熱裝溫度對無取向硅鋼中夾雜物析出特性的影響

羅小燕 ，朱誠意，李光強，嚴哲鋒，馮嘉鑫

(1. 武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室, 湖北 武漢，430081)

高牌號無取向硅鋼作為一種重要的軟磁材料具有鐵損低、磁感高的特點，依據鋼品質的不同，已被廣泛用于制造各類電機、變壓器、壓縮機及發電機等[1]。無取向硅鋼的鐵損中有60%以上為磁滯損耗，這與鋼中夾雜物的尺寸、形態及分布有關[2]。有研究表明，當鋼中尺寸小于0.5 μm的AlN、MnS、CuS/Cu2S等析出相及其復合夾雜大量析出且密集分布時，不僅會阻礙晶粒長大、導致晶格畸變，還會釘扎晶界和磁疇，引起無取向硅鋼鐵損的升高[3-5]。

目前報道指出，MnS、AlN是無取向硅鋼中主要的細小析出物，兩者析出溫度接近，分別在1000～1200 ℃和1000～1240 ℃范圍內，其中AlN夾雜的尺寸較為不均，大尺寸AlN夾雜可長至l～5 μm[6]。另一方面，無取向硅鋼熱軋工藝的開軋溫度和終軋溫度一般控制在1100 ℃和860 ℃左右，這使得AlN、MnS容易在熱軋過程中再次固溶并在卷取過程中重新析出，而細小且彌散分布的MnS析出相對無取向硅鋼的磁性能危害更大。有研究者通過對無取向硅鋼進行稀土處理來控制鋼中MnS、AlN的析出，這同時也促進了微細夾雜物(尺寸為0.1～0.4 μm)的聚合長大，使鋼中夾雜物數量明顯減少[7-8]。

為降低能耗和提高生產效率，日本川崎鋼鐵公司提出了鑄坯直接加熱技術[2]，就是將鑄坯冷卻到一定溫度保溫一段時間后直接熱軋(稱該保溫溫度為鑄坯熱裝溫度)或保溫一段時間后快速升溫至軋制溫度后熱軋。目前，國內外冶金工作者關于鑄坯熱裝工藝對取向硅鋼電磁性能的影響已做了不少研究工作，結果表明，合適的熱裝溫度能控制加熱過程中AlN、MnS的固溶及抑制后續熱軋時AlN、MnS的析出，最終改善了取向硅鋼的磁性能[9-10]，但有關鑄坯再加熱溫度對無取向硅鋼中夾雜物析出行為影響[11]的研究報道較少。基于此，本文對經不同熱裝溫度處理后，無取向硅鋼鑄坯中微細夾雜物的類型、形貌、數量及尺寸分布等進行了系統的研究，并分析了其形成機理，以期為無取向硅鋼鑄坯熱裝工藝的合理制定提供參考。

1 試驗

無取向硅鋼的生產流程如圖1所示。采用CS-8800型紅外碳硫分析儀測定鋼坯中C、S含量，用IRIS-Advantage型ICP-AES分析儀測定鋼中Al、Si、Mn、P、Ca、Mg含量，用LECO-TC500C型氧氮分析儀測定鋼中T[O]和T[N]含量，得到試驗鋼的化學成分如表1所示。

為模擬鑄坯熱軋前的再加熱處理工藝，在鑄坯中部相鄰位置取6塊試樣(100 mm×20 mm×2 mm)，編號為1#～6#。首先，將6塊試樣同時放入高溫電阻爐中，在0.1 MPa的氬氣氣氛中，于1150 ℃下加熱處理120 min，然后在不同條件下將試樣冷卻至不同溫度，即：1#鋼樣直接隨爐冷卻至室溫，冷卻速率約為10 K/min；2#～6#鋼樣分別隨爐冷卻至1100、1000、900、800、700 ℃，保溫120 min后進行水淬處理，水淬過程的冷卻速率約為900 K/min。

圖1 無取向硅鋼的生產流程

CSiMnPSAlCaMgCuT[O]T[N]0.00292.890.440.0110.00080.940.00040.0170.00600.00100.0014

將模擬熱裝處理后的試樣切割成小塊，經磨制、鑲嵌、拋光后制成金相試樣。利用Nova 400 Nano型場發射掃描電鏡(FE-SEM)結合Le350 PentaFETx-3型能譜儀(EDS)，對試樣中夾雜物的形貌及成分進行表征；在10000倍下，每組試樣連續觀察40個視場并拍攝照片，每個視場的分析面積為762.53 μm2，利用圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.0統計各視場下不同粒級的夾雜物的數量及尺寸，并根據統計數據計算鋼中夾雜物的平均尺寸和單位面積夾雜物數量。

2 結果與分析

2.1 夾雜物的形貌及組成

根據SEM和EDS分析結果可知，試驗用無取向硅鋼經不同熱裝溫度處理后，鑄坯中氧化物夾雜主要為硅酸鋁、硅酸鎂和硅酸鋁鎂類復合夾雜，其形貌與成分如圖2～圖4所示(夾雜物中各元素含量用摩爾分數表示)，并以2#～4#鋼樣為例統計夾雜物的平均組成，結果列于表2和表3中。試驗鋼中Al、Si含量較高，分別為0.94%和2.89%，其可與鋼中溶解[O]反應生成Al2O3和SiO2夾雜，并復合形成3Al2O3·2SiO2夾雜，AlN則以3Al2O3·2SiO2為核心包裹析出。鋼中的Mg主要是Al還原精煉渣產生的，Mg與SiO2、Al2O3反應形成硅酸鎂類或硅酸鋁鎂類復合夾雜。

圖2為試驗鋼中典型硅酸鋁類復合夾雜物的形貌及成分，其主要為Al2O3-SiO2類和Al2O3-SiO2-AlN類夾雜。由圖2可見， Al2O3-SiO2類夾雜呈不規則形狀，SiO2組分含量高達80%以上；Al2O3-SiO2-AlN類夾雜呈六棱柱或長方棒狀，形狀類似于AlN夾雜，且該類復合夾雜中AlN的含量均相對較高。元素分析可知，當熱裝溫度分別為1100、1000、900 ℃時，AlN組分的平均含量依次為82.71%、85.10%、90.83%，即隨熱裝溫度的降低呈升高的趨勢。

(a) Al2O3-SiO2類

(b) Al2O3-SiO2-AlN類

Fig.2Morphologyandcompositionoftypicalaluminosilicatecompoundinclusions

圖3為試驗鋼中典型硅酸鎂類復合夾雜物的形貌及成分，其主要包括：①MgO-SiO2-MgS類，見圖3(a)；②MgO-SiO2-MgS-CaS類，見圖3(b)；③MgO-SiO2-MgS-CaS-AlN類，見圖3(c)，各類硅酸鎂復合夾雜物的平均組成列于表2中。結合圖3和表2可知，MgO-SiO2-MgS類夾雜呈球形、長方形或不規則形狀，其中MgS組分含量高達50%以上，并且隨熱裝溫度的降低而升高；MgO-SiO2-MgS-CaS類和MgO-SiO2-MgS-CaS-AlN類夾雜主要呈球形或近似球形，MgO-SiO2-MgS-CaS夾雜中MgS含量隨熱裝溫度的降低而降低，平均含量在30%～60%范圍內；不同熱裝溫度處理的鑄坯樣中，AlN在MgO-SiO2-MgS-CaS上的平均析出量約為3%(4#鋼樣的SEM分析視場內未檢測到該類夾雜)，表明熱裝溫度對AlN析出的影響較小。從表2中還可以看出，夾雜物中CaS的析出也會對MgS的析出產生一定的影響。

(a) MgO-SiO2-MgS類

(b) MgO-SiO2-MgS-CaS類 (c) MgO-SiO2-MgS-CaS-AlN類

圖4為試驗鋼中典型硅酸鋁鎂類復合夾雜物的形貌及成分，包括：①MgO-Al2O3-SiO2-MgS類，見圖4(a)；②MgO-Al2O3-SiO2-MgS-CaS類，見圖4(b)；③MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN類，見圖4(c)，其平均組成如表3所示。結合圖4和表3可知，MgO-Al2O3-SiO2-MgS夾雜呈長方形或球形，隨著熱裝溫度的降低，MgS組分的平均含量逐漸升至50%以上；MgO-Al2O3-SiO2-MgS-CaS夾雜呈近似球形，MgS平均含量相對較高，CaS平均含量為4%～7%；MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN類夾雜主要呈六棱柱或球形，AlN平均含量在60%以上，且隨著熱裝溫度的降低，AlN組分的平均含量呈先升高后降低的趨勢，MgS含量則與之相反。

試驗鋼中析出相主要為AlN、MgS和MgS-AlN復合相，極少量硫化物以CaS的形式析出，且幾乎不存在MnS。典型硫化物和氮化物夾雜的形貌及成分如圖5所示。圖5(a)為AlN夾雜，

(a) MgO-Al2O3-SiO2-MgS類 (b) MgO-Al2O3-SiO2-MgS-CaS類 (c) MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN類

圖4 典型硅酸鋁鎂類復合夾雜物的形貌及成分

主要呈六棱柱或長方棒狀；圖5(b)為MgS夾雜，主要呈球形；鋼中MgS易與AlN復合析出，形成多邊形狀的MgS-AlN復合夾雜，如圖5(c)所示，且不同熱裝溫度處理的鑄坯樣中AlN組分的平均含量高達90%以上，元素分析顯示夾雜中AlN、MgS含量隨熱裝溫度的變化情況與MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN夾雜類似。

綜合上述分析可知，鋼中含MgS、AlN夾雜物主要呈球形和六棱柱形狀，少量呈長方棒或不規則形狀，這與夾雜物中AlN、MgS的含量有關，即含AlN較高的夾雜主要呈六棱柱或長方棒狀，含MgS較高夾雜的主要呈球形。六棱柱狀復合夾雜形成的原因是AlN受晶體極性的影響沿[0001]方向優先生長[12]；長方棒狀復合夾雜形成則是因為AlN在鐵素體中析出時沿錯配度較小有利方向生長[13]；MgS的開始析出溫度較高，其它長方狀的MgS形成后，原子有足夠的時間從高濃度的棱角處向低濃度的平面處擴散，最終使得復合夾雜呈球形。

(a) AlN夾雜

(b) MgS夾雜 (c) MgS-AlN夾雜

圖5典型含氮、硫復合夾雜物的形貌及成分

Fig.5Compositionandmorphologyoftypicalinclusionscontainingnitrogenandsulfur

2.2 夾雜物的數量及尺寸分布

經統計分析，不同熱裝溫度處理后，鑄坯樣中夾雜物的單位面積數量NA、平均直徑dmean和最大直徑dmax如表4所示。由表4可見，隨著熱裝溫度的降低，鋼中夾雜物的單位面積數量NA呈先降低后增加并再降低的趨勢，當熱裝溫度為700 ℃時，鑄坯單位面積夾雜物數量最小，約6492個/mm2，且尺寸小于0.1 μm的夾雜物數量密度最低，約2688個/mm2。從表4中還可以看出，試驗鋼中尺寸小于0.5 μm的夾雜所占比例均超過96%，即鑄坯熱裝溫度可能對0.5 μm以上的夾雜物影響不大，其主要通過影響鋼中析出物固溶情況，來改變0.5 μm以下的夾雜物的分布。經不同熱裝溫度處理后，鑄坯中夾雜物的平均直徑均相對較小，在0.12～0.22 μm之間，其中在700 ℃下保溫處理時，鑄坯中夾雜物的平均直徑最大(0.22 μm)，尺寸小于0.5 μm的夾雜物數量密度最低。因此，本試驗條件下最適宜的鑄坯熱裝溫度為700 ℃。

表4 鋼樣中夾雜物的數量密度、尺寸及粒徑分布

此外，試驗用無取向硅鋼的熱軋溫度為860～1100 ℃，研究此溫度范圍內尺寸大于0.5 μm的夾雜物的析出規律，對促進夾雜物的長大、減少熱軋過程中細微夾雜物的析出同樣具有指導意義。故本研究以2#～4#鋼樣為例，對鑄坯中粒徑大于0.5 μm的夾雜物的類型、數量百分比Fb、平均直徑及最大直徑進行統計，結果見表5。

由表5可知，不同熱裝溫度處理的鑄坯樣中，尺寸大于0.5 μm的夾雜物里單獨析出的氧化物夾雜數量較少，其主要為含MgS復合夾雜、含AlN復合夾雜、MgS-AlN復合夾雜及單獨的AlN析出物。隨著鑄坯熱裝溫度的降低，含AlN復合夾雜(Al2O3-SiO2-AlN)所占比例有所降低；當溫度由1100 ℃降至1000 ℃時，單獨析出的AlN夾雜的數量分數顯著升高，但隨著溫度的進一步降低，其所占比例略有降低。MgS-AlN類復合夾雜(包含單獨析出和包裹氧化物析出兩部分)數量分數隨著熱裝溫度的降低也有所減少，2#～4#鋼樣中其所占比例依次為37.83%、34.88%、30.56%，但4#鋼樣中單獨析出的MgS-AlN復合夾雜的數量分數較高，約為16.67%。從表5中還可以看出，當熱裝溫度為900 ℃時，由于MgS大量在氧化物表面析出，MgS類復合夾雜的數量顯著增加，其所占比例為38.90%，且與2#和3#鋼樣相比，增加了約60%和52%。

表5 鋼樣中尺寸大于0.5 μm的夾雜物類型及其數量分數和尺寸

3 討論

3.1 熱裝溫度對鋼中硫化物夾雜析出的影響

與其它研究不同，本試驗條件下無取向硅鋼中硫化物的存在形式主要為MgS。含MgS復合夾雜的析出方式主要有4種，即：①MgS單獨與氧化物復合；②MgS與AlN復合析出或共同與氧化物復合；③MgS與CaS共同與氧化物復合；④MgS、CaS和AlN共同與氧化物復合，其中第①、②類為其主要析出方式。由表5可知，尺寸大于0.5 μm的MgS類復合夾雜的最大粒徑約為3.31 μm，且尺寸分布在1～3 μm的夾雜物數量最多，該類夾雜物的尺寸與氧化物核心的類型、尺寸及鑄坯的熱裝溫度均有關。

以鑄坯中所占比例較高的第①、②類含MgS復合夾雜為例，即MgO-SiO2-MgS、MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN夾雜和MgS-AlN析出相，考察熱裝溫度對夾雜物尺寸及析出行為的影響。由表5可知，當熱裝溫度分別為1100、1000、900 ℃時，這兩類復合夾雜物的平均尺寸均隨著熱裝溫度的降低而略有升高，且第②類復合夾雜物的平均尺寸(1.85～2.06 μm)明顯大于第①類(1.05～1.13 μm)，而MgS-AlN復合析出相的尺寸則受熱裝溫度的影響較小。結合表2可知，MgO-SiO2-MgS夾雜中MgS組分的平均含量隨著熱裝溫度的降低而增加，在52.76%～72.62%范圍內，即MgS在氧化物核心上的析出接近飽和，這使得該類夾雜的平均尺寸隨著MgS含量的增加而增大。由表3可知，MgO-Al2O3-SiO2-MgS-AlN夾雜中AlN組分的平均含量相對較高，均在60%以上，即AlN析出物在氧化物夾雜上接近飽和；當熱裝溫度為1100、1000 ℃時，AlN組分的平均含量有所增加，即AlN在氧化物夾雜核心上析出的厚度增加，其平均尺寸則隨之增加；當熱裝溫度為900 ℃時，雖然AlN的平均含量略有降低，但MgS組分的平均含量明顯升高，這也使得此溫度條件下鑄坯中該類夾雜的平均尺寸相對增加。由此可見，熱裝溫度可以通過影響夾雜物中MgS、AlN的析出行為來調控夾雜物的尺寸，且在熱裝溫度相對較高時，AlN的析出對夾雜物的尺寸影響更大。

以第③、④類方式析出的夾雜物占含MgS復合夾雜的比例較小，其尺寸約在0.54～1.91 μm范圍內，這兩類夾雜中均有CaS存在，含量約為2.07%～10.22%。結合表2和表3可知，第③、④類夾雜中，MgS組分的平均含量隨熱裝溫度的降低而降低，這與第①、②類夾雜中MgS組分平均含量的變化趨勢相反，這可能是CaS析出會對MgS的析出起抑制作用。另外，經比較可知，含CaS的MgS類復合夾雜的平均尺寸明顯小于含AlN或MgS單獨與氧化物復合的夾雜物。

3.2 熱裝溫度對鋼中微細夾雜物析出的影響

根據上述分析可知，鑄坯熱裝溫度主要影響MgS、AlN的析出特性，本試驗用鋼中不存在任何形式的MnS析出。試驗鋼在再加熱過程中呈鐵素體相，鐵素體鋼中MnS、MgS和AlN的開始析出溫度采用下式[14-15]計算：

log(w[Mn]·w[S])=-10 590/T+4.902

log(w[Mg]·w[S])=-28 434.58/T+11.8

log(w[Al]·w[N])=-11 420/T+5.12

根據鋼的成分，計算得到MnS、MgS、AlN在鐵素體相中的開始析出溫度分別為1130、1323、1154 ℃。由于MgS的開始析出溫度高于MnS，Mg、Ca與硫的結合能力強于Mn且Mg的擴散速度比Ca快，這使得MnS的析出可能會受到CaS、MgS析出的抑制，可能是導致本試驗用無取向硅鋼中未檢測到MnS的主要原因。當熱裝溫度較低時，鋼中微細夾雜物析出較慢，析出物更容易長大，這在一定程度上降低了鋼中細小析出物數量。由于異質形核比均勻形核所需的能量更低，析出相優先會在氧化物表面析出形成復合夾雜，單一析出相的數量相對較少。除受熱裝溫度的影響外，微細夾雜物的析出還與鋼中元素含量有關。本試驗用鋼中Al含量高而Mg含量較低，這使得AlN析出相比MgS析出相多,盡管隨熱裝溫度的降低MgS比AlN優先在鋼中析出，但在1000 ℃以上熱裝時，AlN的析出速度要高于MgS。另外，MgS或AlN在氧化物上的復合析出也與析出物和氧化物核心的晶體結構有關。

4 結論

(1) 試驗用無取向硅鋼中夾雜物主要為硅酸鋁類、硅酸鎂類、硅酸鋁鎂類復合夾雜及MgS-AlN復合析出相。AlN、MgS組分的含量會影響復合夾雜物的形貌， MgS含量較高的復合夾雜主要呈球形，部分呈長方形或不規則狀，含AlN較高的復合夾雜則主要呈六棱柱或長方棒狀。

(2) 降低熱軋前鑄坯的熱裝溫度，有利于降低無取向硅鋼中尺寸小于0.5 μm的微細夾雜物數量。本試驗條件下，最適宜的鑄坯熱裝溫度為700 ℃。

(3) 鑄坯樣中MgS類復合夾雜中，隨著熱裝溫度的降低，MgS組分的平均含量有所升高，復合夾雜的平均尺寸也相對增加，但當復合夾雜中有CaS析出時，MgS的析出會受到抑制。

(4) 本試驗用無取向硅鋼中未檢測到任何形式的MnS析出相。

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