开浇过程二次氧化对铝脱氧不锈钢中夹杂物的影响

为了研究铝脱氧不锈钢开浇过程中二次氧化对钢水洁净度和夹杂物演变的影响,实现钢中夹杂物的有效控制,分别在LF精炼出站、开浇过程中不同时刻取样,采用扫描电镜、ASPEX自动分析仪、热力学计算等不同方法研究了铝脱氧不锈钢中夹杂物的形貌、成分、数量和尺寸分布,确定了铝脱氧不锈钢开浇过程中夹杂物的演变行为和对应机理。研究结果表明,开浇过程钢中氧氮质量分数、夹杂物数密度变化规律类似,20 min时分别增加至7.4×10?5、0.0674%、17.1 mm?2,此后随着浇铸过程进行逐渐降低;LF精炼出站时钙处理改性夹杂物效果较好,其类型主要为CaO?Al₂O₃?SiO₂?MgO,开浇过程中二次氧化降低了钙处理操作的作用效果,20 min时夹杂物类型转变为MnO?Al₂O₃?SiO₂?CaO复合夹杂物,浇铸约60 min时,连铸过程中钢水的洁净度基本达到稳定,此时夹杂物类型重新转变为CaO?Al₂O₃?SiO₂?MgO;二次氧化使得钢液中氧质量分数较高,促进了MnO?Al₂O₃-SiO₂?CaO夹杂物的生成,而钢中大尺寸的CaO?Al₂O₃?SiO₂?MnO?(MgO)夹杂物主要通过夹杂物间的碰撞聚合形成;凝固过程中随着温度的降低,促进了MgO?Al₂O₃尖晶石相和CaO?2MgO?8Al₂O₃相的析出,提高了夹杂物中Al₂O₃组分的含量。      

X80管线钢精炼过程夹杂物形成与演变

通过工业试验取样研究了X80管线钢精炼过程夹杂物的类型、尺寸、成分等变化规律,并结合FactSage8.1软件对钙处理和钢液冷却凝固过程夹杂物的演变机理进行了热力学计算分析。试验结果表明,LF精炼结束时夹杂物主要为MgO–Al₂O₃和MgO–Al₂O₃–CaO,数量占比分别为25%、75%,其尺寸主要分布在1～5 μm之间,且1～2 μm和2～5 μm的夹杂物比例分别为56.0%、37.3%;RH精炼中T[O]、[N]质量分数分别由LF精炼结束时的0.0022%、0.0059%降低至0.0010%、0.0035%,夹杂物数量密度由LF结束约23.07 mm–2降低至7.44 mm–2,夹杂物去除率约67.8%;钙处理时,夹杂物主要为MgO–Al₂O₃–CaO和CaS–Al₂O₃–CaO系,夹杂物中CaS平均质量分数由RH精炼结束时的8%增加至36%,CaO平均质量分数由24%减少至12%;软吹结束时,尺寸<40 μm的夹杂物中SiO₂占比在0～2.5%之间;尺寸>40 μm的夹杂物中SiO₂占比在6.0%～8.0%之间,尺寸>40 μm的夹杂物主要为CaO–Al₂O₃–MgO–SiO₂,其化学成分与精炼渣化学成分基本一致,其来源为精炼渣卷入。热力学计算结果表明,当[Ca]质量分数在10.5×10–6～15.8×10–6时,尖晶石夹杂全部完成改性,夹杂物全部为液态钙铝酸盐;当钢液在浇铸温度下,夹杂物主要为液态的钙铝酸盐,当温度降低至1428 ℃时,液态夹杂物完全转化为固态,随着温度继续下降1309 ℃以下,夹杂物的类型基本不发生改变,整个温降过程夹杂物中CaO含量减少,CaS含量增加。      

脱氧工艺对U20Mn2SiCrNiMo钢中夹杂物的影响

研究了实际生产中脱氧剂硅钙钡的加入量及加入时间对U20Mn2SiCrNiMo钢中夹杂物的影响。研究结果表明,虽然试验炉次硅钙钡脱氧剂加入量较原工艺减少180 kg,但是调整其加入工艺,试验炉次终点钢中总氧量基本保持不变。精炼后期钢水发生增氧及增氮现象,表明钢水发生了二次氧化。应适当降低VD破空后软吹气体流量,加强中间包保护浇铸,防止钢液裸露造成二次氧化。减少硅钙钡的加入量后,精炼渣碱度及Al₂O₃质量分数较原工艺有所降低,VD精炼后夹杂物的平均尺寸较原工艺有所降低,夹杂物平均成分发生了较大变化,CaO质量分数降低,SiO₂质量分数升高,Al₂O₃质量分数降低,MgO质量分数升高,在相图中夹杂物平均成分朝高熔点区移动,更有利于夹杂物上浮去除。     

高品质含钛焊丝钢生产过程中夹杂物的行为演变

采用扫描电镜观察了含钛焊丝钢中夹杂物的形貌与组成,重点分析了冶炼过程中夹杂物的形成和演变规律。结果表明,LF进站前的夹杂物主要类型为球形的SiO₂-Al₂O₃复合夹杂物,其尺寸在6 μm左右;在LF精炼中,SiO₂-Al₂O₃型夹杂物转变为不规则椭球形SiO₂-Al₂O₃-CaO型夹杂物,其尺寸为5～10 μm。且随着精炼的进行,夹杂物的数量密度由LF进站前的131.81变成最终出站时的42.84个/mm2。在钢水精炼期间,夹杂物成分由最初的w(Al₂O₃)＜20%的区域向CaO含量升高的区域移动,Al₂O₃的质量分数为20%～35%;LF精炼结束后的夹杂物类型除了SiO₂-Al₂O₃-CaO外,还存在较多的近球形SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO与形状不规则的SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-TiO_x系夹杂物。另外,在铸坯中的复合氧化夹杂物的外层还发现有TiN夹杂物析出。夹杂物成分最终在铸坯中停留在w(Al₂O₃)＜25%的区域,数量密度降低到27个/mm2左右。     

Cr5大型锻钢轧辊探伤缺陷的形成机理及控制

 以Cr5大型锻钢轧辊探伤缺陷为研究背景,通过对轧辊探伤不合缺陷部位进行解剖取样,利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)确定探伤缺陷类型,并对合金炉→LF→VD→VC冶金过程进行跟踪取样溯源,分析冶金过程中夹杂物成分、形貌以及尺寸的变化,并结合FactSgae 8.1软件对导致探伤不合缺陷的形成机理进行了理论计算。研究结果表明,Cr5锻钢轧辊探伤不合格的缺陷主要由呈线性聚集的SiO₂-MnO-Al₂O₃大尺寸夹杂物组成,单个夹杂物尺寸可达200 μm,缺陷夹杂物成分与浇注前SiO₂-MnO-Al₂O₃夹杂物的成分一致。在合金炉出钢前发现大量的SiO₂-MnO-Al₂O₃型夹杂物,在LF精炼过程中没有得到完全去除,而VD过程大搅拌条件下进一步使得SiO₂-MnO-Al₂O₃大颗粒夹杂物卷入钢液。因SiO₂-MnO-Al₂O₃夹杂物与钢液的接触角过小,与钢液具有良好的润湿性,精炼过程中不易上浮去除,凝固过程中聚集并残留于钢锭中形成聚集性的大颗粒夹杂物区域而导致锻钢轧辊探伤不合。热力学计算表明,在Cr5轧辊目标成分下,当钢液铝质量分数为0.003%以下且氧质量分数为0.015%以上时,SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物稳定存在;随着铝含量不断上升,SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物相区稳定存在所需的溶解氧含量不断升高;当钢液的铝质量分数达到0.023%以上,液态夹杂物完全消失。在实际生产过程中将合金炉出钢前及在后续工序中钢液的铝质量分数控制为0.023%以上可使SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物改性为Al₂O₃或富含Al₂O₃的夹杂物,易于上浮、吸收并去除,有效减少了Cr5锻钢轧辊的废损率。     

37Mn5钢精炼过程夹杂物转变机理

 钢中非金属夹杂物在精炼过程中发生成分转变,影响最终产品性能。37Mn5石油套管钢生产精炼过程中,在不进行钙处理的条件下,夹杂物成分从LF炉进站时的Al₂O₃转变为软吹结束时的Al₂O₃-CaO-SiO₂-MgO-CaS复合夹杂物。为研究夹杂物改性原因,揭示夹杂物转变机理,从生产现场取钢样进行夹杂物分析。结果表明,大尺寸夹杂物与一般尺寸夹杂物的成分存在显著差异,随着精炼过程的进行,不同尺寸夹杂物成分和数密度变化趋势也有所不同。大于10 μm的夹杂物成分接近精炼渣,可能是由渣进入钢液引起的。在硅铁合金中钙的质量分数为1.17%,会起到类似钙处理的效果,快速生成大量小尺寸CaS夹杂物。通过对夹杂物成分、数量、形貌进行分析,结合渣成分和热力学计算结果,得到了37Mn5钢精炼过程夹杂物经历脱氧、耐材侵蚀、渣进入钢液、合金带入钙与钢液反应、夹杂物与钢液反应等过程,以及成分发生转变的机理。     

铝脱氧钢中尖晶石夹杂物的生成与转变

研究了140 t LD-LF-RH-CC流程冶炼超低氧钢时精炼过程铝脱氧钢中夹杂物的变化。试验钢出钢过程加足够的铝脱氧,以尽快降低钢液中溶解氧。为使Al₂O₃转变为钙铝酸盐夹杂,选用CaO-Al₂O₃精炼渣系,渣中含3.00%～8.42%SiO₂。结果表明,精炼时钢液中夹杂物的变化趋势为:纯Al₂O₃→尖晶石夹杂→CaO-Al₂O₃-MgO复合夹杂物,炉渣中8.42%SiO₂炉次夹杂物转变慢于3.00%SiO₂炉次;当炉渣CaO/Al₂O₃为1.60时,钢中夹杂物大多转变为低熔点CaO-Al₂O₃-MgO复合夹杂。精炼渣的成分控制应为(%):55～60CaO,35～40Al₂O₃, 5～10MgO。     

低碳铝脱氧20钢钢水洁净度控制研究

为了研究120 t BOF-LF-RH-160 mm×160 mm坯CC工艺生产的铝脱氧20钢（/%:0.13～0.23C,0.17～0.37Si,0.35～0.65Mn,≤0.035P,≤0.035S,0.020～0.050Al）中非金属夹杂物的控制技术,对LF精炼过程中脱氧剂加入时机进行调整,并对精炼过程中非金属夹杂物类型与夹杂物数量进行分析。结果表明,转炉出钢后采用铝块脱氧,LF精炼进站非金属夹杂物主要为Al₂O₃,精炼结束前部分夹杂物由Al₂O₃转变为Al₂O₃·CaO,RH结束后非金属夹杂物密度3～4个/mm²,铸坯氧含量（7.48～8.18）×10^-6;而转炉出钢后采用硅锰进行脱氧,精炼结束前采用铝线,精炼过程中夹杂物主要为MnO·SiO₂,CaO含量小于5%,精炼结束非金属夹杂物控制为Al₂O₃,RH真空处理后,非金属夹杂物密度小于1.5个/mm²,铸坯氧含量（4.94～5.53）×10^-6。因此,针对采用“BOF-LFRH-CC”工艺流程生产的含铝钢,提出精炼结束前将非金属夹杂物控制为Al₂O₃,同时运用RH真空高效去除夹杂物,以提高钢水的洁净度。     

含硫齿轮钢20CrMnTiH洁净度控制

 为降低齿轮钢中硼含量和钢材夹杂物评级,针对含硫高品质齿轮钢洁净度要求高的特点,采用FactSage计算了B₂O₃和铝的化学反应平衡、齿轮钢的等活度图以及MgO-Al₂O₃-SiO₂三元相图。计算结果表明,钢液中铝含量较高可以还原钢液中存留的B₂O₃,提高精炼渣中Al₂O₃含量以及中间包干式料中MgO含量,降低SiO₂含量可提高齿轮钢钢液洁净度。上述技术方案用于工业生产后,齿轮钢中w(T[O])≤0.001 2%,w([B])≤0.000 5%,夹杂物评级A类不大于2.0级,B类、C类以及D类不大于1.0级的比例由原来的71.5%提高至100%,钢材中未出现大颗粒夹杂物,工艺优化方案显著提升了齿轮钢洁净度。     

钙处理时机对LF-RH精炼过程Al2O3基夹杂物的影响

为研究LF-RH精炼工艺生产Q690钢时不同钙处理时机下夹杂物特征的变化,开展工业试验对RH精炼前后钙处理炉次取样进行定量分析对比。钙处理后夹杂物中CaO质量分数持续增加,CaS质量分数瞬态增加,夹杂物熔点降低。RH精炼前钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物的成分接近低熔点区,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别为15个/mm2和0.01%。RH精炼后钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物依旧为高熔点Al₂O₃-MgO类型,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别降至1个/mm2和0.002 5%。RH精炼前钙处理会使RH精炼过程夹杂物熔点以及夹杂物与钢液间的接触角降低,导致夹杂物去除驱动力降低,从而抑制夹杂物的去除。因此LF-RH精炼工艺生产铝脱氧钢时,为提高精炼过程钢中非金属夹杂物的去除效率,应在RH精炼后进行钙处理操作。     

轴承钢中大尺寸夹杂物的特征、来源及改进工艺

以韶钢BOF-ARS (氩站)-LF-RH-CC工艺路线生产GCr15轴承钢为研究背景,采用水浸超声探伤缺陷定位解剖、夹杂物金相显微镜与扫描电镜检验、全冶炼-连铸过程跟踪取样相结合的方法,研究了大尺寸夹杂物的特征和来源,并提出改进工艺。研究结果表明,大尺寸夹杂物主要有两类,一类是含6%~7%SiO₂(质量分数)的低熔点CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂类大颗粒微观夹杂,尺寸分布在50~500 μm范围,另一类是不含SiO₂的CaO-MgO-Al₂O₃类宏观夹杂,尺寸不小于500 μm。前者的主要来源为出钢的过程采用高黏度的低碱度渣与高熔点的石灰混加所引起的化渣不均匀而导致的卷渣;后者主要因为LF精炼工序添加的大量的铝钙精炼渣难以及时熔化而被卷入到钢液内部所导致。因此,精炼渣的设计和造渣工艺优化是改进上述大尺寸夹杂物的关键。改进后造渣工艺为,出钢过程中用钙铝精炼渣取代低碱度渣,并减少LF精炼工序外加的渣料,控制炉渣二元碱度(w(CaO)/w(SiO₂))在5~9范围,Al₂O₃质量分数为23%~28%。改进后炉渣流动性好,水口结瘤现象得到改善,轧材中主要为细小的MgO-Al₂O₃尖晶石及复合硫化物类夹杂,成品探伤合格率得到有效提升。     

精炼渣对轴承钢中氧含量和夹杂物的影响

采用MoSi₂电阻炉在MgO质坩埚内进行了精炼渣成分(%:47～64CaO、13～23SiO₂、15～25Al₂O₃、5～10MgO、0～8CaF₂;CaO/SiO₂=2.0～4.5)对0.95%C-1.50%Cr GCr15轴承钢中氧含量和夹杂物的影响的实验研究。实验中发现,随精炼渣碱度CaO/SiO₂由2增加至4.5,钢液中的终点全氧含量由20×10^-6降至11×10^-6,夹杂物的总数量、总面积和平均半径减小。适当提高Al₂O₃含量或添加CaF₂,减少MgO含量,可以显著提高炉渣吸附夹杂物的速度和能力。低碱度渣精炼的钢液中夹杂物成分含有≥20%SiO₂,塑性较好,夹杂物的尺寸为15～20μm。高碱度渣精炼的钢液中典型的夹杂物是氧化铝和铝镁尖晶石等脆性夹杂物,尺寸≤5μm。     

GCr15SiMn轴承钢中大尺寸TiN生成与控制

 以西宁特钢EAF→LF→VD→IC工艺路线生产GCr15SiMn轴承钢为研究背景,采用矿物解离分析仪、夹杂物自动分析系统、化学分析及X射线荧光光谱仪等检测手段与热力学计算相结合的方法,研究了铸锭中大尺寸TiN夹杂物的析出机理,分析了冶炼阶段钢液中钛含量增加的原因,并提出了相应的改进工艺。通过对轴承钢中残余钛、氮含量的热力学计算,发现大尺寸TiN主要是在凝固过程中析出和长大,降低冶炼过程中钛含量是控制TiN生成的主要途径。对原工艺冶炼过程钛含量变化进行分析,钢液中钛增量主要发生在EAF出钢→LF结束阶段,其中52%钛增量来自于炉渣。为了避免炉渣中钛进入钢液,借助于七元炉渣CaO-SiO₂-MgO-FeO-Al₂O₃-MnO-TiO₂与钢液之间平衡的钛分配比(LTi)模型,计算了铝含量和炉渣中CaO含量对LTi 的影响,预测了最佳的平衡炉渣成分。结果表明,适当降低铝含量和炉渣中CaO含量可以提高渣-钢之间的钛分配比,降低钢液的钛含量;当铝质量分数为0.015%～0.025%、CaO质量分数为50%～55%时,其他炉渣组元的最佳成分(质量分数)为18%～24% Al₂O₃和12%～17% SiO₂。此外,定量描述了不同LTi条件下EAF下渣量与LF终点钛含量的关系。最后,采用“低炉渣碱度、低铝含量以及严格控制电炉下渣量”的改进措施进行了优化试验,优化后冶炼终点钛质量分数可控制在小于0.002 0%,铸锭TiN平均数密度可由原工艺的2.09个/mm2降低至0.73个/mm2,且TiN尺寸几乎都小于10 μm。     

X80管线钢LF-RH二次精炼过程夹杂物行为及控制

研究了210 t BOF-LF-RH-CC工艺流程生产X80管线钢(%:0.041～0.044C、0.15Si、1.78～1.80Mn、0.007～0.010P、0.000 8～0.001 2S、0.039～0.047[Al]s)时精炼过程中夹杂物的变化。在BOF出钢阶段采用加Al强脱氧(0.01%～0.02%[Al]s),LF精炼过程采用高碱度、强还原性精炼渣(精炼渣成分%:50～58CaO、7～10MgO、20～25Al₂O₃、4～7SiO₂、0.5～1.4TFe),炉渣和钢液反应活跃,使得钢中Al₂O₃夹杂物很快向液态钙铝酸盐和部分液态CaO-MgO-Al₂O₃复合夹杂物转变。液态夹杂物通过碰撞、聚合、长大及上浮去除,提高了钢液的洁净度。浇铸前T[O]降到(7～10)×10^-6,钢中夹杂物尺寸在3～5μm,试验炉次的热轧板内未发现大尺寸的低熔点钙铝酸盐类长条夹杂物。     

低[Al]s齿轮钢20CrMnTi的洁净度研究

80 t LD-LF-CC工艺生产齿轮钢20CrMnTi时,[Al]s从0.030%降至0.015%可使吨钢成本降低25.8元。为不影响钢水洁净度,转炉出钢严格挡渣,出钢加入2 kg/t钢芯铝,同时加入CaO≥70%、SiO₂≤5%的高碱度渣进行渣洗,吹氩喂铝线使[Al]s为0.015%。LF精炼加入石灰块和AD粉(Al+Al₂O₃)对炉渣改质,然后喂Ca-Si线,软吹氩≥10 min。5炉试验结果表明,改进工艺后铸坯具有较高的洁净度,T[O](14～15)×10-6,[S] 0.012%～0.015%,[P]0.012%～0.018%。     

CAS-LF-VD精炼过程82A帘线钢中夹杂物的转变

研究的0.80%~0.82%C帘线钢的生产流程为80 t:BOF-CAS-LF-VD-150 mm×150 mm CC工艺。通过顶底复吹转炉出钢过程加入300 kg金属锰和200 kg高纯硅进行硅锰复合脱氧,LF过程先造碱度(CaO/SiO2)2.04的精炼渣,再将精炼渣碱度(CaO/SiO2)降至0.86,保持渣中Al₂O₃含量为~5%,来控制钢中非金属夹杂物的塑性转变。结果表明,铸坯平均总氧含量为16×10^-6,氮含量控制在50×10^-6左右,CAS(密封吹氩调成分)过程钢中夹杂物主要是MnO-Al₂O₃-SiO₂;LF、VD过程钢中和铸坯中夹杂物主要是CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO系,该类夹杂物尺寸偏小(2~3μm),分布在1 400℃低熔点区域附近。     

精炼渣的组成对管坯钢 SA-210C 洁净度的影响

经熔渣粘度和表面张力影响因素的分析并通过正交试验得出优选的管坯钢SA-210C(％:0．18- 0．24C、0．80-1．10Mn)LF精炼渣组成(％):52CaO、18Al₂O₃、16SiO₂、9MgO、5CaF₂。该渣的粘度和表面张力分别为0．72 Pa·s和0．43 N／m。100 t LF使用优选精炼渣的94炉生产数据表明,精炼后钢液中的显微夹杂数量与大颗粒夹杂含量比优选前分别降低了22．6％和35．4％,洁净度合格炉数由原96．8％提高到98．1％。     

废钢+铁水-50 t EAF-LF-VD流程GCr15轴承钢中的非金属夹杂物行为

通过50 t EAF配加30~40 t铁水和12~16 t优质废钢,EBT无渣出钢,加150~200 kg钢芯铝预脱氧,LF用SiC扩散脱氧,控制精炼渣碱度4.0~5.9, VD前后软吹氩、连铸保护浇铸和电磁搅拌等工艺措施,GCr15轴承钢轧材中的氧含量为8×10^-6~9×10^-6。分析结果表明,LF前至VD后钢中夹杂物尺寸一般≤10μm,最大尺寸40μm,大部分夹杂物尺寸为3~6μm; LF前主要夹杂物为Al₂O₃,镁铝尖晶石,硫化物,Cr₂O₃, TiO₂; VD前后为镁铝尖晶石,CaS和MgO。     

210 t BOF-RH-板坯CC流程钢包顶渣改质处理对超低碳钢夹杂物的影响

检测分析了加改质剂（/%:38~43Al,20~30Al₂O₃,27~31CaO,≤6SiO₂,≤6MgO）改质210 t钢包顶渣前后超低碳钢（≤0.01%C）连铸坯中的夹杂物数量和尺寸分布,通过热力学分析,研究了改质剂对钢渣间氧平衡以及连铸坯中夹杂物的影响。结果表明,钢包顶渣改质前的精炼渣样成分为（/%）25.55~39.68CaO,8.51~15.14SiO₂,6.34~27.09MgO,5.92~6.54Al₂O₃,17.32~22.24FeO,3.86~7.35MnO,改质后渣样成分为（/%）34.36~40.43CaO,7.69~11.47SiO₂,6.42~7.31MgO,8.31~25.54Al₂O₃,11.94~20.78FeO,2.17~2.63MnO;采用钢包顶渣改质处理,实际渣中a_(FeO)小于与钢液中氧相平衡的a_(FeO),引起了钢液中的氧通过渣金界面向渣中扩散,从而降低了钢液中氧活度,显著改善钢液的洁净度和降低连铸坯中的夹杂物数量和尺寸,水口结瘤得到明显改善;同时,虽然渣中的a_(FeO)下降较小,但钢液中氧活度得到了明显降低。