RH精煉添加鈣合金去除硅鋼夾雜物研究

張 峰

（寶山鋼鐵股份有限公司硅鋼部，上海，200941）

影響硅鋼磁性能的因素除化學(xué)成分、鐵素體晶粒尺寸、晶體織構(gòu)外，還有鋼中的夾雜物［1－3］。有關(guān)硅鋼夾雜物控制的研究成果已在生產(chǎn)中獲得大量應(yīng)用［4－7］。鈣是強(qiáng)脫氧、脫硫元素，向鋼中添加適量鈣，可以迅速降低鋼中的氧含量并提高鋼液脫硫效率。鈣的脫氧產(chǎn)物與氧化鋁夾雜結(jié)合生成的低熔點(diǎn)鋁酸鈣，可避免浸入式水口的堵塞［8－9］。經(jīng)鈣處理后的鋼液純凈度明顯提高，鋼的磁性能得以改善。但不當(dāng)?shù)拟}處理方式不僅延長精煉時間并影響煉鋼區(qū)域生產(chǎn)物流，還會造成鋼液吸氧、吸氮而劣化鋼質(zhì)。

本文采用RH精煉添加鈣合金方式對硅鋼進(jìn)行鈣處理，研究不同鈣處理?xiàng)l件下鋼的化學(xué)成分及鋼中夾雜物的變化。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼主要生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→300t轉(zhuǎn)爐冶煉→RH精煉（添加鈣合金，主要成分為CaSi，粒度為10～50mm）→連續(xù)鑄鋼→板坯加熱、軋制→酸洗、冷軋→退火、精整→包裝、出廠。轉(zhuǎn)爐出鋼、RH精煉工藝參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)爐出鋼、RH精煉工藝參數(shù)Table1 Technological parameters of LD tapping and RH refining

表2 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（wB／%）Table2 Chemical compositions of tested steel

1.2 分析檢測

取不同鈣處理?xiàng)l件下的成品鋼試樣，分析試樣的化學(xué)成分及夾雜物。夾雜物分析采用光學(xué)原位觀察法和非水溶液電解＋掃描電鏡觀察法，后者經(jīng)預(yù)處理過的鋼樣分兩次電解、清洗，然后磁選、過濾（濾膜孔徑為50nm）和制樣，供掃描電鏡觀察。用LEICA DM－2500M光學(xué)顯微鏡原位觀察試樣中的夾雜物粒徑分布。用 HITACHI S4200掃描電鏡觀察非水溶液電解試樣中的夾雜物形貌及尺寸。用 MAGIXPRO－2400X熒光光譜分析儀和LECO CS－444碳硫分析儀分析鈣含量和硫含量。借助設(shè)備自帶的能譜儀確定夾雜物的種類及組成。借助圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)夾雜物的數(shù)量及尺寸分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼中鈣含量及脫硫效果分析

不同鈣處理?xiàng)l件下鋼中鈣含量隨時間的變化如圖1所示。從圖1可以看出，鈣合金添加量為0.67kg／t鋼時，鋼中鈣含量始終為零，與鈣處理前的效果相同。鈣合金添加量為1.00kg／t鋼時，0.5～30min時間段內(nèi)鋼中鈣含量為2×10－6，鈣合金添加量為 1.67kg／t鋼時，1～30 min時間段內(nèi)鋼中鈣含量為4×10－6。鈣合金添加時間超過30min，兩種鈣處理?xiàng)l件（鈣合金添加量為1.00kg／t鋼 和1.67kg／t鋼）下的鋼中鈣含量均呈減小趨勢，表明RH精煉過程向鋼液中添加鈣合金不能有效提高鈣含量。研究結(jié)果表明，不同鈣處理?xiàng)l件下鋼的脫硫效果均較差，鈣合金添加量為0.67kg／t鋼時，鈣處理前后鋼中硫含量幾乎不變，鈣合金添加量為1.67kg／t鋼時，鋼中硫含量僅降低了2×10－6。加鈣合金脫硫效果差的原因是鈣元素活潑，其熔點(diǎn)、蒸汽壓低，在RH精煉真空狀態(tài)下，絕大部分鈣以氣泡形式逃逸，僅有少量鈣參與鋼液脫氧、脫硫反應(yīng)。

2.2 夾雜物粒徑分布

鋼中不同粒徑區(qū)間夾雜物數(shù)量及比率分布分別于表3、表4所示。從表3、表4中可看出，不同鈣處理?xiàng)l件下，試樣中夾雜物數(shù)量及比率主要集中于0～4μm粒徑區(qū)間；隨鈣合金添加量增大，0～2μm范圍內(nèi)的夾雜物相對比率依次減小，2～4、4～6μm范圍內(nèi)的夾雜物相對比率依次增大，鋼中夾雜物數(shù)量及比率逐漸向2～4、4～6μm范圍偏移。

表3 不同粒徑區(qū)間夾雜物數(shù)量分布／個·mm－2Table3 Quantitative distribution of inclusions in steel sheets under different Ca treatments

表4 不同粒徑區(qū)間夾雜物比率分布／%Table4 Percentages of inclusions in steel sheets under different Ca treatments

2.3 夾雜物顯微組織

不同鈣處理?xiàng)l件下電解提取試樣中夾雜物顯微組織如圖2所示。從圖2中可看出，隨鈣合金添加量增大，夾雜物數(shù)量有所增加，粒徑有所增大（見圖2中（a）、（c）、（e）、（g））。鈣合金添加量為1.67kg／t鋼時，夾雜物的數(shù)量最多，平均粒徑最大（見圖2（c））。如圖2中（b）、（d）、（f）、（h）所示，夾雜物數(shù)量先減少后有所增多，并且增加部分夾雜物粒徑相對較大。這與上述夾雜物原位觀察結(jié)果相吻合。

2.4 夾雜物類型

電解提取試樣中不同粒徑區(qū)間夾雜物種類分布如表5所示。從表5中可看出，不同鈣處理的試樣中，均存在粒徑小于1μm和粒徑為1～5μm的MnS、CuxS夾雜物，前者可能與鈣含量偏低以及鋼中存在未與鈣結(jié)合的硫有關(guān)，這些硫在澆鑄熱軋過程中隨 Mn／S、Cu／S濃度積的不斷升高，在超出其平衡濃度積之后形成MnS、CuxS微細(xì)夾雜物，這些夾雜物或單獨(dú)析出，或以AlN等微細(xì)夾雜物為核心復(fù)合析出［10－11］；后者或單獨(dú)存在，或同AlN、CaS夾雜復(fù)合。在5～10μm區(qū)間，夾雜物種類相對簡單，鈣合金添加量為0.67kg／t鋼時，仍存在 MnS、AlN夾雜物；鈣合金添加量為1.00kg／t鋼或1.67kg／t鋼時，夾雜物種類基本以鈣的氧、硫化物為主。

由Zenar公式［12］可知，晶界上的釘扎力與夾雜物的體積分?jǐn)?shù)成正比，與夾雜物平均半徑成反比。夾雜物尺寸越小，越接近疇壁尺寸，越有可能阻礙鋼的晶粒尺寸向臨界尺寸長大?？紤]到軋制、退火過程因MnS夾雜物變形、延展而阻礙材料再結(jié)晶乃至劣化鋼的磁性能，因此應(yīng)選擇合適的鈣處理工藝，以同時滿足夾雜物數(shù)量少、尺寸大、延展小、種類和形態(tài)不易變化等特點(diǎn)［13］。

圖2 電解提取試樣中夾雜物顯微組織Fig.2 Microstructure of inclusions in steel sheets under different Ca treatments

表5 電解提取試樣中不同粒徑區(qū)間夾雜物種類分布Table5 Types and size distribution of inclusions in steel sheets under different Ca treatments

2.5 夾雜物數(shù)量分布

電解提取試樣中不同粒徑區(qū)間夾雜物數(shù)量分布如圖3所示。從圖3中可看出，未經(jīng)鈣處理時，試樣中的夾雜物以1.0μm以下的微細(xì)夾雜物為主，數(shù)量約為1600×104個／mm3；經(jīng)鈣處理后，試樣中小于1.0μm 的微細(xì)夾雜物數(shù)量明顯減少，與鈣處理前相比，鈣合金添加量為0.67、1.00、1.67kg／t鋼時，其減少幅度分別為68.06%、87.50%、94.94%。鈣合金添加量為 1.67kg／t鋼時，可以去除鋼中絕大部分的微細(xì)夾雜物。

圖3 電解提取試樣中不同粒徑區(qū)間夾雜物數(shù)量分布Fig.3 Size distribution of inclusions in steel sheets under different Ca treatments

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)條件下，鋼液中添加鈣合金未能獲得較高的鈣含量，且脫硫效果不佳；鈣合金添加量為0.67、1.00、1.67kg／t鋼時，鋼中鈣含量分別為0、2×10－6、4×10－6。

（2）隨鈣合金添加量增大，鋼中夾雜物粒徑逐漸由0～2μm向2～4、4～6μm范圍偏移，但絕大部分夾雜物仍集中在0～4μm范圍。

（3）不同鈣處理?xiàng)l件下，鋼中均存在粒徑小于1μm和粒徑為1～5μm的 MnS、CuxS夾雜物，后者或單獨(dú)存在，或同AlN、CaS夾雜復(fù)合；粒徑為5～10μm區(qū)間，鋼中的夾雜物基本以鈣的氧、硫化物為主。

（4）與鈣處理前相比，鈣合金添加量為0.67、1.00、1.67kg／t鋼時，粒徑小于1.0μm 的微細(xì)夾雜物減少幅度分別為68.06%、87.50%、94.94%；鈣合金添加量為1.67kg／t鋼時，可以去除鋼中絕大部分的微細(xì)夾雜物。

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