無(wú)取向硅鋼RH精煉過(guò)程中夾雜物行為研究

陳天穎，劉 靜，程朝陽(yáng)，駱忠漢，畢云杰

(1. 武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢，430081；2. 國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢，430080)

無(wú)取向硅鋼中非金屬夾雜物對(duì)成品板的磁性能和力學(xué)性能有著顯著影響[1-2]，特別是微細(xì)夾雜物，它們的存在不僅會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大、引起晶格畸變，還可能促進(jìn)磁時(shí)效，惡化無(wú)取向硅鋼的磁性能[3-4]。近年來(lái)，RH精煉成為提高鋼液潔凈度的的重要工藝環(huán)節(jié)，該過(guò)程能去除鋼中夾雜物，完成絕大部分脫氧產(chǎn)物上浮、去除的任務(wù)[5-8]。因此，深入研究RH精煉工藝過(guò)程中夾雜物的演變規(guī)律，對(duì)充分去除鋼中夾雜物、提高硅鋼質(zhì)量，最終改善成品板的磁性能具有重要意義。赤小浩等[9]研究了無(wú)取向硅鋼從轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)到中間包階段夾雜物尺寸、數(shù)量及種類的變化，結(jié)果顯示，夾雜物主要為Al2O3，尺寸介于1～4 μm之間，夾雜物去除率為57.40%。郭艷永等[10]研究了無(wú)取向硅鋼從鋁脫氧到硅鋼片成品過(guò)程中夾雜物數(shù)量的變化，發(fā)現(xiàn)RH精煉和中間包能去除80%的夾雜物，剩余夾雜物大部分尺寸小于1 μm。目前階段，研究主要集中于RH精煉流程結(jié)束前后夾雜物的數(shù)量、尺寸及成分變化，而對(duì)RH精煉過(guò)程中各環(huán)節(jié)的夾雜物行為尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。

為此，本文針對(duì)高效電機(jī)用無(wú)取向硅鋼，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤其RH精煉過(guò)程，系統(tǒng)研究了不同階段鋼中顯微夾雜物的演變規(guī)律，以期為無(wú)取向硅鋼RH精煉工藝的合理制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼為某鋼廠生產(chǎn)的無(wú)取向硅鋼，轉(zhuǎn)爐冶煉后以4爐進(jìn)行一個(gè)循環(huán)澆鑄，按順序依次為：開(kāi)澆爐→連澆爐1→連澆爐2→尾爐。對(duì)每一爐的RH精煉過(guò)程按6個(gè)不同環(huán)節(jié)進(jìn)行取樣，即RH進(jìn)站、脫碳結(jié)束、加Al一個(gè)循環(huán)、加Al兩個(gè)循環(huán)、合金化及RH出站。利用TC500型氧氮分析儀分析鋼樣中全氧含量；用Polvar-Met型金相顯微鏡(OM)、Nova 400 Nano型掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)及FIB FESEM對(duì)鋼樣中夾雜物進(jìn)行系統(tǒng)的分析，利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)鋼樣中夾雜物數(shù)量、尺寸并計(jì)算夾雜物的面積分?jǐn)?shù)，計(jì)算方法如式(1)所示：

(1)

式中：AA為非金屬夾雜物面積分率，%；di為不同尺寸范圍內(nèi)夾雜物的平均直徑，μm；ni為不同尺寸范圍夾雜物的個(gè)數(shù)；D為視場(chǎng)直徑，μm；N為視場(chǎng)數(shù)，N=60個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾雜物的分布情況

根據(jù)4爐不同取樣點(diǎn)的夾雜物統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，不同爐次中夾雜物的演變規(guī)律基本相同，即隨著RH精煉過(guò)程的進(jìn)行，鋼中夾雜物數(shù)量不斷減少。以連澆爐1為例，不同取樣點(diǎn)鋼中典型的夾雜物分布情況如圖1所示。由圖1可以看出，RH進(jìn)站時(shí)，鋼樣中夾雜物的數(shù)量較多，尺寸相對(duì)較大，并且均勻分布于整個(gè)視場(chǎng)中；脫碳結(jié)束后，鋼樣中夾雜物數(shù)量、尺寸沒(méi)有明顯變化，分布較為均勻，未發(fā)現(xiàn)偏聚現(xiàn)象；加Al脫氧一個(gè)循環(huán)后，試樣中夾雜物數(shù)量大幅減少，顆粒尺寸明顯細(xì)?。患覣l兩個(gè)循環(huán)后，夾雜物數(shù)量繼續(xù)減少，但細(xì)小夾雜物有長(zhǎng)大的趨勢(shì)；合金化和RH出站時(shí)，鋼樣中夾雜物數(shù)量仍很少，以細(xì)小夾雜物為主，但也存在少量尺寸較大的夾雜，表明夾雜物仍在不斷地碰撞長(zhǎng)大。從圖中還可以觀察到，整個(gè)RH精煉過(guò)程中，夾雜物以球形和橢球形為主，還存在少量的不規(guī)則狀的夾雜。

(a) RH進(jìn)站 (b) 脫碳結(jié)束 (c) 加Al一個(gè)循環(huán)

(d)加Al兩個(gè)循環(huán) (e) 合金化 (f) RH出站

圖1連澆爐1中不同取樣點(diǎn)典型的夾雜物分布

Fig.1Typicalinclusionprofileatdifferentsamplingtime-pointsincontinuouscastingfurnace1

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各爐次鋼中不同尺寸夾雜物的分布情況如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，鋼中夾雜物的尺寸大多集中在1～2 μm范圍內(nèi)，其次是尺寸小于1 μm的夾雜物，最少的是尺寸大于5 μm的夾雜物，可見(jiàn)，該無(wú)取向硅鋼中夾雜物尺寸主要集中在0～2 μm，占到夾雜物總量的80%；加Al后，鋼中尺寸小于1 μm的夾雜物占比明顯升高，這是因?yàn)镽H精煉過(guò)程Al脫氧去除了大部分尺寸較大的夾雜物且生成了大量細(xì)小的夾雜；而合金化結(jié)束后，尺寸小于1 μm的夾雜物占比降低，2～3 μm尺寸的夾雜物占比有所增加，表明細(xì)小的夾雜物在該階段碰撞聚合長(zhǎng)大。

(a) 開(kāi)澆爐 (b) 連澆爐1

(c) 連澆爐2 (d) 尾爐

圖2不同爐次夾雜物的尺寸分布

Fig.2Sizedistributionofinclusionsindifferentheats

細(xì)小夾雜物對(duì)硅鋼的磁性能影響較大，故利用FIB FESEM對(duì)鋁脫氧后Al2O3夾雜物形態(tài)進(jìn)行觀察。加Al脫氧一個(gè)循環(huán)后典型夾雜物的形貌及EDS能譜如圖3所示，其中圖3(c)所示的夾雜物尺寸為300 nm。從圖3中可以看出，加Al脫氧一個(gè)循環(huán)時(shí)，反應(yīng)生成了十分細(xì)小的Al2O3夾雜物；此外，1～2 μm尺寸的典型夾雜物呈尖角不規(guī)則形狀，該類夾雜物對(duì)鋼的性能影響較大，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)鋁脫氧的凈循環(huán)時(shí)間，使其充分長(zhǎng)大后上浮去除。

(a) 2～3 μm尺寸的典型夾雜物 (b) 1～2 μm尺寸的典型夾雜物 (c) 0～1 μm尺寸的典型夾雜物

(d)點(diǎn)1處EDS (e) 點(diǎn)2處EDS

圖3加Al脫氧一個(gè)循環(huán)后鋼中典型夾雜物的形貌及EDS能譜

Fig.3MorphologyandEDSspectraoftypicalinclusionsinsteelafterfirstcycleofAl-deoxidizingtreatment

圖4為各爐次鋼中尺寸小于1 μm的夾雜物的占比情況。由圖4可以看出，隨著RH精煉過(guò)程的進(jìn)行，鋼樣中尺寸小于1 μm的夾雜物占比總體呈上升的趨勢(shì)。從RH進(jìn)站到RH出站，4爐次鋼中尺寸小于1 μm的夾雜物平均減少了0.85 個(gè)/mm2，而尺寸大于1 μm的夾雜物平均減少了8.78 個(gè)/mm2。顯然，0～1 μm尺寸夾雜物數(shù)量的減少幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于尺寸大于1 μm的夾雜物的降幅。

2.2 夾雜物的體積分?jǐn)?shù)及鋼中氧含量分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用式(1)計(jì)算各爐次RH精煉不同階段夾雜物的面積分?jǐn)?shù)。定量金相學(xué)指出，面積百分?jǐn)?shù)等同于體積百分?jǐn)?shù)，而鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)高低表征了鋼液潔凈度的變化。RH精煉不同階段鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同爐次尺寸小于1 μm的夾雜物占比

Fig.4Proportionofinclusionswithsizelessthan1μmindifferentheats

圖5各爐次RH精煉不同階段夾雜物的體積分?jǐn)?shù)變化

Fig.5VolumefractionchangeofinclusionsofdifferentstagesofRHrefiningindifferentheats

由圖5可見(jiàn)，隨著RH精煉的進(jìn)行，夾雜物的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，表明鋼中夾雜物數(shù)量不斷減少，鋼液潔凈度提高。加Al一個(gè)循環(huán)后，鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)下降最快，結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，從RH進(jìn)站到加Al一個(gè)循環(huán)后，4爐試驗(yàn)鋼中夾雜物的平均去除率為71.6%，而從RH進(jìn)站到RH出站，4爐試樣鋼中夾雜物的平均去除率為77.3%。綜上所述，加Al脫氧一個(gè)循環(huán)時(shí)已去除了鋼中大部分的夾雜物，夾雜物體積分?jǐn)?shù)降幅最大，鋼液的潔凈度提高顯著，這與圖1所示的夾雜物分布情況相符合。

鋼中氧以溶解[O]和非金屬氧化物夾雜的形式存在。鋼中溶解氧的變化不大，同時(shí)由于鋼中夾雜物都是氧化物夾雜，因此鋼中T[O]含量的變化情況可以真實(shí)地反映鋼液潔凈度變化。對(duì)4爐次中RH進(jìn)站、加Al一個(gè)循環(huán)及RH出站3個(gè)階段的T[O]含量進(jìn)行分析取平均值，結(jié)果示于圖6中。由圖6可知，由RH進(jìn)站到加Al脫氧一個(gè)循環(huán)，鋼中T[O]含量下降了約70%，到RH出站，鋼中T[O]含量下降了約78%，可見(jiàn)加Al后夾雜物的去除效果顯著，至RH出站時(shí)，鋼中大部分氧化物夾雜已被去除。顯然，RH精煉過(guò)程鋼中T[O]含量的變化規(guī)律與夾雜物的定量分析結(jié)果一致。

圖6 RH精煉過(guò)程鋼中T[O]含量變化

Fig.6VariationofT[O]contentinsteelduringRHrefining

對(duì)比圖5中不同爐次RH進(jìn)站時(shí)夾雜物的體積分?jǐn)?shù)可知，隨著澆鑄爐次的增加，RH進(jìn)站時(shí)夾雜物的體積分?jǐn)?shù)降低，鋼液的潔凈度則越高。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)分析，開(kāi)澆爐是第一爐澆鑄，由于鋼液沖擊鋼包內(nèi)壁時(shí)，所造成的耐火材料剝落情況較為嚴(yán)重，這會(huì)向鋼液中引入新的夾雜物，導(dǎo)致鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)增大。隨著澆鑄爐次的增加，耐火材料的剝落情況相對(duì)減輕且趨于穩(wěn)定，對(duì)鋼液潔凈度的影響越來(lái)越小，所以RH進(jìn)站時(shí)鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)也不斷減小。

2.3 夾雜物的成分分析

對(duì)各爐次RH精煉不同階段鋼中夾雜物進(jìn)行EDS分析，統(tǒng)計(jì)得到夾雜物的種類列于表1中，典型夾雜物的形貌及EDS能譜如圖7所示。結(jié)合圖7和表1可知，RH進(jìn)站時(shí)鋼中夾雜物主要為Al2O3-MgO，還有少量以Al2O3-MgO為核心、MnS包裹析出的 Al2O3-MgO-MnS復(fù)合夾雜，其EDS面掃描分析結(jié)果如圖8所示。夾雜物中[Mg]來(lái)源于爐渣和包襯，鋼液中Al2O3-MgO夾雜的形成是爐渣/包襯、鋼液、夾雜物之間共同作用的結(jié)果，該夾雜的形成分兩種情況[11]：一種是[Mg]與Al2O3夾雜發(fā)生如式(2)所示的反應(yīng)；另外一種情況是，鋼液中的[Al]與MgO夾雜發(fā)生如式(3)所示的反應(yīng)：

(2)

(3)

表1 RH精煉過(guò)程中不同取樣點(diǎn)夾雜物的類型Table 1 Types of inclusions at different sampling time-points

脫碳結(jié)束后，鋼樣中的夾雜物以MnO為主，還存在少量的Al2O3夾雜，該過(guò)程中大部分Al2O3-MgO夾雜被去除，此時(shí)，鋼液中[Al]含量較低，[Mn]含量較高，故生成的MnO夾雜較多，Al2O3夾雜較少。加Al一個(gè)循環(huán)后，夾雜物全部轉(zhuǎn)變成Al2O3，這是因?yàn)榧尤氲腁l與鋼液中的溶解[O]反應(yīng)生成Al2O3，反應(yīng)如式(4)所示：

(4)

加Al兩個(gè)循環(huán)后，試樣中出現(xiàn)少量的Al2O3-MgO復(fù)合夾雜。合金化后，夾雜物以Al2O3-SiO2-MnO為主，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)少量的Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-CaO-SiO2復(fù)合夾雜；RH出站時(shí)，夾雜物主要為Al2O3-MgO，還有少量的Al2O3-MgO-CaO復(fù)合夾雜。

(a) RH進(jìn)站

(b) 脫碳結(jié)束

(c) 加Al一個(gè)循環(huán)

(d) 加Al兩個(gè)循環(huán)

(e) 合金化

(f) RH出站

圖8 Al2O3-MgO-MnS夾雜物形貌及元素分布Fig.8 Morphology of Al2O3-MgO-MnS inclusion and the element distribution

3 結(jié)論

(1)所研究無(wú)取向硅鋼中夾雜物的尺寸主要集中在0～2 μm，占到夾雜物總量的80%左右，形貌以球形和橢球形為主，還存在少量不規(guī)則形狀?yuàn)A雜。從RH進(jìn)站到RH出站，鋼中夾雜物的數(shù)量不斷減少，共減少了9.63個(gè)/mm2，而小于1 μm的夾雜物平均減少了0.85個(gè)/mm2，細(xì)小夾雜物的去除效果不明顯。

(2)RH進(jìn)站時(shí)鋼中夾雜物以Al2O3-MgO為主，還有少量的 Al2O3-MgO-MnS復(fù)合夾雜；脫碳結(jié)束后，夾雜物主要是MnO及少量的Al2O3夾雜物；加Al后，夾雜物全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3，隨著加Al時(shí)間的延長(zhǎng)，還發(fā)現(xiàn)少量的Al2O3-MgO復(fù)合夾雜。合金化后，夾雜物以Al2O3-SiO2-MnO為主，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)少量的Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-CaO-SiO2復(fù)合夾雜物；RH出站時(shí)，夾雜物主要是Al2O3-MgO，還有少量的Al2O3-MgO-CaO復(fù)合夾雜。

(3)加Al一個(gè)循環(huán)時(shí)，鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)下降最快，夾雜物的平均去除率為71.6%，鋼中T[O]含量下降了70%，表明鋁脫氧去除夾雜物的效果十分顯著，鋼液的潔凈度明顯提高。鋁脫氧后生成大量細(xì)小的夾雜物，且隨著加Al循環(huán)的進(jìn)行，夾雜物有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。適當(dāng)延長(zhǎng)鋁脫氧的凈循環(huán)時(shí)間，可能是促進(jìn)細(xì)小夾雜物充分長(zhǎng)大并上浮去除的有效途徑。