稀土元素在鑄鋼中的應用

趙國偉,張生存,龔明健，王 平

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著科學技術的不斷發展，人們越來越意識到材料對裝備制造業的重要性，傳統煉鋼使用的Al、Si脫氧劑已經很難滿足力學性能要求，而稀土作為一種新型的鑄件材料被運用到煉鋼領域。常用的稀土煉鋼劑主要有La、Ce兩種元素，他們通常被制作成稀土合金或純稀土加入到鋼液中。稀土具有良好的脫氧、脫硫效果，同時他們加入到鋼液中可以起到對夾雜物MnS進行變性[1]的作用，使其利于上浮到鋼渣表面，但同時如果稀土元素沒有被利用好，它將對煉鋼生產起到一定的副作用，例如稀土加入不合理，利用率低，增加煉鋼投入成本，或者是稀土加入后形成的稀土氧化物沒有及時上浮，將對鋼液質量形成一定的影響。所以本文主要研究了稀土對鑄鋼的作用，以及煉鋼過程中稀土的加入方式等。

1 稀土煉鋼的相關理論

熱力學分析和大量有關鋼中稀土夾雜物的研究表明，鋼中[O]、[S]含量在一定范圍內，鋼液中加入稀土時，極易生產稀土氧硫化物。當鋼中氧含量降至20×10-6以下時，加入鋼液中的稀土首先形成Re2O3S型夾雜物，而后形成Re3S4或ReS型的硫化物，這些硫化物包裹在氧硫化物外圍，組成復合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物，它們熔點高且非常穩定，呈球狀，鋼液經過適當的鎮靜之后，這些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸鹽化合物將從鋼中排除，從而凈化了鋼液[2]。稀土在鋼中的作用90%是通過對硫化物形態的控制來實現的，當Re/S為2.7～3時，硫化物形態控制效果達到最佳狀態。

稀土加入鋼液中產生的球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的長條狀MnS夾雜，使硫化物形態得到控制，提高了鋼的熱塑性，特別是橫向沖擊韌性，同時稀土使棱角狀高硬度的氧化鋁夾雜轉化為球狀硫氧化物及鋁酸稀土，有利于提高鋼的耐疲勞性能[3]。

2 稀土在鑄鋼中的應用

2.1 稀土在鑄鋼中的加入工藝

稀土主要以純稀土或稀土鐵合金的形式加入到鋼液中。本文主要研究含Ce20%的稀土鐵合金（見圖1）加入工藝。

圖1 20%鈰鐵合金

（1）為保證鈰鐵合金的回收率，我們選擇在精煉后期加入，不但可以提高Ce的回收率，同時在精煉末期Ce可以起到對夾雜物MnS的變性作用，而不是單純的脫氧、脫硫。加入鈰鐵前鋼水氧活性控制在10×10-6以下、S含量小于0.008%、溫度大于1570℃，確保鋼渣流動性良好，可防止Ce的過氧化，鈰鐵合金回收率如表1所示。通過統計，鈰鐵的回收率可以達到60%左右。

（2）由于鈰鐵合金主要是對MnS等夾雜物進行變性，加入過少對夾雜物起不到變性的效果，加入太多的話，形成的CeO很難上浮到鋼渣面，對鑄件質量會有一定的影響。最終我們將鈰鐵合金的加入量控制在0.5kg/t鋼，這樣既能對夾雜物起到一定的變性作用，也不會導致加入過量形成稀土夾雜物影響鑄件質量，加入鈰鐵后，保持氬氣處于軟吹狀態，防止鋼液裸露，鎮靜10min后可出鋼澆注，加入鈰鐵后鋼中Ce含量如圖2所示。

圖2 鋼中稀土含量

2.2 稀土對鋼液純凈度的影響

稀土加入到鋼液后首先形成Re2O3S型夾雜物，而后形成Re3S4或ReS型的硫化物，這些硫化物包裹在氧硫化物外圍，組成復合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物，它們熔點高且非常穩定、呈球狀，會迅速上浮到鋼渣表面，以此來凈化鋼液。

表1 LF精煉爐稀土回收率

加入鈰鐵前后，通過分析鋼中夾雜物發現（如圖3、4），加入稀土后鋼液中的夾雜物面積從0.12%降低到0.09%，且夾雜物類型從Ⅲ型的多角形三硫化鋁非球狀夾雜物轉化為Ⅰ型稀土硅酸鹽球狀夾雜物。

圖3 加稀土前金相圖

圖4 加稀土后金相圖

稀土在鋼中不僅可以對夾雜物進行變性，少量的稀土元素還可以與鋼中的 P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害元素相互作用，形成熔點較高的化合物，同時可以抑制這些夾雜物在晶界上偏析，提高鋼的性能。同時稀土能吸收大量的氫，有效降低氫的擴散系數，延緩氫在裂紋尖端塑性區的富集，從而使裂紋擴散的孕育期和斷裂時間延長，抑制鋼中氫引起的脆性和白點。

2.3 稀土對鑄件力學性能的影響

稀土化合物微小的固態質點提供異質晶核，阻礙晶胞長大，為鋼的晶粒細化提供了良好的熱力學條件，所以加入稀土后能細化晶粒，提高鋼的力學性能。夾雜物的形態控制是稀土在鋼中的主要作用之一，稀土可以控制硫、氧等夾雜物的形態，鋼中加入稀土后，形成的稀土硫化物會代替MnS夾雜。稀土化合物在熱加工變形時仍保持細小的球形，均勻地分布在鋼中，明顯的提高鋼的韌性、沖擊性及高溫持久性等；同時，固溶在鋼中的稀土通過擴散機制富集于晶界，減少雜質元素在晶界的偏聚，強化了晶界，改善鋼的性能。

3 結論

（1）稀土主要是在精煉后期加入，加入前一定要控制好鋼液的溫度、氧活性以及鋼中S含量，確保稀土的回收率。

（2）稀土加入量應控制在0.5kg/t左右，加入不宜過多，過多會形成稀土夾雜物，不容易上浮，影響鑄件質量。

（3）稀土主要是對鋼中的MnS夾雜進行變性，加入后鋼中的夾雜物明顯減少，起到凈化鋼液的作用；同時鋼中存在一定量的稀土元素可以提高鋼的沖擊、高溫持久等性能。