彭其春，邱 雷，鄒 健

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

汽車大梁鋼LG510是汽車承載部位的主要材料，要求具有良好的機(jī)械性能、焊接性和冷彎成型性。鋼中的夾雜物直接影響其機(jī)械性能，尤其是塑性、韌性和疲勞極限[1-2]。鈣處理是將鈣線或硅鈣線喂入鋼液中，利用鈣與氧的親和力大于鋁和氧的親和力，使夾雜物的形態(tài)和成分控制在合適的范圍內(nèi)，最終形成低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽夾雜，改善澆鑄時(shí)水口結(jié)瘤并提高鋼的機(jī)械性能[3-4]。鈣處理作為爐外精煉常用的手段，有關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，而有關(guān)鈣處理對(duì)汽車大梁鋼夾雜物的影響方面研究較少，為此，本文對(duì)某鋼廠生產(chǎn)的汽車大梁鋼LG510鈣處理后夾雜物的變性及其熱力學(xué)過程進(jìn)行分析，并對(duì)鈣處理的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為實(shí)際生產(chǎn)過程中鈣處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鋼成分及熱力學(xué)計(jì)算基本數(shù)據(jù)

某鋼廠生產(chǎn)汽車大梁鋼LG510的化學(xué)成分如表1所示。夾雜物中CaO和Al2O3的活度值如表2所示。

表1 LG510鋼化學(xué)成分(wB/%)Table 1 Chemical compositions of LG510 steel

表2 1873 K下CaO-Al2O3夾雜物aCaO和aAl2O3值[5]Table 2 Activities of CaO and Al2O3 in CaO-Al2O3 inclusion at 1873 K

由文獻(xiàn)[6-7]中提供的元素相互作用系數(shù)計(jì)算公式和相互作用系數(shù)，計(jì)算出LG510鋼中元素Al、S和Ca在1873K溫度下的活度系數(shù)，fAl=1.01，fCa=0.002 33，fS=0.62，fO=0.194。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在生產(chǎn)LG510鋼爐外精煉過程中喂入鈣線，w[Ca]/w[Al]控制在0.08～0.10之間，喂鈣線時(shí)氬氣流量控制在500 L/min左右，喂入鈣線后，保證凈吹時(shí)間大于6 min。在同一澆次中同一爐鈣處理前后進(jìn)行取樣，將試樣加工成金相樣，在光學(xué)顯微鏡下放大100倍，連續(xù)觀察20個(gè)視場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)其夾雜物的個(gè)數(shù)和尺寸，并采用掃描電鏡和能譜分析儀分析金相樣中夾雜物的組成，再根據(jù)鋼中元素的含量進(jìn)行鈣處理時(shí)的熱力學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣處理前后夾雜物對(duì)比

金相統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，鋼中單位面積夾雜物數(shù)量由鈣處理前的28.15個(gè)/mm2減少到鈣處理后的21.11個(gè)/mm2，單位面積夾雜物個(gè)數(shù)降幅達(dá)25%。

鈣處理前后鋼中夾雜物尺寸分布情況如圖1所示。從圖1可以看出，鋼中夾雜物的尺寸大部分小于5 μm，且鈣處理后此類夾雜物占比有所增加。經(jīng)過鈣處理后，鋼中大于5 μm的夾雜物占比相對(duì)鈣處理前均有所下降，由此表明，鈣處理不僅有效地減少了LG510鋼中夾雜物的數(shù)量，而且使部分較大尺寸的夾雜物得到有效去除。

圖1 鈣處理前后夾雜物的尺寸分布

Fig.1Sizedistributionofinclusionsaftercalciumtreatment

圖2為鈣處理前鋼中夾雜物的形貌和能譜圖，由圖2可看出，鈣處理前鋼中夾雜物的主要成分為：(1)Al2O3，在鋼中單個(gè)分布，形狀不規(guī)則，尺寸在5～10 μm范圍內(nèi)；(2)MnS，數(shù)量較少，尺寸大多集中在6～10 μm范圍內(nèi)。圖3為鈣處理后鋼中夾雜物的形貌和能譜圖，由圖3可看出，鈣處理后鋼中的夾雜物主要為球形的鈣鋁酸鹽，尺寸主要集中在5 μm以下；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了少量的MnS、CaS、Al2O3夾雜和MgO、TiO2等復(fù)合夾雜，尺寸都在5 μm以下。比較圖2和圖3可以看出，與鈣處理前相比，鈣處理后的鋼中Al2O3夾雜物得到有效變性，數(shù)量明顯減少，夾雜物的尺寸也明顯減小，形狀更加規(guī)則，鋼中的夾雜物被球化，以鈣鋁酸鹽為核心，外面包裹一層CaS或MnS聚合，上浮到鋼水液面。

圖2鈣處理前鋼中典型夾雜物的形貌及能譜圖

Fig.2MorphologicalandEDSimagesoftypicalinclusionsbeforecalciumtreatment

圖3 鈣處理后鋼中典型夾雜物的形貌及能譜圖Fig.3 Morphological and EDS images of typical inclusions after calcium treatment

2.2 鈣處理的熱力學(xué)分析

2.2.1 Al-O系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

鈣處理過程中，根據(jù)CaO-Al2O3二元相圖，隨著鈣含量的增加，夾雜物逐漸發(fā)生Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3→CaO的轉(zhuǎn)變。12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3在煉鋼溫度下為液態(tài)，CaO·Al2O3的熔點(diǎn)為1605 ℃，在煉鋼溫度較高時(shí)為液態(tài)，溫度較低時(shí)為固態(tài)。鋼中12CaO·7Al2O3的熔點(diǎn)(1455 ℃)最低，為最佳的變性產(chǎn)物。鋼中的[Al]和[O]存在如下反應(yīng)[8]：

(1)

(2)

將表2中的數(shù)據(jù)和fAl、fO的值代入式(2)中計(jì)算，作出1873 K下不同夾雜物中Al-O平衡曲線，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)鋼中的w[Al]為0.028%時(shí)，w[O]控制在2.8×10-6～11.5×10-6范圍內(nèi)，鋼中夾雜物變性效果較好，鋼中w[O]控制在5.4×10-6時(shí)，Al2O3夾雜變性為12CaO·7Al2O3，此時(shí)達(dá)到理想的處理結(jié)果。

圖4 1873 K下不同夾雜物中Al-O平衡曲線

Fig.4Al-Oequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

2.2.2 Al-Ca系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

鈣處理時(shí)鈣與鋼液中Al2O3主要發(fā)生如下反應(yīng)[9]：

(3)

(4)

將表2中的數(shù)據(jù)和fCa、fAl的值代入式(4)中計(jì)算，作出1873 K下不同夾雜物中Al-Ca平衡曲線，如圖5所示。由圖5可知，鋼中只需要微量的鈣就可以將Al2O3夾雜變性，為了達(dá)到較好的鈣處理效果，鋼中w[Ca]應(yīng)控制在0.14×10-6～7×10-6之間。實(shí)際生產(chǎn)中鋼中w[Al]=0.028%時(shí)，一般控制w[Ca]=2×10-6，剛好位于12CaO·7Al2O3曲線附近，得到理想的變性產(chǎn)物，同時(shí)可以提高鋼水的流動(dòng)性，減少水口結(jié)瘤。

圖5 1873 K下不同夾雜物中Al-Ca平衡曲線

Fig.5Al-Caequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

2.2.3 Al-S系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

在鈣處理過程中Al2O3夾雜變性的過程可以簡(jiǎn)單地理解成鋼中[O]和[S]爭(zhēng)奪鋼中[Ca]的過程，當(dāng)w[S]較高時(shí)，[Ca]先與[S]反應(yīng)生成CaS，再與Al2O3反應(yīng)。CaS夾雜容易在水口處聚集，導(dǎo)致結(jié)瘤造成斷澆，因此不僅要將Al2O3夾雜變性為液態(tài)鋁酸鈣，而且還要避免CaS夾雜的生成。鋼中CaS的生成可以由下式表示[10]：

(5)

(6)

將表2中的數(shù)據(jù)和fAl、fS的值代入式(6)計(jì)算，并取aCaS=0.75[11]，作出1873 K下不同夾雜物的Al-S平衡曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，鋼中w[Al]一定時(shí)，為了使鈣處理生成低熔點(diǎn)的12CaO·7Al2O3，鋼中w[S]必須處于12CaO·7Al2O3曲線和3CaO·Al2O3曲線之間。w[S]越高，生成液態(tài)鈣鋁酸鹽的難度越大，而相對(duì)容易變性為CaO·Al2O3。鋼中w[Al]在0.03%左右時(shí)，只要鋼中硫含量大于0.011%，鋼中的Al2O3夾雜很難變性為12CaO·7Al2O3，所以鈣處理時(shí)控制鋼中w[S]在合理的范圍內(nèi)，既能使鋼中Al2O3夾雜得到較好變性，同時(shí)又可以減少CaS生成。

圖6 1873 K下不同夾雜物中Al-S平衡曲線

Fig.6Al-Sequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

3 結(jié)論

(1)鈣處理后鋼中單位面積夾雜物的數(shù)量明顯減少，大顆粒夾雜物所占的百分比下降；大部分夾雜物的尺寸控制在5 μm以下，形狀更加規(guī)則。

(2)鈣處理前鋼中的夾雜物主要為Al2O3和MnS，鈣處理后鋼中的夾雜物主要為鈣鋁酸鹽，鈣處理使夾雜物得到有效變性。

(3)要使Al2O3夾雜物變性為液態(tài)鈣鋁酸鹽，必須把鋼中w[Al]和w[O]控制在合理的區(qū)域內(nèi)，最好位于低熔點(diǎn)的12CaO·7Al2O3曲線附近。1873K鋼液中w[Al]為0.028%時(shí)，鋼中w[O]、w[Ca]分別控制在2.8×10-6～11.5×10-6、0.14×10-6～7×10-6范圍內(nèi)，Al2O3夾雜變性效果良好。

(4)在1873K溫度下，鋼中w[Al]=0.028%時(shí)，需控制鋼中w[S]在0.011%以下，既可生成液態(tài)鋁酸鈣夾雜物，同時(shí)減少CaS夾雜生成和水口結(jié)瘤。

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