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公司生产的某一C-Mn类大型锻件，在进行锻后热处理粗加工后切取试块时，发现1处记录性缺陷。笔者借助扫描电镜、能谱分析等理化检测手段对该缺陷进行分析，尝试找出缺陷产生的根本原因，采取有针对性的技术措施，以杜绝缺陷的再次发生，提升锻件的产品质量。
该试块取料的位置位于锻件的中下部，当时取出的是直径覫100mm 的圆柱形试块。试料取出后，在对其内、外端面用超声（UT） 进行无损探伤时，发现1 处记录性缺陷。以此缺陷为中心在长度各100 mm 处切除多余部分，用铣床加工出平面，探伤定位，试料逐步缩小，然后继续加工直至缺陷暴露于表面（见图1）。![]()
通过体视显微镜观察试块断开前和断开后的缺陷宏观状态（见图2，图3）。由图2 可见，此断裂面纵向长度约为10 mm，并在垂直断裂面方向上也存在较长裂纹。在铣床加工阶段，试样发生大面积脆性断裂，自然断裂成a 和b 两块试块，断口中无金属光泽的区域相对较小，缺陷面积占断口面积大部分，呈条状分散分布。通过观察宏观断口无法确定缺陷的性质，必须依靠扫描电镜观察。![]()
由于该试块存在断裂面和垂直于断裂面的两个缺陷面，所以需要对试块两个缺陷面分别进行扫描电镜观察。该试块缺陷断裂面在扫描电镜下的典型形貌以条带形貌零星分布，呈现脆性特征（见图4），根据基体和缺陷断裂形貌，该缺陷面断裂时期为铣床加工阶段。而垂直于缺陷的断裂面在接近断口位置处存在颗粒状缺陷（见图5）。![]()
（1） 缺陷断裂面的观察及能谱分析观察缺陷断裂面MnS偏聚的形貌和能谱图（见图6、图7） 和缺陷断裂面Al、Mg 化合物的形貌和能谱图（见图8、图9） 得出：断口面的缺陷性物质主要为MnS 以及Al、Mg 的化合物。![]()
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（2） 垂直于缺陷断裂面的观察及能谱分析观察垂直于缺陷断裂面的形貌及分别对应的能谱图（见图10~15） 可知，在垂直于缺陷断裂面一侧存在的主要缺陷性物质包括：MnS、TiN 和Al2O3等。![]()
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对试样断口而言，断口面大部分为偏析区，正常组织仅占断口面上一小部分，偏析区断口微观形貌为很细小的准解理，而正常区域断口的微观形貌为解理加韧窝，在断口面上，相间分布着许多MnS 夹杂和一定量的铝镁化合物，同时在垂直偏析区断口面上沿加工方向发现有少量氮化物（TiN）和氧化铝，在氮化物中发现有Zr 和Mo 元素。 通过理化检测分析可知，此试块缺陷断面及垂直于断面区域存在的主要缺陷物质包括：MnS、TiN、Al2O3 和Al、Mg 的化合物。
多位专家通过研究得出：MnS 夹杂的析出温度低于钢的液相线温度，即在钢液处于固液两相区时MnS 夹杂物开始析出。随着钢液温度降低，S的溶解度也随之降低，导致钢中残留的S 含量较高，并富集偏析在晶界处，使[S] [Mn] 平衡反应偏移，生成MnS夹杂物。 S会对钢的性能造成不良影响，钢中含量过高的S，会导致钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。在冶炼生产中，ω [Mn] /ω [S] 之比是一个重要的冶炼指标，比值的大小对钢的热塑性会产生较大影响。一般ω [Mn] /ω [S] ≥7 时不产生“热脆”，ω [Mn] /ω [S] ≥20 时可以有效防止钢材产生裂纹，然而过大的ω [Mn] /ω [S] 比值易造成MnS 夹杂的过多生成。所以，降低钢中S 含量的同时，也应该对Mn 的含量加以限制，以便将ω[Mn] /ω [S] 比值控制在适当的范围之内，这样既可以避免大量MnS 夹杂物生成，又可以提高钢的热加工性能。针对无法彻底避免生成的MnS 夹杂物，可以采取适当的处理操作将其包裹在D 类氧化物夹杂的表面，提高D 类氧化物夹杂的塑性，降低对钢性能的危害。 钢液中溶解的N 与Ti 的亲和力极强，N 元素存在于钢液中的形式一般有Ti (C、N) 和TiN 夹杂物等。TiN 析出温度介于钢液液相线温度和固相线温度之间，当钢液温度降低至固液两相区时，随着温度的降低，钢中的N 和Ti 溶解度也随之降低，当[Ti][N] 浓度积达到某一数值时TiN 就会析出。当温度在1421～1430 ℃，凝固百分数fs≥0.4 时，TiN 就具备析出的条件。在钢液凝固过程中，随着[Ti] 或[N] 数值的增大，TiN 夹杂物析出的初始温度就会升高，析出物的尺寸就会变大。 钢水中Ti 的来源主要有两方面：一方面，随钢铁原料和合金辅料带入；另一方面，从渣料或耐火材料中被还原到钢液中。所以控制钢中Ti 含量需要控制原料中的Ti 含量和渣料中的TiO2 含量。 热力学分析表明，为了降低钢中N 的含量，必须降低气相中N2 的分压，提高真空去气操作（VD）时的真空度和真空处理时间，从而降低钢水中的N含量。精炼过程中氮气溶解增N 现象无法避免，所以必须减少钢水与氮气的接触，主要措施有强化LF 埋弧精炼和大包保护浇铸等。 Al2O3夹杂是不变形的脆性夹杂物，其热变形能力与基体有着较大的差异。热加工过程中由于应力的作用，包括大尺寸Al2O3等脆性夹杂物变形破碎后形成带尖锐棱角的夹杂物，并在基体中成链状分布，这些没有规则形状的坚硬Al2O3夹杂物可以划伤基体，并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹。 在对钢水进行脱氧操作过程中，添加铝块会产生大量的Al2O3化合物，其中一部分会上浮进入到钢渣中，另一部分会在钢水中形成Al2O3夹杂物。但是随着冶炼过程的进行，最后单相Al2O3夹杂物并不是很多。一方面因为在冶炼过程中，Al2O3会长大并随着搅拌气体上浮；另一方面是Al2O3与其 在冶炼浇注过程中，加热炉电弧的辐射和钢液的热侵蚀冲刷都可能导致钢包炉耐火材料的剥落，使耐火材料中的MgO 进入钢液， 而MgO 会与Al2O3等其它氧化物结合生成复合夹杂物。我公司精炼包的包衬采用镁碳砖砌筑，MgO 含量≥74%，是钢水中MgO 最主要的来源（见表1）。此外，造渣材料、合金料和钢铁料等冶炼原料中也会带入少量MgO。因此，需要强化对耐火材料的保护措施，并严格控制原料中的MgO 含量。![]()
通过对日常冶炼生产过程的检查发现，公司精炼包存在耐火砖表面容易剥落，抗冲刷性差以及冲刷出竖缝等问题，耐火砖的使用寿命低（见图16）。![]()
结合冶炼过程精炼包耐火材料的使用状态可以得出：浇注结束后精炼包包壁工作层发生剥落，剥落物在精炼过程中进入炉渣中，致使炉渣中MgO含量增加。由于MgO为高熔点化合物，熔点为2800℃，造成渣系熔点提高且流动性变差，从而降低其对钢液中夹杂物的吸附及溶解能力，致使钢液纯净度变差。由于钢液凝固选分结晶的原因，发生A偏析不可避免，所以造成MnS、TiN 等夹杂富集在A 偏析处，而这正是引起该锻件试块探伤记录性缺陷的主要原因。 精炼包熔池的各部位都会因各种原因发生剥落现象，具体而言，其上部会受到熔渣的化学浸蚀、加热时的电弧冲击等，而中下部则会因受到热胀冷缩作用，以及钢水的冲刷等而引起剥落。一般情况下，我公司主要有以下4 种情况的钢包剥落现象。 当前，公司的精炼包主要采用镁碳砖作为耐火砖，这主要是考虑到镁碳砖中C 的高导热性与低膨胀性以及镁砂自身优秀的抗渣侵蚀性能。虽然镁碳砖中的C 十分重要，但在使用过程中，常会因砖体外表面的C 发生氧化反应后而使得砖体自身的强度下降，组织变得疏松，这进一步恶化了砖体抵抗钢水侵蚀的能力，在钢水的反复冲刷下，极易发生氧化剥落。这类剥落现象通常较浅，一般一次不会超过20 mm。 在钢包的使用过程中，当耐火砖砖体自身强度不足以承受砖与砖之间的压力时，耐火砖便会发生膨胀或不稳定等情况，进而在的膨胀应力的作用下引发结构剥落（发生砖体开裂，甚至断裂）。这种剥落通常较深，一次剥落的厚度甚至能超过50mm。这类剥落往往出现在钢包使用的前期和中期，由于钢包内衬用砖的抗热震性一般，加之耐火砖表层已经被钢水侵蚀与冲刷掉，这就使得砖体不断出现裂纹，发生剥落，对钢水造成污染。 耐火砖被多次使用后，表面往往会发生氧化反应，对C 的保护能力将显著下降，若耐火砖自身材质疏松，那么钢水与炉渣便能进入耐火砖内部并发生一系列的化学变化，形成质变层，在钢水不断冲刷下，质变层会出现10~20 mm厚的剥落。事实上，这种化学剥落现象伴随着钢包的整个使用过程。 受钢水的影响，钢包的内衬常处于剧烈的温度变化之中，随之产生着巨大的热应力，一旦热应力超过内衬材料自身的强度，无疑会对钢包产生破坏；同时，在工人进行清炉作业时产生的机械应力也会对内衬材料产生一定的影响，加速热剥落的形成。 经过长期观察，在以上几种剥落的现象中，除结构性剥落属于单独发生以外，其它几种剥落现象会同时发生。 为提升产品质量，笔者认为应该采取以下措施：
（1） 加强对耐火砖质量的管控及优化砌筑方案。应该从耐火砖的采购、耐火砖的材质检验、钢包的砌筑、钢包运转和维修几方面加强管控，保证耐火砖的质量，延长耐火砖的使用寿命。（2） 严格控制精炼包的使用标准。精炼包使用前后，均要严格检查精炼包内衬表面质量，表面清洁状况必须满足《精炼包清理标准》。（3） 精炼包热连用。应尽可能地集中投料，保持精炼包运转使用的连续性。这将大大减少由于急冷急热造成的耐火砖的剥落现象，降低耐火砖的损耗，提高精炼包使用寿命；应减少钢包在线烘烤时间，提高钢包周转率，减少在线周转包数量；减少烘烤钢包的天然气使用量，降低能耗。（4） 控制钢中Mg 含量。应该严格控制钢中Mg 含量。钢中Mg 的来源主要有耐火材料、造渣材料、合金料和钢铁料的带入等。因此，需要强化对耐火材料的保护措施，并严格控制原料中的MgO 含量。（5） 调整合适ω （Mn） /ω （S） 比值。降低S的绝对含量，严格控制钢中Mn 的含量，防止过多MnS 夹杂物生成。（6） 控制钢中Ti 含量及控氮处理。为避免产生TiN 夹杂，应该采取以下措施：降低原料中的Ti 含量和渣料中的TiO2；降低气相中N2 的分压，提高真空去气操作（VD） 时的真空度和真空处理时间，强化埋弧精炼和大包保护浇铸等。作者：文/中国一重天津重型装备工程研究有限公司●李跃，时一钧![]()
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