炉衬和中间包衬的成分分析揭示夹渣来源

SA-210C是高压锅炉用无缝钢管系列钢种中的基础钢种，按成分划分属于优质碳素结构钢。其工艺流程为：

原料→100tUHP（超高功率电弧炉）→EPT（电弧炉）出钢→100tLF精炼→连铸→铸坯检验→加热→轧制圆坯→成品检验→入库。

一流的设备、一流的工艺保证了管坯性能的较高要求、满意的强度指标、良好的韧性和塑性性能、合理的成分和组织。此钢质量要优于普通碳素结构钢，其w（P）小于0.015%，w（S）小于0.010%。钢坯交货时，除保证化学成分和力学性能外还要求低倍组织，包括缩孔、气孔、裂纹、夹杂物、白点和翻皮等缺陷达到规定的要求。其中要求：

ϕ50～ϕ110管坯：一般疏松、中心疏松、偏析均不大于2级

ϕ110～ϕ130管坯：一般疏松、中心疏松、偏析均不大于2.5级

ϕ130管坯：一般疏松、中心疏松、偏析均不大于3级

这些缺陷在无缝管冷拔过程中会被放大，造成无缝管外表面明显缺陷，特别是在扩口试验中，那些超过标准级别的残余缩孔、疏松或夹渣会在试样顶部产生扩孔裂纹。

1.检验结果及分析

在本次试验中，金相观察证实其组织、夹杂物等检验指标均在合格范围内，但在低倍酸蚀检验中发现了针孔缺陷，特别是在夹杂物检验时意外地发现了成堆聚集多棱角的夹杂物，已经超出了夹杂物的评级范围，具有夹渣的典型特征，而且在多个视场中出现，并不是个别现象。

为进一步验证金相的观察结果，在裂纹处将试样打断成两个匹配的纵向断口，用扫描电子显微镜对裂纹处的纵向断口进行观察与分析，对夹渣和裂纹形貌、夹渣所含的成分进行X射线能谱定性和定量分析。扫描电子显微镜观察和分析的结果如下：

1）发现在管壁上的星形放射状裂纹进一步向纵向扩展约1mm，并有明显的二次裂纹沿纵向扩展。检验结果证明，由于在试样顶端存在一个潜在的残余缩孔，在冲压外力的作用下迅速向几个方向扩展，形成肉眼可见的裂纹。(www.xing528.com)

2）观察发现，在缩孔的光滑显微空间内存在大量的成堆多棱角的夹杂物，即夹渣，与金相分析结果是完全一致的。它们是MgO、Al₂O₃、SiO₂、CaO、FeO的混合物，恰好是炉衬和中间包衬的耐火材料的成分，说明这些夹渣来自于炉衬和中间包衬的耐火材料。

3）断口观察还发现，这种夹渣和疏松残余同时出现，有夹渣的地方必有缩孔，有缩孔必有夹渣，二者形成一个共同体。残余缩孔和夹渣是潜在的裂纹源。这种缺陷对裂纹的敏感性较强，在管坯穿管和随后的两道冷拔过程中缺陷会被放大，成为无缝管的裂纹源，并影响最终使用性能和使用寿命。

4）出现扩口裂纹的几炉钢坯，其中间包的耐火材料质量不好，以前每个中间包可以连续浇注7炉连铸方坯，而当时连续浇注四炉方坯后中间包的包衬耐火材料就有较大的剥落，甚至将包壁侵蚀成两个深坑，包衬耐火材料被带入钢液中，这与在金相和断口疏松残余看到的夹渣是完全一致的。另外，还有一炉在浇注时渣墙被冲塌，有部分渣墙耐火材料进入钢液，这显然是在钢坯中产生夹渣缺陷的直接原因。

2.夹渣产生的理论分析

（1）夹渣的特征 在浇注过程中，钢包、中间包和结晶器带来的外来夹杂物主要是钢液和外界（卷渣及耐火材料侵蚀）之间偶然的化学和机械作用产物。其特征为：①尺寸大：来自耐火材料侵蚀的夹杂物通常比卷渣造成的夹杂物要大；②复合成分及多相结构：由于钢液和渣中的MgO、SiO₂、FeO和MnO以及炉衬耐火材料之间的多元反应造成夹杂物成分复杂，它们在运动时，容易吸收捕获脱氧产物，这些外来夹杂物通常作为异相形核核心，在钢液中运动的新夹杂物以此为核心沉淀析出；③形状不规则：多呈有棱角的成堆集聚在显微疏松处，大多数为多相；④相比小夹杂物而言数量较少，但对钢性能危害严重；⑤由于此类夹杂物通常是在浇注和凝固时被捕捉，因此具有偶然性，在钢中零星分布。

（2）侵蚀包衬耐火材料形成的夹渣 此类夹杂物容易上浮去除，所以它们只集中在凝固速度最快的区域或者在某些上浮受阻的区域。因此，此类夹杂物经常出现在表层附近。结晶器钢液表面的空气渗透在二次氧化过程中，脱氧元素如Al、Ca和Si等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物，通常比脱氧夹杂物大1～2个数量级。二次氧化产物另一来源是渣中以及包衬耐火材料中的MgO、SiO₂、FeO和MnO，根据二次氧化产物形成的机理，靠近渣或包衬界面时钢液中的夹杂物通过反应SiO₂/FeO/MnO+Al→Si+Fe+Mn+Al₂O₃而长大，由此生成的氧化铝夹杂物尺寸较大且含有各种成分。上述反应能够侵蚀包衬耐火材料表面并可使其表面凹凸不平，从而改变包衬壁附近的钢液流场，并且引起包衬的破损加速。包衬破损产生的大型外来夹杂物以及卷入的渣可以捕捉小夹杂物如脱氧产物，也可以作为异相形核核心产生新的析出物，这就使得外来夹杂物的成分变得比较复杂。

（3）卷渣造成的外来夹杂物 任何冶炼上或钢液传递上的操作，尤其是在钢液从一种容器到另一种容器时，都会引起渣钢间的剧烈混合，造成渣颗粒悬浮在钢液中。卷渣形成的夹杂物尺寸在10～300μm之间，含有大量的CaO和MgO成分，在钢液温度下通常为液态，因此在外形上为球形。对于连铸工艺，下列因素可能造成钢液卷渣：钢液从钢包到中间包和从中间包到结晶器时，尤其是敞开浇注时及钢液表面出现漩涡时。

（4）包衬耐火材料侵蚀/腐蚀造成的外来夹杂物 耐火材料的侵蚀物，包括砖块上的砂粒、松散的脏物、破损的砖块以及陶瓷类的内衬颗粒，是极为常见的典型固态的大型外来夹杂物的来源，它们通常尺寸较大，外形不规则。外来夹杂物可以作为氧化铝的异相形核核心，可以包含中心颗粒，或者聚集其他内生夹杂物。耐火材料侵蚀产物或机械作用产生的夹杂物的出现完全损害了原本非常纯净的钢的质量。

包衬侵蚀通常出现在湍流区域，特别是在二次氧化、浇注温度较高以及化学反应时。以下因素对包衬侵蚀有较大影响：①一些钢种具有很强的腐蚀性（例如高锰钢种以及未经脱氧的钢中自由氧较高的钢种）对包衬耐火砖造成侵蚀；②二次氧化反应，如钢液中溶解铝还原包衬耐火材料中的SiO₂的反应，具有很强反应性能并且与包衬材料浸润性好的FeO基生成夹杂物，均能在湍流程度较强的区域对包衬耐火材料造成侵蚀，这类反应的程度可以通过测定钢液中Si含量来定量化，耐火材料中的碳与粘结剂或其他杂质反应时需要的氧也可能来自CO；③耐火砖的成分和质量对钢的质量有重要影响。