[科普中国]-皮下夹杂

简介

表面裂纹是钢产品中最常见的，也是人们一直致力解决却难以消除的一种缺陷。产生表面裂纹的原因有许多。有的在生产过程中可能消除，而有的则成为成品钢断裂的源头。包钢的重轨钢曾在较长时间内出现较严重的表面裂纹，不得不进行大量的人工清理工作，严重影响了正常生产和经济效益。经调查研究发现，皮下夹杂是造成表面裂纹的主要原因之一。产生皮下夹杂的原因较多，如浇注时保护渣的卷入，浇注系统耐火材料的侵蚀和冲刷，炉渣或罐渣的带入，模内和淌道的残留物吹扫不净等，这些夹杂都有可能残留在钢锭中或钢锭皮下。

为了查清皮下夹杂的来源，在实验车间进行了试验，人为地向钢中加入保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物，通过观察其夹杂物的特征和形成规律，判断出钢中夹杂物的来源1。

危害皮下夹杂是造成表面裂纹的原因之一。为了查清皮下夹杂的来源,分别向钢中添加保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物铸试验锭。将试验锭与空白锭对比,通过对钢中夹杂物进行低倍检验、金相检验和能谱分析,研究了四种加入物在钢中形成夹杂物的特征,对钢中夹杂物的来源提供了判断依据。

试验方法1 冶炼

采用0.5t中频炉冶炼炉钢轨钢，出钢时分别向钢包内加入保护渣、耐火材料、炉渣和模内残留物，并搅拌，然后分别注成40kg钢锭。每个钢锭的加入物均为300g，并对这4种加入物进行了化学分析。为了对比，另注了一个空白锭。从表面看，由于是上注锭，所以/个钢锭均有不同程度的结疤等缺陷。其中加入保护渣的钢锭表面质量最差。

2 锻造

将钢锭在煤气炉内加热至约1000℃，保温0.5h，用450kg锻锤锻成60mm60mm1000mm样坯。

3 试样的制备

在5种样坯的头、中、尾分别取20mm厚的低倍试样，经热酸浸蚀20~30min后吹干，观察其表面和内部缺陷情况。在缺陷处取金相试样，进行夹杂物的金相和能谱分析，并与参照物对照2。

试验结果1 低倍检验

由低倍检验结果看出，加入保护渣的锻造坯和空白锭的锻造坯的内部质量较好;加入耐火材料、炉渣和模内残留物的锻造坯内部有少量的夹杂，还有少量中心疏松，但未发现大颗粒的外来夹杂物;5个锭坯表面均有不同程度的裂纹和皮下夹杂，尤以加耐火材料的为重，表面有大颗粒的夹杂=加炉渣的表面质量相对较好，只有少量较短的，最长约为5mm细裂纹。

2 金相及扫描电镜检验

在皮下夹杂物和微裂纹处进行金相试样观察和能谱分析。以判断其缺陷特征及不同加入物试样之间的夹杂物差别，并用扫描电镜分析其夹杂物组成。

3 加入物的能谱分析

对4种加入物的能谱分析结果可以看出，保护渣的能谱图的特征是有Na峰。而耐火材料和炉渣均无此峰。耐火材料能谱图的特征是Al、Si峰较高。这与化学分析结果是一致的；炉渣的特点是Ca峰较高。此外还有明显的Al、Si峰。说明加入炉渣后，夹杂物中除含有炉渣成分外，还可能有包衬耐火材料或上炉加入耐火材料残留物的带入。而模内残留物则有明显的Al、Si、Ca峰2。

结果分析4种加入物所产生的夹杂物金相分析均为硅酸盐或硅铝酸盐，没有明显差别。但通过探针分析，可以看出它们之间的差别。并基本保留了加入物的原始成分特征。通过金相观察及能谱分析结果可以看出(尽管投入的夹杂物不同。但在皮下夹杂和裂纹处的夹杂物中所含的主要成分是耐火材料。其次是炉渣和保护渣。造成这种耐火材料夹杂物的主要原因是钢包包衬中的耐火材料及中注管中的耐火砖受到侵蚀和冲刷后剥落下来。随着钢水的流动而卷入钢中，最终留在钢锭或钢坯的表面和皮下，形成皮下夹杂或结疤缺陷。

钢锭或钢坯经过多道次的轧制后，钢产品的表面则易形成深浅不一的裂纹，炉渣的带入则因在出钢过程中扒渣和挡渣不净。随着钢水流入钢包内，若出钢镇静的时间不充分，炉渣和钢渣不能及时上浮，在浇注过程中很可能会留在钢锭的表面和皮下造成裂纹缺陷。保护渣则是因钢锭内模壁的坑凹不平而粘贴在钢锭表面造成这种缺陷。

为了减少这种耐火材料夹杂物。首先在前期准备工作中要选用质量较好的耐火材料，钢包在使用前必须经过烘烤。以防止包衬耐火材料因急冷急热而剥落掉块卷入钢中。必须用气体吹扫淌道和锭模内#以保证中注管和锭模的干净。钢锭模内壁要修整平滑，在冶炼和浇注过程中#应将出钢温度控制在上限。尤其在冬天，以保证出钢后的钢水有充足的镇静时间和吹氩时间及流量#使钢中的夹杂物上浮到钢水表面。

总结对于不同的夹杂物#通过低倍检验及金相观察只能观察到夹杂物均为硅酸盐或硅铝酸盐，看不出它们之间的明显区别，但通过扫描电镜对元素进行分析可观察到夹杂物具有的各自的特征。通过对这些外来夹杂物特征的分析可知#在钢锭或钢坯表面和皮下产生夹杂(裂纹和结疤的夹杂物的主要成分是耐火材料，其次是炉渣和保护渣。由此判断出是由于哪些生产操作不正确造成的缺陷。可以及时改进操作，减少和防止皮下夹杂物的形成，从而减少和防止表面裂纹的形成3。