加鈦處理控制重軌鋼中MnS夾雜的分析探討

齊江華 彭著鋼 吳 杰 鄭建國 周劍華 費俊杰

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

MnS夾雜的控制一直是重軌鋼生產(chǎn)的難點問題，由于MnS夾雜的良好塑性，重軌大方坯軋制成百米鋼軌后，大量長條狀MnS引起夾雜物超標和鋼軌超聲波探傷不合。常見的MnS夾雜的控制技術報道很多[1-3]，如通過加入Ca或稀土等形成元素來控制硫化物的形態(tài)，再如通過控制作為硫化物析出核心的氧化物使硫化物細小、分散析出等。然而，對于總氧、夾雜物形態(tài)及成分控制都很嚴格的高速重軌鋼，上述方法很難用于控制重軌鋼中硫化物的形態(tài)和尺寸。本文通過對重軌鋼中夾雜物的大量觀察研究，對加鈦處理控制重軌鋼中MnS夾雜進行了探討，以期為重軌鋼乃至純凈鋼中的MnS夾雜形態(tài)和尺寸控制提供一條新思路。

1 重軌鋼中常見MnS夾雜

重軌鋼鑄坯中典型的MnS夾雜形貌如圖1，一般為球狀，大顆粒尺寸達20～30μm，軋制成鋼軌后常見的MnS如圖2，變形后為長條狀，大型MnS尺寸大于100μm。

圖1 鑄坯中典型球狀MnS夾雜形貌

圖2 鋼軌中典型長條狀MnS夾雜形貌

2 含Ti的MnS夾雜

通過對重軌鋼中夾雜物的研究發(fā)現(xiàn)，在鑄坯和鋼軌中存在有一種類型的MnS夾雜，其外圍有一層TiS或者Ti-Mn-S，能夠在鋼軌軋制過程中阻止MnS夾雜的變形，典型夾雜物和元素分布如圖3和圖4。

從圖3和圖4中表明，鋼在凝固過程，MnS夾雜析出后，如果鋼中有一定量的Ti，那么有可能在MnS 夾雜外圍析出一層TiS或者Ti-Mn-S。在軋制過程中，外圍的TiS或者Ti-Mn-S能夠阻止MnS夾雜的變形，達到控制 MnS夾雜的目的，這為MnS夾雜的控制提供了一條新思路，那么如何控制這種夾雜物的生成將是技術關鍵。

圖3 鑄坯中形成的Mn-S-Ti夾雜物形貌和元素分布

圖4 重軌中Mn-S-Ti夾雜物形貌和元素分布

3 分析與討論

當鋼中Ti、O含量高時，鋼中首先析出鈦氧化物，筆者曾對鈦脫氧鋼進行過研究[4]，在一般鈦脫氧鋼中首先析出的Ti2O3，而后MnS再以Ti2O3為核心形核析出。如果在重軌鋼中加入大量Ti, 會形成Ti2O3、TiN等脆性夾雜物，影響鋼軌的抗疲勞性能。欲控制鋼中形成TiS，應首先控制鋼中盡量不生成Ti2O3的情況適當增加Ti含量。Ti2O3，MnS，TiS的生成反應分別如下[ 5-6]：

2[Ti]+3[O]=Ti2O3(s)

(1)

[Mn]+[S]=MnS

(2)

[Ti]+[S]=TiS

(3)

U75V重軌鋼的成分如表1。根據(jù)成分可以計算重軌鋼液相線溫度為1738K，根據(jù)式(1)可得到重軌鋼中Ti2O3析出關系，如圖5。根據(jù)式(2)和式(3)可以計算出，在相同的S含量情況，MnS比TiS優(yōu)先析出。

表1 U75V鋼軌的主要化學成分(%)

圖5 1738K時重軌鋼中鈦、氧平衡關系

從圖5中可以看出，鋼中氧含量為0.001% 時，鋼中的Ti只有小于0.0025%時才不會析出Ti2O3，即使鋼中氧含量為0.0005%時，鋼中Ti也要小于0.0075%左右才不會析出Ti2O3。但若考慮鋼中酸溶鋁的影響，氧化鈦和氧化鋁之間的反應表達式為[5]：

2[Ti]+(Al2O3)=2[Al]+(Ti2O3)

(4)

根據(jù)式(4)可以計算出，當aTi/aAl>5時，鋼中才能析出Ti2O3[7]。實際生產(chǎn)時，重軌鋼中的酸溶鋁一般在0.0025%～0.0035%之間，即當鋼中的Ti含量為0.01%～0.02%時，可以控制鋼中不析出Ti2O3。與Ca處理不同的是，Ca與氧的結合能力極強，甚至能置換渣中的Al2O3，Ca與Al2O3反應如式(5)[8]，假定aAl2O3=1和aCaO=1，精煉時溫度1550℃，可計算鋼液中Ca含量對酸溶鋁的影響，如圖6。圖6表明，Ca處理使鋼中Al含量增加，容易使鋼中形成大量脆性的Al2O3，這對鋼軌的使用性能不利。

3[Ca]+(Al2O3)=2[Al]+3(CaO)

ΔG0=-733500+59.7T

(5)

圖6 重軌鋼中Ca活度對酸溶鋁的影響

綜合上述分析，當鋼中氧含量很低，加入適量鈦，控制在鋼液中不析出鈦氧化物，而在凝固過程中首先析出MnS，而后在MnS外圍析出TiS或者Mn-S-Ti的復合夾雜物，可以抑制MnS夾雜在軋制過程中的變形, 有效地降低MnS夾雜的尺寸和數(shù)量。建議工業(yè)上冶煉重軌鋼時，由于重軌鋼中C 含量很高， RH精煉結束溶解氧可以達到0.0005%以下，此時加入0.01%～0.02%的鈦，鋼中不會析出鈦氧化物，而在凝固過程中在MnS夾雜外圍析出鈦硫化物，阻止MnS夾雜在軋制過程的變形，以達到控制長條狀MnS夾雜的目的。當然，具體的工藝控制還有待更深入的研究，但Ti處理或許是改善重軌鋼中MnS夾雜的一條新思路。

4 結論

(1)通過對重軌鋼中夾雜物的研究發(fā)現(xiàn)，在鑄坯和鋼軌中存在有一種類型的MnS夾雜，其外圍有一層TiS或者Ti-Mn-S的復合夾雜物，能夠在鋼軌軋制過程中阻止MnS夾雜的變形。

(2)研究分析表明，當鋼中氧含量很低，加入0.01%～0.02%的Ti后，鋼液中不析出鈦氧化物，而在凝固過程中首先析出MnS，而后在MnS外圍析出TiS或者Mn-S-Ti的復合夾雜物。

(3)建議工業(yè)上冶煉重軌鋼時，可以在RH精煉結束，溶解氧含量很低的時候加入適量Ti，以達到控制長條狀MnS夾雜的目的，這或許是改善重軌鋼中MnS夾雜的一條新思路。

[1] Oilawa K, Ohtani H. The control of the morphology of MnS inclusions in steel during solidification[J]. ISIJ Int, 1995,35(4):402.

[2] Oilawa K, Ishida K. Effect of titanium addition on the formation and distribution of MnS inclusions in steel during solidification[J]. ISIJ Int, 1997,37(4):335.

[3] Hiroki OHTA, Hideaki SUITO. Precipitation and dispersion control of MnS by deoxidation products of ZrO2, Al2O3, MgO and MnO-SiO2particles in Fe-10mass%Ni alloy[J]. ISIJ Int, 2006,46(4):480.

[4] 齊江華,薛正良,吳杰，等.鈦脫氧鋼中超細夾雜物內部結構和物相組成研究[J].鋼鐵,2010,45(5):33.

[5] 王明林.低碳鋼凝固過程含鈦析出物的析出行為及其對凝固組織影響的機理研究[D].北京：鋼鐵研究總院,2003.

[6] 李宏.鋼中夾雜物形成規(guī)律培訓教程(1)[J].金屬世界,2006(6):14.

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