刀剪材料9Cr14Mo電渣錠尾夾雜物的分析

周 文，李 晶，王亮亮，李積回

(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)學(xué)院，北京 100083;2.陽江市十八子集團有限公司，陽江 529511)

刀剪材料9Cr14Mo電渣錠尾夾雜物的分析

周 文1，李 晶1，王亮亮1，李積回2

(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)學(xué)院，北京 100083;2.陽江市十八子集團有限公司，陽江 529511)

研究了刀剪材料9Cr14Mo電渣錠尾夾雜物類型、尺寸及含量.結(jié)果表明:電渣前及電渣后錠尾的夾雜物主要是含鈦的復(fù)合夾雜物，電渣后錠尾有內(nèi)生夾雜物的形成，導(dǎo)致復(fù)合夾雜物中Si、Mn、Cr含量升高，電渣后錠尾夾雜物含量升高，且夾雜物尺寸變大.電渣前鋼中夾雜物含量為0.633 mg/kg，電渣后錠尾夾雜物含量為4.38 mg/kg.顯微夾雜物的數(shù)量，電渣前為11.82個/mm2，電渣后錠尾為15.08個/mm2;提出了控制電渣后錠尾夾雜物含量的措施.

9Cr14Mo;電渣重熔;夾雜物;潔凈度

剃須刀片用9Cr14Mo材料要求具有一定的強度、塑性、斷裂韌性及耐蝕性.材料中的夾雜物是影響這些性能的主要因素.雖然電渣重熔的方法可以顯著降低鋼中的夾雜物并改善其在鋼中的分布［1］，但先進行電渣處理的錠尾部分，夾雜物含量高，不能用于刀剪生產(chǎn).為了滿足材料的性能需要，進一步提高電渣錠的成材率，本文研究了電渣錠尾夾雜物含量和成分.

1 實驗材料和方法

陽江十八子煉鋼廠電渣爐(ESR)為單機架固定式結(jié)晶器，尺寸為220 mm×(1 100～1 200)mm，采用Al2O3和 CaF2(Al2O3與 CaF2的質(zhì)量比為7:3)造渣，生產(chǎn)的9Cr14Mo自耗電極主要化學(xué)成分，如表1所示.

表1 9Cr14Mo自耗電極的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical components(mass faraction)in consumable electrode of 9Cr14Mo %

距錠尾15 mm處取樣，為了研究電渣后錠尾夾雜物的變化行為，對電渣前后鋼樣進行了潔凈度統(tǒng)計，用大樣電解的方法，分析了夾雜物成分及含量.

2 實驗結(jié)果

電渣前后錠尾夾雜物形貌及大小，如圖1所示，其中(a)為電渣前即自耗電極中夾雜物形貌及大小，(b)電渣后即電渣錠尾中夾雜物形貌及大小.

圖1中夾雜物的成分，如表2所示.

圖1 電渣前后夾雜形貌圖Fig.1 Morphology of inclusion before and after electroslag

表2 電渣前后錠尾典型夾雜物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Components of typical inclusion before and after electroslag in the top of ESR %

由表2可以看出:電渣前主要是以鈦氧化物為主的復(fù)合夾雜物，還包含少部分Al2O3、MnO夾雜物，如夾雜物2的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為21.72%Ti、2.73%Al、5.05%Mn、24.44%O.電渣后錠尾也是以鈦氧化物為主的復(fù)合夾雜物，但夾雜物中Ti含量、鉻含量、硅含量有所升高，鋁含量降低，錳含量略有升高，如夾雜物3的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 24.41%Ti、6.44%Si、10.12%Cr、7.38%Mn、1.09%Al、31.81%O.對大型夾雜物含量進行分析表明:電渣前鋼中夾雜物含量明顯少于電渣后錠尾的夾雜物含量，電渣前鋼中夾雜物含量為0.633 mg/kg，電渣后錠尾夾雜物含量為4.38 mg/kg.

經(jīng)掃描電鏡分析，統(tǒng)計50個視場，電渣前夾雜物個數(shù)為89個，電渣后錠尾夾雜物個數(shù)為102個.采用當(dāng)量直徑法，在掃描電鏡下統(tǒng)計單位面積內(nèi)顯微夾雜物的數(shù)量，得出電渣前鋼中夾雜物數(shù)量為11.82個/mm2，電渣后錠尾的夾雜物數(shù)量為15.08個/mm2，電渣后錠尾單位面積上夾雜物數(shù)量增加，潔凈度下降.電渣前及電渣后錠尾夾雜物尺寸分布，如圖2所示.

從圖2可以看出:電渣前，2.5 μm以下夾雜物居多;電渣后錠尾夾雜物尺寸有所增加，尺寸在2.5～5 μm范圍內(nèi)的變多，但大于5 μm夾雜物數(shù)量還是減少的.

3 結(jié)果討論分析

3.1 鈦氧化物生成的可能性分析

圖2 電渣前后夾雜物尺寸分布圖Fig.2 The size distribution of inclusion before and after electroslag

鋼中的合金元素與氧結(jié)合能力大小順序為:Al＞Ti＞Si＞Mn ＞Cr.當(dāng) w［Al］＜0.01%時，有 Ti存在的條件下，以鈦的氧化物為主;在沒有Ti存在的情況下，無論是脫氧還是二次氧化生成的夾雜物主要為SiO2、MnO、Al2O3復(fù)合物.電渣前鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都小于0.01%，且電渣前后鋼中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.003%降低到0.001%，說明鈦參與了反應(yīng).鈦與合金元素的親和力從大到小的順序為:O，N，S，C.當(dāng)鋼液中氧含量高時一般是以氧化鈦形式存在.鈦的氧化物共有4種形式，分別為TiO、TiO2、Ti2O3和 Ti3O5.反應(yīng)式分別如下［2］:

電渣前溫度T取1 848 K，鋼液中w［Ti］的平均值為0.003%.當(dāng) ΔG=0時.根據(jù)以上(6)～(9)式可得出各反應(yīng)平衡時的w［O］.生成TiO，TiO2，Ti2O3，Ti3O5.最低溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.15%，0.0037%，0.0039%，0.0039%.后面三種氧化物生成可能性大.電渣前全氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006%，從熱力學(xué)上氧化鈦生成是有很大可能的.

電渣重熔由于其自身的冶金特點，自耗電極以熔滴的形式通過渣層進入金屬熔池，金屬液與渣池的接觸面大大增加，進行強烈的渣洗.此外熔渣的溫度高(渣面溫度可達(dá)1 800℃)，加快了熔渣與金屬之間的冶金反應(yīng).故能進一步降低鋼中夾雜物含量.但電渣錠尾的夾雜物含量不但沒有降低，反而有所升高.陽江十八子煉鋼廠電渣的造渣工藝為固體引燃法，電渣開始時，電渣中的氧主要來自于大氣［3］.由于沒有采用吹氬等保護措施，結(jié)晶器內(nèi)氧氛圍濃度較高.同時，由于液態(tài)渣池還沒有完全形成，為液滴與周圍氣氛接觸，產(chǎn)生二次氧化創(chuàng)造了條件，造成錠尾鈦含量下降，夾雜物中的鈦含量升高.液態(tài)渣層形成時間越晚，切除的錠尾量越大，因此采用液渣電渣重熔對降低錠尾夾雜的含量是有利的.隨著電渣重熔過程的進行，單位時間內(nèi)渣池的熱量 Q=0.24I2R［4］，正常冶煉情況，電流最大達(dá)到3 800 A，渣面溫度很高，金屬液滴在液態(tài)渣層中形成并穿過渣層，有效避免了二次氧化的產(chǎn)生.

3.2 渣系對鈦氧化夾雜生成的影響

3.3 內(nèi)生夾雜物的形成

鋼液Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.001%的情況下，隨著鋼液的凝固，溫度的降低，導(dǎo)致鋼中的氧與合金元素 Si、Mn、Cr發(fā)生反應(yīng)，以 SiO2、MnO、Cr2O3夾雜物的形式析出，它們相互聚合，形成新的復(fù)合夾雜物.這些夾雜物在渣溫很低且液態(tài)渣池未形成時，很難從鋼中排除而滯留在錠尾，使錠尾夾雜物含量升高.故減少熔池中溶解氧含量，降低自耗電極周圍氣氛中的氧含量，盡快形成液態(tài)渣池，有利于降低錠尾的夾雜物含量.

3.4 自耗電極的表面處理對夾雜物含量的影響

作為自耗電極的連鑄圓坯，在空氣中自然冷卻，會在鑄坯表面形成一層氧化鐵皮，如果不進行表面處理，直接作為自耗電極電渣重熔，會使渣池氧化性增加，導(dǎo)致鋼中合金元素與渣中不穩(wěn)定氧化物反應(yīng)，使鋼中夾雜物含量升高.剝皮的自耗電極與不剝皮的自耗電極相比，電渣重熔后氧含量低［5］.

4 結(jié)論

通過實驗研究，得出以下結(jié)論:

(1)電渣前及電渣后錠尾的夾雜物主要是含鈦的復(fù)合夾雜物，電渣后錠尾有內(nèi)生夾雜物的形成，導(dǎo)致復(fù)合夾雜物中Si、Mn、Cr含量升高，且夾雜物尺寸較大;

(2)電渣后錠尾夾雜物含量升高.電渣前鋼中夾雜物含量為0.633 mg/kg，電渣后錠尾夾雜物含量為4.38 mg/kg.顯微夾雜物的數(shù)量，電渣前為11.82個/mm2，電渣后錠尾為15.08個/mm2;

(3)距錠尾15 mm以內(nèi)的鋼中夾雜物含量高，不能用作生產(chǎn)刀剪的原材料.減少鋼液中氧含量，控制自耗電極周圍氣氛、盡早形成液態(tài)渣池，并對自耗電極進行表面處理，有助于降低電渣后錠尾的夾雜物含量.

［1］耿鑫，姜周華，劉福斌，等.電渣重熔過程中夾雜物的控制［J］.鋼鐵，2009，44(12):42.

［2］黃希祜.鋼鐵冶金原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］Hawkins R J，Swinden D J，Poeklington D N.Electroslag refining，ISI，London，1973:21.

［4］丁永昌，徐曾啟.特殊熔煉［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995.

［5］劉勝國，徐明德，劉鳳霞，等.高碳鉻軸承鋼電渣重熔過程中的氧及其控制［J］.特殊鋼，1993，14(3):45－48.

Study on non－metallic inclusion in the end of electro－slag remelting ingot for the 9Cr14Mo steel used as cutlery material

ZHOU Wen1，LI Jing1，WANG Liang-liang，LI Ji-hui2

(1.Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology，Beijing 100083，China;2.Yangjiang Eighteen sub－Group Co.Ltd.，Yangjiang 529511，China)

Types，size and content for the non－metallic inclusion in the end of 9Cr14Mo Electro－slag remelting(ESR)ingot are analyzed.The inclusion composition is main Titanium compounds in the consumable electrode and the end of ESR ingot.However，owing to endogenous inclusion formation in the end of ESR ingot;The content of Si、Mn、Cr in inclusion and gross weight of inclusion are increased The size of inclusion in the end of ESR ingot is bigger than that of in the consumable electrode.The gross weight is 0.633 mg/kg for consumable electrode and 4.38 mg/kg for the end of ESR ingot.The number of microscopic inclusions is 11.82個/mm2for consumable electrode and 15.08個/mm2for the end of ESR ingot.Some measures on controlling inclusion content in the end of ESR ingot are put forward.

9Cr14Mo;ESR;inclusion;cleanness

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0091-03

2010-10-15.

周文 (1985—)，女，湖北洪湖人，北京科技大學(xué)碩士研究生，E－mail:zhouwen618@163.com.