GCr15轴承钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

通过热力学软件FactSage 7.0和工业实践,对1 873 K下GCr15轴承钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学进行研究。计算结果表明,当轴承钢中的w(Mg)0.4×10~(-6)时,钢中夹杂物由Al_2O_3转变为MgO·Al_2O_3;当钢中的w(Mg)10×10~(-6)时,钢中夹杂物主要为MgO。当轴承钢中w(Al)100×10~(-6)、w(Ca)0.1×10~(-6)时,钢中开始生成固态CaO·6Al_2O_3和CaO·2Al_2O_3夹杂物;当钢中w(Ca)2×10~(-6)时,钢中生成的夹杂物为液态钙铝酸盐;当钢中w(Ca)13×10~(-6)时,钢中开始生成固态CaO夹杂物。工业实践检测和热力学计算结果基本吻合,此外,研究发现纯铁液的脱氧热力学与轴承钢差异较大,因此,不能采用纯铁液的脱氧热力学指导轴承钢生产实践。     

低碳铝镇静钢中(CaO)_x(Al_2O_3)_y及CaS的形成与控制

生产低碳铝镇静钢过程中,为了控制夹杂物形态,一般要对其进行钙处理。如何使钙处理过程中生成液态的钙铝酸盐夹杂是生产控制的难点和重点。通过理论计算得出在一定条件下[Ca]-[Al]、[S]-[Al]关系图,以某低碳铝镇静钢为例,当w([Al])为0.03%时,控制w([Ca])为(9~15.8)×10-6,可以生成成分接近(CaO)12(Al2O3)7的液相夹杂。钢中w([S])为30×10-6,w([Al])为0.03%~0.04%,温度降低到1 723 K以下时,在(CaO)12(Al2O3)7上会析出CaS。     

炉渣反应平衡对钢中总氧和非金属夹杂物影响的研究

高强度低合金钢为了控制钢中硫含量,生产过程中采用高碱度、低氧化性精炼渣,致使钢中生成尺寸较大的塑性夹杂物,严重影响钢材质量。炉渣组成对钢中夹杂物有很大影响,文章介绍了采用钢-渣平衡的方法对五种渣系(不同CaO/SiO_2和Al_2O_3%)钢中总氧和非金属夹杂物影响的研究。结果表明,钢-渣反应平衡后,顶渣中Ca O/SiO_2在1.93~4.54,Al_2O_3 %在21%~30%;钢中T.O在7×10~(-6)~19×10~(-6);钢中夹杂物呈球形,绝大多数尺寸在5μm以下,类型为Al_2O_3-Si O2-CaO-MgO系,部分夹杂物中含有少量MnO。当顶渣中Al_2O_3含量一定时,随着顶渣中(CaO+MgO)/SiO_2提高,T.O下降;夹杂物中MnO含量降低,CaO/Al_2O_3增加。当顶渣CaO/SiO_2一定时,随着渣中Al_2O_3含量的提高,T.O增加;夹杂物中Al_2O_3含量增加,CaO含量也相应增加,CaO/Al_2O_3变化不大,约在1,夹杂物中MgO含量和MgO/Al_2O_3下降。随着钢中T.O含量的增加,夹杂物的数量呈上升的趋势;钢中出现大尺寸夹杂物的几率增加。     

合金弹簧钢51CrV4中镁铝尖晶石夹杂行为研究

针对冶炼合金弹簧钢51CrV4过程存在大量MgO·Al_2O_3类夹杂的问题,采用现场取样及扫描电镜和能谱分析等手段,对51CrV4钢冶炼过程中夹杂物的转变过程进行研究,分析了冶炼过程中MgO·Al_2O_3夹杂的来源和生成过程,并对采用钙处理对钢中镁铝尖晶石改性行为的可行性进行了探讨。研究结果表明:51CrV4冶炼过程中,当钢中w(Mg)=(0.55~30.6)×10-6时均能生成MgO·Al_2O_3夹杂。而当钢中w(Ca)达到6×10-6时,MgO·Al_2O_3夹杂出现液态复合夹杂物,并随着钢中[Ca]含量的提高液态复合夹杂物含量快速增加,而尖晶石夹杂含量减小。当钢中w(Ca)达到35×10-6左右时,MgO·Al_2O_3夹杂完全转变为液态。     

低碳铝镇静钢钙处理Al_2O_3系夹杂改质的热力学计算

使用钙处理法把Al2O3系夹杂改质为钙铝酸盐的程度,主要取决于钙与硫还是与Al2O3系夹杂进行反应。通过热力学计算,推导了钙处理Al2O3系夹杂,改质为不同xCaO·yAl2O3的临界硫含量a[S]e=K5·a1/3Al2O3/(a(CaO)·a2/3[Al])和临界钙含量值a[Ca]e=a(CaO)·a2/3[Al]·(K4·a2/3Al2O3)-1。推荐了在工业生产中,既能在精炼温度下使Al2O3系夹杂呈液态,有利于夹杂物上浮;又能在连铸时,防止中间包水口蓄流的钢中钙的推荐值([Ca]T),根据钢液不同的[Al]含量(0.01%~0.05%),[Ca]T应控制在13×10-6~41×10-6。     

SWRCH22A冷镦钢100 t LF精炼造渣制度的分析和工艺优化

为减少钢中夹杂物和对夹杂物变性处理,防止连铸水口结瘤,对100 t LF 5炉SWRCH22A冷镦钢(/%:0.18~0.20C,0.44~0.62Si,0.85~0.89Mn,0.012~0.015P,0.006~0.009S,0~0.004Ca,0.000 7~0.001 0B,0.011~0.088Als)夹杂物钙处理进行了Ca-Al,Al-O,Al-S,Ca-S平衡热力学计算和氧氮分析。得出1 873 K[Ca]-[Al],a_([0])-[Al]和[S]-[Al]平衡曲线,1 823~1 923 K[Ca]-[S]平衡曲线,和5炉钢对应的实测值。通过分析,得出优化LF精炼工艺:(1)精炼终渣MgO=6%、SiO_26%、CaO/Al_2O_3=1.6~1.8;(2)转炉下渣量700 kg左右,精炼终渣量2 000 kg左右;(3)根据精炼终渣CaO/Al_2O_3=1.6~1.8的目标来决定造渣料的加入量;(4)避免喂钙线时钢水剧烈翻腾,并防止精炼结束到中间包过程钢水的氧化。     

SWRCH22A冷镦钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学及工业实践

文中通过热力学软件FactSage 7.0和工业实践,对1 873 K下SWRCH22A冷镦钢脱氧过程中非金属夹杂物生成热力学进行研究.计算结果表明,当冷镦钢中[Al]含量增加到2×10-6以上时,平衡时钢中对应生成液态夹杂物、MnO·Al2O3和Al2O3,表明冷镦钢出钢过程应先加铝再加锰以降低精炼渣的氧化性.当冷镦钢中的[Mg]含量超过0.5×10-6时,钢中夹杂物由Al2O3转变为MgO·Al2O3;当钢中的[Mg]含量超过约9×10-6时,钢中夹杂物主要为MgO;随着钢中[Al]含量的提高,生成尖晶石夹杂物所需的最小[Mg]含量逐渐增大.当冷镦钢钢液中[Ca]含量超过约1.3×10-6时,钢中生成的夹杂物主要为液态钙铝酸盐;当钢液中的[Ca]超过约13×10-6时,钢中开始生成固态CaO夹杂物.冷镦钢中形成液态钙铝酸盐夹杂物所需的最小[Ca]含量随着钢中[Al]含量的提高逐渐增大.实验检测和热力学计算结果基本吻合,此外,研究发现,纯铁液的脱氧热力学与冷镦钢差异较大,因此,不能采用纯铁液的脱氧热力学指导冷镦钢生产实践.     

DP590钢夹杂物在精炼及浇铸过程中的演变行为

围绕某钢铁企业生产的DP590钢中非金属夹杂物在精炼及浇铸过程中的演变行为,采用氧氮分析、显微夹杂统计及SEM-EDS能谱分析等手段进行了系统深入的研究。利用Fact-Sage软件计算并绘制了1 600℃时CaS-CaO-Al_2O_3三元相图,分析了精炼和连铸过程中夹杂物在CaS-CaO-Al_2O_3三元相图中的演变行为。研究发现,在该厂现行工艺条件下,LF喂钙处理可降低钢中的全氧含量和非金属显微夹杂含量。转炉炉后出钢至精炼出站全氧含量降低了27×10~(-6),非金属显微夹杂物含量减少了54.5%。稳态连铸坯中的氧、氮含量和显微夹杂含量较低。LF精炼喂钙线之前显微夹杂的主要成分为Al_2O_3。在LF精炼钙处理后,中间包及连铸坯中发现了大量的球形Ca O-Al_2O_3类夹杂,这表明钙处理效果良好,实现了将Al_2O_3夹杂物变性的目的。热力学计算结果表明钙处理过程中夹杂物的演变行为为Al_2O_3→Al_2O_3+CaO·6Al_2O_3+CaS→Al_2O_3+CaO·2Al_2O_3+Ca S(Ca S较多,Ca O较少)→Al_2O_3+CaO·2Al_2O_3+CaS(CaS较少,CaO较多)。     

超低氧齿轮钢28MnCr5中镁铝尖晶石夹杂物的控制

利用FactSage软件对28MnCr5钢液和镁铝尖晶石夹杂物的平衡反应进行了分析,当w[Al]在0.02%~0.04%之间,w[Mg](0.39~0.42)×10-6的临界范围时开始生成镁铝尖晶石。计算发现:在现有28MnCr5钢精炼工艺条件下,钢液中会不可避免生成镁铝尖晶石夹杂物。当钢液w[Mg]8.5×10-6时,加入钙不能使其转变成低熔点液态夹杂物;而当钢液w[Mg]小于此值时,增加w[Ca]时,夹杂物按照"镁铝尖晶石→CaO-Al2O3-MgO系液态夹杂物→CaO"路径转变,钢液w[Ca]增加至3×10-6左右时均能将其转化为CaO-Al2O3-MgO系液态夹杂物。计算表明,精炼渣还原提供的[Ca]不能使28MnCr5钢中镁铝尖晶石夹杂物完全变性,须采用向钢液中喂钙线等手段来提高钢液中的钙含量。     

90t BOF-LF-VD工艺冶炼GCr15轴承钢的氧化物夹杂变化行为

GCr15钢的生产流程为90 t转炉-LF-VD-250 mm×280 mm方坯连铸-轧制。转炉出钢加铝脱氧,LF由高碱度渣[/%:55~58CaO,3~10MgO,12~16SiO_2,16~24Al_2O_3,≤1(MnO+FeO)]精炼,LF喂Al后T[O]为14×10~(-6),LF终点T[O]10×10~(-6)。采用SEM(扫描电镜)+EDS(能谱仪)的方法,研究了线材中超标DS类夹杂物的成分分布,发现夹杂物中心以复合氧化物CaO-MgO-Al_2O_3为主,外围包裹少量CaS;这些氧化物中,Al_2O_3含量约占65%,分布最为均匀;CaO含量约占20%,MgO含量约占15%。统计分析结果表明,VD真空处理后每平方毫米13μm以上大颗粒夹杂物数量增至7,软吹后降至2.1,线材中1/3大颗粒夹杂物来源于钢包渣带入。     

钢包初始状态对帘线钢夹杂物的影响

运用Aspex Explorer扫描电镜对比了3种不同初始状态钢包冶炼条件下的帘线钢盘条中夹杂物成分、变形性能以及数量密度等,指出不同初始状态的钢包对帘线钢精炼渣成分和成品[Al]含量的影响。结果表明,同等条件下,分别使用冶炼过Si、Al-Si以及Al脱氧钢的钢包冶炼帘线钢时,精炼渣碱度、渣中Al_2O_3含量和成品[Al]含量均呈上升趋势,对应精炼渣碱度分别为0.95、1.1、1.4,渣中Al_2O_3质量分数分别为7.0%、11.0%、15.0%,成品[Al]的质量分数分别为7×10~(-6)、13×10~(-6)、16×10~(-6)。采用冶炼过Al、Al-Si脱氧钢的钢包冶炼的帘线钢盘条夹杂物数量密度分别为0.96、1.20个/mm~2,夹杂物中Al_2O_3平均质量分数分别为25.9%、31.8%,夹杂物塑性差,轧制后长宽比平均值分别为5.6、5.1。采用冶炼过Si脱氧钢的钢包冶炼的帘线钢盘条中夹杂物数量密度为0.79个/mm~2,夹杂物中Al_2O_3平均质量分数为15.0%,为塑性夹杂物,轧制后长宽比均值为11.3。实验证明,冶炼帘线钢不宜使用初态为Al脱氧或者Al-Si脱氧的钢包。     

铝酸钙夹杂物的生成机制研究

运用异质形核理论解释了钢中钙对夹杂物变性的机制过程,计算得出1 873 K下w[Al]s为0.03%时,均质形核生成Al2O3钢中溶解氧的质量分数需达到39.2×10-6,而当反应达到平衡后钢中溶解氧的质量分数为3.3×10-6。脱氧后加入钙靠均质形核很难生成CaO,钙、氧原子主要以Al2O3质点为核心在其表面上生成,生成反应为:[Ca]+(x+1/3)Al2O3=CaO.xAl2O3+2/3[Al],生成过程为Al2O3→CA6→CA2→CA→CxAy液相,并通过SEM/EDS验证了夹杂物变性的机制过程。     

含硫齿轮钢20CrMnTiH1钙处理热力学和控制技术的研究

通过钢液与夹杂物之间的热力学平衡计算,研究了20CrMnTiH1精炼钢水中Al_2O_3夹杂物钙处理后可能变性的程度和CaS夹杂生成条件。计算结果表明,[S]0.020%～0.035%、[Al]0.02%～0.04%的钢水进行钙处理时易生成稳定的CaS,并且铝脱氧的产物Al_2O_3难以完全变性成低熔点钙铝酸盐12(CaO)·7(Al_2O_3)。为使Al_2O_3完全变性成低熔点(CaO)·(Al_2O_3)和12(CaO)·7(Al_2O_3)钙铝酸盐,在精炼过程应在低[S]和温度≥1600℃情况下对钢水进行钙处理,软吹氩搅拌后进行喂硫线操作,同时可以显著减少水口堵塞的发生。     

316L不锈钢精炼过程中夹杂物成分演变

从"AOD→LF→钙处理→连铸"进行全流程取样,重点分析316L不锈钢中氧氮含量、夹杂物数密度和成分。研究发现:在冶炼过程中,钢中w(T.O)逐渐降低,钙处理后为24×10~(-6),较AOD还原结束时降低183×10~(-6),浇铸时存在二次氧化,铸坯试样中w(T.O)增加8×10~(-6)。AOD还原期结束时,夹杂物类型主要为SiO_2-MnO系。LF进站时为CaO-Al_2O_3-SiO_2系和CaO-Al_2O_3-MgO系,前者主要来源于AOD卷渣和钢中Al反应生成,后者主要来源于SiO_2-MnO系夹杂物与钢中Al以及渣相反应生成。对于CaO-Al_2O_3-SiO_2系,LF进站时夹杂物平均成分偏离低熔点区,随着精炼过程的进行,夹杂物中CaO含量降低,Al_2O_3含量升高,其平均成分位于低熔点区内;对于CaO-Al_2O_3-MgO系,夹杂物中MgO含量升高,MgO·Al_2O_3尖晶石夹杂物数量增加,经过钙处理和静置上浮,CaO-Al_2O_3-MgO系夹杂物逐渐消失,夹杂物改性较为充分。     

410不锈钢脱氧与夹杂物控制的热力学研究

通过分析钢液-夹杂物之间的热力学平衡关系,考察了1 873K时410不锈钢中[Ca]、[Mg]和[Al]变化对410不锈钢夹杂物析出的影响,获得了低铝含量410不锈钢钢液析出低熔点夹杂物的钙含量、铝含量控制范围和抑制镁铝尖晶石生成的镁含量范围。即w([Al])在40×10-6时,控制w([Ca])在(2.6~38)×10-6,w([Mg])0.2×10-6;w([Al])在160×10-6时,控制w([Ca])200×10-6,w([Mg])7×10-6。     

316L不锈钢LF精炼过程夹杂行为热力学分析和工艺优化

采用热力学计算方法得出316L不锈钢(/%:0.02C,0.51Si,1.15Mn,0.030P,0.001S,16.77Cr,10.12Ni,2.07Mo,0.040N,0.006Ti,0.004A1)精炼过程中脱氧平衡后形成MgO·Al_2O_3、2MgO·SiO_2、3Al_2O_3·2SiO_2、2NgO·2Al_2O_3·5SiO_2优势区图,研究和分析了各类夹杂物生成与转变的热力学条件。结果表明,在1 873 K时,当钢液中的溶解Al含量低于0.001%和溶解Mg含量低于2×10~(-7)%时才能形成低熔点变形能力较好的2MgO·2Al_2O_3·5SiO_2类夹杂物;当钢液中溶解Al含量在1.7×10~(-4)%以下,钢液中不形成MgO·Al_2O_3尖晶石夹杂;2MgO·SiO_2与3Al_2O_3·2SiO_2类高熔点夹杂物形成区域最大。实践表明,加Ca对高熔点夹杂物2MgO·SiO_2与3Al_2O_3·2SiO_2变性处理的热力学条件充足,当316L不锈钢180 t LF钢液溶解氧为0.002 0%,进行喂硅钙线2 m/t,精炼终点[O]为0.001 5%,2 mm冷轧板夹杂物为C类0.5~1.0级,主要成分为CaO·Al_2O_3·SiO_2。     

新兴铸管钢水钙处理热力学计算及效果

针对新兴铸管炼钢部HRB500钢水钙处理做了热力学计算和现场取样分析。热力学计算结果表明,只需要加入较少的钙,即可使Al2O3变性为CaO·Al2O3,当钢中[Al]=0.006%时,夹杂物变性为12CaO·7Al2O3需要[Ca]≥4.1×10-6。在钢中[Al]含量不变化的情况下,随着钢水温度的降低,钢中的[Ca]含量也随之下降,才能满足夹杂物的成分在12CaO·7Al2O3附近。取样分析结果表明,目前喂CaSi线不足,夹杂物变性不完全。     

220t BOF-LF-VD-板坯CC流程管线钢精炼和连铸过程钢液洁净度的演变

试验X52管线钢(/%:0.070~0.079C,0.22Si,1.29~1.32Mn,0.008~0.009P,0.002S,0.028A1,0.001 6~0.001 7T[0],0.005 3~0.006 5N)的冶金流程为铁水预处理-220 t BOF-LF-VD-230 mm板坯连铸。主要工艺为BOF出钢加铝粒,LF精炼渣主要组成为(/%):54.41~58.54CaO,7.66~8.42SiO_2,22.57~24.69Al_2O_3.4.15~4.58MgO,0.78~2.89FeO;VD后喂钙线处理。利用电子束和X-射线技术的ASPEX自动扫描电镜研究了该钢冶炼过程夹杂物的变化。结果表明,LF进站时钢中夹杂物为簇群状或颗粒状Al_2O_2,LF终点Al_2O_2转变为球状CaO-MgO-Al_2O_3系夹杂物,钙处理后转变为球状CaO-Al_2O_2-CaS系。VD真空处理过程夹杂物数量从30~35个/mm~2降至7~15个/mm~2、T[O]和[N]大幅降低至12×10~(-6)~13×10~(-6)和41×10~(-6)~48×10~(-6)。软吹搅拌到中间包,钢中夹杂物数量剧增至33爪/mm~2。夹杂物平均尺寸在VD破空后达到最大,为2.6~3.6μm,中间包则减小到1.9~2.1μm。喂线及软吹搅拌过程钢中T[O]和[N]都有增加,说明发生了二次氧化。LF精炼、VD及钙处理后钢中S含量降至16×10~(-6)。中间包覆盖剂中(SiO2)和(FeO+MnO)太高会导致中间包钢水回硫。     

300t-BOF-RH-CC流程冶炼Ti-IF钢夹杂物的衍变行为

试验Ti-IF钢(/%:≤0.003 5C,≤0.03Si,0.08~0.20Mn,≤0.025P,≤0.015S,0.05~0.07Ti,0.030~0.055Als,≤0.004 0N)BOF终点[C]0.03%~0.06%,终点[O]0.003 0%~0.060 0%,出钢过程加石灰和含Al钢包顶渣改质剂,RH终渣组成/%:53.38CaO,7.05FeO,1.01MnO,31.4Al_2O_3,5.7MgO,0.3P_2O_5,0.022S。RH精炼过程取样分析表明,通过加顶渣改质剂,控制8%(FeO+MnO),CaO/Al_2O_3=1.7,能较好去除钢中夹杂物,精炼过程钢中氧含量逐步下降,铸坯中氧含量为0.001 4%,氮含量为0.001 5%;脱碳结束时夹杂物主要为MnO;铝脱氧结束之后为Al_2O_3;合金化后为Al_2O_3及Al-O-Ti复合夹杂物;在铸坯中,前述夹杂物有效去除,但在凝固过程析出TiN夹杂。     

LF-VD工艺冶炼20CrMnTi齿轮钢全氧和夹杂物控制研究

对福建三钢转炉-LF精炼-VD精炼-连铸工艺生产的20CrMnTi齿轮钢全氧和夹杂物行为研究,发现VD终渣中w(FeO)增加0.1%,全氧含量(质量分数)增加1×10~(-6)左右;VD终渣碱度R在6～18范围内时,R与全氧之间没有明显的对应关系;VD终渣m(CaO)/m(Al_2O_3)在1.5～1.8范围内,钢中全氧较低,且夹杂物塑性较好。认为合理渣系中从(FeO)小于1%,m(CaO)/m(Al_2O_3)的比值在1.5～1.8,渣中的R控制在8～10之间。由于钢液S含量和喂入Ca-Si线偏高导致夹杂物中CaS含量偏高。当Al活度为0.03%、0.04%和0.05%,Ca活度大于0.001 2%,0.001 4%和0.001 7%,S的活度小于0.011%、0.009%和0.007%时,钢液中可以形成低熔点钙铝酸盐12CaO-7Al_2O_3,且抑制CaS的形成。