高压锅炉管钢P12铸锭中夹杂物分布解剖研究

D0:10.13374.issn1001-053x.2012.07.016 第34卷第7期 北京科技大学学报 Vol.34 No.7 2012年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2012 高压锅炉管钢P12铸锭中夹杂物分布解剖研究 刘建华)四包燕平2) 王国宣》阳燕”李开明) 李立新》 1)北京科技大学治金工程研究院，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)中原特钢股份有限公司技术中心，焦作454685 ☒通信作者，E-mail:liujianhua@metall..usth.edu.cn 摘要分别采用解剖、总氧分析(T0])、原位统计分析、金相显微镜统计分析和小样电解实验研究了16.8t高压锅炉管钢 P12铸锭中夹杂物的分布.发现在铸锭的上中部存在夹杂物数量较低的负偏聚区域，而在中心及尾部中心部位存在夹杂物数 量较高的正偏聚区域.为了表征夹杂物的偏聚程度，提出了夹杂物偏聚指数的新概念.总氧分析和原位统计分析结果表明铸 锭中下部氧化物夹杂物偏聚指数达到1.4~1.6，而在上中部氧化物夹杂物的偏聚指数为0.5~0.7.金相统计分析和小样电 解实验可同时分析钢中氧化物和硫化物等夹杂，其分析结果表明铸锭上中部夹杂物的偏聚指数为0.7~0.8，铸锭中下部夹杂 物的偏聚指数为1.15~1.35.铸锭中心及锭尾中心区域氧化物夹杂平均尺寸明显大于其他区域，表明大夹杂物在上浮过程中 被结晶雨捕获并沉降到底部是铸坯中下部夹杂物偏聚的主要机制. 关键词钢铁生产：模铸；夹杂物：铸锭：偏聚：高压锅炉 分类号TF771.2 Investigation of inclusion distribution in ingots of high pressure boiler tube steel P12 by dissection LIU Jian--hua》☒，BAO Yan-ping2》,WANG Guo-xuan》,YANG Yan'》,lKai-ming》,lLi-in》 1)Research Institute of Metallurgy Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 3)Technical Center,Zhongyuan Special Steel Co.Lid.,Jiaozuo 454685,China Corresponding author,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Inclusion distribution in 16.8 t ingots of high pressure boiler tube steel P12 was studied by dissection,total oxygen analysis,original position statistic distribution analysis (OPA),metallographic microscope static analysis and small sample electroly- sis.It was found that a negative inclusion segregation area existed in the central part of the ingot head where the inclusion quantity is lower:while a positive inclusion segregation area existed in the center and lower part of the ingot where the inclusion quantity is higher. A new concept of inclusion segregation index was put forward to describe the segregation degree of inclusions.Total oxygen analysis and OPA results demonstrated that the segregation indexes of oxide inclusions were 1.4 to 1.6 in the central and lower part of the ingot and 0.5 to 0.7 in the central part of the ingot head.As both oxide and sulphide inclusions were tested by metallographic microscope static analysis and slime small sample electrolysis,the inclusion segregation indexes were about 0.7 to 0.8 in the central part of the ingot head and 1.15 to 1.35 in the center and lower part of the ingot.The average size of oxide inclusions in the central and lower part of the ingot was bigger than that in other places,showing that the main mechanism for inclusion segregation in the central and lower part of the ingot is the picking of large inclusions by showering crystallites during floatation. KEY WORDS steel production:die casting;inclusions:ingots:segregation:high pressure boilers 夹杂物在钢中的分布对钢材的质量评级、应用、 布进行了大量的研究，相关研究成果对提高连铸坯 质量检测和工艺改进等具有非常重要的指导意义. 洁净度和钢铁产品质量发挥了巨大作用.如随着对 在连铸领域，治金科学家已对连铸坯中夹杂物的分 夹杂物容易在连铸坯内弧侧偏聚现象的深入了解， 收稿日期：201204-01 基金项目：国家高技术研究发展专项经费资助项目(2009AA04Z163)

第 34 卷 第 7 期 2012 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 7 Jul． 2012 高压锅炉管钢 P12 铸锭中夹杂物分布解剖研究 刘建华1) 包燕平2) 王国宣3) 阳 燕1) 李开明3) 李立新3) 1) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 中原特钢股份有限公司技术中心，焦作 454685 通信作者，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 分别采用解剖、总氧分析( T［O］) 、原位统计分析、金相显微镜统计分析和小样电解实验研究了 16. 8 t 高压锅炉管钢 P12 铸锭中夹杂物的分布． 发现在铸锭的上中部存在夹杂物数量较低的负偏聚区域，而在中心及尾部中心部位存在夹杂物数 量较高的正偏聚区域． 为了表征夹杂物的偏聚程度，提出了夹杂物偏聚指数的新概念． 总氧分析和原位统计分析结果表明铸 锭中下部氧化物夹杂物偏聚指数达到 1. 4 ～ 1. 6，而在上中部氧化物夹杂物的偏聚指数为 0. 5 ～ 0. 7． 金相统计分析和小样电 解实验可同时分析钢中氧化物和硫化物等夹杂，其分析结果表明铸锭上中部夹杂物的偏聚指数为 0. 7 ～ 0. 8，铸锭中下部夹杂 物的偏聚指数为 1. 15 ～ 1. 35． 铸锭中心及锭尾中心区域氧化物夹杂平均尺寸明显大于其他区域，表明大夹杂物在上浮过程中 被结晶雨捕获并沉降到底部是铸坯中下部夹杂物偏聚的主要机制． 关键词 钢铁生产; 模铸; 夹杂物; 铸锭; 偏聚; 高压锅炉 分类号 TF771. 2 Investigation of inclusion distribution in ingots of high pressure boiler tube steel P12 by dissection LIU Jian-hua1) ，BAO Yan-ping2) ，WANG Guo-xuan3) ，YANG Yan1) ，LI Kai-ming3) ，LI Li-xin3) 1) Research Institute of Metallurgy Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Technical Center，Zhongyuan Special Steel Co． Ltd． ，Jiaozuo 454685，China Corresponding author，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn ABSTRACT Inclusion distribution in 16. 8 t ingots of high pressure boiler tube steel P12 was studied by dissection，total oxygen analysis，original position statistic distribution analysis ( OPA) ，metallographic microscope static analysis and small sample electroly￾sis． It was found that a negative inclusion segregation area existed in the central part of the ingot head where the inclusion quantity is lower; while a positive inclusion segregation area existed in the center and lower part of the ingot where the inclusion quantity is higher． A new concept of inclusion segregation index was put forward to describe the segregation degree of inclusions． Total oxygen analysis and OPA results demonstrated that the segregation indexes of oxide inclusions were 1. 4 to 1. 6 in the central and lower part of the ingot and 0. 5 to 0. 7 in the central part of the ingot head． As both oxide and sulphide inclusions were tested by metallographic microscope static analysis and slime small sample electrolysis，the inclusion segregation indexes were about 0. 7 to 0. 8 in the central part of the ingot head and 1. 15 to 1. 35 in the center and lower part of the ingot． The average size of oxide inclusions in the central and lower part of the ingot was bigger than that in other places，showing that the main mechanism for inclusion segregation in the central and lower part of the ingot is the picking of large inclusions by showering crystallites during floatation． KEY WORDS steel production; die casting; inclusions; ingots; segregation; high pressure boilers 收稿日期: 2012--04--01 基金项目: 国家高技术研究发展专项经费资助项目( 2009AA04Z163) 夹杂物在钢中的分布对钢材的质量评级、应用、 质量检测和工艺改进等具有非常重要的指导意义． 在连铸领域，冶金科学家已对连铸坯中夹杂物的分 布进行了大量的研究，相关研究成果对提高连铸坯 洁净度和钢铁产品质量发挥了巨大作用． 如随着对 夹杂物容易在连铸坯内弧侧偏聚现象的深入了解， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.016

·770· 北京科技大学学报 第34卷 现代钢铁企业越来越偏向于配置立弯式连铸机，并 P12铸锭进行了解剖分析，采用不同的夹杂物检测 对过热度、拉速等关键连铸工艺参数进行控制，以 手段分析了夹杂物及氧在钢锭中的分布规律，提 便生产高洁净度连铸坯0：有关大尺寸夹杂物容 出了采用夹杂物偏聚指数表征钢中夹杂物分布均 易在铸坯皮下聚集的研究，在推动结晶器电磁搅 匀性的新方法 拌应用、保护渣优化和结晶器液面控制等方面发 挥了重要作用回.尽管模铸工艺技术在治金中的 1研究方法 应用比连铸早得多，但由于连铸在钢铁生产中大 高压锅炉管钢P12工艺流程为：40t电弧炉 规模的应用，近20年来人们在模铸钢锭质量方面 (EAF)治炼→LF精炼→VD真空处理→模铸.PI2 的研究比较少，尤其关于模铸钢锭中氧、夹杂物的 钢化学成分控制见表1.在出钢过程中，加SiAlBa 分布研究很少见到报道.模铸工艺仍是钢铁生产 合金脱氧，同时加硅铁、锰铁等调节合金成分；LF精 的一项重要工艺技术，尤其在特殊钢生产中模铸 炼初期喂少量铝线进行深脱氧，并加适量脱硫剂进 法生产的产品仍占相当比例司，模铸钢锭的质量 行脱硫：VD精炼脱气，真空处理时间保持在30min 尤其是洁净度控制水平对产品性能影响很大a, 左右：精炼结束后，采用下注法在锭模中浇注，过热 本实验对中原特钢生产的16.8t高压锅炉管钢 度控制为30~50℃：然后经锻造成材 表1P12钢主要化学成分（质量分数） Table 1 Main chemical composition of P12 steel % C Si Mn Cr Mo Al. 0.06-0.14 0.20-0.40 0.40-0.60 ≤0.010 0.00-1.20 0.47-0.63 ≤0.010 ≤0.01 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 小样电解法回对试样中夹杂物数量进行定量分析. 口端40~90mm处、钢锭高度中心处和距尾部40~ 2结果与分析 90mm处的横截面上切取试样，且分别在各截面的 中心、距中心1/4处、距中心12处、距中心3/4处 2.1P12铸锭中夹杂物分析 和钢锭边缘处切割试样（分别对应图1中1、2、3、4 (1)铸锭中夹杂物形貌与组成.扫描电镜分析 和5)，试样尺寸为165mm×50mm×50mm,取样位 结果表明P12铸锭中夹杂物主要有氧化铝夹杂、硫 置见图1.在所取试样上再分别切取原位分析试样 化物夹杂和Ca0-Si02-AL203夹杂三类（见图2和 (150mm×50mm×50mm)、金相试样(15mm× 表2)，其中前两类夹杂物数量较多.氧化铝夹杂的 15mm×15mm)、氧分析试样(5mm×50mm)和小 尺寸较大，常为20~100μm,是钢水浇铸过程中形 样电解试样（Φ10mm×120mm). 成的二次氧化产物：硫化物是钢水凝固过程中由于 硫偏析及温度下降而析出的夹杂物：CaO一SiO,一 A山，03夹杂则是钢中未完全排除的脱氧产物. 高压锅炉管钢PI2是大型火力发电站的关键设 备，使用条件恶劣，要求其具有耐高温、高压、耐腐蚀 吧E0 和抗热疲劳性能等保持锅炉长期持久安全运行的技 术条件.因此，对夹杂物的大小、分布和形态控制非 常严格0一0.在上述三种夹杂物中，氧化铝夹杂尺 寸较大，硬度较高，且为棱角较为锋利的块状夹杂， 对高压锅炉管钢冲击韧性和抗热疲劳性能的影响非 常大，需要严格控制.因此在P12模铸生产中，需进 一步加强保护浇铸，控制这种由于二次氧化形成的 图1钢锭取样示意图 Fig.1 Schematic diagram of sampling positions in an ingot 大尺寸脆硬夹杂. (2)T[O]分布.钢中T[O]含量的高低常用于 采用红外吸收法测定钢中的T[O]含量，采用 衡量钢中氧化物夹杂物的多少.图3是P12铸锭中 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 T[O]分布检测结果.从图中可以看出铸锭中T[O] 物组成，分别采用金相法团、金属原位分析法图和 分布不均匀，尾部中心位置T[O]含量较高，而头部

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 现代钢铁企业越来越偏向于配置立弯式连铸机，并 对过热度、拉速等关键连铸工艺参数进行控制，以 便生产高洁净度连铸坯［1］; 有关大尺寸夹杂物容 易在铸坯皮下聚集的研究，在推动结晶器电磁搅 拌应用、保护渣优化和结晶器液面控制等方面发 挥了重要作用［2］． 尽管模铸工艺技术在冶金中的 应用比连铸早得多，但由于连铸在钢铁生产中大 规模的应用，近 20 年来人们在模铸钢锭质量方面 的研究比较少，尤其关于模铸钢锭中氧、夹杂物的 分布研究很少见到报道． 模铸工艺仍是钢铁生产 的一项重要工艺技术，尤其在特殊钢生产中模铸 法生产的产品仍占相当比例［3］，模铸钢锭的质量 尤其是洁净度控制水平对产品性能影响很大［4--6］． 本实验对中原特钢生产的 16. 8 t 高 压 锅 炉 管 钢 P12 铸锭进行了解剖分析，采用不同的夹杂物检测 手段分析了夹杂物及氧在钢锭中的分布规律，提 出了采用夹杂物偏聚指数表征钢中夹杂物分布均 匀性的新方法． 1 研究方法 高压锅 炉 管 钢 P12 工 艺 流 程 为: 40 t 电 弧 炉 ( EAF) 冶炼→LF 精炼→VD 真空处理→模铸． P12 钢化学成分控制见表 1． 在出钢过程中，加 SiAlBa 合金脱氧，同时加硅铁、锰铁等调节合金成分; LF 精 炼初期喂少量铝线进行深脱氧，并加适量脱硫剂进 行脱硫; VD 精炼脱气，真空处理时间保持在 30 min 左右; 精炼结束后，采用下注法在锭模中浇注，过热 度控制为 30 ～ 50 ℃ ; 然后经锻造成材． 表 1 P12 钢主要化学成分( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of P12 steel % C Si Mn P Cr Mo S Als 0. 06 ～ 0. 14 0. 20 ～ 0. 40 0. 40 ～ 0. 60 ≤0. 010 0. 00 ～ 1. 20 0. 47 ～ 0. 63 ≤0. 010 ≤0. 01 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 口端 40 ～ 90 mm 处、钢锭高度中心处和距尾部 40 ～ 90 mm 处的横截面上切取试样，且分别在各截面的 中心、距中心 1 /4 处、距中心 1 /2 处、距中心 3 /4 处 和钢锭边缘处切割试样( 分别对应图 1 中 1、2、3、4 和 5) ，试样尺寸为 165 mm × 50 mm × 50 mm，取样位 置见图 1． 在所取试样上再分别切取原位分析试样 ( 150 mm × 50 mm × 50 mm) 、金 相 试 样 ( 15 mm × 15 mm × 15 mm) 、氧分析试样( 5 mm × 50 mm) 和小 样电解试样( 10 mm × 120 mm) ． 图 1 钢锭取样示意图 Fig． 1 Schematic diagram of sampling positions in an ingot 采用红外吸收法测定钢中的 T［O］含量，采用 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 物组成，分别采用金相法［7］、金属原位分析法［8］和 小样电解法［9］对试样中夹杂物数量进行定量分析． 2 结果与分析 2. 1 P12 铸锭中夹杂物分析 ( 1) 铸锭中夹杂物形貌与组成． 扫描电镜分析 结果表明 P12 铸锭中夹杂物主要有氧化铝夹杂、硫 化物夹杂和 CaO--SiO2--Al2 O3 夹杂三类( 见图 2 和 表 2) ，其中前两类夹杂物数量较多． 氧化铝夹杂的 尺寸较大，常为 20 ～ 100 μm，是钢水浇铸过程中形 成的二次氧化产物; 硫化物是钢水凝固过程中由于 硫偏析及温度下降而析出的夹杂物; CaO--SiO2-- Al2O3夹杂则是钢中未完全排除的脱氧产物． 高压锅炉管钢 P12 是大型火力发电站的关键设 备，使用条件恶劣，要求其具有耐高温、高压、耐腐蚀 和抗热疲劳性能等保持锅炉长期持久安全运行的技 术条件． 因此，对夹杂物的大小、分布和形态控制非 常严格［10--11］． 在上述三种夹杂物中，氧化铝夹杂尺 寸较大，硬度较高，且为棱角较为锋利的块状夹杂， 对高压锅炉管钢冲击韧性和抗热疲劳性能的影响非 常大，需要严格控制． 因此在 P12 模铸生产中，需进 一步加强保护浇铸，控制这种由于二次氧化形成的 大尺寸脆硬夹杂． ( 2) T［O］分布． 钢中 T［O］含量的高低常用于 衡量钢中氧化物夹杂物的多少． 图 3 是 P12 铸锭中 T［O］分布检测结果． 从图中可以看出铸锭中 T［O］ 分布不均匀，尾部中心位置 T［O］含量较高，而头部 ·770·

第7期 刘建华等：高压锅炉管钢PI2铸锭中夹杂物分布解剖研究 ·771· 10gm 10m 5 um 图2P12铸锭中夹杂物形貌.(a)Al203夹杂：(b)MnS夹杂：(c)Ca0-A山03Si02夹杂 Fig.2 Morphologies of inclusions in P12 ingots:(a)Al2O inclusion:(b)MnS inclusion:(c)Ca0-AbO3$i02 inclusion 中心T[O]较低. 680mm 表2P12铸锭中夹杂物组成（质量分数） Table 2 Composition of inclusions in P12 ingots % 1120mm 夹杂物 Al2O:Mgo Cao Si02 MnS A山203夹杂 81.43.68.86.3 89514 MnS夹杂 100 Ca0-A山203Si02夹杂30.70.930.038.4 248H8,2 n 1120mm 210 。920lmm 22248142 图4钢锭中不同位置铝类夹杂物质量分数（单位：10~） Fig.4 Mass fraction of aluminum-based inclusions in various posi- tions of the ingot (unit:10-8) (4)金相显微镜定量分析.应用金相显微镜可 645酷46 以对钢中显微夹杂物数量进行定量或半定量分析 图5的分析结果同样表明铸锭中夹杂物分布不均 。920lmm 匀，在铸锭的尾部较多，在铸坯的轴线上夹杂物较 多，在铸锭的头部靠近中心处夹杂物数量较少.该 图3钢锭各部位置T[O]质量分数（单位：10-8） 结果和T[O]的分布、含铝夹杂物的分布基本类似. Fig.3 Mass fraction of T[]in various positions of the ingot (unit: 10-8) 不同的是在铸锭头部中心夹杂物数量较多，这可能 是偶然因素的引起，也可能是该处钢液凝固较晚，硫 (3)金属原位分析结果.采用金属原位分析方 的正偏析较为严重，形成的硫化物较多，从而引起夹 法可以分析铸锭中铝类夹杂物的分布.PI2铸锭中 杂物的数量偏高. 含铝的夹杂物主要为氧化铝夹杂和Ca0-Si02一 (5)小样电解结果.采用小样电解实验对铸坯 A山，0，夹杂，且以氧化铝夹杂物较多，因此采用该方 中夹杂物分布进行了分析，结果与T[0]、含铝夹杂 法可以分析氧化铝夹杂物在P12铸锭中的分布状 物的分析结果基本一致（图6）.铸锭的尾部中心和 况.图4的结果表明P12铸锭中氧化物夹杂物分布 中心处夹杂物聚集较为严重，而在铸锭的头部中心 不均匀，铸锭中心和下部中心位置氧化物夹杂物含 夹杂物数量较低.根据这个结果，可初步确定金相 量较高，而上部中心含量较低.该结果和TO]分析 分析结果显示的铸锭头部中心夹杂物数量较多可能 结论基本一致. 是偶然因素.因为金相分析是对试样某个面

第 7 期 刘建华等: 高压锅炉管钢 P12 铸锭中夹杂物分布解剖研究 图 2 P12 铸锭中夹杂物形貌． ( a) Al2O3夹杂; ( b) MnS 夹杂; ( c) CaO--Al2O3 --SiO2夹杂 Fig． 2 Morphologies of inclusions in P12 ingots: ( a) Al2O3 inclusion; ( b) MnS inclusion; ( c) CaO-Al2O3 -SiO2 inclusion 中心 T［O］较低． 表 2 P12 铸锭中夹杂物组成( 质量分数) Table 2 Composition of inclusions in P12 ingots % 夹杂物 Al2O3 MgO CaO SiO2 MnS Al2O3夹杂 81. 4 3. 6 8. 8 6. 3 — MnS 夹杂 — — — — 100 CaO--Al2O3 --SiO2夹杂 30. 7 0. 9 30. 0 38. 4 — 图 3 钢锭各部位置 T［O］质量分数( 单位: 10 － 8 ) Fig． 3 Mass fraction of T［O］in various positions of the ingot( unit: 10 － 8 ) ( 3) 金属原位分析结果． 采用金属原位分析方 法可以分析铸锭中铝类夹杂物的分布． P12 铸锭中 含铝的 夹 杂 物 主 要 为 氧 化 铝 夹 杂 和 CaO--SiO2-- Al2O3夹杂，且以氧化铝夹杂物较多，因此采用该方 法可以分析氧化铝夹杂物在 P12 铸锭中的分布状 况． 图 4 的结果表明 P12 铸锭中氧化物夹杂物分布 不均匀，铸锭中心和下部中心位置氧化物夹杂物含 量较高，而上部中心含量较低． 该结果和 T［O］分析 结论基本一致． 图 4 钢锭中不同位置铝类夹杂物质量分数( 单位: 10 － 8 ) Fig． 4 Mass fraction of aluminum-based inclusions in various posi￾tions of the ingot( unit: 10 － 8 ) ( 4) 金相显微镜定量分析． 应用金相显微镜可 以对钢中显微夹杂物数量进行定量或半定量分析． 图 5 的分析结果同样表明铸锭中夹杂物分布不均 匀，在铸锭的尾部较多，在铸坯的轴线上夹杂物较 多，在铸锭的头部靠近中心处夹杂物数量较少． 该 结果和 T［O］的分布、含铝夹杂物的分布基本类似． 不同的是在铸锭头部中心夹杂物数量较多，这可能 是偶然因素的引起，也可能是该处钢液凝固较晚，硫 的正偏析较为严重，形成的硫化物较多，从而引起夹 杂物的数量偏高． ( 5) 小样电解结果． 采用小样电解实验对铸坯 中夹杂物分布进行了分析，结果与 T［O］、含铝夹杂 物的分析结果基本一致( 图 6) ． 铸锭的尾部中心和 中心处夹杂物聚集较为严重，而在铸锭的头部中心 夹杂物数量较低． 根据这个结果，可初步确定金相 分析结果显示的铸锭头部中心夹杂物数量较多可能 是 偶 然 因 素． 因为金相分析是对试样某个面 ·771·

·772· 北京科技大学学报 第34卷 680mm 氧、金相分析、金属原位分析和小样电解尝试了对 P12铸锭中夹杂物的数量和分布进行了量化分析， 结果基本吻合，表明采用这四种方法均可较好地表 1120mm 征P12铸锭中夹杂物的数量. 为了进一步分析P12铸锭中夹杂物的分布，量 化夹杂物在铸锭中的偏聚程度，本研究参照偏析指 数的概念，采用夹杂物偏聚指数来量化铸锭中夹杂 物的偏聚程度.定义夹杂物偏聚指数(Segregation index)SI: Sl=C/Cae· 75.5 式中：C为量化夹杂物数量的某种物理量，如总氧、 7.05.8 原位分析得到的含铝夹杂物的数量、金相分析的夹 杂物数量和小样电解分析得到的夹杂物数量；C为 铸锭各处该物理量的平均值， 图5钢锭中不同位置夹杂物数量（单位：mm2) 图7是根据T0]、金属原位分析、金相定量分 Fig.5 Numbers of inclusions in various positions of the ingot (unit: mm-2) 析和小样电解分析结果分析的夹杂物在铸锭中的偏 聚情况.结果表明铸锭中根据总氧和原位统计分析 (20mm×20mm)分析的结果，而小样电解是较大体 结果计算的夹杂物偏聚情况和程度非常吻合，金相 积试样（中10mm×120mm)的分析结果，金相分析结 定量分析和小样电解分析的结果也吻合得也较好， 果更易受偶然因数影响 但前两种分析方法和后两种方法分析的结果则存在 680mm 一定的差异. TO]和金属原位分析主要表征的是钢中氧化 物夹杂的数量.这两种方法分析的结果均表明铸锭 1 120mm 的头部氧化物夹杂数量较低，尤其在铸锭的头部中 心附近，氧化物夹杂偏聚指数为0.5~0.7，而在铸 26.723229.9 锭的中心附近及尾部中心区域夹杂物偏聚严重，氧 27.5 化物夹杂含量高于平均值的30%~60%，偏聚指数 度 为1.3-1.6. 由于金相分析和小样电解检测的夹杂物既有氧 化物夹杂物还有硫化物夹杂物，因此这两种分析手 段得到的夹杂物偏聚程度和前面分析的氧化物夹杂 偏聚的程度存在明显的差别.由于硫在铸锭上中部 0 的正偏析和中下部的负偏析回，硫化物夹杂在铸锭 中上部析出的量远高于中下部，因此铸锭中夹杂物 920mm 的总量分布受到影响，夹杂物在铸锭下中部偏聚的 程度得到减缓.但是，夹杂物在铸锭下中部偏聚的 图6小样电解得钢锭中不同位置夹杂物的质量分数（单位： 总趋势并没有改变，只是偏聚程度得到适当降低. 10-8) 根据小样电解的分析结果，夹杂物在铸锭上部中心 Fig.6 Mass fraction of inclusions in various positions of the ingot an- 呈负偏聚，SI值为0.7~0.8，在中下部呈正偏聚，SI alyzed by small sample electrolysis (unit:10-s) 值为1.15~1.35. 2.2夹杂物聚集指数分析 上面的结果表明本研究采用的四种参量在夹杂 钢中夹杂物分布对钢的性能影响一直是夹杂物 物量化中还存在差异，总氧和金属原位统计分析主 控制的一个关注重点，但如何量化钢中夹杂物分布 要量化的是钢中氧化物夹杂的数量，而金相显微镜 的不均匀一直是钢铁治金方面的难点，因为夹杂物 统计结果和小样电解则表征的是钢中氧化物和非氧 定量分析技术一直不太完善.本研究分别采用了总 化物总量的高低

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 5 钢锭中不同位置夹杂物数量( 单位: mm － 2 ) Fig． 5 Numbers of inclusions in various positions of the ingot ( unit: mm － 2 ) ( 20 mm × 20 mm) 分析的结果，而小样电解是较大体 积试样( 10 mm × 120 mm) 的分析结果，金相分析结 果更易受偶然因数影响． 图 6 小样电解得钢锭中不同位置夹杂物的质量分数( 单位: 10 － 8 ) Fig． 6 Mass fraction of inclusions in various positions of the ingot an￾alyzed by small sample electrolysis ( unit: 10 － 8 ) 2. 2 夹杂物聚集指数分析 钢中夹杂物分布对钢的性能影响一直是夹杂物 控制的一个关注重点，但如何量化钢中夹杂物分布 的不均匀一直是钢铁冶金方面的难点，因为夹杂物 定量分析技术一直不太完善． 本研究分别采用了总 氧、金相分析、金属原位分析和小样电解尝试了对 P12 铸锭中夹杂物的数量和分布进行了量化分析， 结果基本吻合，表明采用这四种方法均可较好地表 征 P12 铸锭中夹杂物的数量． 为了进一步分析 P12 铸锭中夹杂物的分布，量 化夹杂物在铸锭中的偏聚程度，本研究参照偏析指 数的概念，采用夹杂物偏聚指数来量化铸锭中夹杂 物的偏聚程度． 定义夹杂物偏聚指数( Segregation index) SI: SI = C /Cave ． 式中: C 为量化夹杂物数量的某种物理量，如总氧、 原位分析得到的含铝夹杂物的数量、金相分析的夹 杂物数量和小样电解分析得到的夹杂物数量; Cave为 铸锭各处该物理量的平均值． 图 7 是根据 T［O］、金属原位分析、金相定量分 析和小样电解分析结果分析的夹杂物在铸锭中的偏 聚情况． 结果表明铸锭中根据总氧和原位统计分析 结果计算的夹杂物偏聚情况和程度非常吻合，金相 定量分析和小样电解分析的结果也吻合得也较好， 但前两种分析方法和后两种方法分析的结果则存在 一定的差异． T［O］和金属原位分析主要表征的是钢中氧化 物夹杂的数量． 这两种方法分析的结果均表明铸锭 的头部氧化物夹杂数量较低，尤其在铸锭的头部中 心附近，氧化物夹杂偏聚指数为 0. 5 ～ 0. 7，而在铸 锭的中心附近及尾部中心区域夹杂物偏聚严重，氧 化物夹杂含量高于平均值的 30% ～ 60% ，偏聚指数 为 1. 3 ～ 1. 6． 由于金相分析和小样电解检测的夹杂物既有氧 化物夹杂物还有硫化物夹杂物，因此这两种分析手 段得到的夹杂物偏聚程度和前面分析的氧化物夹杂 偏聚的程度存在明显的差别． 由于硫在铸锭上中部 的正偏析和中下部的负偏析［12］，硫化物夹杂在铸锭 中上部析出的量远高于中下部，因此铸锭中夹杂物 的总量分布受到影响，夹杂物在铸锭下中部偏聚的 程度得到减缓． 但是，夹杂物在铸锭下中部偏聚的 总趋势并没有改变，只是偏聚程度得到适当降低． 根据小样电解的分析结果，夹杂物在铸锭上部中心 呈负偏聚，SI 值为 0. 7 ～ 0. 8，在中下部呈正偏聚，SI 值为 1. 15 ～ 1. 35． 上面的结果表明本研究采用的四种参量在夹杂 物量化中还存在差异，总氧和金属原位统计分析主 要量化的是钢中氧化物夹杂的数量，而金相显微镜 统计结果和小样电解则表征的是钢中氧化物和非氧 化物总量的高低． ·772·

第7期 刘建华等：高压锅炉管钢P12铸锭中夹杂物分布解剖研究 ·773· 680mm 680mm 680mm 680mm (a) (c) 1120mm 1120mm 009 1120mm ww 009 1120mm 0.530.580.991.01 0.5310.661.050.92 908n29 中a9229 09g982e305 08an目 14g8a5o目 系 1gh6.o目 ▣口 0.89 .0 N 1 1458926 12278872 132520.9 1.05 1.09 1.25 920mm 920imm 920mm 920mm 图7不同实验方法下PI2铸锭中夹杂物偏聚分析结果.()总氧分析：(b)原位统计分析：（©）金相显微镜统计：()小样电解分析 Fig.7 Segregation of inclusions in P12 ingots analyzed by various experimental methods:(a)T[]analysis:(b)OPA:(c)optical assessment: (d)small sample electrolysis 2.3铸锭中夹杂物尺寸分布特点 物在钢锭底部的聚积机理，主要有三种观点：(1)由 采用原位统计分析对铸锭中氧化物夹杂尺寸分 自然对流携带到底部的夹杂物沉淀到底部，或被凝 布进行了统计分析.图8表明铸锭中心和铸锭尾部 固前沿所捕获：(2)夹杂物在上浮过程中受到凝固 中心区域夹杂物平均尺寸明显大于铸锭其他部位， 前沿或黏稠层的阻碍而聚积于钢锭底部：(3)夹杂 而铸锭头部中心区域夹杂物的尺寸明显小于其他区 物在上浮过程中被结品雨所捕获并沉降到底部.本 域，表明铸锭中心及尾部中心区域存在大尺寸夹杂 研究认为自然对流应将钢中各种尺寸的夹杂物同时 物的聚集 带到底部：而凝固前沿和黏稠层对各种尺寸夹杂物 的上浮阻碍作用也应该一致，更不会出现优先将大 680mm 夹杂滞留于铸锭底部的可能.因此上述夹杂物聚积 机制(1)和(2)不会引起铸锭尾部夹杂物尺寸大于 1120mm 其他部位.相反，夹杂物在上浮过程中，大尺寸夹杂 物更容易被结晶雨捕捉，引起铸锭中下部大尺寸夹 24 )3 J2.5 杂物聚积，并使铸坯中下部夹杂物平均尺寸大于其 他部位，文献中夹杂物聚积机制(3)较好地解释了 本文研究结果.根据夹杂物在铸坯中心和铸锭尾部 中心的数量及尺寸分布特点，本文认为铸锭中夹杂 N 物在上浮过程中被结晶雨所捕获并沉降到底部是铸 3.03a2.2 坯中下部夹杂物偏聚的主要机制. 2.6 3结论 (1)T[O]分析、原位统计分析、金相显微镜统 图8钢锭各位置铝类夹杂物的平均粒径（单位：μm) 计分析和小样电解实验结果表明铸锭中夹杂物与T Fig.8 Average diameters of aluminum-based inclusions in various [0]分布不均匀，在铸锭的上中部存在夹杂物数量 parts of the ingot(unit:um) 较低的负偏聚区域，而在中下部存在夹杂物数量较 己经有许多治金工作者对夹杂物在钢锭底部的 高的正偏聚区域. 聚积机理进行了研究的.到目前为止，关于夹杂 (2)T[O]和原位统计分析表明，氧化物夹杂更

第 7 期 刘建华等: 高压锅炉管钢 P12 铸锭中夹杂物分布解剖研究 图 7 不同实验方法下 P12 铸锭中夹杂物偏聚分析结果． ( a) 总氧分析; ( b) 原位统计分析; ( c) 金相显微镜统计; ( d) 小样电解分析 Fig． 7 Segregation of inclusions in P12 ingots analyzed by various experimental methods: ( a) T［O］analysis; ( b) OPA; ( c) optical assessment; ( d) small sample electrolysis 2. 3 铸锭中夹杂物尺寸分布特点 采用原位统计分析对铸锭中氧化物夹杂尺寸分 布进行了统计分析． 图 8 表明铸锭中心和铸锭尾部 中心区域夹杂物平均尺寸明显大于铸锭其他部位， 而铸锭头部中心区域夹杂物的尺寸明显小于其他区 域，表明铸锭中心及尾部中心区域存在大尺寸夹杂 物的聚集． 图 8 钢锭各位置铝类夹杂物的平均粒径( 单位: μm) Fig． 8 Average diameters of aluminum-based inclusions in various parts of the ingot( unit: μm) 已经有许多冶金工作者对夹杂物在钢锭底部的 聚积机理进行了研究［13--15］． 到目前为止，关于夹杂 物在钢锭底部的聚积机理，主要有三种观点: ( 1) 由 自然对流携带到底部的夹杂物沉淀到底部，或被凝 固前沿所捕获; ( 2) 夹杂物在上浮过程中受到凝固 前沿或黏稠层的阻碍而聚积于钢锭底部; ( 3) 夹杂 物在上浮过程中被结晶雨所捕获并沉降到底部． 本 研究认为自然对流应将钢中各种尺寸的夹杂物同时 带到底部; 而凝固前沿和黏稠层对各种尺寸夹杂物 的上浮阻碍作用也应该一致，更不会出现优先将大 夹杂滞留于铸锭底部的可能． 因此上述夹杂物聚积 机制( 1) 和( 2) 不会引起铸锭尾部夹杂物尺寸大于 其他部位． 相反，夹杂物在上浮过程中，大尺寸夹杂 物更容易被结晶雨捕捉，引起铸锭中下部大尺寸夹 杂物聚积，并使铸坯中下部夹杂物平均尺寸大于其 他部位，文献中夹杂物聚积机制( 3) 较好地解释了 本文研究结果． 根据夹杂物在铸坯中心和铸锭尾部 中心的数量及尺寸分布特点，本文认为铸锭中夹杂 物在上浮过程中被结晶雨所捕获并沉降到底部是铸 坯中下部夹杂物偏聚的主要机制． 3 结论 ( 1) T［O］分析、原位统计分析、金相显微镜统 计分析和小样电解实验结果表明铸锭中夹杂物与 T ［O］分布不均匀，在铸锭的上中部存在夹杂物数量 较低的负偏聚区域，而在中下部存在夹杂物数量较 高的正偏聚区域． ( 2) T［O］和原位统计分析表明，氧化物夹杂更 ·773·

·774· 北京科技大学学报 第34卷 容易在铸锭中下部偏聚.在16.8t的P12铸锭中下 (5):733 部氧化物夹杂的数量及总氧比平均值高30%~ 7]Shi S Q,Yin Z J,Lu D W,et al.Non-metallic inclusions in hori- zontal continuous casting tube bloom.J Unir Sci Technol Beijing, 60%,夹杂物偏聚指数达到1.4~1.6，而在上中部 2007,29(Suppl1):93 夹杂物的偏聚指数为0.5~0.7. (石绍清，尹振江，卢帝维，等.水平连铸管坯钢中的非金属夹 (3)不同分析方法得到的夹杂物偏聚指数存在 杂物.北京科技大学学报，2007,29（增刊1）：93) 差别.金相统计分析和小样电解实验分析的夹杂物 [8]Wang H Z,Zhao P,Chen J W,et al.The researches of distribu- 除氧化物之外，还包括硫化物等夹杂。这两种实验 tion in low content alloy billet using OPA method.Sci China Ser E,2005,35(3):260 方法的结果表明：铸锭上中部夹杂物的偏聚指数为 (王海舟，赵沛，陈吉文，等。低合金钢连铸坯的原位统计分布 0.7~0.8,高于T[0]和原位统计分析得到的氧化 分析研究.中国科学E辑，2005,35(3)：260) 物夹杂偏聚指数：铸锭中下部夹杂物的偏聚指数为 9]Yang Y.Inrestigations on Cleanliness of H13 Hot Die Steel and 1.15~1.35,低于氧化物夹杂偏聚指数. P12 High-pressure Boiler Steel [Dissertation].Beijing:University (4)铸锭中心及尾部中心区域氧化物夹杂平均 of Science and Technology Beijing,2010:12 尺寸明显大于其他区域，表明夹杂物在上浮过程中 (阳燕.热作模具钢H山3和高压锅炉管PI2的洁净度研究[学 位论文]·北京：北京科技大学，2010：12) 被结晶雨所捕获并沉降到底部是铸坯中下部夹杂物 [10]Liu QL,Wang X C,Zhang Y.Technology of inclusion control 偏聚的主要机制 for high-pressure boiler tube from EAFCC.Baosteel Technol, (5)铸锭中存在较多大尺寸A山，03夹杂，对P12 2002(6):33 韧性和热疲劳性能存在较多危害.这类夹杂为二次 (刘麒麟，王新成，张勇.电炉连铸生产高压锅炉管坯夹杂物 氧化产物，表明保护浇铸急需加强 控制技术.宝钢技术，2002(6)：33) [11]Tang H Y,Li JS,Fu JX,et al.Process of high-pressure boiler 参考文献 steel produced by EAF-F/VD-CC.J Univ Sci Technol Beijing, [1]Liu J H,Cui H,Bao Y P.Key technologies for high grade pipe- 2007,29(Suppl1):89 line refining.J Univ Sci Technol Beijing,2009,31(Suppl 1):1 (唐海燕，李京社，付建勋，等.EAF-F/VD-CC流程生产高压 (刘建华，崔衡，包燕平.高级别管线钢治炼关键技术分析.北 锅炉管钢的工艺.北京科技大学学报，2007,29（增刊1）：89) 京科技大学学报，2009,31（增刊1）：1) [12]Liu J H,Bao Y P,Dong Xian,et al.Distribution and segrega- 2]Currey DA,Pickles CA.Effect of electromagnetie stirring on seg- tion of various dissolved elements in pipeline slab.JUnie Sci regation and inclusion distribution in continuously cast billets./ Technol Beijing,2007,14(3)212 SM,1987,14(8):37 [13]Dong L R,Liu X H,Wei Y.Research on the mechanism for the B]Du Y W,Wen G H,Tang P.The comparative advantages of ingot accumulation of large oxide inclusions in the bottom of ingots.I casting production during the special steels and large steel ingot Beijing Unir Ion Steel Technol,1986,8(1):23 production.Met World,2009(5):48 (董履仁，刘新华，韦远.大型氧化物夹杂在钢锭底部锥中聚 (杜亚伟，文光华，唐萍.模铸在大钢锭及特殊钢生产方面的 积机理的研究.北京钢铁学院学报，1986,8(1)：23) 比较优势.金属世界，2009(5)：48) [14]N Tripathi,Du S C.Non-metallic inclusions in the ingot and fi [4]Doostmohammadi H,Jonsson P G,Komenda J,et al.Inclusion nal products of a medium-carbon tool steel.Scand I Metall, characteristics of bearing steel in a runner after ingot casting.Steel 2004,33(6):362 Res Int,2010,81(2):142 [15]Zhu X H,Liu W T,Ding Y T,et al.Numerical simulation on 5 Raqnarsson L,Sichen D.Inclusions generated during ingot casting the formation of bottom cone of inclusions in large steel ingots. of tool steel.Steel Res Int,2010,81 (1):40 Xi'an Jiaotong Univ,1990,24(5):71 6]Zhang L F,Thomas B G.State of the art in the control of inelu- (朱宪华，刘伟涛，丁雨田，等.大型钢锭夹杂沉积区形成过 sions during steel ingot casting.Metall Mater Trans B,2006,37 程的计算机模拟.西安交通大学学报，1990,24(5)：71)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 容易在铸锭中下部偏聚． 在 16. 8 t 的 P12 铸锭中下 部氧化物夹杂的数量及总氧比平均值高 30% ～ 60% ，夹杂物偏聚指数达到 1. 4 ～ 1. 6，而在上中部 夹杂物的偏聚指数为 0. 5 ～ 0. 7． ( 3) 不同分析方法得到的夹杂物偏聚指数存在 差别． 金相统计分析和小样电解实验分析的夹杂物 除氧化物之外，还包括硫化物等夹杂． 这两种实验 方法的结果表明: 铸锭上中部夹杂物的偏聚指数为 0. 7 ～ 0. 8，高于 T［O］和原位统计分析得到的氧化 物夹杂偏聚指数; 铸锭中下部夹杂物的偏聚指数为 1. 15 ～ 1. 35，低于氧化物夹杂偏聚指数． ( 4) 铸锭中心及尾部中心区域氧化物夹杂平均 尺寸明显大于其他区域，表明夹杂物在上浮过程中 被结晶雨所捕获并沉降到底部是铸坯中下部夹杂物 偏聚的主要机制． ( 5) 铸锭中存在较多大尺寸 Al2O3夹杂，对 P12 韧性和热疲劳性能存在较多危害． 这类夹杂为二次 氧化产物，表明保护浇铸急需加强． 参 考 文 献 ［1］ Liu J H，Cui H，Bao Y P． Key technologies for high grade pipe￾line refining． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( Suppl 1) : 1 ( 刘建华，崔衡，包燕平． 高级别管线钢冶炼关键技术分析． 北 京科技大学学报，2009，31( 增刊 1) : 1) ［2］ Currey D A，Pickles C A． Effect of electromagnetic stirring on seg￾regation and inclusion distribution in continuously cast billets． I ＆ SM，1987，14( 8) : 37 ［3］ Du Y W，Wen G H，Tang P． The comparative advantages of ingot casting production during the special steels and large steel ingot production． Met World，2009( 5) : 48 ( 杜亚伟，文光华，唐萍． 模铸在大钢锭及特殊钢生产方面的 比较优势． 金属世界，2009( 5) : 48) ［4］ Doostmohammadi H，Jnsson P G，Komenda J，et al． Inclusion characteristics of bearing steel in a runner after ingot casting． Steel Res Int，2010，81( 2) : 142 ［5］ Raqnarsson L，Sichen D． Inclusions generated during ingot casting of tool steel． Steel Res Int，2010，81( 1) : 40 ［6］ Zhang L F，Thomas B G． State of the art in the control of inclu￾sions during steel ingot casting． Metall Mater Trans B，2006，37 ( 5) : 733 ［7］ Shi S Q，Yin Z J，Lu D W，et al． Non-metallic inclusions in hori￾zontal continuous casting tube bloom． J Univ Sci Technol Beijing， 2007，29( Suppl 1) : 93 ( 石绍清，尹振江，卢帝维，等． 水平连铸管坯钢中的非金属夹 杂物． 北京科技大学学报，2007，29( 增刊 1) : 93) ［8］ Wang H Z，Zhao P，Chen J W，et al． The researches of distribu￾tion in low content alloy billet using OPA method． Sci China Ser E，2005，35( 3) : 260 ( 王海舟，赵沛，陈吉文，等． 低合金钢连铸坯的原位统计分布 分析研究． 中国科学 E 辑，2005，35( 3) : 260) ［9］ Yang Y． Investigations on Cleanliness of H13 Hot Die Steel and P12 High-pressure Boiler Steel ［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2010: 12 ( 阳燕． 热作模具钢 H13 和高压锅炉管 P12 的洁净度研究［学 位论文］． 北京: 北京科技大学，2010: 12) ［10］ Liu Q L，Wang X C，Zhang Y． Technology of inclusion control for high-pressure boiler tube from EAFCC． Baosteel Technol， 2002( 6) : 33 ( 刘麒麟，王新成，张勇． 电炉连铸生产高压锅炉管坯夹杂物 控制技术． 宝钢技术，2002( 6) : 33) ［11］ Tang H Y，Li J S，Fu J X，et al． Process of high-pressure boiler steel produced by EAF-LF /VD-CC． J Univ Sci Technol Beijing， 2007，29( Suppl 1) : 89 ( 唐海燕，李京社，付建勋，等． EAF-LF /VD-CC 流程生产高压 锅炉管钢的工艺． 北京科技大学学报，2007，29( 增刊 1) : 89) ［12］ Liu J H，Bao Y P，Dong Xian，et al． Distribution and segrega￾tion of various dissolved elements in pipeline slab． J Univ Sci Technol Beijing，2007，14( 3) : 212 ［13］ Dong L R，Liu X H，Wei Y． Research on the mechanism for the accumulation of large oxide inclusions in the bottom of ingots． J Beijing Univ Ion Steel Technol，1986，8( 1) : 23 ( 董履仁，刘新华，韦远． 大型氧化物夹杂在钢锭底部锥中聚 积机理的研究． 北京钢铁学院学报，1986，8( 1) : 23) ［14］ N Tripathi，Du S C． Non-metallic inclusions in the ingot and fi￾nal products of a medium-carbon tool steel． Scand J Metall， 2004，33( 6) : 362 ［15］ Zhu X H，Liu W T，Ding Y T，et al． Numerical simulation on the formation of bottom cone of inclusions in large steel ingots． J Xi’an Jiaotong Univ，1990，24( 5) : 71 ( 朱宪华，刘伟涛，丁雨田，等． 大型钢锭夹杂沉积区形成过 程的计算机模拟． 西安交通大学学报，1990，24( 5) : 71) ·774·