炼钢钢水纯净度分析

　　摘　要：通过全O、N分析，夹杂物图像分析仪、大样电解、扫描电镜及能谱分析，定性和定量分析了典型工艺钢种钢中全O、N含量和工序过程夹杂物的构成、变化规律及形态、分布，分析钢中Z终夹杂物表现形式主要为小颗粒的MnS、铝酸钙、少量的硅酸盐和块状Al₂O₃，通过强化转炉脱氧合金化工艺控制、精炼过程吹氩与造渣控制及脱硫和钙处理操作、全程保护浇注，钢水中O含量平均降低20％以上，N含量降低10％左右，铸坯中夹杂物含量降低了30％。
　　关键词：钢水纯净度；O含量；N含量；夹杂物；Q345C
　　济钢炼钢厂生产以低合金钢产品为主。随着市场对产品质量要求的不断提高，为深入了解在目前工艺条件下各工序钢水纯净度的实际状况，进一步提高铸坯内在质量，以炼钢典型工艺钢种BC（吹氩工艺路线）、低合金钢Q345C（LF工艺路线）为分析对象，通过全氧、氮分析，夹杂物图像分析仪，电子扫描，大样电解，定性和定量分析了两类钢种各工序夹杂物的变化规律。
　　1　分析钢种工艺介绍
　　BC工艺路线：铁水脱硫—转炉冶炼—出钢合金化—吹氩喂丝—板坯连铸；Q345C工艺路线：铁水—脱硫—转炉冶炼—出钢合金化—喂丝吹氩—LF炉精炼—板坯连铸。
　　分析钢种取样均为10炉。成品平均成分见表1。 　　2　钢中O、N分析
　　2.1 工序过程O含量分析
　　工序过程钢中氧含量变化情况见图1。从图1可以看出：吹氩工序具有良好的去除O的能力，其中BC去除了43.1%，Q345C去除了63.1%。吹氩前Q345C中的氧含量明显高于BC的主要原因是Q345C的出钢碳含量明显低于BC。 　　Q345C在LF处理过程中全O含量不仅没有降低，反而有所增加，主要原因是LF处理完毕加入Ca-Fe线时，钢水翻腾严重，使钢中的O明显增加。此后由于软吹氩时间不足，造成LF处理工序没有起到良好的脱氧功能。
　　中间包去除O的能力不稳定，在浇注Q345C钢种时全O去除了39.6%，而浇注BC时全O去除率只有5.5%。结晶器去除全O的能力在两个钢种的浇注过程中也出现相同的特点，Q345C去除了18%，而BC全O含量出现了增加。中间包去除O的能力与中间包的浇注状态密切相关，钢包刚开浇时，由于钢流的急剧冲刷及钢流卷入大量空气造成中间包全O含量出现明显增加，随着浇注状态的逐渐稳定，中间包里的O含量逐步降低，见图2。 　　2.2 工序过程N含量分析
　　工序过程钢中N含量变化情况见图3。在对钢水进行处理的过程中，只要有钢水同空气接触的机会，都会出现N含量的增加。具体集中表现在吹氩工序增N（3～5）×10^-6，LF处理增N（3～5）×10^-6，中间包浇注过程中增N（3～7）×10^-6。钢水从钢包到中间包和从中间包到结晶器都不同程度出现了增N现象。因此，在进一步加强大包长水口保护浇注的同时，对于中间包快换水口的氩封工艺要进一步优化，以减少钢水的二次氧化。 　　3　钢中夹杂物分析
　　3.1 夹杂物图像分析仪分析
　　为了定性对比分析各工序夹杂物的变化情况，采用夹杂物图像分析手段，对钢中的夹杂物进行统计分析，图4列出了分析钢种各工序＞10μm夹杂物的面积百分比。从图4可以看出，对于＞10μm夹杂物的去除，去除效果Z好的工序在吹氩，去除率达到了65%左右。其次为中间包浇铸工序和结晶器，但中间包去除率不稳定，在保护浇注效果比较理想，中间包处于稳定浇注状况下，夹杂物的去除效率就高。结晶器去除夹杂物的稳定性要好于中间包，其去除率在25%～45%间波动。

图4 分析钢种＞10μm夹杂物面积百分比

　　分析表明，LF处理过程中实际上也表现出良好的去除夹杂物的能力，但加入Ca-Fe线后使钢中的夹杂物出现明显增加。因此，加入Ca-Fe线后保证较长时间的软吹氩时间十分必要。
　　采用直弧型连铸机可以减轻夹杂物在铸坯内弧的偏聚，但对铸坯不同部位夹杂物的观察分析可知，铸坯不同位置夹杂物的分布状况有较大区别，见图5。铸坯的表面不论是夹杂物总量还是大型夹杂物，相比其他部位都是Z少的，夹杂物Z多的位置在铸坯的内弧1/4处，该处＞10μm夹杂物总量是表面的2倍，其次为铸坯中心。由此说明直弧型连铸机并不能完全消除夹杂物在内弧1/4处的偏聚。

图5 铸坯不同位置夹杂物对比

　　3.2 大样电解分析
　　为了定量测定分析钢种大型夹杂物的实际含量，对铸坯进行了大样电解测定。表2列出了两个典型钢种电解出来＞50μm夹杂物平均值。

表2 分析钢种＞50μm夹杂物定量测定结果 mg/10kg

　　在电解出的夹杂物中，以50～100μm 粒径的为主，典型钢种大型夹杂物含量处于一个较好水平。但在两个典型工艺钢种的对比中，经过LF处理的Q345C比只经吹氩处理的BC要高。因此，有必要对LF工序操作进行优化，以进一步降低夹杂物含量。
　　3.3 扫描电镜和能谱分析
　　为了解各工序夹杂物的实际组成和变化规律，对分析钢种各工序夹杂物的成分进行了扫描分析。结果表明：脱氧合金化后吹氩前，钢中的主要夹杂物为块状和簇状的脱氧产物Al₂O₃、球状SiAlMn酸盐和大颗粒钢包渣；通过吹氩或LF精炼处理及喂Ca-Fe线后，钢中的夹杂物构成发生了明显的变化，大颗粒SiAlMn酸盐和成聚集状的Al₂O₃基本消失。夹杂物主要为小颗粒的MnS，铝酸钙和MnS的结合产物，少量的硅酸盐和块状Al₂O₃。 图6为两个钢种铸坯中典型夹杂物的能谱分析结果。

图6 铸坯中的典型夹杂物形态

　　BC和Q345C的共同特点是铸坯中的硫化物呈串状聚集分布的较多，尤其是BC更明显。因此，有必要对Ca处理工艺进行优化，以改变钢中硫化物的构成，消除或减轻硫化物呈聚集分布的不良状态。
　　4　改进措施与结果
　　1）强化转炉脱氧合金化工艺控制。强化转炉终点氧含量控制和改进脱氧合金化工艺是降低钢水中氧夹杂物的根本，为此，强化了转炉终点C含量和温度控制，通过提高终点钢水C含量，降低终点钢水温度，提高终点一次拉碳出钢，避免拉后吹现象，同时改进脱氧合金化工艺，增加了终脱氧剂加入量，控制钢水中锰硅比，有效降低了钢水氧含量。
　　2）强化精炼过程吹氩与造渣控制。分析钢种中，Q345C铸坯中的全O含量达到了25×10^-6以下的高纯净度的水平。但＞10μm的夹杂物总量与BC相当，＞50μm的大型夹杂物比BC还要高。因此，进一步优化了LF工序操作，通过合理控制过程吹氩与造渣，避免爆吹造成钢水裸露二次氧化，合理控制Ca-Fe线喂入操作，保证有效的软吹氩控制，使Q345C等精炼钢种大型氧化物夹杂有效去除。
　　3）强化精炼过程脱硫和钙处理操作。为进一步减少铸坯中的硫化物呈串状聚集，必须强化钢水中硫含量的控制，通过改进铁水预处理与LF操作，降低钢水中硫含量，减少硫化物，从而减少了串状硫化物夹杂物产生，提高了铸坯纯净度。
　　4）强化铸机全程保护浇注操作。在连浇过程中，大包刚开浇时造成了钢中O、N含量的大幅度增加，随着中包浇注进入稳定状态，O、N含量逐渐下降，同时在两个钢种的浇注过程中，大包至中间包，中间包至结晶器都出现了明显的增N现象。为进一步控制铸机浇铸过程吸O和增N，强化了铸机保护浇铸控制，采取开浇时就采用氩封保护措施，浇铸过程保持较高的中间包液面，避免开浇钢流直接冲击渣面，保证大包—中包—结晶器全程保护浇铸和控制，保证大包、中包和结晶器液面保护渣覆盖，促进了钢水中夹杂物吸附。
　　采取上述一系列改进措施后，钢水中O、N及夹杂物含量明显降低。取样分析表明，钢水中O含量平均降低20％以上，N含量平均降低10％左右，铸坯中夹杂物含量降低了30％，提高了铸坯实物质量。