Evolution of inclusion population in calcium treated ultra-high strength steels:novel applications of sample data treatment

Abstract Non-metallic inclusions are unavoidable particles in steel and are often detrimental to the steelmaking process and the mechanical properties of the steel. While it is not feasible to remove all inclusions, in the well-established calcium treatment of aluminium-killed steel, solid aluminium oxides are transformed into less harmful liquid calcium aluminates. The main objective of this work was to develop a new inclusion identification and classification method. The presented method offers valuable information on phases of the inclusions. This data is often buried within simple inclusion classification criteria. The method offers the best approximation of the phases in each inclusion detected with minimal time, if no time-consuming elemental map analyses are available. In this work, applications for the inclusion phase identification method are presented. Utilising the method, the dispersion and evolution of inclusions during the sampling of liquid steel in lollipop samples is investigated, as well as the evolution of inclusions during continuous casting. New information is obtained on the elongation of inclusions and formation of oxide–sulphide stringers during hot rolling. The results for the investigated steels show that with sulphur contents higher than 10 ppm, calcium aluminates were back-modified to alumina and spinel inclusions during casting. However, with decreasing sulphur contents, and adequate simultaneous calcium treatment of oxides, Al₂O₃ and spinel formation is hindered or even avoided. The most elongated inclusions are often also found in stringers. According to the results of this study, low melting calcium aluminate inclusions are not the most elongated oxide inclusions in the hot rolled product. With moderate calcium treatment, an optimal oxide composition can be obtained, found within the C12A7–CA–MgO composition. These liquid inclusions ensure good castability, while they do not easily elongate or fragment into detrimental stringers after continuous casting.Tiivistelmä Epämetalliset sulkeumat ovat väistämättä osa terästä, ja ne aiheuttavat ongelmia prosessille ja teräksen mekaanisille ominaisuuksille. Sulkeumien poiston sijaan niiden koostumusta muokataan kalsiumkäsittelyllä. Tällöin kiinteät alumiinioksidit muuttuvat vähemmän ongelmallisiksi suliksi kalsiumaluminaateiksi. Tämän työn päätavoitteena oli kehittää uusi sulkeumien tunnistus- ja luokittelumenetelmä. Sulkeuma-analyysien data voi jäädä hyödyntämättä, jos luokitteluun käytetään yksinkertaisia kriteerejä. Työssä esitetty menetelmä antaa parhaan arvion sulkeumissa olevista faaseista, mikäli sulkeumista ei ole alkuainekarttoja, joiden muodostaminen vie huomattavasti aikaa. Väitöskirjassa esitetään sulkeumien tunnistus- ja luokittelumenetelmän soveltamiskohteita. Menetelmän avulla tutkitaan sulkeumien muutosta ja jakaantumista sulan teräksen näytteenotossa ja sulkeumakuvan muutosta jatkuvavalun aikana. Uutta tietoa esitetään oksidi-sulfidiketjujen muodostumisesta kuumavalssauksen aikana. Tutkituilla teräksillä rikkipitoisuuden noustessa yli 10 ppm:n sulat kalsiumaluminaatit takaisinmuokkautuvat kiinteiksi alumiinioksideiksi tai spinelleiksi jatkuvavalun aikana. Riittävän matalalla rikkipitoisuudella ja kohtuullisella kalsiumkäsittelyllä alumiinioksidien ja spinellien muodostumista voidaan hillitä tai jopa estää se. Tutkimuksessa esitetään, että kuumavalssauksessa venyvimmät sulkeumat muodostavat myös lukuisten sulkeumien oksidi-sulfidiketjuja, jotka ovat tuotteen ominaisuuksien kannalta haitallisia. Tulosten mukaan kalsiumaluminaatit, jotka sulavat matalimmissa lämpötiloissa, eivät kuitenkaan ole taipuvaisimpia venymään valssauksessa. Maltillisella kalsiumkäsittelyllä saavutetaan optimaalinen oksidikoostumus C12A7–CA–MgO-faasiseurueesta. Nämä sulkeumat ovat sulia jatkuvavalussa varmistaen teräksen valettavuuden. Toisaalta ne eivät helposti veny tai rikkoonnu ketjuiksi valssauksessa jatkuvavalun jälkeen