μm增加到450μm，说明钢包吹氩引起钢液的流动加剧了钢液对耐火材料的冲刷作用，导致钢液中外来夹杂物增加。
吹氩后小颗粒夹杂物数量有所上升，从吹氩结束到中间包，尽管钢液中直径小于50μm的夹杂物数量略有下降，但是直径大于50μm的夹杂物数量明显上升，如图3、图4。由夹杂物粒度变化规律可以看出，在吹氩过程中和钢水进入中间包的过程中存在夹杂物的碰撞长大和二次氧化现象。
2.2.2 铸坯中夹杂物粒度及数量分析
取不同操作工艺铸坯进行比较分析，研究发现，在正常浇铸情况下边流铸坯中的夹杂物含量要低于中间流，说明中间包流场不合理。浸入水口插入深度浅，其夹杂物含量比油润滑敞流浇铸时夹杂物含量还高，说明过浅的水口插入深度对控制铸坯洁净度不利，甚至会造成钢水夹杂物含量增加。在取结晶器样时人为向结晶器内加入保护渣，模拟快换水口时违规操作造成的卷渣现象，发现该试样中夹杂物含量高于正常浇铸试样中夹杂物含量，并且含有直径大于300μm的夹杂物，可以定性地判断保护渣卷入对铸坯质量的影响较大。
3 结论
小板坯中的夹杂物包括硅酸盐夹杂、硫化物夹杂及由它们相互形成的复相夹杂物，其他种类的夹杂物数量很少。
钢液中夹杂物主要来源于脱氧产物、二次氧化、耐火材料侵蚀物和部分保护渣卷入。吹氩工艺能去除部分夹杂物，但钢水的二次氧化及由于耐火材料带来的大量夹杂物，抵消了吹氩的冶金效果，造成中间包内钢液夹杂物含量较高。由于中间包内部流场不合理，使得大部分夹杂物随钢液进入铸坯。另外，结晶器水口快换过程中的违规操作也是铸坯夹杂物的来源之一。
针对夹杂物的来源，通过采取选用抗侵蚀能力强耐火材料；保护浇注；优化吹氩工艺参数，提高吹氩去除夹杂物的能力；优化中间包内部流场，提高中间包去除夹杂物的能力；改进中间包水口材质，减少换水口的次数，可以提高钢水进入结晶器前的洁净度。从而降低铸坯整体的夹杂物含量水平，达到提高铸坯质量的目的。
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