要想提高低合金结构钢质量，降低氧含量、减少非金属夹杂物的含量非常重要。通过不同的精炼工艺及合理的精炼操作及全程的保护处理，使夹杂物含量减少到最低程度，而对于不可完全去除的微观夹杂物，则将其转变为数量少、尺寸小的塑性夹杂物来降低其危害。钢水纯净度的常用分析方法有利用显微镜、扫描电镜和大样电解分析夹杂物的类型演变规律，很少有文献对精炼炉渣与夹杂物的对应关系、氧含量与夹杂物数量的对应关系等进行研究。取样进行金相试验和电镜试验分析夹杂物试验周期长，投入精力大，且需要专用仪器，为了更高效地指导生产，需要找到一种更为简洁、高效的评价夹杂物的试验方法。

 

1、试验材料与方法 

 

1.1 生产工艺

 

       某单位Q420钢生产工艺流程为：转炉→LF→连铸。出钢预脱氧采用Si、Mn 合金，LF加入电石及石灰造渣，吹氩搅拌，喂铝和钙处理，静吹后浇铸。

 

1.2 试验方法   

 

      从冶炼工序中LF进站、合金化、喂铝后、软吹后、中间包、铸坯取6个Q420低合金结构钢试样。用化学法分析精炼渣中FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3等氧化物含量；对精炼工序样品进行氧、氮含量及化学成分分析，研究各阶段氧、氮含量及化学成分变化；统计夹杂物数量，找到夹杂物数量变化规律。结合成分与夹杂物数据，分析精炼过程中精炼渣成分、钢中铝钙成分、氧氮成分变化与夹杂物数量类型的对应规律。

 

1.3 精炼渣化学成分   

 

     对精炼LF进站、合金化、喂铝、喂钙分别取精炼渣渣样进行主要化学成分分析，结果如表1所示。

1.4 精炼工序钢样化学成分    

 

     对LF进站、合金化、喂铝、喂钙、中包、铸坯分别取钢样进行主要化学成分分析，各试样化学成分如表2所示。

 

 

1.5 夹杂物数量统计   

 

     利用电镜和显微镜对LF各阶段以及中包和铸坯试样进行扫描，每个试样扫描10mm2范围统计夹杂物数量，结果如表3所示。

 

 

 

2、实验结果分析与讨论

 

2.1 精炼渣成分与钢液中夹杂物数量变化规律

 

       根据精炼工序各阶段精炼炉渣中各成分可以看出，随着精炼过程的进行，ω（TCa）上升，ω（FeO）降低，说明整个LF 精炼过程中通过加入石灰和萤石造高碱度还原渣，渣中ω（CaO）随之增加，ω（FeO）随之降低。可见精炼渣中w（FeO）和ω（MnO）越低，钢液中硫化物类夹杂物越少。

 

     精炼造白渣操作使渣中ω（Al2O3）降低，加铝脱氧和吹氩操作使渣中ω（Al2O3）升高，出站前的软吹使Al2O3类夹杂上浮进入渣中，使渣中ω（Al2O3）进一步升高。可见精炼渣中ω（Al2O3）越高，钢液中Al2O3类夹杂物数量越少。     

 

     渣中ω（MnO）和ω（MgO）从造白渣后一直在降低，说明精炼炉渣中的MnO和MgO不断与钢水中Al反应，被还原后进入钢水。可见精炼渣中ω（MnO）和ω（MgO）越低，钢液中MnO和MgO类夹杂物数量越多。

 

     各工序Alt含量发生变化，合金化加入的金属铝与钢液中的氧反应生成大量Al2O3，并有部分铝与SiO2-MnO反应还原出Si、Mn，其余在钢液中形成Alt；Ca 处理后，Ca与Al2O3类夹杂物聚集并上浮。可见ω（Alt）越高，钢液中Al2O3类夹杂物数量越多，这也与精炼渣中Al 的变化成反比相对应。     

 

     喂铝后钢水中CaO产生脱S反应，消耗钢水中的CaO造成钢水ω（Ca）大幅下降；钙处理过程Ca与Al2O3结合生成钙铝酸盐；中包内在钢液流场作用下部分钙铝酸盐夹杂物上浮，ω（Ca）小幅降低；钢液凝固至铸坯过程ω（Ca）基本不变。可见钢水ω（Ca）越低，钢中硫化物类夹杂物越少；钢水ω（Ca）越低，钢中Al2O3类夹杂物越少。

 

2.2 各工序夹杂物数量与钢中T[O]含量关系    

 

      夹杂物多数为氧化物，可以用钢中全氧质量分数作为钢水洁净度水平的衡量指标。钢的氮含量主要受转炉冶炼过程控制，脱氧后的钢液能够迅速吸收空气，过程的增氮量代表了钢液的二次氧化程度，因此可用过程增氮量粗略表征钢的洁净度。   

 

      利用电镜扫描统计夹杂物数量，发现进站夹杂物较少，造渣后升高，喂铝导致夹杂物数量剧增，达到最多，随后喂钙后夹杂物又大幅减少，到连铸后夹杂物继续减少，至铸坯阶段趋于平稳。夹杂物数量整体呈先上升后下降最后与进站时持平并趋于平稳的变化过程。    

 

     精炼初期造渣合金化阶段由于炉渣氧化性强造成钢液中氧含量升高，加入的合金同时部分被氧化造成夹杂物数量升高；喂铝后铝与钢中氧反应产生大量Al2O3夹杂物，造成夹杂物数量升高，同时氧含量下降；喂钙后Al2O3夹杂物变性为钙铝酸盐类复合夹杂物，伴随吹氩搅拌，夹杂物聚集和上浮，夹杂物数量和氧含量同时降低；中包阶段夹杂物数量和氧含量变化幅度较小，保护浇铸差造成中包钢水二次氧化，氧含量升高，而夹杂物数量下降说明中包内流场上浮去除夹杂物效果好；铸坯阶段氧含量及夹杂物数量相比中包基本不变，呈平稳趋势。说明全氧质量分数越高，夹杂物数量越多。

 

2.3 夹杂物类型变化与精炼渣成分变化规律、铝钙含量变换规律   

 

     在LF造渣合金化过程，CaO随着吹氩搅拌进入钢液，夹杂物中CaO含量增加，此时钢液中夹杂物主要以MnO-SiO2- CaO为主。   

 

     喂铝后，形成大量Al2O3夹杂物，并在还原气氛下置换出夹杂物中的Mn 和部分Si，同时渣中MgO被钢液中铝还原生成[Mg]进入钢液，[Mg]进一步和Al2O3夹杂反应生成MgO-Al2O3残存在钢液中。 

 

     钙处理后，钢液中溶解的[Ca]与Al2O3夹杂发生反应形成CaO-Al2O3夹杂，或与MgO- Al2O3夹杂发生反应，转变为CaO-MgO- Al2O3夹杂物。    

 

     中间包中的非金属夹杂物基本保持为LF 出站后的夹杂物类型，主要为以球形钙铝酸盐为主要成分的复合夹杂物，是Al2O3用钙处理后的变性产物。     

 

     以上描述的夹杂物类型变化与精炼渣成分变化规律、铝钙含量变换规律相对应，可以通过精炼渣成分中FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3等氧化物含量、钢中铝钙含量多少判断钢中夹杂物类型。

 

3、结论 

 

     1）通过精炼渣中各成分质量分数高低，可以判断钢中夹杂物数量多少，精炼渣中ω（FeO）和ω（MnO）越低，钢液中硫化物类夹杂物越少，精炼渣中ω（Al2O3）越高，钢液中Al2O3类夹杂物数量越少，精炼渣中ω（MnO）和ω（MgO）越低，钢液中MnO和MgO类夹杂物数量越多。

 

     2）通过各工序钢中Alt、Ca的质量分数可以判断钢中硫化物类和Al2O3类夹杂物数量多少，各工序ω（Alt）越高，钢液中Al2O3类夹杂物数量越多，钢水ω（Ca）越低，钢中硫化物类和Al2O3类夹杂物越少。

 

     3）钢液氧含量与夹杂物数量基本呈对应关系，通过钢中全氧质量分数判断总夹杂物数量多少，钢中全氧质量分数越高，夹杂物总数量越多。

 

    4）夹杂物类型变化与精炼渣成分变化规律、铝钙含量变换规律相对应，可以通过精炼渣成分中FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3等氧化物含量、钢中铝钙含量多少判断钢中夹杂物类型。

 

 

来源：承德钒钛新材料有限公司

关键词： 钢夹杂物