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脱氧合金化工艺对高铝钢中夹杂物造成的影响

李丰功^1，2，战东平¹，张佩灿¹，姜周华¹，王博²，张思勋^1，2，韩文习^1，2

(1．东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2．莱芜钢铁集团公司技术研发中心，山东 莱芜 271004)

摘 要：在1873K条件下采用Φ70mm×100mm MgO坩埚在MoSi₂电阻炉上开展了3炉含1．5% Al的高铝钢脱氧试验。试验炉次获得了较高的脱氧率和较低的终点全氧质量分数。Mn+Nb-Ti-Al-Ca脱氧工艺获得了最高的脱氧率和最低的全氧质量分数，分别为84．1%和0．0007%。在Al加入钢水中后，夹杂物平均直径和数量均迅速增大。在终点钢中夹杂物均以尺寸为0～3μm的含Al₂O₃的复合夹杂物为主，大部分夹杂物外围包裹CaS或MnS。

关 键 词：炼钢；脱氧；夹杂物；高铝钢；氧质量分数

高铝钢其酸溶铝质量分数达到0．5%以上，主要有模具钢、氯碱化工容器或管道用钢、电热体材料、航空航天及武器等军工钢^[1-2]。Al作为主要脱氧剂，也是高铝钢中的主要合金化元素之一，其脱氧产物Al₂O₃是影响钢纯净度、导致连铸水口堵塞的主要因素^[3-8]。传统脱氧工艺中的夹杂物控制问题未能得到彻底解决^[9-10]。

本文研究高铝钢(w([Al])=1．5%)脱氧合金化过程合金种类及其加入顺序对钢中全氧质量分数及夹杂物的影响，探索高铝钢合理的脱氧合金化工艺，以期改变现有工艺产生的Al₂O₃夹杂物的形态，解决现有工艺中存在的水口结瘤问题，为企业生产实践提供理论指导。

1 试验方法试验装置

采用MoSi₂电阻炉(见图1)、Φ70mm×100mm MgO坩埚，试验温度为1873K。试验时将钢样随坩埚放入炉内高温区，熔清并恒温在1873K后，按表1试验方案向熔池添加合金和造渣材料。试验全程通氩气保护，氩气流量为3L/min。试验共进行3炉。试验样品进行化学分析和全氧、氮分析等，然后将样品研磨、抛光后用LEICA Q600S图像仪、DMRME显微镜在200倍条件下选取3．226mm²的观察面积，对每个试样进行观察，用图像处理系统对有夹杂物的视场进行自动与半自动处理，分析夹杂物的数量、尺寸及分布情况。然后用SSX-550扫描电镜对夹杂物进行检测，分析其种类、成分和组成。

2 试验结果与讨论

2．1 脱氧合金化工艺对全氧质量分数的影响

图2为试验过程钢中全氧质量分数随时间的变化情况。可以看出，在0～5min时间内的脱氧初期，由于本试验过程中对钢水没有搅拌，因此在脱氧刚完成的初期，由于新形核的夹杂物尺寸较小，长大速率和上浮速率均较慢，因此钢中全氧质量分数变化不明显；10min以后，钢中全氧质量分数迅速降低，到试验终点钢中全氧质量分数均降低到较低水平，最高脱氧率达到84．1%，钢中最低全氧质量分数达到0．0007%。

2．2 脱氧合金化工艺对钢中夹杂物的影响

2．2．1 脱氧合金化工艺对钢中夹杂物尺寸的影响

由图3可以看出，3组试验表现出了相同的试验规律，即采用Mn、Nb合金化时，钢中夹杂物的尺寸相对较小，而加入强脱氧剂Al后，夹杂物平均直径均迅速增大，1号和2号试验此现象较为明显。3号试验由于试验初期加Al，其0min时平均直径既较大。加Al后各组试验均表现出了同样的规律，夹杂物平均直径逐渐降低，0～5μm的夹杂物所占比例逐渐提高，其中，2号试验在25min时0～5μm的夹杂物所占比例达到了99%以上，见图4。

3号试验在25min时0～2μm夹杂物比例达到80%以上。

2．2．2 脱氧合金化工艺对钢中夹杂物数量的影响

图5为钢中夹杂物数量随时间的变化情况。可以看出，夹杂物数量的变化规律与图3夹杂物的尺寸变化规律基本一致。加Al后夹杂物的数量增加，但后期随着时间的延长，夹杂物数量明显减少。

这与图2夹杂物的全氧质量分数变化结果一致。

2．2．3 脱氧合金化工艺对钢中夹杂物种类的影响

通过对试验过程钢中的夹杂物的分析可以看出，由于前期脱氧合金化工艺不同，因此钢中的夹杂物变化情况存在一定差异。

1号试验加入Mn、Nb之后所取试样中主要为尺寸一般为3～5μm的球形MnO夹杂物。加入Al之后所取试样中的夹杂物主要以尺寸在3～5μm的不规则形Al₂O₃夹杂物为主。加入Ti之后试样中主要为尺寸在2～3μm的不规则形状含Ti的复合夹杂物，内层为Al₂O₃，外面包裹的是TiN，或者是内层为MgO-Al₂O₃，外面包裹的是TiO_x，其中含Al₂O₃的夹杂物占多数。钙处理后所取试样中主要为尺寸一般在1～3μm不规则多边形MgO-Al₂O₃-CaS复合夹杂物，其 中仍以含Al₂O₃夹杂物为主。

2号试验加入Mn、Nb之后所取试样中主要为尺寸一般在3～5μm的球形MnO夹杂物。加入Ti之后试样中主要为尺寸一般在2～3μm的不规则球形含Ti的复合夹杂物，外面包裹TiN。加入Al之后所取试样中的夹杂物主要以尺寸为3～5μm的不规则形状Al₂O₃夹杂物为主。钙处理后所主要为尺寸一般在1～3μm不规则多边形的MgO-Al₂O₃-MnS-CaS复合夹杂物，其中芯部以含Al₂O₃的夹杂物为主。

3号试验先加Al后再加入Mn、Nb、Ti、Ca，过程夹杂物的种类变化不明显，其中以含Al₂O₃的夹杂物占多数，形貌主要以不规则多边形为主，尺寸一般在2～3μm。钙处理的夹杂物主要为Al₂O₃-CaS-MnS复合夹杂物，其芯部主要为含Al₂O₃的夹杂物，形貌主要以不规则多边形为主，夹杂物尺寸一般在1～3μm左右。

可以看出，由于Al和Ca为强脱氧元素，因此，各组试验加Al、加Ca后钢中的夹杂物为芯部含Al₂O₃、外围包裹CaS的复合夹杂物为主。可见，与传统工艺的纯Al₂O₃夹杂物相比，本工艺产生的主要为复合夹杂物，其对改善连铸水口结瘤情况有利。

3 结论

1)高铝钢3种脱氧合金化工艺都可以获得较低的全氧质量分数，其中采用Mn+Nb-Ti-Al-Ca工艺获得最佳的脱氧效果和最低的全氧质量分数，钢中最低全氧质量分数达到0．0007%。

2)3组试验表现出了相同的夹杂物尺寸和数量变化规律，即采用Mn、Nb合金化时，钢中夹杂物的尺寸相对较小，而加入强脱氧剂Al后，夹杂物平均直径及数量均迅速增大。其中，2号试验在25min时0～5μm的夹杂物所占比例达到了99%以上。

3)3组钢试验终点夹杂物均以尺寸为0～3μm的含Al₂O₃的复合夹杂物为主，大部分夹杂物外围包裹CaS或MnS。

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