Ca處理對鋼中低熔點大尺寸夾雜物數量的影響研究

張建斌　屈志東　孟曉玲　賀佳佳　林俊

摘要：以某公司08鋼生產工藝為例，對Ca處理和非Ca處理兩種工藝生產的08鋼夾雜物進行了對比分析。LF結束時夾雜物平均成分處于MgO·Al2O3和低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；軟吹結束后，Ca處理鋼完全進入低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物區域，非Ca處理鋼夾雜物部分進入低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物區域；中間包檢測夾雜物以低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物為主。認為非Ca處理鋼在冶煉過程由于爐渣堿度控制較高（R≥5），且Si含量控制0.15%～0.35%，促進鋼液中的Al還原爐渣中的CaO最終使鋼中夾雜物轉變為低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物。利用ASPEX對鑄坯中≥13 μm夾雜物進行掃描，僅關注球形CaO-Al2O3-MgO類夾雜物，此類夾雜物主要為灰色的CaO-Al2O3相，黑色的MgO·Al2O3相，白色的ZrO2相。其中MgO·Al2O3相為低熔點CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相；ZrO2同浸入式水口內襯中所含有的ZrO2顆粒有關，低熔點CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質。統計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥

13 μm低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數量分布，鑄坯中≥13 μm低熔點CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。認為取消Ca處理有利于提高鋼水潔凈度，減少≥13 μm低熔點CaO-Al2O3夾雜物的數量和尺寸。

關鍵詞：大尺寸；低熔點；夾雜物；鈣處理

0 前言

夾雜物控制是高品質特殊鋼生產的難點和重點，為了保證連鑄過程生產順行，通常對Al脫氧鋼采用鈣處理方式，以確保鋼液中夾雜物為低熔點夾雜物。Al脫氧鋼在生產過程中常采取BOF（EAF）+LF+（RH/VD）+CCM生產工藝，在LF結束時進行鈣處理。吳松杰［1］研究了RH前后鈣處理對鋼水潔凈度的影響，發現RH前進行鈣處理會導致鋼液中夾雜物轉變為低熔點小潤濕角夾雜物，在RH過程不利于其去除。季莎［2］分析了鋁脫氧齒輪鋼鈣處理喂鈣線速度、喂鈣量對鋼水夾雜物成分、數量的影響，發現隨著齒輪鋼中T.Ca含量的增加，夾雜物的平均尺寸和數密度逐漸增加。Pretorius［3］分析了低碳鋁鎮靜鋼鈣處理過程對MgO?Al2O3夾雜物變性的行為，認為Ca能夠很好地對MgO?Al2O3類夾雜物進行低熔點化變性處理。秦正豐［4］采用電解萃取法研究了鈣處理鋼中大型球狀/棒狀夾雜物的性質，認為鋼中的大型球狀/棒狀夾雜起源于呈團簇狀的鋁脫氧產物Al2O3，鈣處理使Al2O3夾雜變性為低熔點夾雜物。

對于鈣處理鋼與非鈣處理鋼中低熔點大尺寸夾雜物數量的對比研究還未見較多的報道，因此本文對國內某公司BOF-LF-CCM工藝生產的08鋼進行了取樣分析。利用ASPEX自動掃描電鏡對不同工序及鑄坯中夾雜物的成分和數量的變化情況進行了分析研究，以期為高品質特殊鋼鋼的生產提供技術指導。

1 研究方法

1.1 生產工藝

某公司生產08鋼的工藝為120 t BOF-LF-RH-CCM。初煉爐出鋼后加入鋁塊脫氧，再加入合金，隨后加入渣料；LF精煉過程控制爐渣堿度≥3.5，精煉渣中FeO+MnO≤1.0%，軟吹時間≥15 min。由于Ca處理或不Ca處理極可能導致鋼中夾雜物成分、數量有很大的差異，因此有必要分析兩種工藝下夾雜物的變化情況。08鋼成分要求如下表1所示。

1.2 研究方案

對Ca處理工藝和非Ca處理工藝生產的08鋼進行了生產過程取樣分析，取樣包含LF第三樣（結束樣）、軟吹結束樣、中間包樣及連鑄坯樣，將試樣經過切割、磨拋后，利用ASPEX自動掃描電鏡對不同工序條件下夾雜物的成分和數量的變化情況進行分析研究，連鑄坯重點分析≥13 μm球形鈣鋁酸鹽類夾雜物。

2 研究內容

2.1 夾雜物成分變化情況

2.1.1 Ca處理工藝夾雜物成分變化情況

圖1所示為Ca處理工藝冶煉的08鋼夾雜物平均成分變化趨勢。LF結束時夾雜物平均成分處于MgO?Al2O3和低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；Ca處理后完全進入低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物區域；中間包檢測夾雜物仍以CaO-Al2O3-MgO夾雜物為主，但MgO含量升高。這同諸多學者所報道的Al脫氧夾雜物成分變化趨勢相類似，即在出鋼過程由于Al塊的加入會導致LF冶煉初期生成大量的Al2O3夾雜物，而隨著冶煉的進行夾雜物會逐漸轉變為MgO?Al2O3最終轉變為CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。關于這一轉變順序的原因，許多學者進行了相關研究，CHUNYANG LIU［5］認為爐渣中的CaO和MgO在渣-金屬界面處均能被Al還原，從而向鋼液中提供［Ca］和［Mg］，但鋼液中的溶解［O］對［Ca］的活度有顯著的抑制作用，Ca的活度系數受到溶解［O］的影響接近于0，而Mg的活度系數幾乎是1，因此，MgO?Al2O3首先生成。當溶解［O］逐漸減少時，Ca的活度也隨之增加，［Ca］便會同MgO?Al2O3發生反應，最終生成CaO-Al2O3夾雜物；Zhiyin DENG［6］認為MgO沒有CaO穩定，因此Al更容易還原MgO，從而在LF早期首先生成的應是MgO?Al2O3，隨著精煉時間的推移，鋼水中的Ca會逐漸還原MgO?Al2O3中的Mg和Al，最終生成CaO-Al2O3夾雜物。對于中間包內夾雜物MgO含量升高現象，Eugene B .Pretorius［7］認為鈣處理屬于鋼液中的［Ca］置換夾雜物中Mg，因此鈣處理后鋼液中［Mg］含量升高，在中間包內由于二次氧化會導致重新生產MgO類夾雜物，因此中間包內夾雜物MgO含量較軟吹結束要高。

2.1.2 非Ca處理工藝夾雜物成分變化情況

圖2所示為非Ca處理工藝冶煉08鋼時夾雜物變化趨勢。LF結束時夾雜物平均成分處于MgO?Al2O3和低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物之間；軟吹后和中間包夾雜物成分靠近低熔點CaO-Al2O3-MgO夾雜物區域。對于該現象，JianfeiXu［8，9］認為爐渣堿度及鋼液中Si含量（Si≥0.10%）會影響夾雜物成分，堿度及Si含量越高越有利于鋼液Al還原爐渣Ca進入鋼液，從而導致最終夾雜物在非Ca處理條件下也轉變為低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。08鋼Si成分控制要求0.15%～0.35%；精煉過程爐渣成成分如下表2所示，爐渣堿度實際控制≥5，因此較容易發生渣鋼間Al和CaO反應，導致鋼液增Ca。

3 低熔點大尺寸夾雜物數量對比情況

利用ASPEX對鑄坯中≥13μm夾雜物進行掃描，僅關注球形CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。下圖3所示為鈣處理工藝和非鈣處理工藝最終在鑄坯中發現的低熔點大尺寸夾雜物掃描電鏡形貌圖。圖中灰色相為CaO-Al2O3相，黑色相為MgO?Al2O3相，白色相為ZrO2相。其中MgO?Al2O3相為低熔點CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相，如下圖4（a）所示。ZrO2同浸入式水口內襯中所含有的ZrO2顆粒有關，低熔點CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質，如下圖4（b）所示。

統計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥13 μm低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數量分布，如下圖5所示（掃描面積均約3500 mm2）。鑄坯中≥13 μm低熔點CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。

4 總結

1）分析了08鋼Ca處理工藝和非Ca處理工藝下夾雜物的成分變化情況，其中Ca處理工藝LF結束時夾雜物平均成分為17%CaO-66%Al2O3-17%MgO，鈣處理后軟吹夾雜物平均成分為60%CaO-37%Al2O3-3%MgO，中包樣中夾雜物平均成分為51%CaO-42%Al2O3-7%MgO。非Ca處理工藝LF結束時夾雜物平均成分為18%CaO-68%Al2O3-14%MgO，鈣處理后軟吹夾雜物平均成分為35%CaO-60%Al2O3-5%MgO，中包樣中夾雜物平均成分為33%CaO-58%Al2O3-9%MgO。

2）Ca處理08鋼中間包內夾雜物MgO含量升高，可能同鋼水二次氧化有關，重新生成了含MgO類夾雜物。

3）非Ca處理08鋼精煉過程夾雜物也轉變為低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物，可能同精煉過程爐渣堿度控制較高（R≥5）同時鋼液中Si（0.15%～0.35%）促進渣鋼反應，最終夾雜物轉變為低熔點CaO-Al2O3-MgO類夾雜物。

4）08鋼中≥13 μm低熔點鈣鋁酸鹽夾雜物成分主要包含三類，分別為CaO-Al2O3-MgO、MgO?Al2O3和ZrO2。其中MgO?Al2O3相為低熔點CaO-Al2O3-MgO類在冷卻過程析出相，ZrO2同浸入式水口內襯中所含有的ZrO2顆粒有關，低熔點CaO-Al2O3-MgO-ZrO2相在冷卻過程也將析出ZrO2類物質。

5）統計分析Ca處理和非Ca處理鋼中≥

13 μm低熔點鈣鋁酸鹽類夾雜物的尺寸及數量分布，鑄坯中≥13 μm低熔點CaO-Al2O3夾雜物，Ca處理爐次明顯多于取消Ca處理爐次。

參考文獻

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