LF精煉過程中SAE8620鋼所含MgO復(fù)合夾雜物分析

李文博，包燕平，王 敏

（1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院，北京，100083）

鋼液精煉過程中的非金屬夾雜物根據(jù)來源可以分為兩類，即內(nèi)生夾雜與外來夾雜，其中外來夾雜顆粒較大，易于上浮，其在鋼中的出現(xiàn)帶著偶然性且不規(guī)則［1－3］。非金屬夾雜物破壞了鋼基體的連續(xù)性，造成鋼的組織不均勻，不僅對(duì)鋼的使用性能和加工性能造成一定的損害，同時(shí)也嚴(yán)重影響鋼材質(zhì)量，降低鋼材的使用壽命［4］。鋼液精煉過程中，含MgO非金屬夾雜物的尺寸總體偏大，且熔點(diǎn)較高，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量危害較大。為此，本文采用非水溶液電解方法分離出SAE8620齒輪鋼所含MgO復(fù)合夾雜物，通過掃描電鏡和能譜分析對(duì)含MgO非金屬夾雜物的組成、尺寸、形貌和類型進(jìn)行分析，研究含MgO復(fù)合夾雜物的化學(xué)成分變化過程，找出在鋼液精煉過程中影響含MgO復(fù)合夾雜成分變化的因素，為實(shí)際生產(chǎn)過程不斷優(yōu)化精煉工藝、控制鋼中夾雜物形成提供參考。

1 取樣及分析方法

對(duì)SAE86020鋼在LF精煉過程中的前期、中期、后期三個(gè)工位分別取樣。對(duì)所取鋼樣在密實(shí)處各截取2個(gè)8mm×50mm圓柱試樣，將表面打磨拋光。

采用非水溶液電解分離方法，萃取分離出鋼樣中的夾雜物，并挑選出大型含MgO的復(fù)合夾雜物，應(yīng)用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對(duì)夾雜物的形貌和成分進(jìn)行分析。采用紅外吸收法測(cè)定SAE8620齒輪鋼的全氧含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型含MgO復(fù)合夾雜物成分變化

SAE8620鋼中大型含MgO復(fù)合夾雜物的主要化學(xué)成分如表1所示。從表1中可見，隨著LF精煉過程的進(jìn)行，大型含MgO復(fù)合夾雜物中MgO和CaO的含量均呈上升趨勢(shì)。這是由于在LF精煉過程中，鋼液會(huì)與爐襯及熔渣接觸，接觸過程中耐材與鋼液、耐材與熔渣之間存在相互傳質(zhì)過程，耐材中的MgO向鋼液和熔渣中溶解，使鋼液和熔渣中的MgO含量上升。同時(shí)，在精煉過程中會(huì)向鋼包內(nèi)添加硅鐵、Al線和Ca－Al線等輔料進(jìn)行脫氧、脫硫、微合金化、夾雜物變性等操作。在鋼包精煉初期，客觀上存在局部Si、Al含量較高區(qū)域，而此時(shí)鋼液中溶解［Mg］和［Ca］極低。到了精煉中期，隨著輔料逐漸熔化，在強(qiáng)脫氧、高堿度、強(qiáng)還原性條件下，鋼渣界面或鋼液與爐襯界面會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

表1 大型含MgO復(fù)合夾雜物的主要化學(xué)成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of large MgO－containing inclusions

反應(yīng)中，還原得到的［Mg］、［Ca］擴(kuò)散進(jìn)入鋼液，同鋼液中Al2O3、SiO2等夾雜物發(fā)生反應(yīng)而進(jìn)入夾雜物中，從而使夾雜物中MgO和CaO的含量上升。

由表1可以看出，隨著精煉過程的進(jìn)行，夾雜物中SiO2的含量逐漸下降。這是因?yàn)閵A雜物中SiO2與鋼液中的酸溶鋁或鈣發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

上述反應(yīng)使復(fù)合夾雜物中SiO2含量降低，從而使夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低熔點(diǎn)的其他夾雜物。

圖1 LF精煉過程鋼中T［O］含量變化Fig.1 Change of T［O］in steel during LF refining

由表1還可以看出，夾雜物中Al2O3的含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這主要是與鋼中的氧含量和鈣含量變化密切相關(guān)。SAE8620齒輪鋼在LF精煉過程中氧含量變化如圖1所示。從圖1中可看出，在LF精煉前期鋼液中氧含量較低，在LF精煉中期氧含量升高，這與鋼渣的化學(xué)成分變化有關(guān)。SAE8620鋼中精煉渣化學(xué)成分如表2所示。從表2中可以看出，在LF精煉中期，精煉渣中FeO和MnO含量較高，表明此時(shí)鋼液中的還原性條件與LF精煉初期相比變差，這是導(dǎo)致LF精煉中期鋼液中氧含量上升的主要原因。隨著鋼液中氧含量的升高，鋼液中的酸溶鋁與氧發(fā)生反應(yīng)，在鋼液吹氬攪拌作用下，反應(yīng)生成的Al2O3會(huì)與其他大型含MgO復(fù)合夾雜物碰撞并聚集在一起，使含MgO復(fù)合夾雜物中Al2O3含量在LF精煉前期至中期過程中出現(xiàn)上升趨勢(shì)。而在LF精煉后期，由于熔池中加入了Ca－Al線對(duì)鋼液中夾雜物進(jìn)行變性處理，使鋼液中溶解鈣的含量增加，具有較強(qiáng)還原性特質(zhì)的［Ca］會(huì)與大型含MgO復(fù)合夾雜物發(fā)生反應(yīng)，置換出大型含MgO復(fù)合夾雜物中的鋁，造成LF精煉后期含MgO復(fù)合夾雜物中Al2O3含量下降。

表2 LF精煉過程鋼包渣的化學(xué)成分及堿度Table2 Chemical compositions and basicity of ladle slag during LF refining

由以上分析可以得出，在LF精煉的前期、中期和后期三個(gè)階段，大型含MgO復(fù)合夾雜物中各成分的含量變化明顯，客觀上在LF初期由于存在溫度和局部濃度分布不均勻，熱力學(xué)上會(huì)產(chǎn)生式（1）～式（5）的化學(xué)反應(yīng)，從而在微觀上產(chǎn)生不同類型的含MgO復(fù)合夾雜物，精煉過程中一部分夾雜物會(huì)隨著鋼液的吹氬攪拌而上浮至熔渣中被吸附，一部分則殘留在鋼液中成為含MgO復(fù)合夾雜物。

將試驗(yàn)中所提取到的大型含MgO復(fù)合夾雜物的平均成分點(diǎn)描繪在SiO2－（MgO＋CaO）－Al2O3假三元相圖上，如圖2所示。從圖2中可以看出，大型含MgO復(fù)合夾雜物的熔點(diǎn)非常高，這類夾雜物的變性能力較差，不利于鋼材疲勞壽命的提高，在實(shí)際生產(chǎn)過程要加以控制。

圖2 含MgO復(fù)合夾雜物的化學(xué)成分變化相圖Fig.2 Phase diagram of SiO2－（MgO＋CaO）－Al2O3in MgO－containing inclusions during LF refining process

2.2 夾雜物的形貌特征與類型

大型含MgO復(fù)合夾雜物中典型夾雜物的形貌如圖3所示。從圖3中可以看出，幾乎所有大型含MgO復(fù)合夾雜物外形都不規(guī)則，呈塊狀且棱角分明，顯示一種高熔點(diǎn)狀態(tài)。

圖3 含MgO復(fù)合夾雜物的形貌Fig.3 Morphologies of MgO－containing composite inclusions

LF精煉過程含MgO復(fù)合夾雜物的類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。從表3中可看出，SiO2－Al2O3－MgO和SiO2－MgO系復(fù)合夾雜物在LF前期占比較大，到LF中期和LF后期其占比明顯下 降；SiO2－Al2O3－CaO－MgO 和 SiO2－CaO－MgO系復(fù)合夾雜物分別在LF后期和LF中期占比明顯提高，夾雜物的尺寸較LF前期相比明顯減??；而CaO－MgO系復(fù)合夾雜物占比從LF前期到LF中、后期明顯提高。這是因?yàn)?，在LF精煉過程中，鋼液會(huì)在吹氬攪拌的帶動(dòng)下在鋼包內(nèi)流動(dòng)，在精煉初期由于爐渣的堿度較高和FeO含量較低，渣中部分CaO被［Al］還原發(fā)生式（3）的化學(xué)反應(yīng)，而且在LF精煉后期加入了Ca－Al線，使鋼液中溶解［Ca］增加，［Ca］與大型含MgO 復(fù)合夾雜物接觸幾率變大，會(huì)使大型含MgO復(fù)合夾雜物處于不穩(wěn)定狀態(tài)，SiO2－Al2O3－MgO 和SiO2－MgO系夾雜物與［Ca］發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

表3 LF精煉過程含MgO復(fù)合夾雜物的類型Table3 Type statistics of MgO－containing inclusions during LF refining

反應(yīng)中，［Ca］會(huì)置換出部分［Mg］或［Si］［5］，使夾雜物中CaO含量升高以及SiO2含量降低。這一結(jié)果與本研究前述含MgO復(fù)合夾雜物中CaO、SiO2含量隨精煉過程的變化結(jié)果一致。由于鋼液中［Ca］的傳遞速率快，并且能夠在夾雜物－鋼液界面保持足夠的［Ca］含量，從而促使精煉過程中SiO2－Al2O3－MgO和SiO2－MgO 系復(fù)合夾雜物含量逐步 下 降，而 SiO2－Al2O3－CaO－MgO 和 SiO2－CaO－MgO系復(fù)合夾雜物含量逐步上升。CaOMgO系復(fù)合夾雜物尺寸較大、形狀不規(guī)則，其含量在精煉過程的中、后期變化不大，因?yàn)镃aO和MgO形成的二元相圖為共晶型，其共晶體即CaO－MgO系復(fù)合夾雜物為CaO和MgO之間互相溶解形成的固溶體，它的來源很可能是在精煉過程中由于耐材侵蝕和熔渣被卷入鋼液中而形成的，屬于典型外來夾雜。

3 結(jié)論

（1）在LF精煉過程中發(fā)生還原反應(yīng)得到的［Mg］、［Ca］擴(kuò)散進(jìn)入鋼液，使夾雜物中 MgO 平均含量由25.0%上升至35.7%，CaO平均含量由16.0%上升至25.7%，夾雜物中SiO2平均含量逐漸下降，從LF前期的48.5%下降至LF后期的26.9%，夾雜物中Al2O3平均含量則是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，從LF前期的10.5%上升至LF中期的18.5%并在LF后期降至11.7%。

（2）LF精煉過程中，隨著鋼液中的［Ca］含量增加，在 LF精煉后期，SiO2－Al2O3－MgO 和SiO2－MgO系夾雜物的含量分別下降至12.0%和22.0%，SiO2－CaO－MgO 和SiO2－Al2O3－CaO－MgO 系復(fù)合夾雜物的含量分別上升至16.5%和28.0%，CaO－MgO系復(fù)合夾雜物為CaO與MgO形成的共晶固溶體，其含量和尺寸大小在精煉過程的中、后期變化不大，屬于典型外來夾雜。

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