含鎂合金的制備及在煉鋼中的應(yīng)用

王 承，龔 偉，姜周華

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

近年來(lái)，隨著鎂處理鋼液的研究越來(lái)越深入，鎂在冶金領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用鎂生產(chǎn)超純凈鋼以及微合金化改善鋼的顯微組織和機(jī)械性能越來(lái)越受到重視．不少冶金工作者對(duì)鎂在鋼中的應(yīng)用做了大量研究［1～11］，Saxena［12］做了Mg 作為煉鋼精煉劑的研究，Mg 處理后簇狀A(yù)l2O3夾雜變成小的、隨機(jī)彌散的尖晶石型(MgO·Al2O3)夾雜;鎂和氧、硫親和力強(qiáng)，更容易發(fā)生脫硫、脫氧反應(yīng)，減輕MnS 夾雜對(duì)鋼性能的影響［13］;鎂合金脫氧使鋼液中氧含量降到極低，夾雜物呈細(xì)小顆粒狀并在鋼中均勻分布［14］．

常壓下，鎂的沸點(diǎn)是1 095 ℃，在煉鋼溫度下蒸氣壓很高(約20 MPa)，因此金屬鎂要加入到鋼液中非常困難，其溶解度和利用率都很低［15］．為了解決鎂加入鋼液的問(wèn)題，人們對(duì)加鎂的方法進(jìn)行了大量的研究［16，17］．但是鎂的利用率仍然很低．

為了深入研究鋼中鎂對(duì)鋼性能的影響機(jī)理，必須精確地控制鋼中的鎂含量．因此提高鎂在鋼液中的溶解度和利用率是首要問(wèn)題．目前應(yīng)用廣泛的Ni－Mg 合金(鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右)加入鋼液中，反應(yīng)十分劇烈，鎂的收得率很低，也不穩(wěn)定，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)的要求．

本文采用降低含鎂合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的辦法，使鎂在鋼中反應(yīng)過(guò)程趨于平穩(wěn)，從而解決鎂的反應(yīng)性和收得率問(wèn)題．然而，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚沒(méi)有可以利用的鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%的含鎂合金．鑒于此，擬利用金屬粉末針對(duì)超高強(qiáng)度鋼300M，制備N(xiāo)i－Mg－Fe 系和Ni－Mg－Mo－Fe 系中間合金，并采用電阻爐小坩堝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定加鎂前后鋼液中Mg、O、S 和N 等元素的變化以及終點(diǎn)鋼中夾雜物的形貌和成分變化，來(lái)考察含鎂合金體系加入鋼液后，鎂的反應(yīng)性和收得率情況．

1 實(shí)驗(yàn)材料與過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)主要開(kāi)發(fā)了Ni－Mg－Fe 系和Ni－Mg－Mo－Fe 系兩類(lèi)含鎂中間合金材料．表1 和表2分別給出了兩種材料的設(shè)計(jì)成分．利用機(jī)械粉末壓片機(jī)將配好的合金粉末壓成片，控制最大壓力為10 MPa，保持壓力時(shí)間為10 min．

表1 Ni-Mg-Fe 系含鎂中間合金設(shè)計(jì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Designed composition of the intermediate alloy of Ni-Mg-Fe system (mass fraction)%

表2 Ni-Mg-Mo-Fe 系含鎂中間合金設(shè)計(jì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Designed composition of the intermediate alloy of Ni-Mg-Mo-Fe system (mass fraction)%

本實(shí)驗(yàn)以300 M 鋼為研究鋼種，利用實(shí)驗(yàn)室二硅化鉬爐(如圖1所示)進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)．兩類(lèi)合金分別按照設(shè)計(jì)0.001%和0.003%的目標(biāo)鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到鋼中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)目標(biāo)成分進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，再加一爐空白樣，故共計(jì)9 爐實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)爐次安排如表3所示．

圖1 MoSi2 爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of MoSi2 furnace

表3 實(shí)驗(yàn)爐次安排Table 3 Arrangement of the experiments

每爐鋼的設(shè)計(jì)質(zhì)量為800 g，利用工業(yè)純鐵和所需合金進(jìn)行熔煉．熔煉時(shí)，除Si、Mn、Al 和含Mg合金外，其他的合金都和工業(yè)純鐵一起隨爐加入，待其熔清后，依次加入Al、Si 和Mn，待其再次完全熔清，整個(gè)過(guò)程都在Ar 氣氛圍下進(jìn)行;2 min后，用內(nèi)徑4 mm 的石英管取樣，空冷，記為a#鋼樣(鎂處理前);然后將鎂合金插入坩堝底部，攪拌均勻，3 min 后用內(nèi)徑4 mm 的石英管取樣，標(biāo)記為b#鋼樣(鎂處理后)．恒溫15 min 后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)掉二硅化鉬爐，剩余的鋼液隨爐冷卻．

1.2 分析方法

采用直讀光譜測(cè)定鋼中Si、Cr、Mn、V、Mo、Ni、Al 和P 的含量，采用紅外C/S 分析儀測(cè)定鋼中C 和S 的含量，采用Leco TC 500 N2/O2分析儀測(cè)定鋼中O 和N 的含量，采用iCAP 6300 ICP－OES 分析儀測(cè)定鋼中Mg 的含量．表4 為實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分．利用SSX－550 型掃描電鏡對(duì)夾雜物的形貌和成分進(jìn)行分析．

表4 實(shí)驗(yàn)鋼終點(diǎn)樣的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Chemical composition of point sample of the experimental steel (mass fraction) %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鎂處理后鋼中［Mg］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 給出了各爐次鎂處理后鋼中［Mg］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．圖3 是各爐次鎂元素的收得率對(duì)比．

圖2 鎂處理后鋼中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Mg mass fraction of steels after Mg treatment

圖3 鎂處理后鎂的收得率Fig.3 Yield of Mg after Mg treatment

從圖3 可以看出，無(wú)論是Ni－Mg－Fe 系含鎂合金壓塊，還是Ni－Mg－Mo－Fe 系的含鎂合金壓塊，鎂的收得率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)設(shè)的5 %，并且從圖2 可見(jiàn)，8 爐實(shí)驗(yàn)的終點(diǎn)鋼樣中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，說(shuō)明8 爐實(shí)驗(yàn)中，坩堝熔池中在加入合金壓塊后鎂的溶解量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)．因此，加入更多的鎂，只會(huì)變成鎂蒸氣從鋼液中逸出，降低鎂的收得率．

2.2 鎂處理后，鋼中［S］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖4 是鎂處理后，8 爐實(shí)驗(yàn)鎂的脫硫率的比較．

從圖4 可見(jiàn)，加入合金壓塊后，坩堝熔池內(nèi)S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低明顯，鎂處理保持了較穩(wěn)定的脫硫率，8 爐鎂的脫硫率在24 %～46 %之間．進(jìn)一步證明了鎂有效地加入到熔池的鋼液內(nèi)．

圖4 各爐脫硫率比較Fig.4 Desulfurization ratios of all samples

2.3 鎂處理前后鋼中氣體成分的變化

圖5 給出了各爐實(shí)驗(yàn)鎂處理前后鋼中氣體成分(O 和N)的變化．

從圖5 可以看出，鎂處理后鋼中的全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)w［T.O］降低明顯，鎂的加入起到顯著的脫氧效果．同時(shí)，從［N］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果可知，鎂處理前后幾乎沒(méi)有變化，這也可以證明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣氛的保護(hù)較好，坩堝熔池沒(méi)有吸入空氣．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鎂的脫氧和脫硫效果，可以從終點(diǎn)樣品中夾雜物的成分分析結(jié)果進(jìn)一步獲得驗(yàn)證．

圖5 鎂處理前后鋼中氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.5 Gaseous mass fraction after Mg treatment

2.4 鎂處理后鋼中夾雜物形貌和成分的變化

鎂處理前典型夾雜物的形貌和成分如圖6所示．

因?yàn)殒V處理前，在坩堝熔池內(nèi)采用鋁粒進(jìn)行了沉淀脫氧操作，所以從圖6 可以看出，夾雜物基本上是鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3和MnS 以及它們的復(fù)合產(chǎn)物．

圖7 是鎂處理后鋼中典型夾雜物的形貌和成分．

從圖7 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)鎂處理后，鋼中的夾雜物成分變化明顯，單相的Al2O3和MnS 夾雜物基本消失，取而代之的是大量的MgS 或者M(jìn)gO 為核心的夾雜物，有些外面包裹著MnS 形成復(fù)合產(chǎn)物;或者是以MgO·Al2O3尖晶石為核心，外面包裹著低熔點(diǎn)MnS 的復(fù)合夾雜物．夾雜物內(nèi)Cr、V、Ni 等的合金氧化物非常少，幾乎沒(méi)有．說(shuō)明活潑的鎂將這些金屬元素從其氧化物中還原出來(lái)了(也包括一部分的Al)．

鎂處理后鋼中夾雜物的成分變化，有力地證明了課題開(kāi)發(fā)的含鎂合金體系適用于熔煉超高強(qiáng)度鋼300M 過(guò)程的鎂處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程．

圖6 鎂處理前典型夾雜物的形貌和成分Fig.6 Morphology and composition of the typical inclusions before Mg treatment

圖7 鎂處理后典型夾雜物的形貌和成分Fig.7 Morphology and composition of the typical inclusions after Mg treatment

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)用課題開(kāi)發(fā)的含鎂合金體系對(duì)鋼液進(jìn)行鎂處理，無(wú)論是Ni－Mg－Fe 系含鎂合金壓塊，還是Ni－Mg－Mo－Fe 系的含鎂合金壓塊，鎂的收得率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)設(shè)的5%，鎂的溶解量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．

(2)加入合金壓塊后，坩堝熔池內(nèi)S 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低明顯，鎂處理保持了較穩(wěn)定的脫硫率，8爐鎂的脫硫率在24%～46%之間．

(3)鎂處理后鋼中的全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)w［T.O］降低明顯，鎂的加入起到顯著的脫氧效果．

(4)經(jīng)過(guò)鎂處理后，鋼中的夾雜物成分變化明顯，單相的Al2O3和MnS 夾雜物基本消失，取而代之的是大量的MgS 或者M(jìn)gO 為核心的夾雜物，有些外面包裹著MnS 形成復(fù)合產(chǎn)物;或者是以MgO·Al2O3尖晶石為核心，外面包裹著低熔點(diǎn)MnS 的復(fù)合夾雜物．

［1］Yang J，Yamasaki T，Kuwabara M．Behavior of inclusions in deoxidation process of molten steel with in situ produced Mg vapor［J］．ISIJ International，2007，47(5):699－708．

［2］Takata R，Yang J，Kuwabara M．Characteristics of inclusions generated during Al－Mg complex deoxidation of molten steel［J］．ISIJ International，2007，47(10):1379－1386．

［3］Isobe K．Effect of Mg addition on solidification structure of low carbon steel［J］．ISIJ International，2010，50(12):1972－1980．

［4］Yang J，Kuwabara M，Sakai T，et al．Simultaneous desulfurization and deoxidation of molten steel with in situ produced magnesium vapor［J］．ISIJ International，2007，47(3):418－426．

［5］Zhu K，Yang Z G．Effect of magnesium on the austenite grain growth of the heat－affected zone in low－carbon high－strength steels［J］．Metallurgical and Materials Transactions A，2011，42A:2207－2213．

［6］Liu L，Xiao L，F(xiàn)eng J C，et al．The mechanisms of resistance spot welding of magnesium to steel［J］．Metallurgical and Materials Transactions A，2010，41A:2651－2661．

［7］Ge H L，Youdelis W V，Chen G L．Effect of interfacial segregation magnesium high carbon(18% Cr)cast steel［J］．Material Science and Technology，1989(5):1207－1211．

［8］Yu Y G，F(xiàn)u J，Wang A R，et al．Effect of Mg on mechanical properties of 35CrNi3MoV steel［J］．Journal of Materials Science and Technolog，1998，14:104－108．

［9］Fu J，Yu Y G，Wang A R，et al．Inclusion modification with Mg treatment for 35CrNi3MoV steel［J］．Journal of Materials Science and Technolog，1998，14:53－56．

［10］Yang J，Zhu K，Shen J G，et al．Improvement of steel cleanliness by deoxidation with Mg vapor［C］//Proceedings of the 4# International Conference on Continuous Casting of Steel in Developing Countries．675－680．

［11］Kim H S，Chang C，Lee H．Evolution of inclusions and resultant microstructural change with Mg addition in Mn/Si/Ti deoxidized steels［J］．Scripta Materialia，2005，53:1253－1258．

［12］Saxena S K．Refining reaction of magnesium in steel at steelmaking temperature［C］//Proceedings International Symposium on the Physical Chemistry of Iron and Steelmaking．Conference of Metallurgists Toronto，1982:VII 17－22．

［13］王恒，知水．鎂系合金在鋼水精煉中作用的研究［J］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1989(S):21－30．

(Wang H，Zhi H．Study on the potential of magnesium－containing alloys in refining treatment of liquid steel［J］．Journal of Iron and Steel Research，1989(S):21－30．)

［14］歐陽(yáng)德剛，王慶方，劉守堂．KR 脫硫攪拌器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］．武鋼技術(shù)，2005，43(5):55－58．

(Ouyang D G，Wang Q F，Liu S T．Present conditions and trend of technological development about stirring devices of KR desulphurization［J］．Wuhan Iron and Steel Corporation Technology，2005，43(5):55－58．

［15］Tomita Y．Improved fracture toughness of ultrahigh strength steel through control of non－metallic inclusions［J］．Journal of Materials Science，1993，28(4):853－859．

［16］Tomita Y．Effect of sulphide inclusion shape on plane－strain fracture toughness (KIC)of heat－treated structural low－alloy steels［J］．Journal of Materials Science，1990，25(2A):950－956．

［17］馬鵬程，劉濤，袁磊，等．Y2O3對(duì)燒結(jié)鎂砂致密性的影響［J］．材料與冶金學(xué)報(bào)，2013，12(3):173－176，202．

(Ma Pengcheng，Liu Tao，Yuan Lei，et al．Effect of yttria on densification of sintered magnesia［J］．Journal of Materials and Metallurgy，2013，12(3):173－176，202．)