無取向硅鋼RH精煉過程中夾雜物行為研究

陳天穎，劉 靜，程朝陽，駱忠漢，畢云杰

(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. 國家硅鋼工程技術研究中心，湖北 武漢，430080)

無取向硅鋼中非金屬夾雜物對成品板的磁性能和力學性能有著顯著影響[1-2]，特別是微細夾雜物，它們的存在不僅會阻礙晶粒長大、引起晶格畸變，還可能促進磁時效，惡化無取向硅鋼的磁性能[3-4]。近年來，RH精煉成為提高鋼液潔凈度的的重要工藝環節，該過程能去除鋼中夾雜物，完成絕大部分脫氧產物上浮、去除的任務[5-8]。因此，深入研究RH精煉工藝過程中夾雜物的演變規律，對充分去除鋼中夾雜物、提高硅鋼質量，最終改善成品板的磁性能具有重要意義。赤小浩等[9]研究了無取向硅鋼從轉爐終點到中間包階段夾雜物尺寸、數量及種類的變化，結果顯示，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]研究了無取向硅鋼從鋁脫氧到硅鋼片成品過程中夾雜物數量的變化，發現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精煉流程結束前后夾雜物的數量、尺寸及成分變化，而對RH精煉過程中各環節的夾雜物行為尚缺乏系統深入的研究。

為此，本文針對高效電機用無取向硅鋼，現場跟蹤其RH精煉過程，系統研究了不同階段鋼中顯微夾雜物的演變規律，以期為無取向硅鋼RH精煉工藝的合理制定提供依據。

1 試驗材料和方法

試驗鋼為某鋼廠生產的無取向硅鋼，轉爐冶煉后以4爐進行一個循環澆鑄，按順序依次為：開澆爐→連澆爐1→連澆爐2→尾爐。對每一爐的RH精煉過程按6個不同環節進行取樣，即RH進站、脫碳結束、加Al一個循環、加Al兩個循環、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對鋼樣中夾雜物進行系統的分析，利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件統計鋼樣中夾雜物數量、尺寸并計算夾雜物的面積分數，計算方法如式(1)所示：

(1)

式中：AA為非金屬夾雜物面積分率，%；di為不同尺寸范圍內夾雜物的平均直徑，μm；ni為不同尺寸范圍夾雜物的個數；D為視場直徑，μm；N為視場數，N=60個。

2 結果與討論

2.1 夾雜物的分布情況

根據4爐不同取樣點的夾雜物統計結果可知，不同爐次中夾雜物的演變規律基本相同，即隨著RH精煉過程的進行，鋼中夾雜物數量不斷減少。以連澆爐1為例，不同取樣點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進站時，鋼樣中夾雜物的數量較多，尺寸相對較大，并且均勻分布于整個視場中；脫碳結束后，鋼樣中夾雜物數量、尺寸沒有明顯變化，分布較為均勻，未發現偏聚現象；加Al脫氧一個循環后，試樣中夾雜物數量大幅減少，顆粒尺寸明顯細小；加Al兩個循環后，夾雜物數量繼續減少，但細小夾雜物有長大的趨勢；合金化和RH出站時，鋼樣中夾雜物數量仍很少，以細小夾雜物為主，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大。從圖中還可以觀察到，整個RH精煉過程中，夾雜物以球形和橢球形為主，還存在少量的不規則狀的夾雜。

(a) RH進站 (b) 脫碳結束 (c) 加Al一個循環

(d)加Al兩個循環 (e) 合金化 (f) RH出站

圖1連澆爐1中不同取樣點典型的夾雜物分布

Fig.1Typicalinclusionprofileatdifferentsamplingtime-pointsincontinuouscastingfurnace1

經統計分析，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，鋼中夾雜物的尺寸大多集中在1～2 μm范圍內，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，該無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，這是因為RH精煉過程Al脫氧去除了大部分尺寸較大的夾雜物且生成了大量細小的夾雜；而合金化結束后，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，表明細小的夾雜物在該階段碰撞聚合長大。

(a) 開澆爐 (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

細小夾雜物對硅鋼的磁性能影響較大，故利用FIB FESEM對鋁脫氧后Al2O3夾雜物形態進行觀察。加Al脫氧一個循環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脫氧一個循環時，反應生成了十分細小的Al2O3夾雜物；此外，1～2 μm尺寸的典型夾雜物呈尖角不規則形狀，該類夾雜物對鋼的性能影響較大，應適當延長鋁脫氧的凈循環時間，使其充分長大后上浮去除。

(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1處EDS (e) 點2處EDS

圖3加Al脫氧一個循環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精煉過程的進行，鋼樣中尺寸小于1 μm的夾雜物占比總體呈上升的趨勢。從RH進站到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/mm2，而尺寸大于1 μm的夾雜物平均減少了8.78 個/mm2。顯然，0～1 μm尺寸夾雜物數量的減少幅度遠遠小于尺寸大于1 μm的夾雜物的降幅。

2.2 夾雜物的體積分數及鋼中氧含量分析

根據統計結果，利用式(1)計算各爐次RH精煉不同階段夾雜物的面積分數。定量金相學指出，面積百分數等同于體積百分數，而鋼中夾雜物的體積分數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數計算結果如圖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數變化

Fig.5VolumefractionchangeofinclusionsofdifferentstagesofRHrefiningindifferentheats

由圖5可見，隨著RH精煉的進行，夾雜物的體積分數不斷減小，表明鋼中夾雜物數量不斷減少，鋼液潔凈度提高。加Al一個循環后，鋼中夾雜物的體積分數下降最快，結合統計結果可知，從RH進站到加Al一個循環后，4爐試驗鋼中夾雜物的平均去除率為71.6%，而從RH進站到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脫氧一個循環時已去除了鋼中大部分的夾雜物，夾雜物體積分數降幅最大，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地反映鋼液潔凈度變化。對4爐次中RH進站、加Al一個循環及RH出站3個階段的T[O]含量進行分析取平均值，結果示于圖6中。由圖6可知，由RH進站到加Al脫氧一個循環，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%，可見加Al后夾雜物的去除效果顯著，至RH出站時，鋼中大部分氧化物夾雜已被去除。顯然，RH精煉過程鋼中T[O]含量的變化規律與夾雜物的定量分析結果一致。

圖6 RH精煉過程鋼中T[O]含量變化

Fig.6VariationofT[O]contentinsteelduringRHrefining

對比圖5中不同爐次RH進站時夾雜物的體積分數可知，隨著澆鑄爐次的增加，RH進站時夾雜物的體積分數降低，鋼液的潔凈度則越高。結合實際生產分析，開澆爐是第一爐澆鑄，由于鋼液沖擊鋼包內壁時，所造成的耐火材料剝落情況較為嚴重，這會向鋼液中引入新的夾雜物，導致鋼中夾雜物的體積分數增大。隨著澆鑄爐次的增加，耐火材料的剝落情況相對減輕且趨于穩定，對鋼液潔凈度的影響越來越小，所以RH進站時鋼中夾雜物的體積分數也不斷減小。

2.3 夾雜物的成分分析

對各爐次RH精煉不同階段鋼中夾雜物進行EDS分析，統計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。結合圖7和表1可知，RH進站時鋼中夾雜物主要為Al2O3-MgO，還有少量以Al2O3-MgO為核心、MnS包裹析出的 Al2O3-MgO-MnS復合夾雜，其EDS面掃描分析結果如圖8所示。夾雜物中[Mg]來源于爐渣和包襯，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果，該夾雜的形成分兩種情況[11]：一種是[Mg]與Al2O3夾雜發生如式(2)所示的反應；另外一種情況是，鋼液中的[Al]與MgO夾雜發生如式(3)所示的反應：

(2)

(3)

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

脫碳結束后，鋼樣中的夾雜物以MnO為主，還存在少量的Al2O3夾雜，該過程中大部分Al2O3-MgO夾雜被去除，此時，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一個循環后，夾雜物全部轉變成Al2O3，這是因為加入的Al與鋼液中的溶解[O]反應生成Al2O3，反應如式(4)所示：

(4)

加Al兩個循環后，試樣中出現少量的Al2O3-MgO復合夾雜。合金化后，夾雜物以Al2O3-SiO2-MnO為主，同時還發現少量的Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-CaO-SiO2復合夾雜；RH出站時，夾雜物主要為Al2O3-MgO，還有少量的Al2O3-MgO-CaO復合夾雜。

(a) RH進站

(b) 脫碳結束

(c) 加Al一個循環

(d) 加Al兩個循環

(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 結論

(1)所研究無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，還存在少量不規則形狀夾雜。從RH進站到RH出站，鋼中夾雜物的數量不斷減少，共減少了9.63個/mm2，而小于1 μm的夾雜物平均減少了0.85個/mm2，細小夾雜物的去除效果不明顯。

(2)RH進站時鋼中夾雜物以Al2O3-MgO為主，還有少量的 Al2O3-MgO-MnS復合夾雜；脫碳結束后，夾雜物主要是MnO及少量的Al2O3夾雜物；加Al后，夾雜物全部轉變為Al2O3，隨著加Al時間的延長，還發現少量的Al2O3-MgO復合夾雜。合金化后，夾雜物以Al2O3-SiO2-MnO為主，同時還發現少量的Al2O3-MgO-SiO2、Al2O3-CaO-SiO2復合夾雜物；RH出站時，夾雜物主要是Al2O3-MgO，還有少量的Al2O3-MgO-CaO復合夾雜。

(3)加Al一個循環時，鋼中夾雜物的體積分數下降最快，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小的夾雜物，且隨著加Al循環的進行，夾雜物有長大的趨勢。適當延長鋁脫氧的凈循環時間，可能是促進細小夾雜物充分長大并上浮去除的有效途徑。