文坤， 李晶， 閆威 ， 孫彥輝

（北京科技大學(xué)，a.鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心；b.鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083）

拉拔斷絲率是鋼絞線用鋼加工性能的重要衡量指標(biāo).由于夾雜物與鋼基體的物化性質(zhì)不一致，不變形硬質(zhì)夾雜物是拉拔合股過程中的裂紋源，易造成拉拔斷絲，嚴(yán)重影響鋼材的加工性能.因此，82B鋼中夾雜物控制是冶金工作者關(guān)心的熱點問題.

在常用的分類標(biāo)準(zhǔn)中，按照夾雜物形態(tài)與分布的不同，把鋼中夾雜物分類為A類（硫化物）、B類（氧化鋁）、C 類（硅酸鹽）、D 類（球狀氧化物）、DS類（單顆粒球狀）[1-2].其中，各類夾雜物對82B拉拔性能的危害等級為:DS類＞D類＞C類＞A類.由于82B鋼采用硅錳脫氧，鋼中通常不含B類夾雜，而大尺寸DS夾雜經(jīng)精煉后易上浮去除，因此D類點狀不變形夾雜對其拉拔性能的危害最大，復(fù)合氧化物夾雜是D類夾雜中最主要的類型.

大量文獻(xiàn)報道，熔渣成分對夾雜物中各氧化物的含量及熔點控制有重要意義[3-11]，一些合金的加入會促使硅錳脫氧鋼中氧化物夾雜中Al2O3組元含量升高[12-13]，稀土的加入可以促進(jìn)夾雜物尺寸減小及其Al2O3、SiO2含量降低[14-15]，而細(xì)小化的夾雜物可以作為晶內(nèi)鐵素體的形核中心，有細(xì)晶強化的作用[16-18]，鮮有關(guān)于熔渣作為促使尖晶石夾雜生成轉(zhuǎn)變源的報道.通過工業(yè)調(diào)研，文中分析了國內(nèi)某廠82B鋼的點狀不變形夾雜的形貌、尺寸、成分和分布情況；通過鋼渣平衡實驗，研究了鋼中復(fù)合氧化物夾雜的成分變化及分布；通過Fact-Sage熱力學(xué)軟件，計算了82B鋼中MgO·Al2O3夾雜的生成條件，為實現(xiàn)夾雜物有效控制的精煉渣設(shè)計提供了理論依據(jù).

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所用鋼鐵料為鋼廠SWRH82鋼鑄坯料，化學(xué)成分如表1所示.試驗設(shè)計了如表2所示的不同成分的精煉渣，根據(jù)設(shè)計成分采用分析純化學(xué)試劑配制相應(yīng)熔渣，并經(jīng)預(yù)熔-破碎后在硅鉬電阻爐中進(jìn)行鋼渣平衡實驗.

1.2 鋼渣平衡實驗步驟

文中進(jìn)行了4組試驗，即 1#、2#、3#和 4#.操作步驟為:①對硅鉬電阻爐給電升溫至1 600°C時，通入氬氣20 min，排除空氣；②將尺寸為21 mm×15 mm×25 mm的60 g鋼料和10 g預(yù)熔渣料裝入MgO坩堝（φ26×40，純度 99.99%），外套石墨坩堝，然后放入管式爐；③待鋼渣料完全熔清后（20 min），計時反應(yīng)開始；④反應(yīng)時間分別達(dá)到 20 min、40 min、60 min、90 min時，將坩堝取出；⑤在氬氣保護(hù)下空冷成型，然后水冷至室溫.

1.3 鋼渣平衡實驗分析方法

試驗結(jié)束后，分別收集鋼樣與熔渣.將鋼樣打磨至1.3 μm砂紙后拋光，采用MLA250礦相解離分析儀分析鋼中的夾雜物，每個試驗金相樣隨機記錄20個氧化物夾雜的形貌、成分和尺寸信息，夾雜物尺寸分級為 1～3 μm、3～5 μm、5～8 μm、8～15 μm、15～30 μm范圍；將熔渣破碎，由100 μm濾網(wǎng)篩選、除鐵，采用XRF熒光光譜法分析渣樣的成分；從鋼樣上切取φ5×10的鋼樣棒，打磨去除表面氧化物，再采用EMGA-830氧氮氫分析儀分析鋼樣鋼中T.O含量.

表1 SWRH82B鋼化學(xué)成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Composition of SWRH82B Steel/（mass fraction，%）

表2 精煉渣化學(xué)成分/（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Composition of the refining slag/（mass fraction，%）

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)生產(chǎn)中精煉過程夾雜物演變研究

國內(nèi)某廠82B鋼生產(chǎn)工藝如圖1所示，將LF進(jìn)站、LF白渣10 min、LF出站鋼樣制備成電鏡樣，采用SEM/EDS觀察其氧化物夾雜的形態(tài)、尺寸、成分和分布.檢測21顆LF進(jìn)站時的夾雜物，發(fā)現(xiàn)鋼中的復(fù)合氧化物夾雜主要為SiO2-MnO-Al2O3型（N=19），少量為CaO-SiO2-MnO型 （N=1）和CaO-SiO2-MgO型（N=1）， 如圖 2～圖 4 所示.其中，SiO2-MnO-Al2O3型夾雜所含元素與脫氧合金相似，為被鋁還原的脫氧產(chǎn)物，硅錳合金為鋁的來源[12-13]；CaO-SiO2-MnO型夾雜為鈣化后的脫氧產(chǎn)物，是渣洗過程中熔渣顆粒與脫氧產(chǎn)物聚合而成；CaO-SiO2-MgO型夾雜與頂渣成分相似，為渣洗過程鋼流沖擊耐材的殘留物.

圖1 國內(nèi)某廠82B鋼冶煉流程Fig.1 Production process of 82B steel in a domestic plant

圖2 SiO2-MnO-Al2O3型Fig.2 SEM images/EDS of Si-Mn-Al oxide inclusions

圖3 CaO-SiO2-MnO型Fig.3 SEM images/EDS of Ca-Si-Mn oxide inclusions

LF過程中，鋼中的復(fù)合氧化物夾雜全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-SiO2-Al2O3型，典型成分及形貌如圖5所示.LF出站時，鋼中的復(fù)合氧化物夾雜仍為CaO-SiO2-Al2O3型.經(jīng)LF處理后，鋼中氧化物夾雜中（CaO）inc和（Al2O3）inc組分含量大大升高，夾雜物的尺寸減小明顯，但是夾雜物熔點較高.因此，文中通過鋼渣平衡實驗，擬探索精煉渣成分對降低CaO-SiO2-Al2O3型復(fù)合氧化物夾雜物熔點影響，促使夾雜物塑性化.

圖4 CaO-SiO2-MgO型Fig.4 SEM images/EDS of Ca-Si-Mg oxide inclusions

2.2 實驗室精煉實驗研究

2.2.1 鋼中全氧含量的變化

通常把鋼中全氧含量作為鋼中氧化物夾雜的一個量度.為綜合考察精煉渣對鋼中夾雜物的整體影響，實驗研究了精煉渣成分對82B鋼T.O的影響，實驗結(jié)果如圖6所示.由圖6可見，隨著處理時間增加，鋼中的T.O均較明顯地降低，在反應(yīng)20～40 min后所有鋼樣的全氧含量均已達(dá)到平衡.因此，該實驗條件下，反應(yīng)的平衡時間為50 min.

低堿度的精煉渣更有利于夾雜物的去除，如圖6所示，當(dāng)頂渣Al2O3含量分別為7.8%、5.1%時，隨著精煉渣堿度由2.05降低到0.93，T.O降低，且分別穩(wěn)定在2.2×107和1.6×107， 平衡時間也由40 min縮短為20 min；渣中Al2O3能促進(jìn)夾雜物的去除，如圖6所示，當(dāng)頂渣堿度分別為2.05、1.97時，隨著渣中Al2O3含量由7.8%升高到25.9%，相同的平衡時間下T.O 降低，分別穩(wěn)定在 2.2×107和 1.6×107；當(dāng)頂渣堿度分別為0.93、1.14時，隨著Al2O3由5.1%升高到25.6%，T.O 有相同趨勢，分別穩(wěn)定在 1.6×107和 1.1×107，平衡時間延長說明高堿度能提高夾雜物的去除速度.實驗結(jié)果表明，低堿度下鋼液的T.O更低，高堿度下鋼液的T.O下降更快，而高Al2O3渣更利于夾雜物的去除.

圖5 CaO-SiO2-Al2O3型Fig.5 SEM images/EDS of Ca-Si-Al oxide inclusions

圖6 鋼中氧含量隨時間的變化Fig.6 Effect of refining time on oxide content in steel

2.2.2 熔體Al2O3含量對體系熔點的影響

由文獻(xiàn)報道知，熔體中氧化物組分含量對其熔點有顯著的影響[7]，其中以Al2O3的影響最為明顯.因此，文中以SWRH82B鋼為基本條件，采用FactSage軟件計算熔體中Al2O3組元含量對其熔點的影響，并與以往的研究進(jìn)行對比，如圖7所示.其中，1 400℃條件是陳斌等[11]以低合金高強度鋼冶煉為基礎(chǔ)的計算結(jié)果，1 600℃是葛金鵬等[3]軸承鋼冶煉為基礎(chǔ)的計算結(jié)果.由圖7可知，當(dāng)熔體中Al2O3含量小于20%時，隨著熔體中Al2O3含量的增加，82B鋼中氧化物熔體的液相量升高；當(dāng)熔體中Al2O3含量大于20%時，隨著熔體中Al2O3含量的增加，熔體的液相量逐漸減少.因此，為控制鋼中氧化物夾雜的熔點在較低的區(qū)間，常將夾雜物中Al2O3組分的含量控制在20%左右.

圖7 Al2O3含量對熔體熔點的影響Fig.7 Effect of Al2O3content on melting point of oxide

圖8 高Al2O3渣（3#）處理的鋼中夾雜物分布Fig.8 Distribution of oxide inclusions treat by high Al2O3slag （3#）

2.2.3 渣中Al2O3及堿度對夾雜物的影響

采用SEM/EDS掃描電鏡分析鋼樣，結(jié)果顯示，含Al2O3較高的頂渣（Al2O3=25.9%）處理后，鋼中的復(fù)合氧化物夾雜以CaO-MgO-Al2O3型夾雜物為主，該類型夾雜中（SiO2）inc含量為10%左右，分布在如圖8所示的CaO-SiO2-Al2O3三元相圖中12CaO·7Al2O3低熔點區(qū)域邊緣，夾雜物熔點為1 500～1 600°C.說明夾雜物成分的分布不僅與脫氧方法有關(guān)，還與熔渣組成有直接關(guān)系.

含Al2O3較低的頂渣（Al2O3=5.1%）處理后，鋼中的復(fù)合氧化物夾雜由CaO-SiO2-Al2O3型、CaO-SiO2-MgO型和MnO-SiO2-Al2O3型組成，如圖9所示，其中以CaO-SiO2-Al2O3型夾雜物最多.CaO-SiO2-Al2O3型夾雜物主要分布在 CaO·2SiO2·Al2O3與CaO·SiO2的共晶線附近的低熔點區(qū)[19-22]，夾雜物熔點1 300～1 500 °C；CaO-SiO2-MgO 型夾雜物分布在CaO·2SiO2·MgO 與 CaO·SiO2共晶線附近的低熔點區(qū)域，夾雜物熔點 1 400～1 500°C；MnO-SiO2-Al2O3型夾雜物分布在錳鋁榴石初晶區(qū)，夾雜物熔點低于1 400°C.結(jié)果表明，低堿度的熔渣能促進(jìn)復(fù)合氧化物夾雜分布在低熔點區(qū)域，使其塑性化成都提高.

因此，熔渣堿度及Al2O3含量能顯著影響復(fù)合氧化物夾雜的熔點，將不同堿度和Al2O3含量的精煉渣精煉下所得的夾雜物的平均熔化點匯總?cè)鐖D10所示，隨著頂渣堿度升高，兩種主要類型的復(fù)合氧化物夾雜的熔點均升高；隨著渣中Al2O3含量的升高，鋼中夾雜物向熔點更高的類型轉(zhuǎn)變.在本研究的精煉條件下，當(dāng)精煉渣堿度在0.9～1.0之間、Al2O3含量約為5%時，夾雜物的熔點最低，變形性最好[23].

圖9 低Al2O3（2#）渣處理的鋼中夾雜物分布Fig.9 Distribution of oxide inclusions treat by low Al2O3slag （2#）

圖10 頂渣堿度對主要類型夾雜熔點的影響Fig.10 Effect of slag basicity on primary inclusions melting point

當(dāng)熔渣堿度較高時（R＞2.5），硫分配系數(shù)升高，鋼液中的硫含量降低，從而會使夾雜物中（MnS）inc含量偏低；其次，隨著堿度升高，熔渣熔點升高，在添加如鋁礬土或螢石等促熔劑的同時，鋼中的夾雜物的成分和性能也被影響.當(dāng)Al2O3含量相同時，隨著頂渣堿度降低（R＜2.0），渣中 MgO 和 Al2O3活度升高，熔渣對含MgO和Al2O3耐材的侵蝕加劇，從而導(dǎo)致鋼液中MgO·Al2O3型夾雜物生成.實驗中，當(dāng)頂渣組成為R=1.14、Al2O3=25.6%時，由于低堿度高鋁渣對耐材的侵蝕，鋼液中存在MgO·Al2O3夾雜物生成，如圖11～圖12所示.由此可見，在82B鋼工業(yè)生產(chǎn)過程中，需謹(jǐn)慎采用鋁礬土調(diào)渣，嚴(yán)格控制渣中的Al2O3含量，避免后期變渣而降低頂渣堿度時產(chǎn)生MgO·Al2O3型夾雜物.

圖11 MgO·Al2O3型夾雜物Fig.11 SEM images/EDS of MgO·Al2O3inclusions

圖12 渣中（Al2O3）S含量對 a（Al2O3）L 的影響Fig.12 Effect on a（Al2O3）Lby （Al2O3）Scontent in slag

采用FactSage軟件對82B鋼中MgO·Al2O3尖晶石夾雜物的生成進(jìn)行相圖計算，結(jié)果如圖13所示.由相圖分析可知，當(dāng)氧含量為2.0×10-5時，若鋼液中[Mg]、[Al] 的含量分別為 3.2×10-7～1.0×10-4和 2.0×10-8～3.2×10-7， 即可生成 MgO·Al2O3尖晶石型夾雜物.所以，當(dāng)頂渣組成為R=1.14、Al2O3=25.6%時，由于夾雜物與鋼液間發(fā)生如式（1）所示的反應(yīng)[24]，夾雜物中（Al2O3）inc組元含量升高、（SiO2）inc組元含量降低.而且，隨著反應(yīng)進(jìn)行，[Al]含量降低，鋼液成分進(jìn)入生成MgO·Al2O3尖晶石型夾雜物的穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)頂渣組成為R=1.97、Al2O3=25.9%時， 由于堿度對渣中a（Al2O3）L、a（SiO2）L活度的影響，夾雜物的（Al2O3）inc、（SiO2）inc有相同的變化趨勢，但是卻未生成MgO·Al2O3尖晶石型夾雜物；當(dāng)精煉渣組成為R=0.93、Al2O3=5.1%時，未出現(xiàn)MgO·Al2O3尖晶石型夾雜物.綜上，在相同堿度下，當(dāng)渣中（Al2O3）s升高，促使（Al2O3）L活度升高，導(dǎo)致鋁從熔渣向鋼液傳質(zhì)，導(dǎo)致鋼中局部鋁含量升高，從而使該區(qū)域鋼液成分進(jìn)入尖晶石穩(wěn)定區(qū).

圖13 MgO·Al2O3型夾雜物生成穩(wěn)定相圖Fig.13 Phase diagram of the formation of MgO·Al2O3inclusions

2.2.4 渣中CaF2對夾雜物的影響

精煉渣中的CaF2組分的含量會影響鋼中夾雜物的成分、類型及尺寸.當(dāng)頂渣含有一定的CaF2時（8%左右），氧化物夾雜中的（MgO）inc組元含量隨即顯著升高.對1#渣實驗鋼進(jìn)行SEM/EDS掃描電鏡分析，成分分布如圖14所示.結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)進(jìn)行，鋼中CaO-SiO2-Al2O3類夾雜消失，出現(xiàn)CaOSiO2-MgO和CaO-Al2O3-MgO類夾雜物；反應(yīng)20 min后，隨機統(tǒng)計18顆氧化物夾雜，鋼中夾雜物由CaO-SiO2-Al2O3類和 CaO-Al2O3-MgO類組成，其MgO和 Al2O3均量分別為 15.21%和 12.29%，CaO均 量 為 44.10%、SiO2均量 16.72%、MnS均量3.04%，平均直徑 3.60 μm；反應(yīng) 40 min后，鋼中夾雜物由CaO-SiO2-MgO類和CaO-Al2O3-MgO類組成，MgO和 Al2O3均量分別為 42.41%和 13.86%，CaO均量為 21.63%、SiO2均量 13.79%、MnS均量16.05%，平均直徑2.47 μm；反應(yīng)60 min后，夾雜物全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-SiO2-MgO類,MgO和Al2O3均量分別為 50.06%和 13.42%，CaO均量為 24.91%、SiO2均量 15.15%、MnS均量 12.52%，平均直徑1.99 μm.綜上所述，由于CaF2加入，鋼中夾雜物中（MgO）inc組分含量顯著升高，熔點升高，夾雜物尺寸明顯減小.

圖14 含CaF2渣（1#）系處理后鋼中的夾雜物分布Fig.14 Distribution of oxide inclusions treat by CaF2contain slag （1#）

同時，夾雜物的典型形貌變化十分明顯，有不規(guī)則的幾何形貌產(chǎn)生，如圖15所示.由掃描電鏡能譜分析顯示，此時，夾雜物中（SiO2）inc、（Al2O3）inc組分的含量隨著（MgO）inc組元的升高而降低，推測由于CaF2對耐材的侵蝕而發(fā)生如式（2）～式（3）所示反應(yīng)[25]:

3 結(jié) 論

1）國內(nèi)某廠82B鋼LF精煉過程中，鋼中的復(fù)合氧化物夾雜由SiO2-MnO-Al2O3型、CaO-SiO2-MnO型、CaO-SiO2-MgO型和CaO-SiO2-Al2O3型組成；

2）低堿度下鋼液的T.O更低，高堿度下鋼液的T.O下降更快，高Al2O3渣更利于T.O降低；

3）隨著精煉渣堿度的升高，兩種主要類型的復(fù)合氧化物夾雜的熔點均升高；隨著渣中Al2O3含量的升高，鋼中夾雜物向熔點更高的類型轉(zhuǎn)變；堿度為0.93、Al2O3含量約5%時夾雜物熔點最低；

圖15 高M(jìn)gO系氧化物夾雜Fig.15 SEM images/EDS of high MgO contain oxide inclusions

4）當(dāng)頂渣組成為R=1.14、Al2O3=25.6%時，復(fù)合氧化物夾雜的（MgO）inc和（Al2O3）inc組元含量升高，隨著[Al]降低，鋼液成分進(jìn)入MgO·Al2O3尖晶石夾雜的穩(wěn)定區(qū)；

5）CaF2的加入，促進(jìn)鋼液中[Mg]對夾雜物 （SiO2）inc、（Al2O3）inc組元的還原，夾雜物中（MgO）inc含量升高，熔點升高，尺寸減小.