精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响.docx

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1、第 33 卷 第 7 期北京科技大学学报Vol 33 No 72011 年 7 月Journal of University of Science and Technology BeijingJul 2011精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响张静于会香王新华王万军王茂北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083通信作者，E-mail: zhangjingzi666 163 com摘 要 采用渣钢平衡的实验方法研究了 1 600 下不同碱度和不同 Al2 O3 含量的强还原性精炼渣对高强度低合金钢中非金属夹杂物的影响 结果表明: 渣钢反应平衡后，炉渣中 CaO 和 SiO2 的质

2、量比为 1. 9 4. 5、Al2 O3 质量分数为 21% 33% ，钢中夹杂物主要为球状的 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 系，尺寸在 5 m 以下，炉渣成分对夹杂物的成分影响很大 夹杂物主要分布在 SiO2 含量一定的 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 伪三元相图中 1 400 1 500 的低熔点区，随着炉渣碱度的提高和 Al2 O3 含量的降低，部分夹杂物逐渐偏离低熔点区域，夹杂物的总数量逐渐减小 当渣中 Al2 O3 质量分数为 21. 22% 、碱度为 3. 27 时，有大量夹杂物分布在高熔点区域，夹杂物的总数量最小关键词高强钢; 低合金钢; 精炼渣; 夹杂物;

3、 氧化铝分类号TF769. 2Effect of refining slag composition on non-metallic inclusions in high-strength low-alloy steelZHANG Jing ，YU Hui-xiang，WANG Xin-hua，WANG Wan-jun，WANG MaoSchool of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，ChinaCorresponding a

4、uthor，E-mail: zhangjingzi666 163 comABSTRACT The effect of strongly reduced refining slag with different basicities and Al2 O3 contents on non-metallic inclusions in molten steel was investigated through the slag-metal equilibrium at 1600 When the slag-metal equilibrium is reached，the mass ratioof C

5、aO to SiO2 in refining slag is from 1. 9 to 4. 5，and the mass fraction of Al2 O3 is from 21% to 33% Non-metallic inclusions in steel are mainly the spherical CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 system with size smaller than 5 m The composition of refining slag has a greateffect on inclusions Inclusions mainly dist

6、ributein the low melting point region of the CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 quasi-ternaryphasediagram with stable content of SiO2 between 1 400 and 1 500 With the basicity of refining slag increasing and the Al2 O3 contentdecreasing，part of inclusions gradually deviate from the low melting point region and th

7、e total number of inclusions decreasesWhenthe mass fraction of Al2 O3 is 21. 22% and the basicity of refining slag is 3. 27，lots of inclusions distribute in the high melting point region and the total number of inclusions is the smallestKEY WORDShigh strength steel; low alloy steel; refining slag; i

8、nclusions; alumina高强度低合金钢热轧中厚板广泛用于造船、桥性能显著降低; ( 2) 钢板由于氢致开裂( HIC) 和硫化梁、油气管线、高层建筑和海洋设施等，对强度、延物应力腐蚀( SSC) 产生的裂纹大多在条状或串状夹性、低温韧性、焊接、抗氢致开裂和抗层状撕裂等性3-5 近年来，随着超低硫精炼、钢液钙杂物中形成1-2 非金属夹杂物尤其是条状处理和洁净钢生产技术的进步，由条状 MnS 和串状能等有很高要求MnS、串状 Al2 O3 或 mCaOnAl2 O3 类夹杂物对此类Al2 O3 夹杂物造成的钢板缺陷显著减少，而沿轧制钢性能的影响很大 这主要是因为: ( 1) 沿轧制方向

9、方向延伸的较低熔点 mCaOnAl2 O3 类夹杂物延伸的条状或串状夹杂物造成钢板非轧制方向力学( 12CaO7Al2 O3 、5CaO3Al2 O3 和 CaOAl2 O3 ) 造成收稿日期: 2010-07-13基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( No 2010CB630806)第 7 期张静等: 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响829的缺陷比率却有较大增长由于夹杂物组成与钢水炉外精炼渣密切相关6-9，本研究采用渣-钢反应平衡的方法，研究了不同碱度和 Al2 O3 含量的精炼渣对高强度低合金钢中非金属夹杂物的影响，探索采用较低碱度炉渣抑制钢中生成低熔点 mCaOnA

10、l2 O3 类夹杂物的可能90 min，然后将坩埚快速取出并淬水冷却 对实验后的钢样和渣样进行化学成分分析，并采用电子显微镜、能谱和金相显微镜对钢中非金属夹杂物进行分析检验2 结果分析讨论为了研究炉渣对钢中非金属夹杂物的影响，实1研究方法验前配置不同碱度( w( CaO) / w( SiO2 ) ) 和 Al2 O3 含渣-钢平衡实验在高温管式 Si-Mo 炉中进行，量的炉渣( 其化学成分见表 1) ，渣钢反应 90 min 后炉内刚玉质反应管的恒温带( 5 ) 长度为 20 cm钢水和炉渣化学成分分别见表 2 和表 3，炉渣碱度，为 1. 9 4. 5，AlO质量分数为 21% 33% 温度

11、采用 PID 自动控制 控制精度为 1 反应的23实际温度由坩锅底部的测温热电偶获得 实验时由表 1实验前渣样的化学成分炉管底部通入高纯的氩气进行气氛保护，上部用高Table 1 Chemical composition of slags before experiment温橡胶密封实验采用内径 30 mm 的 MgO 坩埚，钢样和炉渣样质量分别为 200 g 和 40 g，其中渣料由分析纯 Al2 O3 、CaO、SiO2 和 MgO 化学试剂配制，对 CaO 进行了预脱水处理 实验时先将钢样放入坩埚底部，再将搅拌均匀的渣料装入坩埚，随后将坩埚放入炉内后将炉管密闭，底部通入高纯氩气 20 m

12、in 后按设定升温速度升温至 1 600 ，在此温度下保温渣系质量分数 /%w( CaO) /w( SiO2 )CaOSiO2Al2 O3MgO143. 0021. 5025饱和2. 0254. 2515. 5025饱和3. 5355. 0011. 0025饱和5. 0456. 7816. 2220饱和3. 5548. 2313. 7730饱和3. 5表 2实验结束后钢水成分( 质量分数)Table 2Composition of molten steel after experiment%渣系CSiMnPSCaMgAlsT O10. 0480. 191. 720. 007 00. 001 0

13、0. 000 880. 000740. 004 10. 001920. 0410. 181. 780. 008 00. 000 30. 000 920. 000740. 006 60. 001430. 0440. 171. 780. 007 00. 000 30. 000 990. 000480. 007 80. 000740. 0440. 171. 770. 006 50. 000 40. 000 980. 000540. 006 00. 001050. 0480. 171. 760. 008 20. 000 60. 001 000. 001000. 006 40. 0016表 3实验结束后

14、炉渣的化学成分Table 3 Chemical composition of slags after experiment渣系w( CaO) /质量分数 /%w( SiO2 )Al2 O3MgOSTFe + MnO11. 9324. 4813.650. 0110. 4423. 2625. 008.660. 0160. 2834. 5426. 129.560. 0170. 2643. 2721. 229.760. 0170. 3053. 3130. 0410.190. 0140. 272. 1 钢中硫含量对比炉渣和钢液反应 90 min 后钢中 S 的质量分数为( 3 10 ) 10 6 ，渣中

15、 S 的质量分数为 0. 011% 10计算得到五个渣系的硫分配0. 017% ，根据下式系数 LS 分别是 11、53、57、43 和 23LS=w( ( S) )( 1)w( S)式中，LS 为硫分配系数，w( ( S) ) 为炉渣中硫的质量分数，w( S) 为钢液中硫的质量分数由于反应前钢样中 S 含量很低 ( 1. 2 10 5 ) ，因此五个渣系的脱硫率分别是 17% 、75% 、75% 、 67% 和 50% ，可得渣系 2、3、4 的脱硫能力比较好2. 2 非金属夹杂物的形貌和成分将实验所得钢样( 高约 3 cm) 的上表面( 与炉渣接触的表面) 和中间面 ( 试样高度 1 /2

16、 处的表面) 制成金相表面，用扫描电镜对该表面上的非金属夹杂物进行观察，并用能谱仪分析其成分，每个表面随机观察 20 个夹杂物，每个试样共观察统计40 个夹杂物 通过研究发现各渣系绝大多数夹杂物都呈球状或类球状，尺寸在 5 m 以下; 夹杂物830北京科技大学学报第 33 卷成分大部分为 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 系夹杂( 简称钙镁铝硅酸盐夹杂) ，部分含有少量的 MnO，没有发现硫化物夹杂 图 1 和表 4 分别为各渣系典型的钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌照片和上中表面夹杂物的平均成分 可以看到，渣系 1 中夹杂物的 MnO 含量较高，因为该渣系的碱度较低，渣中 SiO2 与钢液

17、中的Mn反应生成 MnO 夹杂 渣系 4 中钢样上表面和中间面的夹杂物中 MgO、CaO 含量相差较大，其他渣系上中表面夹杂物的成分没有明显差别图 1典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌Fig 1Morphology of typical calcium-magnesium-aluminium silicate inclusions表 4典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的化学成分( 质量分数)Table 4Chemical composition of typical calcium-magnesium-aluminiumsilicate inclusions%渣系位置MgOAl2 O3SiO2CaOMnO

18、上8.3833. 6821.5028. 757. 451中7.4831. 9122.3932. 565. 43上8.7239. 059.2240. 802. 202中7.3437. 8812.0242. 140. 62上10.9034. 067.8646. 161. 013中7.2033. 408.8150. 020. 58上23.3331. 3010.0633. 321. 934中12.0433. 1212.9340. 261. 66上5.4540. 0211.6941. 431. 195中6.5439. 3211.6841. 460. 94碱度的变化不明显图 2 夹杂物中各组元成分与渣中

19、w( CaO) / w( SiO2 ) 的关系Fig 2 Relation between inclusion composition and w ( CaO ) /w( SiO2 )2. 3 炉渣碱度对非金属夹杂物的影响2. 3. 1 对夹杂物成分和分布的影响本研究渣 钢反应平衡后，渣系 1、2 和 3 中的 Al2 O3 质量分数在 25% 左右，碱度 ( w ( CaO ) / w( SiO2 ) ) 分别为 1. 93、3. 26 和 4. 54 图 2 是夹杂物中各组元的平均成分与渣中 w( CaO) / w( SiO2 ) 的关系 可以看到，当渣中 Al2 O3 含量一定时，随着渣

20、中 CaO /SiO2 的增加，夹杂物中 CaO 含量显著增加， SiO2 和 MnO 含量显著降低 当渣中 w ( CaO ) / w( SiO2 ) 由 1. 93 增加到 3. 26 时，夹 杂 物 中 的 w( CaO) / w( SiO2 ) 和 MnO 含量变化较大，w( CaO) / w( SiO2 ) 由 1. 39 增加到 3. 89，MnO 质量分数由 6. 52% 降低到 1. 39% ; 当渣中 w( CaO) / w( SiO2 ) 由3. 26 增加到 4. 54 时，夹杂物中 w( CaO) / w( SiO2 ) 和 MnO 含量变化较小，w( CaO) / w

21、( SiO2 ) 由 3. 89 增加到 5. 77，MnO 质量分数由 1. 39% 降低到 0. 81% 随着渣 中 w ( CaO ) / w ( SiO2 ) 的 增 加，夹 杂 物 中 w( CaO) / w( Al2 O3 ) 逐渐增大，Al2 O3 和 MgO 含量随由于绝大多数夹杂物为 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 系，夹杂物中 SiO2 含量比较稳定，因此固定 SiO2 含量，用 Factsage V5. 5 绘出不同温度下 ( 1 400 2 000 ) CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 系的液相区域图 3为三个渣系的夹杂物在伪三元相图中的成分分布 可以

22、看出，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成分逐渐向 CaO 含量增加和 Al2 O3 含量减少的方向移动 夹杂物主要分布在低熔点区 1 400 1 500 ，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐偏离低熔点区域 其中，当碱度由 3. 26 增加到 4. 54 时，夹杂物中出现了一些 MgO 含量较高的夹杂物，高熔点 ( 大于 1 600 ) 夹杂物所占的比率由 6. 45% 增加到 29. 4% 2. 3. 2 对夹杂物数量和尺寸的影响将实验所得钢样的上表面和中间面制成金相表面在光学显微镜下观察 避开试样边部，随机选取一个位置对试样中夹杂物的数量和尺寸分布进行统计，每个试样统计 200 个视场，总面积为第 7

23、 期张静等: 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响8315. 180 7 mm2 各渣系与钢液反应后所得钢样上表面和中间面的夹杂物数量及尺寸分布见表 5 其中，当量直径下夹杂物数量的计算方法为:I = ( Si ni ) NSB2 /4式中: I 为单位面积上直径相当于 B 的夹杂物的个数( mm 2 ) ; N 为视场个数，本计算中为 200; S 为视场面积; B 为夹杂物当量直径，本计算中取 B =3 m; Si 为不同直径夹杂物的平均面积; ni 为各级夹杂个数图 3 不同炉渣碱度钢中夹杂物的组成分布 ( a) w( CaO) / w( SiO2 ) = 1. 93; ( b)

24、 w( CaO) / w( SiO2 ) = 3. 26; ( c) w( CaO) / w( SiO2 ) = 4. 54Fig 3Distribution of inclusions in steel with different basicities of slags: ( a) w( CaO) / w( SiO2 ) = 1. 93;( b) w( CaO) / w( SiO2 ) = 3. 26; ( c)w( CaO) / w( SiO2 )= 4. 54表 5不同炉渣碱度的钢中夹杂物数量及尺寸分布Table 5 Inclusion number and size distribu

25、tion in steel with different basicities of slags碱度，夹杂物个数 /mm 2渣系位置w( CaO) / w( SiO2 )1 3 m3 5 m5 10 m 10 m当量直径 B = 3 m上1. 9314. 284. 441. 350. 1927. 511中1. 9317. 374. 050. 58018. 55上3. 2610. 423. 090. 58013. 742中3. 2613. 702. 900. 39013. 65上4. 5412. 352. 320. 39012. 023中4. 5413. 512. 320. 19011. 33从

26、表 5 可以看出，各渣系试样中绝大多数的夹杂物尺寸分布在 1 3 m，所占比例 70% 以上，其中2 3 m 左右的夹杂物居多，并且上表面 1 3 m夹杂物的数量比中间表面少，而大尺寸夹杂物的数量比中间表面多，这是由钢液中小尺寸的夹杂物聚集上浮造成的 针对渣系 1、2 和 3，随着炉渣碱度的增加，夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数量减少，当量直径 B = 3 m 的夹杂物数量也明显减少从夹杂物的尺寸来看，随着炉渣碱度的降低，半径大于 3 m 的夹杂物数量明显增加，说明随着炉渣碱度的降低，钢中生成大尺寸夹杂物的可能性增大2. 4 炉渣 Al2 O3 含量对非金属夹杂物的影响2. 4. 1 对非金

27、属夹杂物成分和分布的影响本研究渣-钢反应平衡后，渣系 4、2 和 5 的碱度在 3. 3 左右，Al2 O3 质量分数分别为 21. 22% 、25%和 30. 04% ，图 4 是三个渣系的夹杂物中各组元成分与渣中Al2 O3 含量的关系 可以看到 : 随着渣中图 4夹杂物中各组元成分与渣中 Al2 O3 的关系Fig 4Relation between the composition of inclusions and Al2 O3Al2 O3 含量的增加，夹杂物成分中的 Al2 O3 和 CaO 含量相应增加，w ( CaO) / w ( Al2 O3 ) 变化不大，在 1 左右，MgO

28、 含量显著下降，SiO2 和 MnO 含量没有明显变化 渣中 Al2 O3 质量分数由 21. 22% 增加到832北京科技大学学报第 33 卷25% 时，夹杂物中的 Al2 O3 、CaO 和 MgO 含量变化较大，当由 25% 增加到 30. 04% 时，夹杂物中的 Al2 O3 、 CaO 和 MgO 含量变化较小图 5 是炉渣碱度在 3. 3 左右，Al2 O3 含量变化时钢中夹杂物在 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2 伪三元相图中的成分分布 可以看到，随着渣中 Al2 O3 含量的增加，夹杂物的分布逐渐趋于集中，大部分夹杂物分布在 1 400 1 500 的低熔点区 当渣中

29、Al2 O3 质量分数为 21. 22% 时，夹杂物分布比较分散，出现了许多 MgO 含量较高的夹杂物，约 50% 的夹杂物进入了 1 600 以上的高熔点区域 可见，低 Al2 O3 含量的炉渣有利于生成 MgO 含量较高的高熔点夹杂物图 5钢中夹杂物的组成分布 ( a) w( Al2 O3 ) = 21. 22% ; ( b)w(Al2 O3 ) = 25. 00% ;( c)w( Al2 O3 )= 30. 04%Fig 5 Distribution of inclusions in steel: ( a)w( Al2 O3 ) = 21. 22% ;( b) w( Al2 O3 ) =

30、 25. 00% ;( c) w( Al2 O3 ) = 30. 04%2. 4. 2对夹杂物数量和尺寸的影响面多当炉渣碱度一定时，随着渣中 Al2 O3 含量的表 6 为渣中 Al2 O3 含量对钢中夹杂物数量和尺增加( 对于渣系 4、2 和 5) ，钢中夹杂物的数量和当寸的影响 可以看出，各渣系试样中夹杂物的尺寸量直径 B = 3 m 时的夹杂物总数量呈增加的趋势主要分布在 1 3 m，并且上表面小尺寸的夹杂物当 Al2 O3 质量分数为 21. 22% 时，夹杂物的总数量和数量比中间表面少，大尺寸夹杂物的数量比中间表当量直径 B = 3 m 时的夹杂物数量最小表 6 夹杂物数量及尺寸分布

31、Table 6Inclusion number and size distribution渣系位置w( Al2 O3 )/%夹杂物个数 /mm 21 3 m3 5 m5 10 m 10 m当量直径 B = 3 m上21. 228.113. 280. 39011. 854中21. 2210.812. 320. 19010. 13上25. 0010.423. 090. 58013. 742中25. 0013.702. 900. 39013. 65上30. 0412.932. 510. 58013. 835中30. 0419.693. 280. 58018. 203 结论( 1) 对于本实验，渣-钢

32、反应平衡后，钢中 S 质量分数为( 3 10) 10 6 ，渣系 2、3 和 4 的脱硫能力比较好，脱硫率可达到 67% 75% 炉渣 w( CaO) /w( SiO2 ) 为 1. 9 4. 5，Al2 O3 质量分数为 21% 33% 钢中夹杂物基本为 CaO-MgO-Al2 O3 -SiO2系，部分含少量 MnO 绝大部分夹杂物为黑色球状或类球状，尺寸在 5 m 以下，夹杂物的成分受炉渣成分的影响很大( 2) 渣-钢反应平衡后，当渣中 Al2 O3 质量分数在 25% 左右时，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成分中的 w( CaO) / w( SiO2 ) 、w( CaO) / w( Al2

33、O3 ) 逐渐增大，MnO 含量显著降低，MgO 含量变化不明显 夹杂物主要分布在 SiO2 含量一定的伪三元 CaO- MgO-Al2 O3 -SiO2 相图中 1 400 1 500 的低熔点区，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐向高熔点区域移动; 钢中夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数量随着炉渣碱度的增加而减少( 3) 渣-钢反应平衡后，当渣碱度在 3. 3 左右时，随着渣中 Al2 O3 含量的增加，夹杂物成分中的Al2 O3 和 CaO 含量增加，但 w( CaO) / w( Al2 O3 ) 变化不大，MgO 含量显著下降，SiO2 和 MnO 含量没有明显变化 钢中夹杂物主要分布在

34、SiO2 含量一定的第 7 期张静等: 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响833CaO-MgO- Al2 O3 - SiO2 伪 三 元 相 图 中 1 400 1 500 的低熔点区，随着渣中 Al2 O3 含量的增加，夹杂物的分布逐渐趋于集中，夹杂物的总数量呈增加趋势 当渣中 Al2 O3 质量分数为 21. 22% 时，大量夹杂物分布在 1 600 以上的高熔点区域，且夹杂物的总数量最少( 4) 综合脱硫和夹杂物控制两方面考虑，渣系 4即炉渣 w( CaO) / w( SiO2 ) 为 3. 27、Al2 O3 质量分数为 21. 22% 的效果最好参考文献1Takahashi

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