高压锅炉器钢是天津钢管集团有限公司(以下简称天管)生产的主要产品之一，其使用的特殊性决定了其必须有很高的洁净度。为全面了解本钢种连铸圆坯的洁净度水平及主要影响因素，本试验通过现场取样及实验室分析检验，对其生产全过程钢中夹杂物的行为进行了系统分析和研究，弄清了钢中夹杂物的主要来源、组成及演变规律，找出了影响铸坯清洁度的主要因素，并提出了有针对性的工艺改进措施。
1试验研究方法
1.1 生产工艺
天管生产工艺流程为：废钢+海绵铁+铁水→EAF/VD→LF→喂CaSi线→CC，中间包公称容量30 t，大包到中间包采用全程吹氩保护长水口浇铸，中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注，铸坯直径310 mm。
1.2试验方法
1.2.1 采用示踪剂追踪夹杂物的来源
试验研究证明，采用示踪剂可以有效地判断钢中非金属夹杂物的来源[1]。本试验在电炉出钢1/3～1/2时向钢包中加入渣量8%的BaC03、中间包覆盖剂中配人覆盖剂量8%的Ce02，中间包涂料中配入8%的La203，结晶器保护渣利用本身含有的Na20、K20作为示踪剂来追踪铸坯中夹杂物的来源。
1.2.2全过程系统取样
试验过程选取一个浇次(5炉)分别在电炉出钢后、LF处理前后、vD喂线后、中间包钢水和铸坯上取大样和小样。
1.2.3采用多种分析手段进行综合评价
钢样和渣样的化学成分采用常规的化学分析方法，钢中总氧和氮采用远红外脉冲法分析，非金属夹杂物采用大样电解法、金相法结合扫描电镜和电子探针等手段检测。
2试验结果和分析
2.1 钢中总氧含量变化
钢中总氧含量包括自由氧和结合氧。自由氧是指溶解于钢液中的氧，结合氧是指存在于钢中各种氧化物中的氧。一般用钢中T.0来评价钢的洁净度水平。本次试验钢12CrlMoVG各工序的T.O含量平均变化见表1。
从表1可知，经过LF处理后钢水的平均ω(T.0)由58×10—6降为44×10-6，降低了24.14%，VD处理后ω(T.O)降为15×10-6，较LF后降低了65.91%，说明LF、VD处理对提高钢水洁净度效果明显;中间包ω(T.O)有所上升，说明从钢包到中间包保护浇注的密封性不好，存在少量二次氧化现象;连铸坯氧含量由高到低依次为头坯>尾坯>中间坯>正常坯。
2.2各工序钢中的显微非金属夹杂物
钢中夹杂物按尺寸大小可简单分为显微夹杂物和大型夹杂物两种[2-3]，显微夹杂物指尺寸小于50μm可以在金相显微镜下观察到的夹杂物，大型夹杂物指尺寸大于50μm，一般通过大样电解法分离提取后进行观察的夹杂物。
2.2.1 LF精炼前的非金属夹杂物
LF精炼前所取钢样观察到的夹杂物主要有以下几类：(1)复合脱氧产物AL203—Si02—Mn0，此类夹杂很多，尺寸在10～130μm，形貌如图1a;(2)大量不规则的AL203;(3)复合脱氧产物外裹硫化物，5μm左右，如图1b;(4)(Mn，Fe)S，是由于精炼前钢中硫含量高，与锰在凝固时沿晶界析出所致。
2.2.2 LF精炼后的非金属夹杂物
LF精炼后的非金属夹杂物主要为：(1)以Ca0-Al203一Si02为主要成分的复合氧化物夹杂;(2)以Cao-Si02为主要成分的复合氧化物夹杂，此两类夹杂物数量较多，尺寸多小于10肚m，是由顶渣和钢液相互作用形成的;(3)Al203一Si02一MgO外裹硫化钙夹杂，尺寸小于10μm，如图1c，是钢包渣线镁质耐火材料侵蚀脱落后与脱氧脱硫产物结合所致;(4)少量含示踪元素Ba的复合夹杂物，成分和钢包渣的成分接近，是由钢包卷渣造成。
2.2.3 VD喂线后的非金属夹杂物
vD喂线后的非金属夹杂物主要有：(1)球形铝酸钙，尺寸2～15μm;(2)条状或三角状的硅酸铁;(3)(Ca，Mn)S夹杂，有的含少量的Al、Si等元素。
与LF后相比，球形铝酸钙夹杂明显增多，A1203夹杂减少，这是由于喂入了硅钙线使大部分Al203变性为铝酸钙[2,3]。LF中MnS多呈链状，但喂丝后大多变为球形CaS或近球形(Ca，Mn)S，有的和氧化物结合形成复合夹杂物。
中间包的非金属夹杂物类型与vD后夹杂物类型基本相近，但有少量含Ce和La的夹杂，说明有中间包覆盖剂和耐材进入钢液中。
2.2.4铸坯中的非金属夹杂物
铸坯中的非金属夹杂物主要有：(1)球形钙铝酸盐，尺寸在5μm左右，是Al203用钙处理后的变性产物;(2)少量硅铝酸钙球状复合夹杂物，部分夹杂物含Cr、Mo元素，除来源于脱氧产物外，还可能来源于钢液二次氧化或钢水凝固过程形成的氧化物;(3)氧化物外裹硫化物，数量较少，尺寸小于10μm;(4)少量含Mg的复合夹杂物，来源于耐材侵蚀;(5)少量含示踪元素的夹杂物.
2.2.5各工序钢中夹杂物数量和尺寸
对LF前后、vD后、中间包、铸坯钢样在金相显微镜下进行人工分类，统计夹杂物数量，图2示出了各工序显微夹杂物的数量和尺寸变化情况。
由图可知，LF到vD钢中显微夹杂物从9.70个/mm2显著减少到4.85个/mm2，去除率达到50%，可见LF、vD去除夹杂物的效果很明显。从vD到中间包显微夹杂减少到2.29个/mm2，中间包到铸坯显微夹杂物增加了1.24个/mm2，说明中间包浇铸时有二次氧化现象发生。铸坯中85.8%的显微夹杂物分布在0～5μm之间。
2.3铸坯中大型夹杂物类型和粒径分布
2.3.1铸坯中大型夹杂物类型
铸坯中大型夹杂物主要有(1)尺寸为100～200μm的铁铝硅酸盐，主要是脱氧产物聚集长大未来得及排出钢液所致;(2)300μm左右的钙镁硅酸盐，主要是耐材侵蚀所致;(3)大量的含Na或K元素的复合氧化物，尺寸300～700μm，是结晶器卷渣所致;(4)少量含示踪元素Ba、Ce和La的复合夹杂，由内生脱氧产物与外来夹杂复合形成。主要夹杂物形貌和成分见表2。
通过示踪试验，用探针随机统计了43个夹杂物，结果如下：含BaO、Ce02、La203的夹杂物分别为24、14和9个，分别占总测试数的55.8%、32.6%和20.9%;含K20、Na2 O的夹杂物29个，占总测试数的67.44%。含两种或两种以上示踪剂的夹杂物为31个，不含任何示踪剂的夹杂物为10个。以上情况说明(1)钢包渣和中间包覆盖剂卷入、耐材侵蚀、结晶器卷渣都不同程度地存在，其中结晶器卷渣最为严重，其次是钢包卷渣;(2)大多数夹杂物有多种来源，由内生夹杂物和外来夹杂物复合而成;(3)深入研究结晶器和钢包流场是减少大型夹杂物的有效途径。
2.3.2铸坯中大型夹杂物的粒径分布
在1号和2号铸坯的内外弧分别取电解大样进行电解，结果如表3。
由表可知，本钢种大样电解产物很多，平均为83.21 mg/10 kg，且内外弧分布无规律，粒径均大于80μm。对本流程其他钢种的研究也表明大型夹杂物较多，且大多来自结晶器卷渣。此类夹杂危害很大，也可能是导致部分钢管出现裂纹的主要原因之一。
2.4渣成分研究
本次试验取了4炉钢的精练初渣和终渣试样(炉号分别用1、2、3、4表示)，用化学法进行了分析，主要成分见表4。精炼前后渣的二元碱度值也列于表4。
从表中看出，1和2的精炼初渣二元碱度分别为1.74、2.30，精炼后变为2.03、2.89。3和4的精炼初渣二元碱度分别为2.48、2.74，精炼后变为2.88、3.31。据文献[4]，精炼初渣二元碱度R在2.5～3.O范围内炉渣既有良好的脱氧、脱硫能力，又有较好的吸附夹杂物的能力，而1和2的精炼初渣碱度低于文献报道值，3和4的精炼初渣碱度接近文献报道值，因而从实验来看，3和4的显微夹杂物数量明显少于1和2。
通过分析发现精炼初渣中的叫(A1203)偏高，最高达30.02%，渣中过高的ω(A1203)不利于A1203夹杂物的吸收。
3结论
(1)天管采用电炉一LF精炼一VD真空一连铸工艺生产的高压锅炉钢12CrlMoVG，LF精炼后钢液ω(T.0)平均为44×10一6，VD处理后为15×10-6，铸坯为18×10-6～24×10一6，铸坯中氧含量由高到低依次为头坯>尾坯>中间坯>正常坯。
(2)铸坯中的显微夹杂物主要为球形钙铝酸盐、硅铝酸盐和铝酸盐与硫化物的复合夹杂，90%以上的夹杂物尺寸小于10μm;铸坯中大型夹杂物有铁铝硅酸盐、钙镁硅酸盐等，来源于钢的二次氧化、钢包卷渣、耐火材料侵蚀、结晶器卷渣等。
(3)通过对4炉钢精炼渣中化学成分的分析发现，部分炉次精炼渣的碱度略低，这可能是导致夹杂物多的一个原因，同时精炼初渣中的Al2O3，含量偏高，不利于钢液中脱氧产物Al203的吸收。
(4)为减少夹杂物对钢的危害，应加强钢包到中间包长水口的密封保护，采用钢包下渣检测装置，中间包开浇时浸入式水口上方采用挡渣措施;适当减少钢包吹氩流量，增加透气砖面积;深入研究结晶器流场，使用优质耐火材料等。
[参考文献]
[1] T H Englosh. Use of rare earth oxide tracers in determination of inclusion sources and origina at British Steel.Sscunthorpe works[J].IroNImking and steelmaking 1993，20(2)：97—99.
[2]许中波.钙处理钢水中非金属夹杂物的形态[J].北京科技大学学报，1995，17(2)：125—129.
[3]龚坚，王庆祥.钢液钙处理的热力学分析[J].炼钢。2003，19(3)：56-60.
[4] 吕同军，倪友来，张雪松，等.50 t钢包炉(LF)用精炼渣的研制[J].特殊钢，2002，23(5)：41-42.
