Ca處理對鋼中低熔點(diǎn)大尺寸夾雜物數(shù)量的影響研究

張建斌　屈志東　孟曉玲　賀佳佳　林俊

摘要：以某公司08鋼生產(chǎn)工藝為例，對Ca處理和非Ca處理兩種工藝生產(chǎn)的08鋼夾雜物進(jìn)行了對比分析。LF結(jié)束時夾雜物平均成分處于MgO·Al2O3和低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；軟吹結(jié)束后，Ca處理鋼完全進(jìn)入低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物區(qū)域，非Ca處理鋼夾雜物部分進(jìn)入低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物區(qū)域；中間包檢測夾雜物以低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物為主。認(rèn)為非Ca處理鋼在冶煉過程由于爐渣堿度控制較高（R≥5），且Si含量控制0.15%～0.35%，促進(jìn)鋼液中的Al還原爐渣中的CaO最終使鋼中夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物。利用ASPEX對鑄坯中≥13 μm夾雜物進(jìn)行掃描，僅關(guān)注球形CaO-Al2O3-MgO類夾雜物，此類夾雜物主要為灰色的CaO-Al2O3相，黑色的MgO·Al2O3相，白色的ZrO2相。其中MgO·Al2O3相為低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相；ZrO2同浸入式水口內(nèi)襯中所含有的ZrO2顆粒有關(guān)，低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質(zhì)。統(tǒng)計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥

13 μm低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數(shù)量分布，鑄坯中≥13 μm低熔點(diǎn)CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。認(rèn)為取消Ca處理有利于提高鋼水潔凈度，減少≥13 μm低熔點(diǎn)CaO-Al2O3夾雜物的數(shù)量和尺寸。

關(guān)鍵詞：大尺寸；低熔點(diǎn)；夾雜物；鈣處理

0 前言

夾雜物控制是高品質(zhì)特殊鋼生產(chǎn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，為了保證連鑄過程生產(chǎn)順行，通常對Al脫氧鋼采用鈣處理方式，以確保鋼液中夾雜物為低熔點(diǎn)夾雜物。Al脫氧鋼在生產(chǎn)過程中常采取BOF（EAF）+LF+（RH/VD）+CCM生產(chǎn)工藝，在LF結(jié)束時進(jìn)行鈣處理。吳松杰［1］研究了RH前后鈣處理對鋼水潔凈度的影響，發(fā)現(xiàn)RH前進(jìn)行鈣處理會導(dǎo)致鋼液中夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)小潤濕角夾雜物，在RH過程不利于其去除。季莎［2］分析了鋁脫氧齒輪鋼鈣處理喂鈣線速度、喂鈣量對鋼水夾雜物成分、數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著齒輪鋼中T.Ca含量的增加，夾雜物的平均尺寸和數(shù)密度逐漸增加。Pretorius［3］分析了低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理過程對MgO?Al2O3夾雜物變性的行為，認(rèn)為Ca能夠很好地對MgO?Al2O3類夾雜物進(jìn)行低熔點(diǎn)化變性處理。秦正豐［4］采用電解萃取法研究了鈣處理鋼中大型球狀/棒狀夾雜物的性質(zhì)，認(rèn)為鋼中的大型球狀/棒狀夾雜起源于呈團(tuán)簇狀的鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3，鈣處理使Al2O3夾雜變性為低熔點(diǎn)夾雜物。

對于鈣處理鋼與非鈣處理鋼中低熔點(diǎn)大尺寸夾雜物數(shù)量的對比研究還未見較多的報道，因此本文對國內(nèi)某公司BOF-LF-CCM工藝生產(chǎn)的08鋼進(jìn)行了取樣分析。利用ASPEX自動掃描電鏡對不同工序及鑄坯中夾雜物的成分和數(shù)量的變化情況進(jìn)行了分析研究，以期為高品質(zhì)特殊鋼鋼的生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 生產(chǎn)工藝

某公司生產(chǎn)08鋼的工藝為120 t BOF-LF-RH-CCM。初煉爐出鋼后加入鋁塊脫氧，再加入合金，隨后加入渣料；LF精煉過程控制爐渣堿度≥3.5，精煉渣中FeO+MnO≤1.0%，軟吹時間≥15 min。由于Ca處理或不Ca處理極可能導(dǎo)致鋼中夾雜物成分、數(shù)量有很大的差異，因此有必要分析兩種工藝下夾雜物的變化情況。08鋼成分要求如下表1所示。

1.2 研究方案

對Ca處理工藝和非Ca處理工藝生產(chǎn)的08鋼進(jìn)行了生產(chǎn)過程取樣分析，取樣包含LF第三樣（結(jié)束樣）、軟吹結(jié)束樣、中間包樣及連鑄坯樣，將試樣經(jīng)過切割、磨拋后，利用ASPEX自動掃描電鏡對不同工序條件下夾雜物的成分和數(shù)量的變化情況進(jìn)行分析研究，連鑄坯重點(diǎn)分析≥13 μm球形鈣鋁酸鹽類夾雜物。

2 研究內(nèi)容

2.1 夾雜物成分變化情況

2.1.1 Ca處理工藝夾雜物成分變化情況

圖1所示為Ca處理工藝冶煉的08鋼夾雜物平均成分變化趨勢。LF結(jié)束時夾雜物平均成分處于MgO?Al2O3和低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；Ca處理后完全進(jìn)入低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物區(qū)域；中間包檢測夾雜物仍以CaO-Al2O3-MgO夾雜物為主，但MgO含量升高。這同諸多學(xué)者所報道的Al脫氧夾雜物成分變化趨勢相類似，即在出鋼過程由于Al塊的加入會導(dǎo)致LF冶煉初期生成大量的Al2O3夾雜物，而隨著冶煉的進(jìn)行夾雜物會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO?Al2O3最終轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-Al2O3-MgO類夾雜物。關(guān)于這一轉(zhuǎn)變順序的原因，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，CHUNYANG LIU［5］認(rèn)為爐渣中的CaO和MgO在渣-金屬界面處均能被Al還原，從而向鋼液中提供［Ca］和［Mg］，但鋼液中的溶解［O］對［Ca］的活度有顯著的抑制作用，Ca的活度系數(shù)受到溶解［O］的影響接近于0，而Mg的活度系數(shù)幾乎是1，因此，MgO?Al2O3首先生成。當(dāng)溶解［O］逐漸減少時，Ca的活度也隨之增加，［Ca］便會同MgO?Al2O3發(fā)生反應(yīng)，最終生成CaO-Al2O3夾雜物；Zhiyin DENG［6］認(rèn)為MgO沒有CaO穩(wěn)定，因此Al更容易還原MgO，從而在LF早期首先生成的應(yīng)是MgO?Al2O3，隨著精煉時間的推移，鋼水中的Ca會逐漸還原MgO?Al2O3中的Mg和Al，最終生成CaO-Al2O3夾雜物。對于中間包內(nèi)夾雜物MgO含量升高現(xiàn)象，Eugene B .Pretorius［7］認(rèn)為鈣處理屬于鋼液中的［Ca］置換夾雜物中Mg，因此鈣處理后鋼液中［Mg］含量升高，在中間包內(nèi)由于二次氧化會導(dǎo)致重新生產(chǎn)MgO類夾雜物，因此中間包內(nèi)夾雜物MgO含量較軟吹結(jié)束要高。

2.1.2 非Ca處理工藝夾雜物成分變化情況

圖2所示為非Ca處理工藝冶煉08鋼時夾雜物變化趨勢。LF結(jié)束時夾雜物平均成分處于MgO?Al2O3和低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；軟吹后和中間包夾雜物成分靠近低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO夾雜物區(qū)域。對于該現(xiàn)象，JianfeiXu［8，9］認(rèn)為爐渣堿度及鋼液中Si含量（Si≥0.10%）會影響夾雜物成分，堿度及Si含量越高越有利于鋼液Al還原爐渣Ca進(jìn)入鋼液，從而導(dǎo)致最終夾雜物在非Ca處理?xiàng)l件下也轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。08鋼Si成分控制要求0.15%～0.35%；精煉過程爐渣成成分如下表2所示，爐渣堿度實(shí)際控制≥5，因此較容易發(fā)生渣鋼間Al和CaO反應(yīng)，導(dǎo)致鋼液增Ca。

3 低熔點(diǎn)大尺寸夾雜物數(shù)量對比情況

利用ASPEX對鑄坯中≥13μm夾雜物進(jìn)行掃描，僅關(guān)注球形CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。下圖3所示為鈣處理工藝和非鈣處理工藝最終在鑄坯中發(fā)現(xiàn)的低熔點(diǎn)大尺寸夾雜物掃描電鏡形貌圖。圖中灰色相為CaO-Al2O3相，黑色相為MgO?Al2O3相，白色相為ZrO2相。其中MgO?Al2O3相為低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相，如下圖4（a）所示。ZrO2同浸入式水口內(nèi)襯中所含有的ZrO2顆粒有關(guān)，低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質(zhì)，如下圖4（b）所示。

統(tǒng)計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥13 μm低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數(shù)量分布，如下圖5所示（掃描面積均約3500 mm2）。鑄坯中≥13 μm低熔點(diǎn)CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。

4 總結(jié)

1）分析了08鋼Ca處理工藝和非Ca處理工藝下夾雜物的成分變化情況，其中Ca處理工藝LF結(jié)束時夾雜物平均成分為17%CaO-66%Al2O3-17%MgO，鈣處理后軟吹夾雜物平均成分為60%CaO-37%Al2O3-3%MgO，中包樣中夾雜物平均成分為51%CaO-42%Al2O3-7%MgO。非Ca處理工藝LF結(jié)束時夾雜物平均成分為18%CaO-68%Al2O3-14%MgO，鈣處理后軟吹夾雜物平均成分為35%CaO-60%Al2O3-5%MgO，中包樣中夾雜物平均成分為33%CaO-58%Al2O3-9%MgO。

2）Ca處理08鋼中間包內(nèi)夾雜物MgO含量升高，可能同鋼水二次氧化有關(guān)，重新生成了含MgO類夾雜物。

3）非Ca處理08鋼精煉過程夾雜物也轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物，可能同精煉過程爐渣堿度控制較高（R≥5）同時鋼液中Si（0.15%～0.35%）促進(jìn)渣鋼反應(yīng)，最終夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。

4）08鋼中≥13 μm低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽夾雜物成分主要包含三類，分別為CaO-Al2O3-MgO、MgO?Al2O3和ZrO2。其中MgO?Al2O3相為低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相，ZrO2同浸入式水口內(nèi)襯中所含有的ZrO2顆粒有關(guān)，低熔點(diǎn)CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質(zhì)。

5）統(tǒng)計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥

13 μm低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數(shù)量分布，鑄坯中≥13 μm低熔點(diǎn)CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。

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