20Cr低倍夹杂原因分析及对策

    低倍检验中发现20Cr 钢存在低倍夹杂，利用扫描电镜及能谱仪对低倍夹杂的形貌及化学成分进一步分析，结果显示该低倍夹杂的化学成分与大包渣成分接近，通过分析该炉钢水冶炼过程，发现该炉存在冶炼时间过长、大包下渣检测未启用、引流开浇等异常现象，该炉大包下渣检测失灵，造成大包渣卷入中间包中，随钢流进入结晶器后被凝固坯壳捕捉造成低倍夹杂超标，针对此现象首先采取了稳定生产节奏、加强大包下渣的监测、定期对中包进行排渣等措施，后期轧材低倍夹杂明显减少，下一步通过中包技改，促进夹杂物上浮，进一步提高钢材纯净度。1引言     20Cr 为低淬透性渗碳合结钢，主要用于制造整体强度要求较高、表面耐磨损且形状较为复杂、负荷不大的渗碳零件，如变速箱齿轮、齿轮轴、蜗杆、爪型离合器等。某公司该钢种产量较大，有较为完善的产品质量管控体系，产品质量相对稳定，对于生产异常的炉次会加严检测，确保产品质量合格。    该炉20Cr 钢的生产流程为: 70 t 电弧炉→70 tLF 精炼炉→150 方五机五流小方坯连铸机，中间包钢水容量为15 t，铸机流间距为1.25 m。2低倍夹杂形成原因分析     该炉20Cr 主要生产工艺参数见表1，因电炉出钢后钢水中P 含量超国标上限，与后一炉次互兑钢水倒包处理，导致该炉钢在LF 精炼位冶炼130 min，严重超时，质量处做异常处理，取双倍样检验低倍夹杂情况，在检测过程中发现了低倍夹杂，见图1。



     为进一步查清其来源，又利用扫描电镜及能谱分析仪对夹杂物进行了高倍检测及成分分析，分析结果见图2～图4 及表2。



   夹杂物的主要成分为Ca、Al、Si、Mg 的氧化物，见表2; 以上元素都为易氧化元素，在夹杂物中都是以氧化物的形式存在，根据元素的质量百分数可得到对应氧化物的质量百分数，见表3。

    由表3和表4可知，低倍夹杂的主要成分和精炼渣成分非常接近，因中包覆盖剂及结晶器保护渣碱度均＜1，与该类夹杂物成分差别较大，排除中包液面或结晶器液面波动卷渣的可能。相对于大包渣成分，该夹杂物中CaO 含量下降，Al2O3和MgO 含量相对上升，说明大包渣进入钢水中后，与钢中的成分或夹杂物进一步发生反应。因20Cr 为含铝钢，见表5，在浇铸过程中因大包引流开浇，钢水二次氧化较强，钢中Al2O3夹杂含量增多，钢水纯净度较差，大颗粒夹杂在随钢流的流动过程中不断与钢中夹杂物碰撞长大，导致该类夹杂物中的Al2O3含量升高; 冶炼后期中包耐材侵蚀较重，特别是冲击区，因冲击区较小，拉速较快，冲击区内无稳流装置，耐材侵蚀严重，侵蚀后的镁质耐材部分会进入钢水中，造成MgO 类夹杂物的增多。

   由图4 面扫图片可知，Ca、Al、Si、Mg 等基本呈均匀分布，无明显聚集，S 主要沿该夹杂物边缘分布，S 主要以CaS 或MnS 两种形式存在，MnS 夹杂凝固点较低，一般是在铸坯凝固冷却过程中形成，因异相形核相对于均相形核所需的自由能更低，该类夹杂物通常会在钢水中已存在的夹杂物表面生成并长大，但因S 与Mn 存在部位并不重合，所以该类夹杂物应为CaS 夹杂。由脱硫反应可知，该夹杂物中的CaO 成分与钢水中的S 发生了脱硫反应，如式⑴所示; 该反应产生的［O］进一步与钢中的［Al］反应生成Al2O3，如式⑵所示:

    由未反应核模型可知，新生成的CaS 分布在大颗粒夹杂周围，并且因反应时间太短或扩散速度太慢，生成物只沿夹杂物浅表层分布，同时该反应也进一步提高了夹杂物中Al2O3的含量，降低了CaO的数量，与大包下渣的推测相吻合。    该炉钢因磷高倒包冶炼时间较长，高温钢水对钢包包壁耐材侵蚀较为严重，导致渣中MgO 含量较正常炉次偏高约3 个百分点，并且因钢水在包时间长导致开浇烧氧引流，钢水二次氧化严重。通过查找大包下渣检测系统趋势图可知，该炉大包下渣检测反应迟钝，大包下渣后水口关闭时间延迟约10 s，大量大包渣进入到中包冲击区中，因冲击区较小，钢水在冲击区内的停留时间较短，炉渣随钢流进入中包内，中包容量较小，部分夹杂物来不及上浮又随钢流进一步进入到结晶器内。另外，该炉浇铸断面为150 mm2，水口为直通型，结晶器内钢水回流量较小，进入结晶器内的夹杂物上浮量很少，基本会随钢流进入到结晶器内，并在铸坯下行过程中不断上浮被凝固坯壳捕捉，对应的大颗粒夹杂通常位于轧材皮下位置。由以上分析可知，低倍夹杂形成的主要原因为:⑴电炉出钢磷高导致倒包，钢水倒包对耐材冲刷严重，二次氧化严重，增加了大包引流开浇的几率，进一步造成钢水的二次氧化，钢水纯净度较差;⑵大包下渣故障检测未检测到大包下渣并及时关闭大包，造成大量大包渣进入到中包内，是造成低倍超标的直接原因;⑶铸坯断面小、中包小、中包冲击区较小，钢水在中包内的停留时间短，不利于夹杂物上浮，对钢水的后期净化作用有限。3解决措施 ⑴稳定生产节奏，减少因成分、设备异常等原因造成的倒包、停等等非正常作业。⑵大包下渣监测实行设备检测与人工观察双重控制，防止设备故障或检测不准确时造成大包大量下渣影响钢水质量，同时每个中包至少排渣一次，特别是在大包大量下渣时必须排渣处理，防止大包渣被卷入钢水中污染钢水，也便于人工判断大包下渣状况。⑶对中包进行技改，扩大中包容量，增加中包冲击区体积; 安装稳流器，合理设置中包流场，使中包钢水中夹杂物尽可能上浮。⑷通过稳定生产节奏和加强大包下渣监测，2022 年2—6 月份低倍检测合格率保持在较高的水平，总体呈上升趋势，见图5。

4结语 ⑴通过对低倍夹杂的出现位置及主要成分的确定，与保护渣、中包覆盖剂、大包渣等成分对比分析后，确定了低倍夹杂来自于大包渣。⑵通过分析冶炼过程的相关数据，找出了影响低倍夹杂的主要因素，如倒包、精炼时间长，大包引流、大包下渣、中包较小等间接或直接导致了该炉钢水洁净度差，出现低倍夹杂。⑶针对低倍出现的原因有针对性地采取了稳定生产节奏，加强大包下渣监控等措施，低倍夹杂数量出现了明显下降，再无含大包渣成分的低倍出现，下一步通过进一步的技改将更进一步地提高钢水质量，减少低倍超标缺陷。

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