韓文習(xí)，于景坤，顏正國

(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271105)

夾雜物是衡量鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)，其類型、組成、形態(tài)、含量及尺寸分布等直接影響鋼材的冷熱加工性能，以及塑性、韌性和疲勞性能［1］.近年來，盡管鋼鐵市場形勢嚴(yán)峻，但終端用戶對高品質(zhì)鋼材的需求卻一直穩(wěn)步增加，迫使企業(yè)更加重視提高鋼材的質(zhì)量.鋼水脫氧是煉鋼過程中必不可少的工藝環(huán)節(jié)，合理的脫氧工藝對控制鋼中夾雜物至關(guān)重要.國內(nèi)外冶金企業(yè)都非常注重對鋼水脫氧工藝的研究，冶金工作者們就如何降低鋼中的氧含量，提高鋼的潔凈度，不斷對現(xiàn)有脫氧工藝進(jìn)行改進(jìn)，并探索新的脫氧技術(shù).目前，在煉鋼過程中使用復(fù)合脫氧劑代替鋁對鋼水進(jìn)行脫氧操作已成為主流，尤其是含鋇的復(fù)合脫氧劑越來越受到人們的重視［2～5］.隨著氧化物冶金技術(shù)的發(fā)展，如何有效利用脫氧產(chǎn)物也成為研究的熱點(diǎn)，其中，有關(guān)鈦的脫氧工藝及其脫氧產(chǎn)物受到了冶金和材料學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注和廣泛研究［6～10］.

本研究以低合金高強(qiáng)度熱軋H型鋼為研究對象，進(jìn)行不同脫氧工藝的工業(yè)批量對比試驗(yàn)，考察硅鈣鋇合金、鈦線兩種脫氧劑對鋼中夾雜物的影響，探索在大生產(chǎn)條件下降低鋼中夾雜物的合理脫氧工藝，提高中小轉(zhuǎn)爐－LF精煉爐－連鑄流程生產(chǎn)高品質(zhì)低合金鋼的夾雜物控制水平.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)在某煉鋼廠進(jìn)行，試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示.當(dāng)鋼水出至1/4時開始對準(zhǔn)鋼流沖擊區(qū)均勻加入脫氧及合金化合金，鋼水出至3/4時加完.采用兩種不同脫氧方式:(Ⅰ)在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入Si－Ca－Ba合金進(jìn)行預(yù)脫氧，按Si－Ca－Ba合金+Si－Mn合金+Si－Ca－Ba合金方式分批加入;(Ⅱ)在出鋼過程中先加入Si－Mn合金，進(jìn)LF精煉站開吹后用喂絲機(jī)加入Ti線進(jìn)行預(yù)脫氧.兩種脫氧工藝預(yù)脫氧劑的加入量根據(jù)轉(zhuǎn)爐出鋼時鋼中溶解氧的量來確定.精煉過程兩種試驗(yàn)方案采用相同的精煉工藝完成終脫氧和脫硫，并按照相同的終點(diǎn)溶解氧［O］控制出站.兩種脫氧方式各試驗(yàn)一個澆次，兩個澆次的試驗(yàn)均為“高爐鐵水+廢鋼→60t頂吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄”工藝流程.脫氧劑Si－Ca－Ba合金及Ti線的化學(xué)成分如表2所示.試驗(yàn)過程采用提桶式取樣器取LF精煉終點(diǎn)鋼樣，以及鑄坯和軋材樣.

表1 試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of experimental steel(mass fraction)%

表2 脫氧劑的平均化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of deoxidizer(mass fraction)%

利用氧氮分析儀檢測LF精煉終點(diǎn)試樣中的全氧含量，比較兩者的終脫氧效果;采用金相顯微鏡、掃描電鏡并結(jié)合能譜分析儀分析鑄坯、軋材中的夾雜物形貌、尺寸、分布及成分，對比研究兩種脫氧方式對鋼中夾雜物的影響.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 脫氧方式對鋼中全氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w［TO］)的影響

鋼中的全氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w［TO］)的大小經(jīng)常作為鋼水純凈度的評價指標(biāo)，在一定程度上能夠反映鋼中夾雜物含量的多少.采用脫氧劑Si－Ca－Ba，脫氧方式為Ⅰ的同一澆次10爐鋼的精煉終點(diǎn)試樣 w［TO］的變化在20.9～72.3×10－6，平均為 41.5 ×10－6，不同爐次的 w［TO］波動幅度比較大，說明鋼中的夾雜物分布不均勻.而采用脫氧劑鈦線，脫氧方式Ⅱ的同一澆次Ti脫氧試驗(yàn)的5爐鋼的精煉終點(diǎn)試樣w［TO］的變化在13.7 ～33.2×10－6，平均為26.8×10－6，w［TO］低于使用Si－Ca－Ba脫氧工藝時的鋼.由兩個澆次LF終點(diǎn)試樣的w［TO］檢測結(jié)果可知，采用鈦線作為脫氧劑，方式Ⅱ的脫氧工藝，其鋼液的潔凈度較以Si－Ca－Ba為脫氧劑，脫氧方式Ⅰ有較大幅度的提高.

2.2 脫氧方式對鋼中夾雜物的影響

2.2.1 對夾雜物形貌和組成的影響

通過金相檢驗(yàn)，在以Si－Ca－Ba為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅰ所生產(chǎn)的鑄坯中發(fā)現(xiàn)了尺寸較大的球形夾雜(見圖1(a))，能譜分析表明此類夾雜物主要是由 Si、Mn、Ca、O 及少量 Al所組成的復(fù)合氧化物夾雜，部分夾雜物中含有極少量的Ba.其軋材中典型夾雜物形貌如圖1(b)所示.

理論上，Ba、Ca具有很強(qiáng)的脫氧能力，Si－Ca－Ba復(fù)合脫氧合金中Ba具有降低Ca的蒸氣壓、增大Ca在鋼液中的溶解度的作用，可顯著提高Ca的脫氧和球化夾雜物的能力.有研究［11，12］表明，含Ba合金的脫氧產(chǎn)物半徑較大，上浮速度快，這也是本次試驗(yàn)中，鑄坯夾雜物中較少發(fā)現(xiàn)Ba的脫氧產(chǎn)物存在的主要原因.

由鈣和鋇組成的復(fù)合脫氧劑不僅具有較強(qiáng)的脫氧能力，而且對夾雜物也有很強(qiáng)的變性能力，加入鋼中后生成的氧化物CaO、BaO可與Si、Al的脫氧產(chǎn)物SiO2、Al2O3作用生成低熔點(diǎn)的復(fù)合化合物，在鋼液中呈液態(tài)，鑄坯中檢出的大顆粒球形夾雜也證明了這一點(diǎn).一般認(rèn)為液態(tài)的脫氧產(chǎn)物與鋼液接觸的界面張力較小，易于碰撞長大而上浮去除，能夠獲得純凈度較高鋼水.但由于中小轉(zhuǎn)爐－連鑄生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏快，夾雜物上浮時間不充分，從而影響鋼中夾雜物的上浮去除，使得鋼中的氧含量較高.而且由于此類大顆粒夾雜物的存在，也導(dǎo)致其LF精煉終點(diǎn)鋼中全氧含量波動幅度較大.此類尺寸較大的硅酸鹽類塑性夾雜物，在軋制過程會沿軋制方向延伸成條帶狀(見圖1(b))，導(dǎo)致夾雜物評級級別較高.

圖1 Si－Ca－Ba脫氧鋼Fig.1 Metallographic images of inclusions in Si－Ca－Ba complex deoxidized steel

以Ti作為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅱ所試生產(chǎn)的連鑄坯及其軋材，其金相、掃描電鏡檢驗(yàn)結(jié)果表明，金屬基體中存在數(shù)量眾多彌散分布的尺寸小于5 μm的球形復(fù)合夾雜，沒有發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物.能譜分析結(jié)果表明，其組成主要為含 Ti、Ca、Mn、S的復(fù)合夾雜物，部分夾雜還含有少量的Al、Si.典型夾雜物掃描電鏡照片如圖2所示.

以Ti作為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅱ的試驗(yàn)鋼在轉(zhuǎn)爐出鋼過程利用Si、Mn脫氧合金化，由于試驗(yàn)鋼的 w［Mn］/w［Si］介于4～7之間，脫氧產(chǎn)物形成低熔點(diǎn)的MnOX·SiO2化合物，在出鋼鋼水混沖過程有一部分會聚集長大上浮到渣中，部分的脫氧產(chǎn)物在加Ti處理后會被Ti還原，剩余比較少部分聚集長大的機(jī)會降低，與鋼液中的TiOX、Al2O3夾雜物形成尺寸很小的復(fù)合夾雜物，由于尺寸小，在鋼液中上浮去除困難，從而留在鋼中形成彌散分布的夾雜物.加Ti后鋼中尺寸大的夾雜物數(shù)目明顯減少，尺寸小的夾雜物數(shù)目明顯增多.宏觀表現(xiàn)為全氧分析結(jié)果波動相對較小，這也是軋材金相檢驗(yàn)夾雜物評級較低的原因.對于大多數(shù)鋼材來說，這種彌散分布的小尺寸夾雜物不會影響鋼材的最終使用性能.

2.2.2 對夾雜物評級的影響

兩種脫氧方式所生產(chǎn)的軋材夾雜物金相檢驗(yàn)評級見表3.由夾雜物評級結(jié)果可知，以Si－Ca－Ba為脫氧劑的脫氧方式Ⅰ，其鋼中C類硅酸鹽類夾雜物評級明顯高于以Ti為脫氧劑的脫氧方式Ⅱ，而且在終點(diǎn)［S］含量差別不大的情況下，后者A類硫化物夾雜級別也較前者顯著降低.

分析認(rèn)為，在本試驗(yàn)條件下，Ti脫氧后的試驗(yàn)鋼中很多氧化物夾雜上都有硫化錳析出，Ti脫氧后形成的復(fù)合氧化物夾雜在凝固過程中成為了鋼中MnS的形核質(zhì)點(diǎn)，最終得到氧化物和MnS的復(fù)合夾雜.Ti脫氧后形成的彌散分布、小尺寸夾雜物對鋼中的［S］有較好的分散效果，能夠細(xì)化鋼中的硫化物夾雜.剩余的［S］即便沒有以氧化物夾雜作為形核質(zhì)點(diǎn)，而是在鋼液凝固時以MnS單獨(dú)析出，由于［S］所占質(zhì)量已經(jīng)較少，也不會形成大尺寸的硫化物夾雜.

表3 試驗(yàn)鋼夾雜評級Table 3 Inclusions grade of experimental steel

3 結(jié)論

(1)中小轉(zhuǎn)爐—LF精煉爐—連鑄流程生產(chǎn)低合金鋼，與使用硅鈣鋇脫氧相比，使用鈦脫氧工藝后鋼中全氧含量顯著降低，鋼潔凈度大幅度提高，硫化物、硅酸鹽類夾雜的評級也顯著降低.

(2)Ti脫氧工藝的試驗(yàn)鋼軋材中尺寸小于5 μm的復(fù)合夾雜物數(shù)目多，夾雜物呈細(xì)小彌散分布.

(3)Ti脫氧工藝的試驗(yàn)鋼軋材中大部分夾雜物為含MnS的球形復(fù)合夾雜，對鋼中的硫化物有明顯的彌散作用，降低了［S］對鋼材性能的危害.

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