精煉渣堿度對(duì)304不銹鋼夾雜物的影響分析

黃鼎欽

（廣西 玉林 537726）

鋼中夾雜物的組成、大小、數(shù)量、形態(tài)和分布對(duì)鋼性能的影響起了決定性作用，精煉渣是影響304不銹鋼夾雜物類型的關(guān)鍵因素，我國(guó)已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了眾多研究，但是因?yàn)槎酁閷?shí)驗(yàn)室研究，對(duì)實(shí)際工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)還存在一定差異。想要進(jìn)一步提高304不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量，就需要在原有的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)精煉渣影響304不銹鋼夾雜物的各項(xiàng)因素進(jìn)行深入研究，例如基于目前不銹鋼工業(yè)冶煉中AOD工位進(jìn)行模擬分析，選擇常規(guī)硅為終脫氧劑，應(yīng)用CaO-SiO2-Al3O2-MgO-CaF2五元渣系，確定堿度變化對(duì)304奧氏體不銹鋼內(nèi)夾雜物含量的影響，進(jìn)而掌握精煉過(guò)程中渣系堿度變化對(duì)304不銹鋼連鑄坯中夾雜物成分的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的解決措施，進(jìn)一步提高304不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

1 304不銹鋼生產(chǎn)工藝

工業(yè)生產(chǎn)304不銹鋼時(shí)部分情況下鋼水是通過(guò)鋼渣混出的方式得到，決定了出鋼后存在較大量的鋼包渣，精煉前還需要做更進(jìn)一步的扒渣處理，即將多余的鋼包頂渣全部扒掉，確保LF調(diào)渣環(huán)節(jié)石灰與螢石加入量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。然后由LF繼續(xù)造精煉渣來(lái)對(duì)鋼水進(jìn)行精煉和提純處理，其中要控制連鑄坯寬度在（1100～2050）mm×200mm范圍，并控制拉速為在0.85～1.35m/t左右，連鑄中包溫度在1480～1510℃之間[1]。

生產(chǎn)工藝結(jié)束后得到304不銹鋼，還需要對(duì)其進(jìn)行專業(yè)試驗(yàn)，確定其性能參數(shù)是否達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。一般多采用夾雜物自動(dòng)圖像分析、TC600氧氮分析儀以及掃描電鏡等儀器進(jìn)行檢測(cè)確定。其中，TC600氧氮分析儀可以準(zhǔn)確檢測(cè)鋼產(chǎn)品中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而鋼液中的溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)則需要利用賀利氏Multi-lab Celex鋼水定氧儀在線檢測(cè)[2]。另外，還可以通過(guò)X射線熒光光譜分析儀檢測(cè)確定爐渣成分，通過(guò)夾雜物自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)確定夾雜物的數(shù)量、粒徑以及成分。在此基礎(chǔ)上搭配應(yīng)用掃描電鏡，還能夠?qū)€(gè)別典型夾雜物的形貌以及形譜成分做更為詳細(xì)的研究。通過(guò)多項(xiàng)專業(yè)試驗(yàn)后，可以掌握304不銹鋼加工參數(shù)，并確定夾雜物成分，對(duì)做304不銹鋼生產(chǎn)工藝的研究具有非常積極的意義。

2 精煉渣堿度對(duì)304不銹鋼夾雜物影響分析

304不銹鋼液中溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低主要受硅脫氧影響，通過(guò)FeSi與SiMn脫氧處理后，首先會(huì)形成含有Si和Cr的夾雜物，然后會(huì)組成產(chǎn)生SiO2與Cr2O3。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精煉，控制堿度較低條件，不銹鋼液中存在的夾雜物主要為硅酸鹽系，但是相應(yīng)的S質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有一定程度上增加，這樣就決定了AOD還原期與脫硫期階段精煉渣的最佳組成成分存在差異。

304不銹鋼在還原期階段，利用Al脫氧，得到的為最常見(jiàn)的Al2O3夾雜物，屬于脆性不變形氧化物夾雜，將會(huì)對(duì)鋼材質(zhì)量和性能產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，如果不銹鋼液內(nèi)含有的Al2O3夾雜物量過(guò)多，便會(huì)造成澆注水口堵塞。就工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所得，鋼中夾雜物種類以及數(shù)量是影響鋼產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素。而Al脫氧不銹鋼過(guò)程中還會(huì)生成MgO·Al2O3尖晶石夾雜物，是影響鋼材表面質(zhì)量的重要因素。

為了解精煉渣堿度對(duì)304不銹鋼夾雜物的影響，本文對(duì)304不銹鋼還原期以及脫硫期進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)判斷不同精煉渣堿度對(duì)304不銹鋼夾雜物形貌、種類、尺寸以及分布等情況產(chǎn)生的不同影響，爭(zhēng)取能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)[3]。

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

3.1.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

選擇工業(yè)生產(chǎn)條件下的304不銹鋼材料，渣料則選擇應(yīng)用CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaF2五元渣系，并通過(guò)化學(xué)純?cè)噭┻M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配置后得到產(chǎn)物用于試驗(yàn)。所用材料前后共進(jìn)行了多爐模擬試驗(yàn)，且每次試驗(yàn)所用渣系分為兩批加入，用于還原期和脫硫期的渣系成分模擬。7爐試驗(yàn)還原后期渣系成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）結(jié) 果 為 ：CaO 40～60，SiO230～40，Al2O37～9，MgO 8～14。吹氧前鋼液成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）結(jié)果為：Mn 0.88，SiO 0.47，Cr 18.3[4]。吹氧后鋼液成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）結(jié)果為：Mn 0.2～0.5，SiO 0.25～0.42，Cr 2～5。

3.1.2 試驗(yàn)步驟

綜合工業(yè)生產(chǎn)條件與所選原料的差異，應(yīng)選擇與之相應(yīng)的供氧方法，本次試驗(yàn)分別采用了高供氧條件與低供氧條件下還原，搭配脫硫操作進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)模擬試驗(yàn)后，確定不同精煉渣堿度對(duì)鋼液內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及夾雜物的形成產(chǎn)生的不同影響。

圖1 不同精煉渣堿度下小于5μm的夾雜物分布圖

最終確定于電阻爐內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用φ65mm×80mm電熔鎂坩堝盛裝鋼料，并應(yīng)用雙鉑銠熱電偶測(cè)溫。整個(gè)試驗(yàn)步驟為：選擇1kg的304不銹鋼材料放入到MgO坩堝內(nèi)，并在外側(cè)套裝石墨坩堝，并將兩者一同放入到MgSi2爐內(nèi)，應(yīng)用600℃以上條件通入氬氣保護(hù)，調(diào)整流量為1NL/min，另外達(dá)到1400℃后，調(diào)整流量為3～5NL/min[5]。通電持續(xù)升溫達(dá)到1600℃，恒溫保持10min，然后從中取出鋼樣#0。高供氧條件下對(duì)鋼樣持續(xù)吹氧20s，低供氧條件則持續(xù)吹氧15s。調(diào)整流量為2NL/min后，選取鋼樣#1，并加#1渣料，溶清后加入10g硅鐵，然后計(jì)時(shí)5～10min后取鋼樣#2、#3，并加入#2渣料。20、30、40min后分別取鋼樣#4、#5、#6。于低供氧條件下繼續(xù)在60、90、120min時(shí)取鋼樣#7、#8、#9鋼樣，研究分析試驗(yàn)平衡條件。

試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)用氧氮聯(lián)合分析儀對(duì)全氧和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)試樣進(jìn)行金相定量以及掃描電鏡分析，對(duì)比精煉過(guò)程中以及不同精煉渣堿度條件下所產(chǎn)生的夾雜物種類和形態(tài)。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 高供氧條件下精煉全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)

所有爐中第3爐所應(yīng)用渣系堿度最大，精煉10min后鋼液內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降到較低水平，然后降低速度逐漸減慢。相比較而言1爐與2爐內(nèi)的鋼液全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)于精煉20min后才陸續(xù)降低到一個(gè)較低水平。通過(guò)不同爐試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，精煉渣堿度越高對(duì)鋼液內(nèi)的全氧越有利。同時(shí)，分析試驗(yàn)過(guò)程與終點(diǎn)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可確定鋼液內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上均會(huì)隨著精煉渣堿度的增加而有所降低。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到10min后進(jìn)入到脫硫階段，1爐與2爐相比鋼液內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終前者小于后者。產(chǎn)生此種情況的原因?yàn)榧尤肓?2渣料，使得脫硫階段1爐精煉渣堿度更大。

3.2.2 低供氧條件下精煉全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)

低供氧條件下試驗(yàn)結(jié)果與高供氧試驗(yàn)結(jié)果相似，試驗(yàn)前20min內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)急速降低，然后降低速度逐漸減緩，而試驗(yàn)進(jìn)行到120min左右時(shí)，鋼液內(nèi)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上不在發(fā)生變化，脫氧反應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)。

3.2.3 精煉過(guò)程夾雜物成分與形貌變化

選擇掃描電鏡與能譜儀對(duì)低供氧條件下試樣的夾雜物形貌以及成分進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果可知第4爐低供氧條件下終點(diǎn)試樣夾雜物類型基本相同，為Al2O3-SiO2-CaO-MgO復(fù)合夾雜，但是夾雜物成分存在一定差異?？膳袛嗑珶捊K鋼中主要夾雜物種類為球狀硅酸鹽夾雜物，同時(shí)還伴隨有少量的Al2O3夾雜物。由專業(yè)研究文獻(xiàn)可知，硅酸鹽夾雜物形態(tài)與含量在一定程度上會(huì)對(duì)304不銹鋼橫向冷彎性能產(chǎn)生影響，尤其是內(nèi)部含有較大含量的CaO夾雜物為脆性?shī)A雜，會(huì)直接影響到304不銹鋼熱加工效果[6]。

3.2.4 精煉過(guò)程終點(diǎn)夾雜物尺寸變化

對(duì)低供氧條件下的第4爐試樣進(jìn)行打磨以及拋光處理，選取大約8mm2的面積應(yīng)用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，確定每個(gè)試樣于放大200倍條件下的結(jié)果，并搭配圖像處理系統(tǒng)，完成夾雜物視場(chǎng)的自動(dòng)以及半自動(dòng)處理。精煉渣堿度不同，以及不同精煉時(shí)間下夾雜物個(gè)數(shù)與尺寸也會(huì)產(chǎn)生變化。在還原階段各爐試驗(yàn)過(guò)程中尺寸不足5μm的夾雜物所占比例逐漸增加，判斷精煉渣對(duì)夾雜物具有一定吸附作用，使得夾雜物的尺寸越來(lái)越小。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，在精煉渣堿度逐漸增大的情況下，還原期相同時(shí)間下尺寸不足5μm的夾雜物所占比例會(huì)逐漸增大，根據(jù)此可判斷精煉渣堿度越大對(duì)于小尺寸夾雜物的生成有一定推動(dòng)作用。當(dāng)堿度大于2時(shí)，終點(diǎn)試樣中夾雜物小于5μm的分?jǐn)?shù)較大，且明顯大于堿度為1.5的實(shí)驗(yàn)?？梢?jiàn)堿度大于2是有利于細(xì)小夾雜物生成的，生產(chǎn)中建議采用堿度大于2的精煉渣系對(duì)鋼液進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

304不銹鋼因?yàn)槠湫阅艿膬?yōu)越性被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，而為了保證其加工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，還需要基于試驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行綜合分析，確定不同條件下夾雜物的生成特點(diǎn)。本次試驗(yàn)將不同精煉渣堿度對(duì)304不銹鋼夾雜物形貌與成分的影響進(jìn)行了討論分析，發(fā)現(xiàn)隨著精煉渣堿度不斷增加，對(duì)于小尺寸夾雜物的形成更為有利，這可以作為對(duì)304不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化的依據(jù)，進(jìn)一步提高304不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量。