不銹鋼冶煉過程中夾雜物形成與變化

張海峰

摘要：文章以321不繡鋼為例，對不銹鋼在冶煉加工中，夾雜物的形成以及變化進行研究，對二次氧化、Ti、Al與Ca在夾雜物方面產生的影響進行分析。結果表明該型號鋼冶煉時主要存在了iN與CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃兩種類型夾雜物。在喂鈦線之前存在CaO-TiO₂與CaO-SiO₂-Al₂O₃以及其他夾雜物。完成喂鈦線處理之后，主要含有CaO-TiO₂-MgO·Al₂O₃。若是沒有借助Ca-Si與Al進行脫氧，或借助Ca-Si進行脫氧之后，在喂鈦線前進行吹氬弱攪拌處理，能夠有效排出CaO夾雜物。

關鍵詞：不銹鋼;冶煉;夾雜物;形成和變化

中圖分類號：TF764⁺.1文獻識別碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0129-04

321不銹鋼為鈦穩定化奧氏體不銹鋼，在工業生產中一般存在兩方面問題，①開展連鑄工作時，浸入式水口容易出現結瘤問題，對澆鑄作業造成一定影響。②板坯修磨有著較大損失，同時，薄板、中板等產品的表面存在較為嚴重的缺陷問題。此種問題產生的主要原因在于，該型號鋼在冶煉過程中出現夾雜物。分析321不銹鋼冶煉中，夾雜物形成規律與變化規律，可以使連鑄作業中水口結瘤現象得到有效解決，并使產品表面質量得到提升。

1冶煉條件以及研究方法

321不銹鋼生產流程如下：①電弧爐;②AOD爐;③鋼包底吹氬;④板坯連鑄。基于兩種冶煉環境進行不銹鋼取樣（爐號為243與301，見表1，為其化學成分）。

243爐開展冶煉工作時，借助Ca-Si與Al進行脫氧處理，未使用氬封處理浸入式水口。301爐開展冶煉工作時，為采用Ca-Si與Al進行脫氧處理，使用氬封處理浸入式水口，同時AOD出鋼之后，將鋁酸鈣渣料加入鋼包渣面中。見表2，243爐與301爐鋼包渣成分。

開展冶煉工作時，在AOD爐中、出鋼之后的鋼包中以及吹氬喂線鋼包中與鑄坯處等位置進行去氧。同時對鋼樣進行金相樣繪制，借助金相顯微鏡，對夾雜物尺寸、形狀以及數量進行觀察。由單位面積中φ5um夾雜物個數代表氧化物夾雜物。之后，對試樣中各個類型夾雜物進行標記，并借助電鏡能譜進行分析，以確定夾雜物具體成分。

2結果和分析

研究結果顯示，可以將321不銹鋼顯微夾雜物分為氧化物與TiN兩種類型夾雜物。

2.1TiN夾雜物

完成喂鈦線處理之后，在鋼液中形成TiN夾雜物。該夾雜物主要有不含MgO·Al₂O₃芯與含MgO.Al₂O₃芯不同形式。

隨著鋼中氮、鈦含量增加，TiN析出數量也會有所增加。301爐與243爐氮、鈦質量分數基本相同，然而在含MgO·Al₂O₃芯中TiN數量存在加大差異，如圖1所示。

通過圖3能夠發現，與243爐相比，301爐鋼中含芯TiN數量更少。MgO'Al₂O₃存在于鋼液中時，可以通過這些質點將TiN析出。另外，301爐中鋁含量低于0.005%，在243爐中則為0.018%，由此確定301爐中MgO'Al₂O₃含量較少，進而確定含芯TiN含量同樣較少。

若是在澆鑄過程出現二次氧化現象，則TiN會變為Ti₃O₅或是TiO₂，如公式（1）所示。

通過公式（2）計算基結果顯示，在溫度達到1600℃與氮含量為0.02%情況下，氧活度達到7.2x10^-6以上，則會產生TiO₂。若是產生Ti₃O₅，則TiN被氧化時的氧活度使4.2x10^-6。243爐為借助氬封對浸入式水口進行處理，因此會存在一定空氣，將鋼液中TiN氧化為TiO_x，因此，水口結瘤物并無TiN。

通過相關實驗研究表明，若是鋼中氧含量低于10x10^-6，TiN具有良好的穩定性，僅僅存在少量TiN會與SiO₂發生反應，產生TiO_x，。在氧含量高于10x10^-6時，Ti與TiN均會發生氧化放映，生成TiO_x。

2.2氧化物夾雜物

2.2.1氧化物夾雜物類型和變化

如表3所示，列出301爐和243爐開展冶煉連鑄工作時，在各個階段中氧化物類型。

通過表3能夠發現：

1）在出鋼前，AOD爐中，301爐和243爐氧化物類型并無明顯差異;

2）301爐沒有通過鋁進行脫氧，鋼中鋁含量低于0.005%，沒有形成Al₂O₃，出鋼過程中沒有添加Ca-Si，然而因為出鋼時，存在鋼渣反應以及鋼渣混充等，致使出鋼之后，出現一些Al₂O₃、MCO、CaO的復合夾雜物。243爐借助鋁進行脫氧，鋁質量分數是0.018%，在出鋼之后有Al₂O₃，在出鋼前添加Ca-Si，因此，鋼中形成CaO-SiO₂、MnO、CaO夾雜物;

3）喂鈦線之后，301爐和243爐氧化物并無明顯差異，主要為CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃，其屬于由MgO·Al₂O₃與CaO·TiO₂構成的夾雜物。

對243爐進行喂鈦線處理之后，CaO-SiO₂以及其他夾雜物中SiO₂被鈦還原，形成CaO.TiO₂，其熔點在1970℃左右。

[Ti]+CaO-SiO₂=[Si]+CaO·TiO₂（s） （3）

因為243爐質量分數達到0.018%，在鋼中鋁含量超出0.001%的情況下，鋁可以和包襯中MRO或是鋼渣發生反應，同時MgO也可以被鈦還原：

2[Al]+3（MgO）=3[Mg]+Al₂O₃（4）

[Ti]+2（MgO）=2[Mg]+TiO₂（5）

之后根據以下反應產生MgO·Al₂O₃，其熔點為2135℃。

2SiO₂+2[Al]+[Mg]=2[Si]+MgO·Al₂O₃（6）

SiO₂+2Al₂O3₃+2[Mg]=2[Si]+2MgO·Al₂O₃（7）

式（6）與式（7）中SiO₂主要存在CaO-SiO₂-Al₂O₃與CaO·SiO₂中，鋼中Mg、Ti與Al會與兩種夾雜物同時發生反應，產生CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃的夾雜物。

301爐中，鋁質量分數不足0.005%，在喂鈦線之后出現的Al₂O₃，主要是由鈦線中鋁在氧化過程中產生的。完成喂鈦線操作后，MnO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO被鈦還原，產生CaO·TiO₂。并且，由于發生式（5）與式（7）反應，產生MgO·Al₂O₃，同時和CaO·TiO₂相結合新的夾雜物，通過能譜分析發現，其中僅含有少量Al₂O₃、MgO與TiO₂。

4）在301爐與243爐鑄坯中，發現存在夾雜物，主要是由于鈦將保護渣SiO₂還原產生單質硅之后，在結晶器鋼液迅速冷卻過程中，硅未及時熔解于鋼液中，即在鑄坯中冷凝。

2.2.2氧化物數量變化

如圖2所示，是301爐與243爐在不同階段中，鋼中單位面積內ψ5um夾雜物數量變化。

通過圖1能夠發現：

1）243爐通過Ca-Si于Al進行脫氧處理，出鋼之后含有少量氧，因此僅產生少量CaO-SiO₂-Al₂O₃與CaO·SiO₂夾雜物。然而因為在喂鈦線之前，吹氬強度較大，導致鋼液面裸露進行發生二次氧化反應，導致夾雜物數量明顯上升。完成喂鈦線處理之后，鋁、鈦等夾雜物發生反應，產生CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃。并且在完成喂鈦線之后，并未降低吹氬強度，導致鋼中夾雜物難以充分排除，出現二次氧化問題，導致鋼中夾雜物含量不斷上升，因此，中間包和鑄坯中的夾雜物會隨之增加。因為243爐連鑄的侵入式水口沒有進行氬封處理，因此連接位置密封性較差，在中間包到鑄坯等環節的夾雜物有所上升。

通過本項研究，發現不采用鋁進行脫氧處理，在出鋼過程中添加Ca-Si，借助在喂鈦線之前進行吹氬弱攪拌，將CaO夾雜物充分排出，使吹氬攪拌以及澆鑄環節中二次氧化問題得到有效控制，并減少CaOTiO₂-MgO·Al₂O₃數量。

2）301爐通過Ca-Si于鋁進行脫氧處理，在出鋼之后，氧含量較少，MnO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO含量較多。然而因為在喂鈦線之前進行吹氬弱攪拌處理，有效防止產生鋼液面裸露問題，進而有效將部分夾雜物排出。完成喂鈦線之后，鈦將該復合夾雜物于爐渣以及包襯中MgO還原，產生TiO₂夾雜物。因為對鋼包渣成分進行一定調整，因此，301爐的鋼包渣可以對TiO₂夾雜物進行充分吸收，使鋼中氧化物得到有效控制。浸入式水口進行氬封處理，可以進一步控制中間包與鑄坯等環節的夾雜物含量。通過本項研究，通過對CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃進行有效控制，能夠減少其在水口上的結瘤問題。

2.2.3夾雜物尺寸

如圖3所示，呈現301爐與243爐在不同環節中的夾雜物直徑。

通過圖2能夠發現，①因為243爐有著較大的吹氬強度，導致鋼液出現卷渣以及二次氧化等問題，致使鋼的夾雜物持續上升，夾雜物不斷聚集，導致在吹氬之后夾雜物的均值不斷上升。因為浸入式水口沒有進行氬封處理，致使中間包和鑄坯環節夾雜物尺寸變大。②對于301爐，在出鋼后至鑄坯環節，夾雜物尺寸上升，但是波動幅度較小。

3結語

1）321不銹鋼存在含芯和不含芯TiN夾雜物，鋁含量較低，產生含芯TiN夾雜物的數量較少。若是澆鑄過程出現二次氧化現象，一些TiN會產生氧化放映，生成TiO_x。

2）將321不銹鋼放人AOD爐中進行精煉，因為通過Ca-Si與Al進行脫氧處理，并且爐渣與鋼液發生反應，因此，在出鋼后會產生CaO-SiO₂-Al₂O₃以及CaO-SiO₂夾雜物。

3）借助Ca-Si進行脫氧處理時，借助吹氬弱攪拌處理，或是不采用Ca-Si與Al進行脫氧處理，將CaO-SiO₂-Al₂O₃以及CaO-SiO₂夾雜物有效排出，進而對喂鈦線前的CaO夾雜物進行有效控制。

4）對吹氬強度進行充分控制，防止出現鋼液面裸露問題以及其它問題，能夠有效控制通過二次氧化形成的夾雜物。