脫氧工藝對低合金高強度鋼中夾雜物的影響

韓文習，于景坤，顏正國

(1.東北大學材料與冶金學院，沈陽 110004;2.萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東 萊蕪 271105)

夾雜物是衡量鋼質量的重要指標，其類型、組成、形態(tài)、含量及尺寸分布等直接影響鋼材的冷熱加工性能，以及塑性、韌性和疲勞性能［1］.近年來，盡管鋼鐵市場形勢嚴峻，但終端用戶對高品質鋼材的需求卻一直穩(wěn)步增加，迫使企業(yè)更加重視提高鋼材的質量.鋼水脫氧是煉鋼過程中必不可少的工藝環(huán)節(jié)，合理的脫氧工藝對控制鋼中夾雜物至關重要.國內外冶金企業(yè)都非常注重對鋼水脫氧工藝的研究，冶金工作者們就如何降低鋼中的氧含量，提高鋼的潔凈度，不斷對現(xiàn)有脫氧工藝進行改進，并探索新的脫氧技術.目前，在煉鋼過程中使用復合脫氧劑代替鋁對鋼水進行脫氧操作已成為主流，尤其是含鋇的復合脫氧劑越來越受到人們的重視［2～5］.隨著氧化物冶金技術的發(fā)展，如何有效利用脫氧產物也成為研究的熱點，其中，有關鈦的脫氧工藝及其脫氧產物受到了冶金和材料學術界的重點關注和廣泛研究［6～10］.

本研究以低合金高強度熱軋H型鋼為研究對象，進行不同脫氧工藝的工業(yè)批量對比試驗，考察硅鈣鋇合金、鈦線兩種脫氧劑對鋼中夾雜物的影響，探索在大生產條件下降低鋼中夾雜物的合理脫氧工藝，提高中小轉爐－LF精煉爐－連鑄流程生產高品質低合金鋼的夾雜物控制水平.

1 試驗

試驗在某煉鋼廠進行，試驗鋼的化學成分如表1所示.當鋼水出至1/4時開始對準鋼流沖擊區(qū)均勻加入脫氧及合金化合金，鋼水出至3/4時加完.采用兩種不同脫氧方式:(Ⅰ)在轉爐出鋼過程中加入Si－Ca－Ba合金進行預脫氧，按Si－Ca－Ba合金+Si－Mn合金+Si－Ca－Ba合金方式分批加入;(Ⅱ)在出鋼過程中先加入Si－Mn合金，進LF精煉站開吹后用喂絲機加入Ti線進行預脫氧.兩種脫氧工藝預脫氧劑的加入量根據(jù)轉爐出鋼時鋼中溶解氧的量來確定.精煉過程兩種試驗方案采用相同的精煉工藝完成終脫氧和脫硫，并按照相同的終點溶解氧［O］控制出站.兩種脫氧方式各試驗一個澆次，兩個澆次的試驗均為“高爐鐵水+廢鋼→60t頂吹轉爐→LF精煉→連鑄”工藝流程.脫氧劑Si－Ca－Ba合金及Ti線的化學成分如表2所示.試驗過程采用提桶式取樣器取LF精煉終點鋼樣，以及鑄坯和軋材樣.

表1 試驗鋼種的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of experimental steel(mass fraction)%

表2 脫氧劑的平均化學成分(質量分數(shù))Table 2 Chemical composition of deoxidizer(mass fraction)%

利用氧氮分析儀檢測LF精煉終點試樣中的全氧含量，比較兩者的終脫氧效果;采用金相顯微鏡、掃描電鏡并結合能譜分析儀分析鑄坯、軋材中的夾雜物形貌、尺寸、分布及成分，對比研究兩種脫氧方式對鋼中夾雜物的影響.

2 試驗結果及討論

2.1 脫氧方式對鋼中全氧含量(質量分數(shù)w［TO］)的影響

鋼中的全氧含量(質量分數(shù)w［TO］)的大小經常作為鋼水純凈度的評價指標，在一定程度上能夠反映鋼中夾雜物含量的多少.采用脫氧劑Si－Ca－Ba，脫氧方式為Ⅰ的同一澆次10爐鋼的精煉終點試樣 w［TO］的變化在20.9～72.3×10－6，平均為 41.5 ×10－6，不同爐次的 w［TO］波動幅度比較大，說明鋼中的夾雜物分布不均勻.而采用脫氧劑鈦線，脫氧方式Ⅱ的同一澆次Ti脫氧試驗的5爐鋼的精煉終點試樣w［TO］的變化在13.7 ～33.2×10－6，平均為26.8×10－6，w［TO］低于使用Si－Ca－Ba脫氧工藝時的鋼.由兩個澆次LF終點試樣的w［TO］檢測結果可知，采用鈦線作為脫氧劑，方式Ⅱ的脫氧工藝，其鋼液的潔凈度較以Si－Ca－Ba為脫氧劑，脫氧方式Ⅰ有較大幅度的提高.

2.2 脫氧方式對鋼中夾雜物的影響

2.2.1 對夾雜物形貌和組成的影響

通過金相檢驗，在以Si－Ca－Ba為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅰ所生產的鑄坯中發(fā)現(xiàn)了尺寸較大的球形夾雜(見圖1(a))，能譜分析表明此類夾雜物主要是由 Si、Mn、Ca、O 及少量 Al所組成的復合氧化物夾雜，部分夾雜物中含有極少量的Ba.其軋材中典型夾雜物形貌如圖1(b)所示.

理論上，Ba、Ca具有很強的脫氧能力，Si－Ca－Ba復合脫氧合金中Ba具有降低Ca的蒸氣壓、增大Ca在鋼液中的溶解度的作用，可顯著提高Ca的脫氧和球化夾雜物的能力.有研究［11，12］表明，含Ba合金的脫氧產物半徑較大，上浮速度快，這也是本次試驗中，鑄坯夾雜物中較少發(fā)現(xiàn)Ba的脫氧產物存在的主要原因.

由鈣和鋇組成的復合脫氧劑不僅具有較強的脫氧能力，而且對夾雜物也有很強的變性能力，加入鋼中后生成的氧化物CaO、BaO可與Si、Al的脫氧產物SiO2、Al2O3作用生成低熔點的復合化合物，在鋼液中呈液態(tài)，鑄坯中檢出的大顆粒球形夾雜也證明了這一點.一般認為液態(tài)的脫氧產物與鋼液接觸的界面張力較小，易于碰撞長大而上浮去除，能夠獲得純凈度較高鋼水.但由于中小轉爐－連鑄生產線生產節(jié)奏快，夾雜物上浮時間不充分，從而影響鋼中夾雜物的上浮去除，使得鋼中的氧含量較高.而且由于此類大顆粒夾雜物的存在，也導致其LF精煉終點鋼中全氧含量波動幅度較大.此類尺寸較大的硅酸鹽類塑性夾雜物，在軋制過程會沿軋制方向延伸成條帶狀(見圖1(b))，導致夾雜物評級級別較高.

圖1 Si－Ca－Ba脫氧鋼Fig.1 Metallographic images of inclusions in Si－Ca－Ba complex deoxidized steel

以Ti作為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅱ所試生產的連鑄坯及其軋材，其金相、掃描電鏡檢驗結果表明，金屬基體中存在數(shù)量眾多彌散分布的尺寸小于5 μm的球形復合夾雜，沒有發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物.能譜分析結果表明，其組成主要為含 Ti、Ca、Mn、S的復合夾雜物，部分夾雜還含有少量的Al、Si.典型夾雜物掃描電鏡照片如圖2所示.

以Ti作為脫氧劑，采用脫氧方式Ⅱ的試驗鋼在轉爐出鋼過程利用Si、Mn脫氧合金化，由于試驗鋼的 w［Mn］/w［Si］介于4～7之間，脫氧產物形成低熔點的MnOX·SiO2化合物，在出鋼鋼水混沖過程有一部分會聚集長大上浮到渣中，部分的脫氧產物在加Ti處理后會被Ti還原，剩余比較少部分聚集長大的機會降低，與鋼液中的TiOX、Al2O3夾雜物形成尺寸很小的復合夾雜物，由于尺寸小，在鋼液中上浮去除困難，從而留在鋼中形成彌散分布的夾雜物.加Ti后鋼中尺寸大的夾雜物數(shù)目明顯減少，尺寸小的夾雜物數(shù)目明顯增多.宏觀表現(xiàn)為全氧分析結果波動相對較小，這也是軋材金相檢驗夾雜物評級較低的原因.對于大多數(shù)鋼材來說，這種彌散分布的小尺寸夾雜物不會影響鋼材的最終使用性能.

2.2.2 對夾雜物評級的影響

兩種脫氧方式所生產的軋材夾雜物金相檢驗評級見表3.由夾雜物評級結果可知，以Si－Ca－Ba為脫氧劑的脫氧方式Ⅰ，其鋼中C類硅酸鹽類夾雜物評級明顯高于以Ti為脫氧劑的脫氧方式Ⅱ，而且在終點［S］含量差別不大的情況下，后者A類硫化物夾雜級別也較前者顯著降低.

分析認為，在本試驗條件下，Ti脫氧后的試驗鋼中很多氧化物夾雜上都有硫化錳析出，Ti脫氧后形成的復合氧化物夾雜在凝固過程中成為了鋼中MnS的形核質點，最終得到氧化物和MnS的復合夾雜.Ti脫氧后形成的彌散分布、小尺寸夾雜物對鋼中的［S］有較好的分散效果，能夠細化鋼中的硫化物夾雜.剩余的［S］即便沒有以氧化物夾雜作為形核質點，而是在鋼液凝固時以MnS單獨析出，由于［S］所占質量已經較少，也不會形成大尺寸的硫化物夾雜.

表3 試驗鋼夾雜評級Table 3 Inclusions grade of experimental steel

3 結論

(1)中小轉爐—LF精煉爐—連鑄流程生產低合金鋼，與使用硅鈣鋇脫氧相比，使用鈦脫氧工藝后鋼中全氧含量顯著降低，鋼潔凈度大幅度提高，硫化物、硅酸鹽類夾雜的評級也顯著降低.

(2)Ti脫氧工藝的試驗鋼軋材中尺寸小于5 μm的復合夾雜物數(shù)目多，夾雜物呈細小彌散分布.

(3)Ti脫氧工藝的試驗鋼軋材中大部分夾雜物為含MnS的球形復合夾雜，對鋼中的硫化物有明顯的彌散作用，降低了［S］對鋼材性能的危害.

［1］張愛梅.非金屬夾雜物對鋼性能的影響［J］.物理測試，2006，24(4):42－44.

(Zhang Aimei.Effect of non－metallic inclusion on property of steel［J］.Physics Examination and Testing，2006，24(4):42 －44.)

［2］湯曙光，焦興利.復合脫氧劑對鋼力學性能影響的研究［J］.鋼鐵，2002，37(11):58－60.

(Tang Shuguang，Jiao Xingli.Study on effect of complex deoxidizer on mechanical properties of steel［J］.Iron and Steel，2002，37(11):58 －60.)

［3］胡文豪，葉俊輝，金進文.硅鈣鋇脫氧劑的試驗和推廣應用［J］.寬厚板，2003，9(5):9－10.

(Hu Wenhao， Ye Junhui， Jin Jinwen. Experiment and application of SiCaBa complex deoxidizer［J］.Wide and Heavy Plate，2003，9(5):9 －10.)

［4］劇利敏，劉平，羅海炯.硅鈣鋇脫氧劑在煉鋼中的應用［J］.包鋼科技，2010，36(5):5－6.

(Ju Limin，Liu Ping，Luo Haijiong.Applications of Si－Ba －Ca alloy deoxidizerin steelmaking ［J］. Science and Technology of Baotou Steel，2010，36(5):5 －6.)

［5］孫夢維，姚玉國，白連臣.硅鋁鋇鈣復合脫氧劑在轉爐煉鋼中的應用［J］.煉鋼，2000，16(3):16－19.

(Sun Mengwei，Yao Yuguo，Bai Lianchen.Application of Si－Al－Ba－Ca complex deoxidizer in converter steelmaking［J］.Steelmaking，2000，16(3):16 －19.)

［6］ Pak Jong－ Jin，Jo Jong－ oh，Kim Sun － in，et al.Thermodynamics of titanium and oxygen dissolved in liquid iron equilibrated with titanium oxides［J］.ISIJ International，2007，47(1):16－24.

［7］楊占兵，王福明，宋波，等.含Ti復合夾雜物對中碳非調質鋼組織和力學性能的影響［J］.北京科技大學學報，2007，29(11):1096－1100.

(Yang Zhanbing，Wang Fuming，Song Bo，et al.Effect of Ti－containing complex inclusions on the microst ructure and mechanical properties of medium carbon non2quenched and tempered steel［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，29(11):1096－1100.)

［8］齊江華.高級別管線鋼鈦脫氧產物解析及針狀鐵素體形核機理研究［D］.武漢:武漢科技大學，2009.

(Qi Jianghua.Investigation of Ti－ deoxidized products in high grade pipeline steel and research on nucleation mechanism of IGF［D］.Wuhan:WuhanUniversityof Science and Technology，2009.)

［9］楊穎，王福明，宋波，等.非調質鋼中鈦氧化物冶金行為［J］.北京科技大學學報，2005，27(5):540－544.

(Yang Ying，Wang Fuming，Song Bo，et al.Metallurgical behavior of titanium oxides in non － quenched steel［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2005，27(5):540 －544.)

［10］宋波，毛璟紅，王福明，等.非調質鋼中鈦脫氧產物析出行為［J］.北京科技大學學報，2006，28(3):242－247.

(Song Bo，Mao Jinghong，Wang Fuming，et al.Precipitation behavior of Ti－deoxidized products in non－quenched and tempered steel［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，28(3):242－247.)

［11］韓其勇，唐歷，王慶奎.含鋇合金在鋼生產中的應用［J］.鋼鐵研究學報，1992，4(3):98－106.

(Han Qiyong， Tang Li， Wang Qingkui. Application of barium －containing alloys in steelmaking［J］.Journal of Iron and Steel Research，1992，4(3):98 －106.)

［12］李陽，姜周華，姜茂發(fā)，等.含鋇合金在鋼液中的脫氧行為研究［J］.煉鋼，2003，19(3):26－29.

(Li Yang，Jiang Zhouhua，Jiang Maofa，et al.Deoxidation behavior of Ba bearing alloys in liquid steel［J］.Steelmaking，2003，19(3):26－29.)