管坯的显微组织缺陷-管坯非金属夹杂物

2016-11-07

   管坯中存在非金属夹杂物是不可避免的。它是钢中的铁及其他元素与氧、硫、氮等作用而形成的化合物,如Fe0Mn0A1203Cr203Ti02Si02FeSMnSTiNVNZrN等;也有可能是在炼钢和浇铸时钢水中混入了耐火材料碎片。后者的成分也主要是SiAlFeCrCaMg等的氧化物。

   FeMnAlCrTi等虽是金属元素,但当它们在与氧、硫、氮等结合而形成上述化合物之后,在本质上已经失去了金属的性质,并且这些化合物是机械地镶嵌在钢中,与钢的机体无任何联系。

 根据难熔夹杂物的特征,按照现有的评定方法,一般将非金属夹杂物分为ABcDDS五类,分别对应于硫化物、氧化物、硅酸盐、氮化物和单个球形夹杂物。根据非金属夹杂物在热加工时的变形能力,又可将其细分成塑性夹杂物、脆性夹杂物、半塑性夹杂物和点状不变形夹杂物等。

   铸坯中的非金属夹杂物一般都很小(直径不到4μm),这种非金属夹杂物很少会直接造成钢管缺陷。但当铸坯中的非金属夹杂物多且以大颗粒形式存在时,就会造成钢管缺陷,并且,有时铸坯中仅有1颗大颗粒的非金属夹杂物就足以使钢管产生大的缺陷(钢管管壁出现夹层)。因此,不仅要控制连铸圆管坯中的中等尺寸非金属夹杂物的含量,而且还要避免其形成大于临界尺寸的大颗粒的非金属夹杂物。

   在轧制过程中,非金属夹杂物之所以会造成产品缺陷,是因为非金属夹杂物的塑性和熔点与基体金属存在很大的差异。有的非金属夹杂物当加热到较低温度时,就会在晶界处发生熔化。有的非金属夹杂物在热一机械负荷下,当进行热加工变形时,会因其塑性差而被“轧碎”,与钢的变形不一致或不变形而使钢管产生裂纹。

   钢中非金属夹杂物包括内生非金属夹杂物和外来非金属夹杂物。内生非金属夹杂物是在钢水脱氧、二次氧化或钢液冷却和凝固过程中生成的。外来非金属夹杂物是因炉渣转入钢液或耐火材料侵蚀卷入钢液而产生的。因此,非金属夹杂物主要有以下三方面的来源。

   (1)加入脱氧剂后生成的脱氧产物,裸露的钢液被大气氧化和被耐火材料氧化而生成的二次氧化物。

   (2)来源于耐火材料(例如填充物)的夹杂物,它是因耐火材料渣线或内衬受化学腐蚀或机械侵蚀而生成的产物。

   (3)卷渣产生的夹杂物,它是因为渣一钢界面上的钢水流速较大以及渣的乳化而使液态的渣滴卷入钢液中。

   实践证明,炼钢过程中,由脱氧产生的钢中非金属夹杂物是不可避免的;而由二次氧化产生的非金属夹杂物是可以减少或完全去掉的。同时源自耐火材料的非金属夹杂物和卷渣生成的非金属夹杂物也可以减少和去除。即使在冶炼中没有去除掉,那么通过弱搅拌钢液或延长处理时间,也可以将其去除。

   从理论上讲,在炼钢的每一步都可以去除钢中的非金属夹杂物。其方法是:首先要让非金属夹杂物脱离钢液并让其向渣一气、钢一渣或钢液一耐火材料界面移动,然后再将达到渣一气、钢一渣界面的非金属夹杂物,从界面上分离出来。一般情况下,后一步分离过程是限制性环节,尤其是对液态非金属夹杂物而言。

   对于钢中的小颗粒非金属夹杂物,采用自然上浮去除法并不十分有效,可以利用氩气或电磁揽拌来增加非金属夹杂物的碰撞次数,增大非金属夹杂物因碰撞聚合而长大后的上浮速度。

   据有关资料表明,卷渣主要包括连铸结晶器内的卷渣和由钢液漩涡引起的卷渣。

   为了防止结晶器卷渣,主要是通过控制结晶器内钢液的流动来实现的。另外还应注意,保护渣的物理性能对卷渣的影响也很大,浇铸时即使伴有较小的吹氩量,也有助于防止保护渣卷入到钢液中。

   连铸圆管坯时,只要保证钢液弯月面处合适的温度和钢液的流动,就能有效地防止保护渣卷入到凝固的铸坯坯壳内。据研究,钢液弯月面处足够的液渣厚度及其保温性能,可以有效地保证钢液弯月面处足够的温度。

   保护渣的黏度对卷渣的影响已经得到了证实。在实际的连铸操作中,采用高黏度的保护渣可以大大降低钢液卷渣的可能性,但是需要注意,当保护渣黏度增大时,会降低对连铸坯坯壳的润滑作用。

   另外,采用无碳水口既可以大大降低因保护渣卷渣而造成的铸坯缺陷,又可以有效防止Al203在水口处聚集。

   对于另外一种卷渣,即由钢液漩涡引起的卷渣,人们亦进行了大量的研究,提出了以下几种抑制钢液漩涡的方法。

   (1)优化钢水出口挡渣结构。因为固定或浮动的圆盘和球并不具有明显的抑制钢液漩涡的效果。

   (2)在钢水出口附近插入挡板,可以有效抑制钢液漩涡。

   (3)临时关闭钢水出口,可以有效抑制钢液漩涡。

   (4)吹气,可以延迟钢液漩涡的产生。

   防止钢水的二次氧化,主要是要控制炉渣对钢水的二次氧化;控制气氛来防止钢水的二次氧化;控制耐火材料对钢水的二次氧化等。

   控制炉渣对钢水的二次氧化,就是要防止当带有氧化性能的炉渣与脱氧后的钢液相接触时,因溶解氧和脱氧剂反应而在钢中产生夹杂物。为实现此目的,必须防止炉渣卷入钢包内,最常用的办法是转炉采用挡渣堆;电炉采用偏心炉底出钢;也可以采用扒渣来防止钢包内的炉渣对钢液的二次氧化。

   为了防止大气对钢包内钢液的二次氧化,除必须控制气体的搅拌强度以免使钢液与大气接触外,还需确保钢包的密闭性和还原性气氛。

   若要控制钢液被耐火材料二次氧化,则要求耐火材料具有较高的质量,例如使用低二氧化硅、高三氧化二铝等耐火材料。对于白云石的钢包和MgO-C渣线,由于受到钢液的侵蚀,镁会向钢中扩散,有可能在钢液中生成尖晶石或CaO-Al2O3-MgO系夹杂物。中间包Mg0渣线可能会与钢液反应,成为二次氧化物夹杂的来源。

   使用铝碳类耐火材料,钢液在石墨碳处会发生复杂反应:还原耐火材料中的杂质生成CO,通过钢液再还原CO生成第一层夹杂物,采用脱碳渣线能够限制这种反应。

   采用钢包精炼技术和中间包冶金技术可以减少钢中的非金属夹杂物。

   所有的钢包精炼炉,均具有去除非金属夹杂物的功能。其主要功能是通过脱气减少钢水的二次氧化,并且在精炼过程中有足够的时间使钢液中的非金属夹杂物上浮进入渣中。

   中间包已经开始从单一的分流器发展到与铸坯质量控制相关的多功能容器。

   如果说设分流器的作用是为了确保连铸机有高的生产效率和低的生产成本,那么也可以说开发中间包冶炼技术就是为了获得更高质量的铸坯。在这一方面,中间包具有两种功能,即避免钢液污染和促使非金属夹杂物的进一步上升。

   在考虑中间包的设计和形状选择时,应增加中间包的容量,将其熔池深度扩展到最大,使中间包钢液内的非金属夹杂物有充足的上浮时间。同时,还应研究有效避免钢液在中间包中受污染的相应措施,如采用长水口将其连接到钢包的底部;加入覆盖渣与挡渣设备相连的炉渣检测设备:在中间包湍流区域设置坎或挡墙等。

   综上所述,尽管管坯标准对管坯的显微组织缺陷没有作出相应的规定,但是在生产有特殊要求的合金钢管、高合金钢管时,仍然要对管坯的成分和组织的均匀性以及非金属夹杂物含量和分布形态予以相应控制,以尽可能减少管坯缺陷的产生,进而改善钢管的力学性能和耐蚀性能,确保钢管质量。