趙國偉,張生存,龔明健，王 平

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到材料對(duì)裝備制造業(yè)的重要性，傳統(tǒng)煉鋼使用的Al、Si脫氧劑已經(jīng)很難滿足力學(xué)性能要求，而稀土作為一種新型的鑄件材料被運(yùn)用到煉鋼領(lǐng)域。常用的稀土煉鋼劑主要有La、Ce兩種元素，他們通常被制作成稀土合金或純稀土加入到鋼液中。稀土具有良好的脫氧、脫硫效果，同時(shí)他們加入到鋼液中可以起到對(duì)夾雜物MnS進(jìn)行變性[1]的作用，使其利于上浮到鋼渣表面，但同時(shí)如果稀土元素沒有被利用好，它將對(duì)煉鋼生產(chǎn)起到一定的副作用，例如稀土加入不合理，利用率低，增加煉鋼投入成本，或者是稀土加入后形成的稀土氧化物沒有及時(shí)上浮，將對(duì)鋼液質(zhì)量形成一定的影響。所以本文主要研究了稀土對(duì)鑄鋼的作用，以及煉鋼過程中稀土的加入方式等。

1 稀土煉鋼的相關(guān)理論

熱力學(xué)分析和大量有關(guān)鋼中稀土夾雜物的研究表明，鋼中[O]、[S]含量在一定范圍內(nèi)，鋼液中加入稀土?xí)r，極易生產(chǎn)稀土氧硫化物。當(dāng)鋼中氧含量降至20×10-6以下時(shí)，加入鋼液中的稀土首先形成Re2O3S型夾雜物，而后形成Re3S4或ReS型的硫化物，這些硫化物包裹在氧硫化物外圍，組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物，它們?nèi)埸c(diǎn)高且非常穩(wěn)定，呈球狀，鋼液經(jīng)過適當(dāng)?shù)逆?zhèn)靜之后，這些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸鹽化合物將從鋼中排除，從而凈化了鋼液[2]。稀土在鋼中的作用90%是通過對(duì)硫化物形態(tài)的控制來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)Re/S為2.7～3時(shí)，硫化物形態(tài)控制效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

稀土加入鋼液中產(chǎn)生的球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的長條狀MnS夾雜，使硫化物形態(tài)得到控制，提高了鋼的熱塑性，特別是橫向沖擊韌性，同時(shí)稀土使棱角狀高硬度的氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)化為球狀硫氧化物及鋁酸稀土，有利于提高鋼的耐疲勞性能[3]。

2 稀土在鑄鋼中的應(yīng)用

2.1 稀土在鑄鋼中的加入工藝

稀土主要以純稀土或稀土鐵合金的形式加入到鋼液中。本文主要研究含Ce20%的稀土鐵合金（見圖1）加入工藝。

圖1 20%鈰鐵合金

（1）為保證鈰鐵合金的回收率，我們選擇在精煉后期加入，不但可以提高Ce的回收率，同時(shí)在精煉末期Ce可以起到對(duì)夾雜物MnS的變性作用，而不是單純的脫氧、脫硫。加入鈰鐵前鋼水氧活性控制在10×10-6以下、S含量小于0.008%、溫度大于1570℃，確保鋼渣流動(dòng)性良好，可防止Ce的過氧化，鈰鐵合金回收率如表1所示。通過統(tǒng)計(jì)，鈰鐵的回收率可以達(dá)到60%左右。

（2）由于鈰鐵合金主要是對(duì)MnS等夾雜物進(jìn)行變性，加入過少對(duì)夾雜物起不到變性的效果，加入太多的話，形成的CeO很難上浮到鋼渣面，對(duì)鑄件質(zhì)量會(huì)有一定的影響。最終我們將鈰鐵合金的加入量控制在0.5kg/t鋼，這樣既能對(duì)夾雜物起到一定的變性作用，也不會(huì)導(dǎo)致加入過量形成稀土夾雜物影響鑄件質(zhì)量，加入鈰鐵后，保持氬氣處于軟吹狀態(tài)，防止鋼液裸露，鎮(zhèn)靜10min后可出鋼澆注，加入鈰鐵后鋼中Ce含量如圖2所示。

圖2 鋼中稀土含量

2.2 稀土對(duì)鋼液純凈度的影響

稀土加入到鋼液后首先形成Re2O3S型夾雜物，而后形成Re3S4或ReS型的硫化物，這些硫化物包裹在氧硫化物外圍，組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物，它們?nèi)埸c(diǎn)高且非常穩(wěn)定、呈球狀，會(huì)迅速上浮到鋼渣表面，以此來凈化鋼液。

表1 LF精煉爐稀土回收率

加入鈰鐵前后，通過分析鋼中夾雜物發(fā)現(xiàn)（如圖3、4），加入稀土后鋼液中的夾雜物面積從0.12%降低到0.09%，且夾雜物類型從Ⅲ型的多角形三硫化鋁非球狀?yuàn)A雜物轉(zhuǎn)化為Ⅰ型稀土硅酸鹽球狀?yuàn)A雜物。

圖3 加稀土前金相圖

圖4 加稀土后金相圖

稀土在鋼中不僅可以對(duì)夾雜物進(jìn)行變性，少量的稀土元素還可以與鋼中的 P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點(diǎn)有害元素相互作用，形成熔點(diǎn)較高的化合物，同時(shí)可以抑制這些夾雜物在晶界上偏析，提高鋼的性能。同時(shí)稀土能吸收大量的氫，有效降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，延緩氫在裂紋尖端塑性區(qū)的富集，從而使裂紋擴(kuò)散的孕育期和斷裂時(shí)間延長，抑制鋼中氫引起的脆性和白點(diǎn)。

2.3 稀土對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響

稀土化合物微小的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)提供異質(zhì)晶核，阻礙晶胞長大，為鋼的晶粒細(xì)化提供了良好的熱力學(xué)條件，所以加入稀土后能細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能。夾雜物的形態(tài)控制是稀土在鋼中的主要作用之一，稀土可以控制硫、氧等夾雜物的形態(tài)，鋼中加入稀土后，形成的稀土硫化物會(huì)代替MnS夾雜。稀土化合物在熱加工變形時(shí)仍保持細(xì)小的球形，均勻地分布在鋼中，明顯的提高鋼的韌性、沖擊性及高溫持久性等；同時(shí)，固溶在鋼中的稀土通過擴(kuò)散機(jī)制富集于晶界，減少雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，強(qiáng)化了晶界，改善鋼的性能。

3 結(jié)論

（1）稀土主要是在精煉后期加入，加入前一定要控制好鋼液的溫度、氧活性以及鋼中S含量，確保稀土的回收率。

（2）稀土加入量應(yīng)控制在0.5kg/t左右，加入不宜過多，過多會(huì)形成稀土夾雜物，不容易上浮，影響鑄件質(zhì)量。

（3）稀土主要是對(duì)鋼中的MnS夾雜進(jìn)行變性，加入后鋼中的夾雜物明顯減少，起到凈化鋼液的作用；同時(shí)鋼中存在一定量的稀土元素可以提高鋼的沖擊、高溫持久等性能。