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连铸坯中的非金属夹杂物、气体含量研究

来源:未知 编辑:admin 时间:2017-08-14
连铸是1个整体连贯连续不断变化的过程,根据生产可将连铸浇注过程分为稳态连铸和非稳态连铸。下面由中教数据库为大家整理出一篇题目为“连铸坯中的非金属夹杂物、气体含量研究”的冶金工程论文,供大家参考。
  
连铸坯中的非金属夹杂物、气体含量研究

  原标题:170 mm × 170 mm连铸非稳态铸坯洁净度的研究
  
  摘要: 连铸过程中,中间包液位低于500 mm、浸入式水口出现裂纹、水口堵塞冲水口等非稳态浇铸情况下,生产出非稳态铸坯。采用气体检测、金相法、扫描电镜及高频水浸C扫描自动探伤等对非稳态铸坯进行研究,结果发现:非稳态连铸坯中大颗粒夹杂物含量较高,铸坯洁净度变差,不能用于正常生产。
  
  关键词:连铸;非稳态铸坯;洁净度
  
  连铸是1个整体连贯连续不断变化的过程,根据生产可将连铸浇注过程分为稳态连铸和非稳态连铸。稳态浇注是指连铸浇注过程中,中间包、结晶器液面、钢水流动状态、拉速、温度等均在工艺控制范围内的浇注,浇注的连铸坯满足产品标准和用户要求。非稳态浇铸是指连铸的开浇、换包、浇注结束、连铸过程拉速突然变化等不符合工艺控制的浇注,非稳态浇铸时期由于钢水受到二次污染,导致钢中夹杂物增多,钢水纯净度变差,从而影响钢材质量。
  
  在连铸过程中,引起浇注过程不稳定的因素比较多,有时往往是多种因素综合作用的结果。研究的“非稳态”是指连铸工艺发生较大变化的状态,如: 浇铸过程保护浇注失效( 长水口、浸入式水口) ; 中间包液面过低; 结晶器液面波动超出± 5 mm( 手动操作时或设备故障时)。针对以上情况,对170 mm × 170 mm小方坯非稳态下的连铸坯中的非金属夹杂物、气体含量进行定量研究。
  1研究内容及方法
  
  1. 1试验工艺
  
  试验工艺为65 t氧气顶吹转炉→70 t LF精炼炉→5机5流170 mm × 170 mm小方坯连铸→18架小型连轧机。
  
  1. 2检验方法
  
  扫描电镜: 对每个夹杂物试样中不同形态、颜色的夹杂物进行电镜扫描、定量、定性分析。
  
  高频水浸C扫描自动探伤: 连铸坯产材后切取长度250 mm的试样,920 ℃正火,表面精车,采用MUCT-L1000多轴运动控制器的水浸超声C扫描系统进行水浸探伤检验,该系统基于USIP40仪器平台,使用USIP40软件进行探伤仪的设置,用K-Scan软件进行扫描路径的设定,运动控制,数据采集、成像控制及C扫描图像后处理等,对圆棒进 行 超 声 检 测 并 形 成C扫 描 图 像,可 根 据SEP1921和ASTM E588标准对检测结果进行洁净度评价。钢材高频水浸探伤后,定位取夹杂物样,进行高倍、扫描电镜等分析。
  
  根据探伤高、中、低级指示信号的次数,加权统计单位体积各级夹杂物数量,计算公式如下:
  
  公式
  
  式中:S为单位体积上夹杂物个数,个/cm3;NI为记录的低级信号次数;Nm为记录的中级信号次数;Nn为记录的高级信号次数;V为检验材料的体积,cm3.
  
  1. 3取样方案
  
  试验过程根据非稳态识别点进行现场取样。5机5流170 mm × 170 mm非稳态连铸坯根据非稳态浇注时间,定位取连铸坯,经18架小型连轧机轧制成Φ50 mm,每1 m连铸坯取钢材试样1支,钢材试样长度500 mm.检验气体、夹杂物的取样位置见图1.
  
  检验钢材中夹杂物、气体的取样示意图
  
  2试验结果及分析
  
  2. 1中间包低液位浇铸连铸坯洁净度
  
  2. 1. 1试验条件
  
  实际生产中,连铸正常浇铸液位700 mm,更换钢包时,经常出现大包水口引流、吊包时间晚等因素造成中间包液位低于500 mm.试验取连铸中包液位在400 mm和500 mm的铸坯进行铸坯洁净度验证。钢种45号钢,拉速1. 61 m/min,轧制Φ50 mm.根据连铸坯长度确定取样位置,依次取检验试料进行水浸探伤、气体、夹杂物等检测。
  
  2. 1. 2气体分析
  
  从气体含量趋势( 图2) 可以看出,当中间包液位低于400,500 mm时,铸坯气体含量均不稳定,波动较大,且与正常材相比较,氧含量偏高。
  
  中间包低液位浇铸连铸坯气体含量
2. 1. 3夹杂的扫描电镜分析
  
  将中间包液位低的连铸坯产后材高频水浸C扫描探伤,液位400,500 mm钢材均出现不同程度探 伤 缺 陷,统 计 缺 陷 总 数 分 别 为0. 9,0. 63个/cm3,见图3.定位取样,电子显微镜下观察夹杂物形貌、大小,夹杂物形貌分别见图4、图5.检验结果: 中间包液位400 mm的连铸坯产后材A类、B类夹物级别较高; 中间包液位500 mm的连铸坯产后材B类夹杂物级别较高,见表1.扫描电镜分析夹杂物成分,见图6、图7及表2.
  
  中间包低液位浇铸水浸探伤缺陷数
中间包液位400mm夹杂物金相显微图
中间包液位500mm夹杂物金相显微图
中间包液位400mm夹杂物扫描电镜分析
中间包液位500mm夹杂物扫描电镜分析
中间包液位连环铸坯夹杂物金相显微评级结果表
中间包低液位连环坯夹杂物扫描电镜化学成分(WB)
  
  从探伤、高倍夹杂物、扫描电镜检验分析,当连铸过程中包液位在400 mm时,生产的钢材中粗系硫化物、氧化物杂物级别较高,扫描电镜分析夹杂物成分,主要为Mg O + Al2O3+ Si O2+ Ca O复合型夹杂物,从夹杂物的Al2O3,Si O2成分分析,夹杂物中Si O2含量较高,与中包渣成分相近。说明中包液位不大于400 mm时,钢液在中间包内卷渣严重,造成外来夹杂的二次污染。
  
  当连铸过程中包液位在500 mm时,生产的钢材中氧化物夹杂级别较高,扫描电镜分析,主要为Ca O,Al2O3,Si O2的复合性夹杂物,含有少量F,Si,Mg等元素。从夹杂物的Al2O3,Si O2成分分析,夹杂物中w(Si O2) 低,w(Al2O3) 高,说明夹杂物与中包渣无关,夹杂物的来源与中间包接钢杯中的渣有关。说明当中间包液位低于500 mm时,由于中间包内接钢杯中的钢液在大包水口流下钢液的强烈冲击下,形成漩涡,出现卷渣现象。卷渣的钢液从接钢杯中流出后,在中间包中来不及上浮,造成连铸坯中气体含量不稳定,大颗粒夹杂物较多。
2. 2浸入式水口出现裂纹时连铸坯洁净度
  
  2. 2. 1试验条件
  
  试验钢种为45号钢,取连铸生产过程中水口开裂的铸坯12. 5 m,拉速1. 59 m/min,轧制后按连铸坯长度确定钢材取样位置,依次取500 mm长试样进行水浸探伤、夹杂物、气体含量及低倍检验。
  
  2. 2. 2气体及钢材低倍检验分析
  
  图8为浸入式水口开裂过程浇铸铸坯气体含量趋势图,从图8可以看出,水口开裂的钢水中氧含量明显高于正常材,连铸坯3. 45 m处至4. 93 m处,w(O) 从32 × 10- 6急剧增至107 × 10- 6,说明水口开裂时,结晶器内钢液卷渣严重,氧化物夹杂增加,钢水的纯净度不稳定。图9为连铸坯产材低倍检验后局部放大图,低倍图片狭长形或圆形孔洞中镶嵌肉眼可见的大颗粒夹杂物。由此说明,水口开裂浇注过程中,因结晶器内流场发生变化,使结晶器保护渣卷入钢水,钢水受到严重污染,直接影响铸坯及轧材质量问题。
  
  水口开裂连铸坯气体质量分数变化趋势图
水口开裂低倍镶嵌样品杂物局部放大图
  
  2. 2. 3高频水浸C扫描探伤
  
  水口开裂的连铸坯产材后,进行高频水浸C扫描探伤,图10为高频水浸C扫描探伤缺陷图,图11为高频水浸C扫描探伤缺陷数量图。可以看出,探伤缺陷贯穿整支连铸坯,且缺陷总数在0. 137 ~ 0. 905个/ cm3,说明连铸浸入式水口开裂后,结晶器流场发生改变,连铸坯中结晶器保护渣卷渣严重。
  
  水口开裂坯高频水浸C扫描探伤缺陷
水口开裂坯高频水浸C扫描探伤缺陷数
2. 2. 4夹杂物扫描电镜分析
  
  对低倍检验出的夹杂物进行扫描电镜分析夹杂 物成分,夹杂物化学成分见图12及表3.电子探针分析主要是复合性Ca O,Al2O3,Si O2夹杂及少量F,Na等元素,说明水口开裂后,连铸坯中结晶器保护渣卷渣严重。
  
  水口开裂夹杂物扫描电镜分析
水口开裂连铸坯夹杂物扫描电镜化学成分(WB)
  
  2. 3浸入式水口堵塞后冲水口铸坯洁净度
  
  2. 3. 1试验条件
  
  本试验定位取连铸过程因中间包下水口结瘤造成堵塞,连铸浇铸困难,反复开关塞棒用钢水来冲击堵塞的水口,直至浇铸正常的非稳态操作铸坯,冲 水 口 前1 m、冲 水 口 过 程2 m、冲 水 口 后3. 6 m.钢种42Cr Mo A.
  
  2. 3. 2气体检验
  
  图13为冲水口连铸坯气体含量变化趋势图。可以看出,冲水口过程中,钢材氧含量有增加趋势,且高于正常材氧含量。由图13观察,从冲水口开始直至冲水口结束,连铸坯长度约3. 8 m左右时( 冲水口过程连铸坯2 m) ,钢中氧含量趋于正常,与正常材氧含量相符。
  
  冲水口铸坯气体变化趋势图
  
  2. 3. 3金相夹杂物及扫描电镜检验
  
  对冲水口连铸坯轧材中非金属夹杂物进行金相检验,结果显示,冲水口过程,所取试样均发现有级别较高的夹杂物,B类夹杂物达到2. 0级、3. 0级,夹杂物评级结果见表4,夹杂物形态见图14.对高倍检验发现的氧化物夹杂通过扫描电镜定性分析,检验结果见表5及图15.氧化物夹杂物主要是Ca O,Al2O3等,含少量Na,F,Si等其它元素。
  
  冲水口铸坯钢中非金属夹杂物检验结果
冲水口连铸坯夹杂物扫描电镜化学成分(WB)
冲水口铸坯夹杂物形貌
冲水口铸坯夹杂物扫描电镜分析
2. 3. 4高频水浸C扫描探伤
  
  冲水口的连铸坯产材后,进行高频水浸C扫描探伤,图16为高频水浸C扫描探伤缺陷图,图17为高频水浸C扫描探伤缺陷数量图。可以看出,探伤缺陷从冲水口时的铸坯0. 80 m时出现,至冲水口2. 0 m及冲水口后的1. 0 m时结束,缺陷总数在0. 021 ~ 0. 398个/cm3,说明连铸冲水口时,水口结瘤物在钢水的冲击下脱落进入钢液,结晶器流场在脱落物的冲击下发生改变,使连铸坯在结晶器中卷渣。冲水口前后1 m范围内钢液质量趋于稳定。
  
  冲水口坯高频水浸C扫喵探伤缺陷
冲水口坯高频水浸C扫喵探伤缺陷数
  
  3分析与讨论
  
  连铸生产过程中正常浇铸液位700 mm,当中间包液位低于400,500 mm时,铸坯气体含量与正常材相比较,波动较大、偏高。高频水浸C扫描探伤,液 位400 mm钢 材 缺 陷 总 数 为0. 97个/cm3,500 mm钢材缺陷总数为0. 63个/ cm3.中包液位低于400 mm生产的钢材中粗系硫化物、氧化物杂物级别较高,主要成分为Mg O + Al2O3+ Si O2+ Ca O复合型夹杂物,与中包渣成分相近。说明中包液位不大于400 mm时,钢液在中间包内卷渣严重。中包液位在500 mm时,生产的钢材中氧化物夹杂级别较高,扫描电镜分析主要为Ca O,Al2O3,Si O2的复合性夹杂物,夹杂物的来源与中间包接钢杯中的渣有关,当中间包液位低于500 mm时,因中间包液位低,中间包内接钢杯中的钢液在大包水口流下钢液的强烈冲击下,形成漩涡,出现卷渣现象,卷渣的钢液从接钢杯中流出后,在中间包中来不及上浮,造成连铸坯大颗粒夹杂物含量高。
  
  水口开裂铸坯中氧含量较高,且不稳定,钢中复合性Ca O,Al2O3,Si O2夹渣严重; 连铸坯中结晶器保护渣裹渣严重。探伤缺陷贯穿整支连铸坯,且缺陷总数在0. 137 ~ 0. 905个/cm3,说明连铸浸入式水口开裂后,结晶器流场发生改变,连铸坯中结晶器保护渣卷渣严重。
  
  冲水口浇注的铸坯中氧含量不稳定,偏高于正常坯氧含量。金相高倍检验连铸坯中B类夹杂物达到2. 0级、3. 0级,主要成分是水口结瘤物Ca O,Al2O3等。高频水浸C扫描探伤冲水口铸坯缺陷总数在0. 021 ~ 0. 398个/cm3.42Cr Mo A钢为铝镇静钢,通常认为,铝镇静钢中,Al和钢中的氧结合形成高熔点的固态Al2O3夹杂物或含Al2O3的高熔点复合夹杂物,因为A12O3夹杂物的高界面能使这些颗粒附着在水口表面,钢液中其它颗粒在与这些静止颗粒接触时,易于被吸附。同时,因湍流作用使颗粒与颗粒之间的碰撞几率增加,加速了夹杂物的吸附,最终导致水口结瘤堵塞。随着浇注的进行,现场控制塞棒反复用钢水冲击下,水口结瘤物冲掉进入结晶器内的钢液中,造成结晶器液面剧烈波动,致使结晶器内钢液卷渣,使铸坯质量恶化。冲水口前后1 m范围内钢液质量趋于稳定。
  
  4结语
  
  1) 连铸过程当中间包液位低于400,500 mm时,主要为Mg O + Al2O3+ Si O2+ Ca O复合型夹杂物,水口开裂铸坯中为Ca O + Al2O3+ Si O2复合型夹杂物,水口堵塞后冲水口浇注的铸坯中主要为Ca O + Al2O3复合型夹杂物。
  
  2) 高频水浸C扫描探伤,液位400 mm钢材缺陷总数为0. 97个/cm3,500 mm钢材缺陷总数为0. 63个/cm3; 水口开裂铸坯缺陷总数在0. 137~ 0. 905个/ cm3; 水口堵塞冲水口铸坯缺陷总数在0. 021 ~ 0. 398个/cm3.
  
  3) 水口开裂铸坯中w(O) 在 (32 ~ 107)×10- 6,数倍于正常坯中氧含量,水口堵塞冲水口铸坯中w(O) 比正常坯高15 × 10- 6.
  
  4) 中间包液位低于500 mm时,在大包水口流下钢液的强烈冲击下,形成漩涡,出现卷渣现象。浸入式水口出现裂纹时结晶器流场发生改变,连铸坯中结晶器保护渣卷渣严重。水口堵塞冲水口时,水口结瘤物掉入结晶器内的钢液中,造成结晶器液面剧烈波动,致使结晶器内钢液卷渣。
  
  5) 本次试验的各类非稳态连铸坯中,非金属夹杂物含量远高于正常铸坯,钢液质量受到严重污染,表明中包液位低于500 mm、水口开裂、水口堵塞冲水口时生产的铸坯不能用于正常生产。



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