现代钢铁工业的发展方向是高纯净化、细晶粒化、高均匀化。细化晶粒有利于提高材料的强度与塑性，还有利于提高材料的表面性能与物理性能，对于普通铸件添加晶粒细化剂是获得细晶组织的一种重要方法，但是有时因外来质点的加入，使外来颗粒、夹杂增多，塑性降低。近年来有研究者提出，利用熔融玻璃净化法、循环过热净化法以及悬浮熔炼技术可减少或消除金属液内部的有效异质核心而获得大过冷度，深过冷的凝固组织使晶粒细化，杂质分布改善同纯净钢生产过程中，随着钢液纯净度提高，钢中杂质和非均质形核质点数量减少，势必会影响钢液结晶过冷度和凝固组织晶粒度。目前，钢液纯净度对过冷度和晶粒度的影响国内外研究甚少。本文采用玻璃包熔悬浮熔炼的方法研究低碳钢的纯净度、过冷度及晶粒度之间的关系，为纯净钢生产过程中凝固组织的控制提供基础的理论研究。

 

1. 试验方法 

 

实验采用真空悬浮玻璃包熔净化法进行，实验中包熔净化用玻璃粉的成分(质量分数)为:SiO2: 80%，B2O3:18%，Al2O3:2%。实验所用原料为Q235钢，其成分(质量分数)为：C0.17%，Si0.22%，Mn0.49%，P 0.022%，S 0.0062%。将玻璃粉和7～8g的原料一起装入内径为15 mm,高为150 mm的石英管内，密封抽真空，然后反充纯度为99.999%的Ar气，将石英管放入高频悬浮线圈内，通电加热熔化管内的玻璃粉和钢料，钢液在液态玻璃渣的包熔悬浮下净化，实验装置如图1所示。净化处理结束后，断电冷却钢液，待钢液凝固后，将石英管放入水中急冷。

 

本实验将试样和玻璃粉熔化、包熔处理、冷却凝固1次定为包熔1次，将包熔1次后的试样与玻璃渣再经熔化、包熔处理、冷却凝固1次称为包熔2次，其余类推每次从熔化到凝固的包熔时间约为45s，凝固冷却速度约为2x103K/min。实验中用红外测温装置测定钢料的凝固温度，实验时熔化温度精确测定有困难，而凝固温度可由再辉点温度得到，因此，过冷度由理论计算的液相线温度和测定的凝固温度之差确定。    

 

用Qwin图像分析仪测定凝固后试样中的夹杂物分布，用扫描电镜分析夹杂物的成分，通过显微硬度测定和X射线衍射分析确定试样的组织结构，试样用硝酸酒精溶液侵蚀后利用定量金相法测定其晶粒尺寸。

 

2. 实验结果与分析

 

2.1 真空悬浮玻璃包熔后钢液的纯净度

 

在电磁悬浮力作用下，悬浮于石英管中的钢液与熔融玻璃进行物理吸附化学反应，从而达到去除异质形核核心、提高钢液纯净度的目的。本实验利用图像分析仪测定了不同包熔处理次数时凝固试样中夹杂物的含量(面积分数)，结果如图2所示。

 

从上图可见，真空玻璃包熔后试样的夹杂物含量比原始试样低，玻璃包熔起到了净化钢液的目的.随包熔次数增加，夹杂物面积分数逐渐减少，包熔4次时达到最小值但是包熔4次以后又有所增加.原因是随包熔次数增加钢液中杂质逐渐被玻璃渣吸收，夹杂物含量减少，但包熔一定次数后，玻璃渣吸收杂质能力达到饱和，无法继续净化钢液.而原被吸附或吸附在渣-钢界面上的杂质由于钢液的电磁搅拌作用部分重新回到钢液中，导致包熔一定次数后纯净度降低用配有能谱的扫描电镜分析夹杂物的成分，夹杂物的原始组成为Al，Ca，Si的氧化物和Mn的硫化物。包熔后夹杂物的组成见图3，4。可见包熔后夹杂物主要为Si的氧化物，说明在包熔过程中，玻璃渣包熔掉了大部分Al，Ca的氧化物和MnS夹杂，但是对Si的氧化物的去除不充分。

 

 

熔融玻璃利用粘性吸附可以吸附钢液中的杂质，玻璃渣中的B2O可与金属氧化物反应生成易熔的硼酸盐起到去除杂质净化钢液的目的，即：

 

2.2 真空悬浮玻璃包熔下钢液的过冷度   包熔净化所用原料Q235钢的熔化温度由下式计算得到：

 

根据原料成分，代入上式计算得到试样的熔化温度为1791K。在本实验约为2x103K/mmin 的冷却速度条件下测得的凝固温度和过冷度数据见表1，无玻璃包熔经真空悬浮净化一次、去气后的钢样其过冷度达到106K。由表1可见，钢样经玻璃包熔后，由于液态玻璃渣与钢液中非均质形核质点间的物理吸附和化学反应，消除或者钝化了钢中异质形核核心，提高了钢液纯净度，其过冷度得到大幅度提高，达到210-328K。随包熔次数增加，过冷度先增后减，包熔4次过冷度达最大值。

 

图5示出过冷度及夹杂物含量与包熔次数的关系从图可见，随包熔次数增加，夹杂物含量减少，纯净度增大，过冷度相应增大。包熔4次以后，夹杂物增多，钢液中异质形核核心增加，纯净度降低，过冷度也开始降低，表明钢液纯净度提高能增加钢液的过冷度，在净化过程中过冷度无法进一步提高的原因是熔融玻璃的净化能力达到饱和，同时被玻璃吸附的杂质大部分扩散到了金属与玻璃的界面上，它们有可能依旧作为异质有效核心，导致异质形核，影响大过冷度的获得，另外，玻璃中的固有杂质也可能作为异质有效核心，使过冷度无法提高。

 

2.3 真空悬浮玻璃包熔后低碳钢的晶粒度

 

为确定包熔处理时试样组织结构的影响，对试样的基体组织进行了显微硬度和X射线衍射分析。表2为每个试样测量3次的显微硬度(HV)值。    

 

由表2可见，所有试样基体组织的显微硬度都在铁素体的显微硬度(125-315)范围内，从而可以判断基体组织为铁素体，为进一步确定试样的组织对试样做了X射线衍射分析，结果表明其基体组织为铁素体结构。

 

图6为晶粒尺寸与过冷度随包熔次数的变化关系图，从图可见，当过冷度增大时，晶粒尺寸相应减小，这是因为过冷度增大，形核驱动力增大，晶粒的临界半径减小，形核数增加，导致晶粒尺寸变小。

 

 

3. 结论

 

(1)经真空芯浮玻璃包熔净化，低碳钢的纯净度提高，在本实验条件下，包熔4次时的效果最好。

 

(2)在约为2000K/min 冷却条件下，无玻璃包熔钢样过冷度为106；玻璃包净化后过冷度达到210～328K，包熔4次时过冷度达最大值，过冷度随钢液纯净度的提高而增大。

 

(3)经玻璃包熔后，低碳钢的纯净度得到提高，过冷度增加，晶粒细化。

 

 

 

来源：北京科技大学

关键词： 低碳钢