摘要：针对管坯钢非金属夹杂物的形态、组成及形成原因进行了分析，据此采取了相应的工艺控制措施，使管坯钢的冶金纯净度得到了很大提高。

关键词：管坯钢；非金属夹杂物；分析；工艺

1  生产工艺路线   

        江阴兴澄钢铁有限公司生产的管坯钢主要包括油井管坯钢和锅炉管坯钢两大类，具体钢种有20G、12CrlMoVG、15CrMoG、37Mn5、36Mn2V等，主要用于制作石油和电站锅炉管件。经过长期实践摸索，目前基本实现了电炉一精炼一连铸一连轧四位一体的节能、高效、高质量的生产工艺，具体生产工艺路线为：

    高炉铁水+废钢→100 t UHP EAF→EBT出钢→预脱氧→100t LF／VD精炼→软吹氩、镇静→R 12 m矩形坯连铸(300 mm× 320 mm)→热送轧制Φ50～150 mm圆管坯。

2   管坯钢冶金质量问题

    管坯钢对热加工性能和冶金纯净度有很高的要求，尤其是钢液纯净度的高低对铸坯表面质量及管坯轧管质量有很大的影响。管坯行业通常采用GB／T 10561—2005标准检验非金属夹杂物，兴澄公司企业标准规定的管坯钢非金属夹杂物级别、及按GB／T 10561—2005标准对应的非金属夹杂物最大尺寸见表1。

    在管坯钢生产过程中，时有发现个别炉号、个别坯段有大型非金属夹杂物产生，主要是氧化物B类及在13μm以上的颗粒Ds类超标较多，B类非金属夹杂物尺寸最长可达0．8～1．4 mm，Ds类非金属夹杂物最大直径可达60～120μm。对出现的非金属夹杂物按形态进行分类，大致可分为颗粒状、条带状和群簇状3种(见图1)。

    这3类形态非金属夹杂物的成分组成也很复杂，主要有Al₂O₃、CaO、MgO等氧化物，成分平均组成见表2，表中直线上下数据为范围和平均值。

3   管坯钢非金属夹杂物的成因分析

3．1  钢包钢液中非金属夹杂物行为分析

    电炉出钢后加入的合金及脱氧剂在钢液中主要生成Al₂O₃、SiO₂、MnO、CaO等氧化物，在LF 精炼和VD抽真空过程中还会将精炼渣中的Al₂O₃、SiO₂、CaO等非金属夹杂物卷入钢液中。SiO₂能与MnO和CaO等氧化物生成低熔点的液态化合物，聚合及从钢液中上浮排除容易；强脱氧元素Al、Ti和Ca生成的脱氧产物熔点很高，在钢液中呈固态，聚结和从钢液中上浮比较困难。

    在出钢和精炼过程中，脱氧剂使用最多的是铝，会生成大量絮状Al₂O₃小颗粒夹杂，由于吹氩气泡尺寸较大(10～20 mm)，30～40μm以下的小颗粒非金属夹杂物不易依附气泡上浮除去而滞留在钢液中，这也是大型非金属夹杂物普遍含有Al₂O₃的重要原因。

3．2  中间包钢液中非金属夹杂物行为分析

    浇注过程中由于钢液面波动及包衬侵蚀等原因，会有各种颗粒大小不同的非金属夹杂物进入中间包钢液中，对于这些非金属夹杂物能否从钢液中除去，可假设中包钢液静止、应用斯托克斯公式进行估算。

    由球形质点的上浮力与斯托克斯公式球形质点上浮受到的阻力相等可以得出球形质点的上浮速度公式：

    V=1／3 gD²(ρ_m—ρ_s)×10^-6／η     (1)

    式中，V为斯托克斯上浮速度，cm／min；g为重力加速度m／s²；D为球形质点直径，μm；ρm为钢液密度，7．0 g／cm³；ρ_s为非金属夹杂物密度，3．5 g／cm³；η为钢液粘度，0．003 Pa·s。

    非金属夹杂物从中间包底上浮到钢渣界面需要时间为：

    t=L／V    (2)   式中，L为中间包钢水深度，0．75 m；选取不同直径的非金属夹杂物计算上浮速度V和上浮时间t，计算结果见表3。

    由表3可知，50μm以上的非金属夹杂物上浮时间很短，均小于钢水停留时间(9 min)，应该能够全部上浮至钢渣界面。但钢液非金属夹杂物含量和级别从精炼之后，到中间包、连铸坯逐步增加，与钢水的二次氧化和中间包内流场复杂有关系，也与非稳态浇注(指开浇、换钢包连浇或拉速突然变化的浇注状态)产生中间包内水口附近钢液涡旋及结晶器液面波动导致的非金属夹杂物卷吸有关。

3．3  非金属夹杂物具体成因分析

    从上面的非金属夹杂物行为分析和表2中的数据可以得出以下非金属夹杂物的成因：

    (1)3种类型的非金属夹杂物都含有Al₂O₃、SiO₂、CaO、MgO等常见的氧化物，说明每种非金属夹杂物的成因都不是单一的，但是大型非金属夹杂物的产生一般都是先形成1个某种氧化物的核心之后钢液中的其它氧化物逐渐向此核心会聚长大而成。

  (2)3种类型的非金属夹杂物含有A1₂O₃与CaO的量都多，钢液、结晶器保护渣、中间包保护渣及钢包精炼渣中都含有这两种物质和SiO₂，但出现的非金属夹杂物中含有SiO₂的量却很少，这与SiO₂容易凝聚成大分子团、生成液态硅酸盐而快速从钢液中上浮有关。

  (3)颗粒状非金属夹杂物含有最多的MgO，而MgO主要来源于钢包和中间包内衬，一般钢包内衬由于侵蚀剥落的．MgO在钢包及中间包内有充分的时间上浮，不会形成大颗粒非金属夹杂物。所以颗粒状非金属夹杂物含有的MgO最可能来源于中间包内衬，剥落的大颗粒MgO一般也能上浮，细小的MgO及靠近水口部位的较大MgO颗粒则会随钢流向下流动，同时与钢液中的Al₂O₃、CaO等细小氧化物聚集，靠近浸入式水口内壁时就会吸附堆积，长大到一定程度或吸附力小于钢液的冲刷力，颗粒就会冲人结晶器钢液中，如果来不及上浮，就会形成颗粒状或条带状非金属夹杂物；未吸附到水口内壁的MgO及聚集A1₂O₃、CaO等氧化物形成的非金属夹杂物，一般形成颗粒状非金属夹杂物。

  (4)条带状非金属夹杂物含有最多的CaO、ZrO₂、Na₂O和K₂O,这些氧化物主要来源于结晶器保护渣和浸入式水口侵蚀剥落的成分，主要原因可能是拉速突然变化时导致结晶器钢液面产生波动，将保护渣卷入钢中来不及上浮而形成。

  (5)群簇状非金属夹杂物呈现出许多非金属夹杂物颗粒在上浮过程中没有聚集到一起的特征，而且含有最多的Al₂O₃和TiO₂。Al₂O₃和TiO₂一般是由精炼过程中加入的脱氧剂及合金在钢液中发生氧化形成的，这些絮状细小非金属夹杂物一边聚集长大、一边上浮，如果上浮的时间和条件不够，就容易形成群簇状非金属夹杂物。

4  非金属夹杂物控制工艺实践

  根据上面非金属夹杂物成因分析，并借鉴以往及其他厂家的生产经验，为了最大限度的降低钢液中的非金属夹杂物，主要进行了下面的工艺实践。

4．1  电炉吹氧脱碳操作优化

  优化电炉的吹氧脱碳操作工艺，防止钢液过氧化情况发生，使出钢前终点ω(C)在0．05％～0．15％、钢水的ω(O_自由)在(150～600)×10^-6之间，然后在出钢过程中随钢流加入复合型弱脱氧剂，使到达LF工位前的ω(O)控制在(50～150)×10^-6之间，这样可以降低精炼操作负担，减少脱氧剂的用量，从而降低钢液中的脱氧产物含量。

4．2精炼过程氩气流量控制

    据资料介绍，不同精炼目的吹氩搅拌功率常数如下：

    加热升温，100 W／t；加合金后，测温取样前的混匀，150～200W／t；脱硫及钢渣反应，150 W／t；脱氧及去夹杂物，弱搅拌，30～50 W／t。

    氩气对钢液搅拌功率的计算公式为：

εm=6．18×10^-3×Q／M_L×T_c×[1n(1+H／(1．46×p₂)+(1一T。／T_c)](W／t)    (3)

    式中，Q为氩气流量，L／min；M_L为钢液重量，t；T_c为钢液绝对温度，K；T_o为氩气进口温度，K；H为包括渣厚的钢液深度，cm；p₂为钢液面上绝对压力，kPa。

    根据上述原理及生产实际情况，优化出合理的精炼过程氩气流量控制曲线，如图2。

    采用这样的氩气流量控制，可以对钢液进行强化吹氩搅拌，促进精炼炉的脱氧反应，使精炼钢液的叫ω(O)降低到30×10^-6以下。再通过VD真空处理和软吹氩，进一步降低钢液的训ω(O) 到20×10^-6左右，并促进钢液中非金属夹杂物最大程度的上浮。

4．3  连铸控制非金属夹杂物工艺实践

    连铸是防控大型非金属夹杂物出现的关键工序，精炼钢液无论多么纯净，如果连铸操作不好，还会提高大型非金属夹杂物出现的几率，下面是连铸工序采取的一些工艺措施：

    (1)为防止钢水的二次污染，中间包用高纯度镁质涂料喷涂并保证烘烤时间和烘烤效果，中间包内钢液采用碱度保护渣和发热覆盖剂双层覆盖，大包至中间包采用长水口，连接点处采用氩气和耐火纤维垫圈密封，中间包和结晶器间采用内装浸入式水口。

(2)结晶器电磁搅拌有助于改善铸坯低倍组织和表面质量，搅拌强度控制得当还有助于非金属夹杂物借助钢液流动而上浮；拉速高低对中间包和结晶器钢液面的稳定程度及非金属夹杂物上浮状况有很大影响；钢液温度的高低对耐火材料的侵蚀及钢液流动性和非金属夹杂物上浮影响也较大。

经过长期的实践和统计分析，依据各钢种不同的生产特征，结晶器电磁搅拌器最大磁感应强度控制在0．03～0．07 T间，拉速在0.50～0.80m／min间、并且正常浇注期间拉速恒定，钢液过热度控制在15～38℃，对于降低大型非金属夹杂物的出现率有利。

(3)连铸开浇炉和结尾炉非金属夹杂物超标较多，为此对首尾炉的钢液温度和连铸工艺参数进行了优化，使大型非金属夹杂物的出现频率大大降低。

4．4  实践效果

通过采取上面一系列工艺措施，管坯钢的冶金纯净度得到了很大提高，统计结果见表4。

由表4可以看出，工艺优化后，经常出现的管坯钢B、D类非金属夹杂物得到了很大改善。B类非金属夹杂物的平均级别由0．79降到了0.70、三级以上夹杂物出现率降低了42％；Ds类非金属夹杂物的平均级别由0．56降到了0．45，三级以上夹杂物的出现率降低了38％(按炉数统计)。

5  结    论

管坯钢经常出现的非金属夹杂物按形态进行分类，大致可分为颗粒状、条带状和群簇状3种;非金属夹杂物成分组成主要为Al₂O₃，、CaO、MgO、TiO₂和ZrO₂等氧化物，来源主要是难以上浮的尺寸小于50μm的絮状钢液脱氧产物、钢液二次氧化、精炼渣、保护渣以及各种耐火材料；非金属夹杂物形成机理是先形成氧化物核心、其它氧化物逐渐向此核心会聚长大，在非稳态浇注、非金属夹杂物没有上浮时间和条件的情况下，夹杂物滞留在钢液中而成大型非金属夹杂物。

通过改进电炉吹氧脱碳操作、强化保护浇注、优化吹氩和连铸工艺参数等措施，经常出现的管坯钢B、D类非金属夹杂物的平均级别和三级以上夹杂物出现率得以降低，管坯钢的冶金纯净度得到了很大提高。