ML08AI冷镦钢连铸坯质量的研究

来源：梁福斌，刘新生河北理工大学冶金与能源学院 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]

摘要：利用转炉冶炼生产ML08A1冷镦钢，通过冶炼工艺的优化，改善了钢中非金属夹杂物的形态和行为，提高了钢的质量。还对ML08A1冷镦钢连铸坯进行了必要的检测分析，并对其中非金属夹杂物的形态与行为做了深入的研究。提出了改善产品质量的措施和提高钢的纯净度的手段和方法。

关键词：冷镦钢；连铸坯；夹杂物；组织与性能

ML08A1冷镦钢属于低碳低硅铆螺钢，冷镦是指在常温下利用金属塑性成型的。采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低。但是冷镦工艺对原材料的质量要求较高。在ML08Al冷镦钢的标准中对于工艺性能的要求除钢中碳、硅含量都很低外，对其它的化学成分也有十分严格的要求，同时要求具有良好的塑性和表面质量，冷顶锻性能好，夹杂物含量低。

真空精炼处理装置是实现连铸冷镦钢的关键技术手段。但是，这一技术所需设备投资大，工艺复杂，处理成本高，在国内很难为一般厂家所采纳。笔者开发出转炉冶炼一钢包炉精炼、钢包吹Ar、喂线、成分微调一方坯连铸的工艺流程生产冷镦钢，收到了较好的效果。

在无真空处理的条件下铝是最好的脱氧元素。但过高的[Al]将恶化钢水的可浇性，使水口堵塞，特别对使用小型水口的小方坯连铸来说，钢水可浇性不好，很容易导致浇注时中间包水口结瘤堵塞。这是由于AI₂O₃在水口壁上附着粘结，以及钢液与水口耐火材料之间发生的化学反应造成的。导致拉速降低乃至中断。另外，水口内的粘附物一旦被冲掉，会造成大量钢水涌出，引起结晶器液面波动，水口粘附物也随之进入结晶器钢水内，会严重影响连铸坯的质量，甚至造成废品。通过改进工艺措施，合理地解决了低碳、低硅、高铝ML08A1冷镦钢小方坯连铸中包水口结瘤的问题，使产品质量得到保证。

1 生产工艺及实验方案

ML08A1冷镦钢的生产工艺流程为：150 t转炉冶炼→钢包炉精炼、钢包吹Ar并用MnAl、FeMn、SiCaBa合金和喂CaFe线、CaAI线进行脱氧和合金化→135mm×135mm小方坯连铸一高速线材轧制→成品盘条。ML08A1冷镦钢成分(质量分数，％)：C 0．005～0．100，Si≤0．10，Mn 0．30～0．60，P≤0．035，S≤0．035，Al_t≥0．020。实验共选取8炉次有代表性的连铸坯试样。对铸坯的凝固组织结构、铸坯的气孔和非金属夹杂物进行检验分析。取样炉次的工艺参数见表1。

1．1转炉和精炼

铁水条件要求：铁水温度≥1 300℃、ω(S)≤0．035％、ω(P)≤0．100％；吹炼过程要求：以脱磷为主要目标，要求全程化渣，炉温平稳上升；终点成分要求：ω(C)≥0．04％，以便降低钢中初始氧含量，ω(S)、ω(P)≤0．020％；杜绝过吹、后吹或重吹，严格挡渣，控制转炉下渣量，控制钢包渣厚≤50 mm。降低钢中原始氧含量，控制ω([O])≤80×10^－6。采

用复合脱氧技术，出钢温度控制在1 625～1 645℃。

钢包炉精炼要求造好白渣，炉渣碱度R=3～4，ω(CaO)在60％左右，终渣[ω(FeO) ω(MnO)]≤1％，确保炉渣有良好的流动性和还原能力及精炼效果。含Al钢水通过钙处理，可以较好地防止水口堵塞。实践表明含Al钢水钙处理时钢水中的钙铝比大于0．1时，可使钢中高熔点的A1₂O₃与CaO变性生成低熔点低密度的12CaO·7Al₂O₃(熔点1 455℃，密度2．83 g／cm³)，从而消除水口结瘤。如果钙加入量不足，则容易生成高熔点的铝酸钙CaO·6Al₂O₃、CaO·2Al₂ O₃(熔点1 750℃以上)，会导致水口堵塞，因此钙的加入量要适当，才能达到所需的效果。确保钢水的钙化处理，并有适量的游离钙存在于钢中，使Al₂O₃改质为铝酸钙，以减少夹杂物的危害。理论计算表明1 873 K时，在12CaO·7Al₂O₃状态下，加钙时应避免生成CaS，钢水中ω(S)要低于0．017%，为此加钙前要控制钢中的T[O]含量和硫含量，钢水还原良好，保证钢中的ω(S)要低于0．015%。此外钢中酸溶铝的控制也会直接影响钙处理的效果。钢中酸溶铝过高或过低，都会引起夹杂物含量增加从而影响钢的质量甚至造成水口结瘤。资料表明，钢中酸溶铝含量控制过低会增加钢中的氧含量，使氧化物夹杂增加，而钢中酸溶铝含量控制过高，又容易导致与渣中的氧结合，还原渣中的SiO₂和MnO等化合物，使钢液中聚集的Al₂O₃增加。因此要合理地控制酸溶铝的含量。实验结果表明，钢中酸溶铝的含量控制在0．02％～0．04％为宜。2005年10月在生产ML08Al冷镦钢的初期，在3个浇次3炉钢由于中间包水口频繁结瘤堵塞，导致连铸机停浇，主要是由于钙和铝的含量控制不当造成的，表2为中间包钢水铝含量与中间包水口结瘤的关系。表3为发生中间包水口堵塞的ML08Al钢的化学成分。由表2和表3可看出只有铝和钙的加人量适当才能使生产顺利进行。

在吹氩站喂铁钙线进行钙处理的同时应进行吹氩搅拌，吹氩压力控制在0．6～1．0 MPa，喂铁钙线的速度是喂线工艺的关键参数，喂线过快或过慢都将影响钙处理结果。经实践检验，最佳铁钙线的喂人速度为3．0～5．0m／s。喂线处理后，将氩气流量调小，保证钢水在包内轻微运动，弱吹时间控制在3～5 min。

1．2 连铸

严格执行中问包烘烤工艺，保证中间包烘烤时间与烘烤温度；中问包烘烤结束后，检查中问包工作层耐火材料是否脱落，以防止钢水污染，确认正常后进行浇钢；中间包加入碱性钢水覆盖剂，防止钢水二次氧化，同时又能够吸收钢中的非金属夹杂物。

采用铝碳质浸入式水口保护浇注，防止钢水二次氧化，减少钢水温度损失；钢包到中间包采用长水口加氩气密封保护钢水，长水口处钢水不能暴露。控制中间包钢液温度1 555～1 575℃，同时稳定控制中间包液面高度以稳定拉速，保证连铸坯内部质量。

2 铸坯的凝固组织

对铸坯进行取样分析检测连铸坯的凝固组织，在铸坯横断面的浸蚀试样观测到铸坯激冷层一般在1．5～3．5 mm之间，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，见图1。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，本钢种铸坯凝固组织的柱状晶相当发达，几乎达到穿晶状态。这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低，有利于柱状晶生长。

3 铸坯中的非金属夹杂物

冷镦钢是用于制造各种紧固件的主要原材料，其盘条须经用户多次拉拔深加工，从而要求生产的钢材具有良好的拉拔冷镦性能，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，要求钢材具有较高的纯净度，尤其是钢中大于50μm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其产生。

大型夹杂物是影响冷镦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，将取得的较大夹杂物用电镜进行能谱分析。

分别电解8炉钢的连铸坯试样，制取的夹杂物基本相同。其钢中大型夹杂物平均值为1．083mg／(10 kg)。由于5号试样氧含量高，其夹杂物类型更复杂，故以5号试样为例，体视显微镜拍摄的电解夹杂物照片见图2(a)，可见到3种主要夹杂物，并分别作能谱分析：①透明球状夹杂物，颜色逐渐由无色透明到淡黄色或淡紫色。无色透明者为较纯的SiO₂相，颜色较淡者为铁锰硅酸盐相；②灰白色不透明无光泽球状夹杂物，为复杂硅酸盐相；③不透明深灰色到黑色有光泽球状夹杂物，是复杂玻璃相。

3．1 夹杂物的金相研究及能谱分析

采用金相法观测连铸坯的非金属夹杂物，选择典型夹杂物用电镜进行能谱分析。

金相观察的主要夹杂物类型：第1种，二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物，为简单硅酸盐类夹杂物；第2种，深灰色复杂硅酸盐夹杂物；第3种，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，见图2(b)，也有以硫化物相为基体附着硅酸盐的双相夹杂物，见图2(c)；第4种，铁锰氧化物固溶体夹杂，大多<3μm，主要存在于5号试样中，其它炉号未见，电解的夹杂物中未见此种夹杂物，主要是由于它颗粒小，制取过程中被水冲走。

为了避开内弧侧夹杂物聚集的影响，在横断面上垂直内外弧方向上的铸坯中心取样。抛光试样在500倍显微镜下每处观测100个视场，用网格记点法测定夹杂物所占体积率。根据观测将夹杂物分为上述4种类型和3种粒径范围，在ø10μm以下、ø10～ø20μm和ø20μm以上(观测到ø30 μm以上的大型夹杂物很少，所见最大夹杂物约ø100μm)。

3．2夹杂物观测结果及分析

(1)ML08Al冷镦钢连铸坯中主要夹杂物有3种：第1种，二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；第2种，复杂硅酸盐夹杂物；第3种，硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物。

第1种夹杂物主要是钢水氧化产物。

第2种夹杂物主要是钢水氧化产物和脱氧产物的融合物。

第3种夹杂物的形成是由于氧含量较高，使S在铁中的溶解度降低，因此在凝固过程的较高温度下就开始沉淀。硫化物的析出和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。当钢水氧含量高，硅含量很低时(如5号样炉次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侵蚀，产生含Zr的复杂硅铝酸盐夹杂。