供稿|李春誠

電流對鋼液中氣泡及夾雜物的影響

供稿|李春誠

本文采用鋼液上下通電的方式，考察了通電、電壓強度和電流波形等因素對鋼液中氣泡和夾雜物的影響情況，同時進行了簡單的分析。實驗研究結(jié)果表明，對鋼液施加直流電流處理，鋼液中的氣泡受到電場力的作用，向負極方向移動。增大電壓，對于鋼液中氣泡的去除影響較小。對鋼液施加脈沖電流，鋼樣中夾雜物的尺寸變小，在邊緣區(qū)域只觀察到了尺寸小于5 μm的MnS夾雜物。同時脈沖電流能細化鋼液中的氣泡，具有更高的氣泡去除效率。

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和技術(shù)的進步，人們對鋼材性能的要求日益苛刻。提高鋼產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)純凈鋼的關(guān)鍵在于控制夾雜物[1]。鋼液中的夾雜物大部分是通過浮力自然上浮去除的，可以說這種情況在整個冶金過程中一直在進行。但是，煉鋼是大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，僅靠自然上浮效率很低，無法滿足生產(chǎn)要求，因此常常采用專門的手段[2]，如爐外精煉、過濾等強化夾雜物的去除。近年來，潔凈鋼技術(shù)的研究越來越成為重要的研究課題。潔凈鋼是大幅度提高鋼材強度、韌性和使用壽命的基礎(chǔ)，使產(chǎn)品具備更好的深沖性、拉拔性、冷變形性、低溫韌性以及更好的抗疲勞、抗氫致裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋等耐久性能[3]。生產(chǎn)潔凈鋼的重點是提高鋼液的潔凈度，對鋼中夾雜物進行嚴格的控制[4]。利用外加電場去除和控制鋼液中的氣泡和夾雜物是一項冶金領(lǐng)域潛在的新技術(shù)[5]，近年來受到國內(nèi)外冶金工作者的廣泛關(guān)注。

本文為了研究電流對鋼液的作用行為，采用鋼液上下通電的方式，考察了通電、電壓強度和電流波形等因素對鋼液中氣泡和夾雜物的影響，同時通過對試樣組織以及夾雜物尺寸形貌等進行了簡單的分析。

試驗材料及方法

試驗材料

試驗用鋼為高碳鋼，其化學(xué)成分如表1所示。鋼液上下通電試驗采用鎂質(zhì)坩堝，插入鋼液上部的電極選用石墨電極，下部電極選用強度高且導(dǎo)電能力好的鎂碳質(zhì)電極。

實驗設(shè)備主要由高溫管式MoSi2電阻爐，雙鉑銠熱電偶測溫控溫系統(tǒng)、外加電源系統(tǒng)、氬氣保護系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等部分組成。外加電源設(shè)備包括：直流電源（輸出電壓0～30 V），多功能脈沖電源（輸出電壓0～36 V，輸出頻率0.3～500 kHz），示波器，實驗裝置如圖1所示。

表1 高碳鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

試驗方法

鋼液上下通電是將兩根電極分別安置在管式爐的頂部和底部，上部電極直接與鋼液接觸，下部電極穿過底部的鎂質(zhì)坩堝與鋼液接觸，電流沿著垂直方向從鋼液的上部流向底部。試驗中鋼塊在氬氣保護條件下的升溫熔化，至1550 ℃開始恒溫。恒溫階段引入外加電源進行通電處理的實驗，通電60 min。鋼液上下通電共進行了4組實驗，實驗方案如表2所示。

圖1 實驗裝置示意圖

表2 實驗方案

將試驗鋼塊打磨除銹，用超聲波清洗除油，并將洗凈干燥后的鋼塊放入坩堝，入爐。將通電電極固定好位置，隨爐升溫。用真空泵抽真空，然后向爐內(nèi)通入氬氣進行氣氛保護，同時打開加熱爐的水冷卻系統(tǒng)，連接好外加電源電路。在1600 ℃時將電極放入坩堝內(nèi)，與鋼液恰好接觸，并接通外加電源通電處理120 min，之后將電極提出鋼液，切斷電源。當溫度降至1100 ℃時，將坩堝和鋼錠從爐內(nèi)取出，空冷。將得到的鋼錠制備金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察鋼樣的微觀形貌，分析氣泡和夾雜物的尺寸分布情況。為了保證試驗的可比性，在不同條件下各個鋼錠中的同一部位取樣。

試驗結(jié)果與分析

金相組織與分析

1#試樣沒有插入電極，未進行通電處理，保溫120 min。2#試樣在恒溫階段用電極引入外加電源進行通電試驗，通入恒壓5 V的直流電，通電時間為120 min，試驗過程中平均電流為0.30 A，其余試驗條件均與未通電試驗相同。兩組試驗的正極均插入鋼液的圓心處，負極為鎂碳質(zhì)坩堝的內(nèi)壁，電流從鋼液的中心沿直徑向四周流動。3#試樣同樣施加直流電，設(shè)置電壓參數(shù)為恒壓10 V，試驗過程中平均電流為0.56 A，通電時間均為120 min。4#鋼樣施加脈沖電流(Pulse Current，PC)，設(shè)置電壓參數(shù)為峰值電壓10 V，頻率為500 Hz，試驗過程中平均電流為0.53 A，通電處理時間為120 min。

4組試樣的氣孔分布情況如圖2所示，圖2（a）～（d）分別為未通電、通5V直流、通10V直流、通峰值電壓10V脈沖電流PC狀態(tài)下鋼樣中氣孔的分布，黑色區(qū)域正是鋼樣中的凹坑和氣孔。從圖（a）和圖(b)中可以看出，未通電鋼樣中存在著大量的大氣孔，特別是在部分區(qū)域分布著許多的條形狀氣孔，有些大氣孔聚集并包裹著一些夾雜物。通電鋼樣的邊緣區(qū)域存在著較小尺寸的氣孔，且數(shù)量較少。通過對比得出，對鋼液進行通電處理后，鋼樣的大部分區(qū)域基本不存在大尺寸的氣孔，說明通電處理能顯著去除和細化鋼液中的大氣泡。從圖（b）和圖(c)中可以看出，對鋼液施加恒壓5 V和10 V直流電場下，鋼樣的大部分區(qū)域都比較潔凈，幾乎觀察不到大尺寸氣孔的存在，只是在負極附近的邊緣區(qū)域還有少量未來得及排除的氣孔。說明增大電壓對于鋼液中氣泡的去除影響較小，無論恒壓5 V還是10 V都能夠使鋼液中的氣泡在電場力的作用下向負極移動?？梢酝茢?，鋼液中的氣泡具有極性電荷，只需微弱的電流，便可在很小的電場力作用下發(fā)生定向遷移現(xiàn)象。從圖（c）和圖(d)中可以看出，與未通電的鋼樣相比，這兩組試驗鋼樣的潔凈度明顯提高，氣孔的數(shù)量顯著減少。在通直流電鋼樣的邊緣區(qū)域還存在著少量的大氣孔，而在其他區(qū)域只存在一些小氣孔。與通直流電相比，對鋼液施加脈沖電流后，鋼樣表面的潔凈度進一步提高，小氣孔的數(shù)量減少。氣孔的尺寸均小于10 μm，幾乎沒有觀察到大尺寸的氣孔。微小氣孔在鋼樣各部分區(qū)域分布比較均勻，沒有明顯的偏聚現(xiàn)象。

夾雜物的微觀形貌和成分

對金相顯微鏡下觀察到的典型夾雜物在掃描電鏡下進行檢測如圖3所示，圖3為未通電鋼樣在掃描電鏡下觀察到的典型夾雜物的形貌。在圖中可以看到被暗灰色物質(zhì)包裹的灰色夾雜物A，該夾雜物是未通電鋼樣中十分常見的一種夾雜物相，廣泛分布在鋼樣的各部分區(qū)域。同時，還檢測到另一種圓形的黑色夾雜物B。鋼樣中典型夾雜物A點和B點的成分如圖4所示。能譜分析表明，夾雜物A的主要成分是Mn和S，為MnS系夾雜物。夾雜物B的主要成分是Mn、Si、S、O，因此為MnS和SiO2的復(fù)合夾雜物。

圖2 未通電與通電鋼樣的氣孔分布圖

對鋼液通電處理后，在掃描電鏡2000倍下觀察到試樣邊緣區(qū)域存在一些細小的夾雜物，而在鋼樣的中心區(qū)域和圓心區(qū)域幾乎沒有觀察到該類型的夾雜物。邊緣區(qū)域中典型夾雜物如圖5所示，該夾雜物的形狀為細長條狀，寬度為2～5 μm，長度約10 μm，與電流的流動方向平行。該夾雜物中A點和B點的能譜分析如圖6所示。經(jīng)過能譜分析可知，夾雜物中暗灰色區(qū)域A的主要成分是Mg、O，還存在少量的P、Mn和Cl等元素，夾雜物A部分主要是MgO系夾雜。夾雜物外圍灰色區(qū)域B的主要成分是金屬元素Fe、Mn和Mg，該區(qū)域為Fe-Mn-Mg系的金屬夾雜物。

圖3 未通電鋼樣中典型夾雜物的掃描圖片

圖4 未通電鋼樣中夾雜物A點和B點的能譜分析圖

圖5 通直流電鋼樣中典型夾雜物的掃描圖片

圖6 通直流電鋼樣中夾雜物A點和B點的能譜分析圖

結(jié)論

（1）在直流電場中，鋼液中的氣泡受到電場力的作用，沿著電流向負極移動，聚集在坩堝壁附近，鋼液圓心和中部區(qū)域比較潔凈，氣孔數(shù)量顯著減少。

（2）電壓強度對于鋼液中氣泡的去除影響較小，電壓5 V和10 V時都能夠使鋼液中的氣泡向負極移動。

（3）通入脈沖電流后，鋼樣中的氣孔數(shù)量顯著減少，在邊緣區(qū)域幾乎觀察不到大氣孔，在邊緣區(qū)域只能觀察到小于5 μm的MnS夾雜。脈沖電流能將大尺寸的夾雜物變?yōu)榧毿A雜，也能細化鋼液中的氣泡，并提高氣泡去除效率。

[1] 張寶景, 張朝發(fā). 鋼的潔凈度控制及生產(chǎn)新技術(shù). 金屬材料與冶金工程, 2010, 38(6): 11

[2] 劉中柱, 蔡開科. 純凈鋼生產(chǎn)技術(shù). 鋼鐵, 2000, 35(2): 64

[3] 崔健, 鄭貽裕, 朱立新. 寶鋼純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)的進步. 中國工程科學(xué), 2005, 7(6): 21

[4] 幸偉, 倪紅衛(wèi), 張華, 等. 鋼中夾雜物去除技術(shù)的進展. 特殊鋼, 2009, 30(2): 34

[5] 劉洋, 外加電場去除鋼中夾雜及其形態(tài)控制的研究.鞍山: 遼寧科技大學(xué), 2012

Effect of Current on Inclusion and Bubble in Molten Steel

/ LI Chun-cheng

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.02.04

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