高鋁精煉渣對(duì)重軌鋼中夾雜物的影響

康 旭， 戰(zhàn)東平， 楊永坤， 屈樂(lè)欣， 劉 越， 姜周華， 張慧書(shū)

(1. 東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2. 遼寧科技學(xué)院 冶金工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

伴隨著鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩⒅剌d化，對(duì)重軌鋼的性能要求也愈來(lái)愈多，國(guó)內(nèi)外關(guān)于重軌鋼的生產(chǎn)工藝和設(shè)備也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化.國(guó)內(nèi)重軌鋼在冶煉裝備上現(xiàn)已達(dá)到很高水平，但生產(chǎn)工藝與國(guó)外仍存在較大差距.而其中最主要的問(wèn)題就在于重軌鋼中非金屬夾雜物的控制[1].重軌鋼中非金屬夾雜物的存在會(huì)對(duì)重軌鋼的性能產(chǎn)生重要的影響，對(duì)于這一點(diǎn)科研工作者們已經(jīng)有了統(tǒng)一的共識(shí)[2-3].

重軌鋼中非金屬夾雜物按其來(lái)源可分為外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物[4]，外來(lái)夾雜物主要來(lái)自于從冶煉到連鑄的整個(gè)過(guò)程中的二次氧化產(chǎn)物、卷渣(爐渣和保護(hù)渣等)和耐火材料的侵蝕[5]，這類(lèi)夾雜物大多尺寸較大，對(duì)鋼材危害較大，應(yīng)在精煉過(guò)程中采用合適精煉渣盡量促進(jìn)大顆粒夾雜物上浮排除[6].內(nèi)生夾雜物主要是來(lái)自于鋼液脫氧、凝固和冷卻過(guò)程中析出的夾雜物，尺寸一般較小，研究表明顯微夾雜主要是脫氧產(chǎn)物，其主要與鋼中所含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，會(huì)對(duì)高強(qiáng)鋼的疲勞性能和斷裂性能產(chǎn)生極大影響，因此應(yīng)盡量控制鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7-8].研究者們[9-10]發(fā)現(xiàn)氧化鋁較高的夾雜物對(duì)成品重軌鋼產(chǎn)生較大的危害，在重軌鋼冶煉過(guò)程中對(duì)氧化鋁類(lèi)夾雜的控制尤為重要.

阮小江等[11]對(duì)軸承鋼的研究表明，通過(guò)改變精煉渣成分可以降低鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減小夾雜物尺寸，且對(duì)夾雜物成分產(chǎn)生一定的影響.本文以某廠(chǎng)生產(chǎn)的重軌鋼U71Mn為例，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3精煉渣成分實(shí)驗(yàn)，探究了高氧化鋁精煉渣對(duì)重軌鋼中夾雜物的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文以國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的重軌鋼U71Mn為原料，精煉渣-鋼液平衡實(shí)驗(yàn)在MoSi2管式電阻爐開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

首先，將400 g鋼樣和40 g精煉渣一同放入氧化鎂坩堝中，將坩堝置于石墨坩堝并一同放入MoSi2電阻爐中，在氬氣氣氛下升至1 873 K，保溫 90 min，在氬氣恒溫過(guò)程中分別于0 、 5、 10、 20、 30、 90 min 時(shí)和終點(diǎn)時(shí)取鋼錠樣進(jìn)行氮氧分析，并對(duì)終點(diǎn)鋼錠加工后進(jìn)行金相定量、掃描電鏡及EDS能譜分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 精煉渣成分設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)采用的精煉渣系為CaO-Al2O3-SiO2三元渣系，同時(shí)加入少量的氧化鎂和氟化鈣.為了研究不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)重軌鋼冶煉的影響，同時(shí)結(jié)合所查閱文獻(xiàn)[12-15]，精煉渣兼顧脫氧和脫硫能力的同時(shí)，能夠?qū)A雜物起到一定的改善作用.具體的精煉渣成分設(shè)計(jì)方案如表1所示，其中1#精煉渣成分為該廠(chǎng)用精煉渣近似成分， 2～6#精煉渣為不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對(duì)照實(shí)驗(yàn).

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用TCH600型氧氮分析儀，對(duì)精煉渣-鋼液平衡實(shí)驗(yàn)冶煉過(guò)程中各爐次不同時(shí)刻所取的試樣進(jìn)行全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出重軌鋼精煉過(guò)程全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降并最終趨于平衡.鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低主要原因是鋼液中氧化物類(lèi)夾雜上浮進(jìn)入渣中.同時(shí)，從圖中也能夠看出隨著精煉渣二元堿度CaO/SiO2逐漸增加，平衡時(shí)鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，這說(shuō)明高堿度精煉渣，有利于鋼液脫氧，對(duì)于鋼中氧化物類(lèi)夾雜的吸附排出更為有利.因此從精煉渣對(duì)鋼中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響考慮，精煉渣中CaO/SiO2為6.38，Al2O3在30%左右效果較好.

表1 精煉渣成分表

圖2 全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.2 Change of total oxygen mass fraction

利用OLYMOUS金相顯微鏡對(duì)打磨和拋光后每個(gè)試樣49個(gè)視場(chǎng)(放大500倍)進(jìn)行觀(guān)察并拍照，并用圖象處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)視場(chǎng)中夾雜物最大直徑和面積等參數(shù)，將數(shù)據(jù)整理后結(jié)果如圖3所示.

圖3 夾雜物平均直徑與渣中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 The relationship between inclusion average diameter and alumina mass fraction in slag

從圖3可以看出鋼中夾雜物的平均直徑隨著渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì).當(dāng)精煉渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%時(shí)，鋼中夾雜物的平均尺寸達(dá)到最小值 1.31 μm.此時(shí)精煉渣中CaO/Al2O3值約為1.65，精煉渣CaO和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近12CaO·7Al2O3，二元堿度CaO/SiO2為6.38，渣熔點(diǎn)較低，熔化較快，對(duì)氧化鋁類(lèi)夾雜物的吸附效果更好，促進(jìn)了夾雜物的吸附排除，根據(jù)斯托克斯上浮公式，大顆粒夾雜物上浮較快，其到達(dá)渣-鋼界面，被精煉渣吸附排除，鋼中大顆粒夾雜物數(shù)量減少，夾雜物平均尺寸降低.如果從鋼中夾雜物平均尺寸角度考慮時(shí)，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于30%左右效果較好.

因?yàn)楹休^高質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鋁的夾雜物對(duì)成品重軌鋼產(chǎn)生的危害較大，因此對(duì)六爐試樣中夾雜物氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).對(duì)于不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的精煉渣成分，夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的差異，夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)與渣中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖4所示，可以看出夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著精煉渣中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少而逐漸減少，因?yàn)榫珶捲蠥l2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，渣中Al2O3活度降低，渣-鋼反應(yīng)進(jìn)入鋼液中的鋁減少，因此生成的夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低.1#和6#渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較多，但夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，因此認(rèn)為當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不超過(guò)30%時(shí)，渣中Al2O3活度較低，精煉渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較小.

圖4 夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)與渣中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 The relationship between the mass fraction of alumina in the inclusions and the mass fraction of alumina in the slag

采用掃描電鏡和EDS能譜分析對(duì)較大尺寸夾雜物的二維形貌和成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同精煉渣成分，重軌鋼終點(diǎn)樣中較大尺寸夾雜物形貌和成分分布如圖5所示.從圖中可以看出不同爐次夾雜物均是以氧化物為核心的包裹型夾雜物.氧化物核心最主要成分為Al2O3·MgO，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用MgO坩堝，因此有較多的Al2O3·MgO形成；部分爐次在Al2O3-MgO外側(cè)包有少量的SiO2，且隨著渣中CaO/SiO2值增加夾雜物中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，當(dāng)CaO/SiO2超過(guò)3.6時(shí)，基本消失，因?yàn)殡S著渣中CaO/SiO2值增加，渣中SiO2活度降低，所以?shī)A雜物中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少.氧化物核心最外側(cè)為硫化物包裹層，且隨著CaO/SiO2增加，硫化物包裹層包裹范圍逐漸變小.因?yàn)榱蚧镆话阍谀糖把匚龀?，且在析出時(shí)易以其它夾雜物為核心，在其表面包裹析出，而鋼液中氧化物類(lèi)夾雜物較多，為其提供了較多的形核核心；同時(shí)隨著渣中二元堿度CaO/SiO2增加，渣中CaO活度增加，脫硫效果逐漸增強(qiáng)，鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少[16]，生成的硫化物夾雜物逐漸減少，包裹范圍變小.且隨著渣中CaO/SiO2增加硫化物包裹層逐漸由MnS轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS，可以看出6#爐次外側(cè)硫化物包裹層不再為MnS，而是轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS.

3 結(jié) 論

本文以某廠(chǎng)生產(chǎn)的重軌鋼U71Mn為例，通過(guò)利用不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)精煉渣在實(shí)驗(yàn)室二硅化鉬電阻爐中進(jìn)行渣-金平衡實(shí)驗(yàn)，研究了高氧化鋁精煉渣對(duì)重軌鋼中夾雜物的影響.得到以下結(jié)論：

(1)隨著高鋁精煉渣中CaO/SiO2的增加，鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，說(shuō)明含有一定量Al2O3的高堿度精煉渣有利于鋼液脫氧，對(duì)于鋼中氧化物類(lèi)夾雜的吸附排出更為有利.

(2)鋼中夾雜物的平均直徑隨渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先減小后增加.當(dāng)精煉渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%，精煉渣中CaO/Al2O3值約為1.65時(shí)，渣熔點(diǎn)較低，熔化較快，對(duì)氧化鋁類(lèi)夾雜物的吸附效果較好，鋼中夾雜物的平均直徑為6爐次最小值1.31 μm.

(3)6爐次夾雜物中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著渣中Al2O3減少逐漸減少，且當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%時(shí)，精煉渣中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼中夾雜物氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大.

(4)實(shí)驗(yàn)室6爐次較大尺寸夾雜物均是以Al2O3·MgO為核心的包裹型夾雜，部分爐次在Al2O3·MgO外側(cè)包有少量的SiO2，并隨著渣中CaO/SiO2值增加而逐漸減少.夾雜物最外側(cè)為硫化物包裹層，隨著CaO/SiO2增加包裹范圍逐漸變小，且硫化物包裹層逐漸由MnS轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS.