摘 要:采用大樣電解、掃描電鏡分析等方法研究了37Mn5鋼中大型非金屬夾雜物的形貌、尺 寸和來源。結果表明:鋼中大型非金屬夾雜物主要來源于結晶器保護渣和脫氧產(chǎn)物,這兩種類型的 夾雜物分別占總夾雜物含量的50%和30.8%。
關鍵詞:37Mn5鋼;非金屬夾雜物;大樣電解
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0041-03
37Mn5鋼主要用于軋制石油套管,石油套管的 主要作用是加固井壁和保護井眼。對石油套管用鋼 的強度、韌性、抗氫致裂紋(HIC)、抗硫化物應力腐 蝕開裂(SSCC)等性能有嚴格要求。鑄坯中的非金 屬夾雜物直接影響軋制成品的合格率,其不僅可以 直接或間接地影響軋制后鋼管的工藝性能和使用性 能,而且會給鋼管的表面質量帶來不利影響[1],因此 需對鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸、分布等 進行嚴格控制。
1 試驗方法
某鋼廠生產(chǎn)37Mn5鋼的工藝流程為:倒灌站→ 頂?shù)讖痛缔D爐→鋼包精煉爐→圓坯連鑄。采用鑄坯 半徑為9m 的弧形連鑄機進行澆鑄,鑄坯直徑為 150~210mm。
在?150mm圓坯上取樣,對其進行化學成分分 析,結果如表1所示。
對圓坯夾雜物及其徑向分布規(guī)律進行研究,結 果表明:越靠近圓坯中心位置,夾雜物的平均尺寸越 大。因此,主要研究圓坯心部夾雜物的特征,在圓坯 幾何中心處取規(guī)格為60 mm×60 mm×90 mm (長×寬×高)的長方體試樣,用大樣電解法對其進 行分析[1],研究37Mn5鋼中非金屬夾雜物的來源, 取樣位置如圖1所示。
2 鑄坯大樣電解結果分析
對試樣電解后得到的大型夾雜物進行分類,再利用 天平對分類的夾雜物分別進行稱量,結果如表2所示。
由選取試樣的大樣電解結果可知:雖然夾雜物 的含量不同,但兩個試樣上的夾雜物種類基本一致。 選取1# 試樣中的夾雜物進行詳細分析。
2.1 1# 試樣中大型夾雜物形貌、尺寸和組成
1# 試樣中不同尺寸大型夾雜物宏觀形貌如圖2 所示。
將大樣電解后的夾雜物置于JSM-6480LV 型 掃描電鏡(SEM)下觀察,并對夾雜物進行能譜分 析。1# 試樣中大型夾雜物SEM 形貌如圖3所示, 選取12處夾雜物進行能譜分析,結果如表3所示。
2.2 鑄坯中大型夾雜物來源分析
2.2.1 來源于鋼包或中間包耐火材料
測點4的夾雜物成分以 Ca、O、Mg元素為主,其他元素含量較少,其中 Mg元素的質量分數(shù)為 15.73%,一般認為 Mg元素主要來源于鋼包或中包 耐火材料和合金[1]。其他試樣中也發(fā)現(xiàn)少量的 Mg 元素,但是總體比例較低,可以推測耐火材料整體耐 腐蝕性能較好,而合金中夾雜物主要以鎂鋁尖晶石 形式出現(xiàn)[2-3]。綜合分析認為,該類夾雜物為異常沖 刷引起的耐火材料脫落。
2.2.2 來源于結晶器夾渣
測點1,3,5,6,7,10中的夾雜物存在較為明顯 的共同特征,均含有 K 元素或F元素,該類元素常 見于各類夾渣中,一般認為 K元素是結晶器保護渣 中的特征元素[4]。典型保護渣、精煉渣、覆蓋劑的化 學成分如表4所示。
將表4中結晶器保護渣、精煉渣、鋼包覆蓋劑的成 分與點1,3,5,6,7,10中夾雜物的組分進行對比可知, 該類夾雜物組分與保護渣成分相似,并含有K元素。
2.2.3 來源于鋼水的脫氧產(chǎn)物或鈣處理產(chǎn)物
點2,8,11,12的夾雜物為脫氧或鈣處理產(chǎn)物, 由于精煉工藝不合理,因此夾雜物長大后未能及時 上浮或者上浮后被二次卷入鋼水中,最終滯留在鑄 坯中形成非金屬夾雜物。
2.2.4 來源于中包卷渣
點9處夾雜物主要有Ca、Si、O 元素,為硅酸鈣 的夾雜物,根據(jù)夾雜物的組分可以推斷出,夾雜物中 CaO、SiO2 的質量分數(shù)占比小于1.0%,該類夾雜物 有可能來源于中包卷渣。
3 結論與建議
(1)大樣電解檢測和理論分析確定了鑄坯中非 金屬夾雜物主要來源于結晶器卷渣、脫氧或鈣處理 產(chǎn)物、中包卷渣。
(2)試樣中的大型夾雜物有一半來源于結晶器 夾渣。連鑄時應嚴格參照水口插入深度的要求,規(guī) 范執(zhí)行浸入式水口對中,保證結晶器流場的穩(wěn)定;建 議煉鋼時保證鋼水溫度和純凈度,減少或杜絕異常 變速和由堵水口引起的結晶器液位異常波動。
(3)針對脫氧或鈣處理產(chǎn)物多的問題,建議控 制好精煉渣成分,并根據(jù) Al元素含量調整鈣棒的 供給量。
(4)絕大部分夾雜物中 Mg元素的質量分數(shù)均 小于5%,但個別試樣中 Mg元素質量分數(shù)達到 15.73%,且以Ca、Mg元素為主,建議精煉鈣處理過 程,避免非正常腐蝕。
參考文獻:
[1] 劉瑩,田慶榮.37Mn5管材內壁表面上鼓包缺陷形成 原因分析[J].物理測試,2014,32(1):40-42.
[2] OKUYAMA G,YAMAGUCHIK,TAKEUCHIS, etal.Effectofslagcompositiononthekineticsof formationof Al2O3 MgO inclusionsinaluminum killedferriticstainlesssteel[J].ISIJInternational, 2000,40(2):121-128.
[3] FUJIIK,NAGASAKAT,HINO M.Activitiesofthe constituentsinspinelsolidsolutionandfreeenergies offormation of MgO,MgO· Al2O3 [J].ISIJ International,2000,40(11):1059-1066.
[4] 張國濱,寧玫,周欣欣.鋼中非金屬夾雜物分析[J].理 化檢驗(物理分冊),2021,57(12):1-7,17.