中高碳铝镇静钢形成MnS塑性夹杂的工艺开发与实践

 为提高中高碳钢产品的抗疲劳性能,利用中高碳钢的成分特点,研究开发了中高碳铝镇静钢中MnS以Al₂O₃为形核质点的非均质形核工艺,将钢中Al₂O₃脆性夹杂用塑性MnS包裹,解决了疲劳应力钢因脆性非金属夹杂引起的疲劳断裂问题。通过对微细、弥散Al₂O₃夹杂生成条件、MnS非均质形核析出热力学条件的研究,开展了钢中关键元素的成分设计、精炼及连铸集成工艺的设计与开发。工业实践表明,低活度氧条件下进行铝终脱氧可以形成3～5 μm微细弥散的Al₂O₃夹杂,并作为非均质形核的核心在二次枝晶晶间的凝固末端析出弥散、细小的粒状MnS;通过梯度脱氧、真空碳脱氧以及保护浇铸等操作可以有效稳定控制钢中全氧含量,提高钢水洁净度,成品T[O]质量分数平均为0.000 618%,较原工艺的0.000 739%降低了16%;成品的夹杂物中MnS及MnS包裹Al₂O₃夹杂所占比例大于96%,与世界领先产品的夹杂物控制水平相当,考虑到产品使用过程中Al₂O₃夹杂外部的MnS包裹层必须足够厚,塑性夹杂才能起作用,建立了MnS “有效包裹率” 的概念,当硬相夹杂物被MnS包裹且硬相夹杂物的最大半径不大于MnS包裹部位半径的1/2时,认为MnS对硬相夹杂物实现了“有效包裹”;MnS塑性夹杂工艺可明显提高材料的疲劳性能,成品的平均断裂韧性为83.47 MPa·m1/2,较原工艺的67.31 MPa·m1/2提高了24%。     

镁对低碳铝镇静钢SPHC中夹杂物变性的影响

运用热力学计算分析了镁对SPHC钢(0.065%C、0.025%Al)中夹杂物的作用,并结合80 t顶底复吹转炉流程工业试验,研究镁对SPHC钢中夹杂物的影响机理。热力学计算结果证明,当[Al]²/a_[Mg]³≤7.69×10¹⁰,钢中就会生成单独的MgO·Al₂O₃;对SPHC钢进行喂0.875 kg/t镁线的工业试验结果表明,镁处理可细化夹杂,使团簇状Al₂O₃变为细小的MgO·Al₂O₃夹杂,MnS夹杂也得到了变性,夹杂物数量减少,提高了钢液的纯净度。     

超低碳钢中Al?Ti?O夹杂物的形貌演变和生成机理

对超低碳IF钢钛合金化后的非金属夹杂物进行了分析,研究发现钛合金化后的夹杂物主要为Al₂O₃和Al?Ti?O夹杂物,没有发现纯TiO_x夹杂物。钢中生成的Al?Ti?O复合夹杂物从形貌上均可分为七种类型,四种具有Al₂O₃外层,另外三种无Al₂O₃外层。钛合金化后,钢中瞬态生成了大量无Al₂O₃外层的Al?Ti?O夹杂物,随后夹杂物表面生成Al₂O₃外层,导致有Al₂O₃外层的Al?Ti?O夹杂物数量比例逐渐增加至78.0%。热力学计算结果表明,随着钢中钛含量的增加,夹杂物的转变顺序为固态Al₂O₃→液态Al?Ti?O→固态Ti₂O₃。确定了Al?Ti?O夹杂物的生成机理过程分为两步:精炼过程钛合金化后,当钢液局部区域的钛的质量分数高于0.42%时,[Ti]与钢液反应瞬态生成Al₂O₃?TiO_x或TiO_x;随着精炼过程中钛元素的混匀,含TiO_x夹杂物被钢中[Al]还原,Al₂O₃?TiO_x和TiO_x夹杂物逐渐转变,在夹杂物表面生成Al₂O₃。      

帘线钢冶炼过程夹杂物转变的控制

研究的帘线钢的冶炼流程为150 tLD-RH-LF-软吹氩-CC工艺。通过LD出钢时加入Si-Mn脱氧,并在LF加入低碱度顶渣进行钢渣反应控制钢中非金属夹杂物的塑性。结果表明,RH-LF-中间包和铸坯阶段,钢中主要夹杂物分别为MnO-Al₂O₃-Si0₂(RH),Ca0-Al₂O₃-Si0₂(LF)和MnO-Al₂O₃-SiO₂(中间包和铸坯),采用Si-Mn脱氧和SiC扩散脱氧,低碱度低Al₂O₃顶渣精炼,控制T[O]≤20×10-6,[A1]s≤0.0013%,可有效控制钢中夹杂物数量和尺寸,以及控制夹杂物中Al₂O₃含量并形成可塑性夹杂。     

高级别管线钢夹杂物控制研究

针对管线钢夹杂不合的问题,提出了管线钢夹杂物控制目标为Al₂O₃-CaS系固态夹杂物,并系统研究了钢液成分对此类夹杂物生成的影响与定量关系。研究结果表明,钙处理后Al₂O₃-CaS夹杂物存在两种形成机理,通过调整Ca、S、T[O]成分可实现对不同类型夹杂的精确控制。随着钢中Ca/T[O]质量分数比的增加,夹杂物中Al₂O₃含量显著降低;当Ca/T[O]质量分数比小于0.5时,钢中夹杂物主要以Al₂O₃夹杂为主;当Ca/T[O]质量分数比介于0.5~1.5之间时,夹杂物主要以Al₂O₃-CaS复合夹杂物为主;当Ca/T[O]质量分数比大于1.5时,夹杂物主要以CaO-CaS复合夹杂物为主。工艺优化后,高级别管线钢夹杂物初检不合格率由3.12%降低至1.54%,高级别管线夹杂物评级全部不大于1.5的比例由90%提高至95.4%。     

钛合金化过程对钢液洁净度的影响

重点考察了Ti合金化过程中影响Ti收得率的主要因素,并对比分析了Ti合金化前后夹杂物的物相变化及夹杂物的去除效果.控制氧活度a_[O]<350×10_-6,Al、Ti合金加入时间间隔大于3 min,可以保证Ti收得率>85%;当a_[O]>350×10-6时,需控制Al、Ti合金加入时间间隔为5 min以上.相同a_[O]和[Al]_s情况下,延长Al、Ti加入时间间隔可以有效提高Ti收得率.RH处理过程中,钢包内当量直径>200μm的Al₂O₃夹杂物在5 min内基本可以上浮去除,但相同尺寸的A-Ti-O复合夹杂的去除时间要比Al₂O₃长1~2 min.Ti合金加入后,Al₂O₃夹杂物周围会形成Al-Ti-O的复合夹杂,这些夹杂物的形成降低Ti的收得率.      

连铸中间包钢液中凝聚态氧化铝夹杂物运动行为的数值模拟

在Euler-Lagrange框架下,基于应用分形理论对凝聚态Al₂O₃夹杂物形貌结构进行定量分析的基础上,数值模拟研究了连铸中间包钢液中不同形貌凝聚态Al₂O₃夹杂物的运动行为.研究发现中间包钢液流场和夹杂物形貌尺寸共同影响夹杂物在钢液中的运动行为.随着尺寸的变大,簇群状和致密球形两种形貌Al₂O₃夹杂物上浮去除率都逐渐增加.在相同尺寸下,簇群状Al₂O₃夹杂物上浮去除率比致密球形Al₂O₃夹杂物低;随着尺寸的增加,簇群状Al₂O₃夹杂物上浮去除率相比于同尺寸致密球形Al₂O₃夹杂物降低得就越多.计算结果显示,与同尺寸的致密球形Al₂O₃夹杂物相比,直径为20、40、60和80μm的簇群状Al₂O₃夹杂物上浮去除率分别降低了4.8%、5.7%、6.4%和12.5%.      

超低碳IF钢脱氧合金化过程中夹杂物的行为

 为深入了解超低碳IF钢在脱氧合金化过程中夹杂物的行为,用高温电阻炉开展试验模拟实际生产中铝脱氧钛合金化过程,通过密集取样,详细研究了该过程中夹杂物的转变。研究发现,加铝前,钢中夹杂物主要为球形的FeO_x;加铝后,最先生成浅灰色的球形Al₂O₃,然后向椭球形或单体块状Al₂O₃转变,随后迅速聚合形成不规则状Al₂O₃,最终聚合成簇群状Al₂O₃,整个过程大约在加铝后2 min内完成;加钛后,钢液中形成3种类型的Al-Ti复合类夹杂物,但在加钛大约4 min后便会转化为稳定的Al₂O₃相。整个脱氧合金化过程中,氧含量和夹杂物的量呈下降的趋势,钢液的洁净度逐渐提高。     

210 t BOF-RH-CC炼钢过程无取向硅钢XG800WR洁净度的试验研究

两炉次无取向硅钢XG800WR(/%:0.003～0.004C、0.71～0.75Si、0.32～0.33Mn、0.004～0.007S、0.016P)的炼钢流程为铁水预处理(KR)-210 t顶底复吹转炉-钢包吹氩-RH脱碳精炼-230 mm×1220 mm板坯连铸。53 t中间包钢水过热度为25～30℃,钢包到中间包采用长水口全程吹氩保护浇铸,中间包至结晶器采用浸入式水口浇铸。结果表明,在RH、中间包、结晶器过程中钢中总氧以及夹杂物数量和尺寸均明显降低;但在钢包到中间包过程T[O]、[N]和钢中夹杂物数量增加,说明长水口浇铸过程存在二次氧化。连铸坯中T[O]、[N]平均他分别为11×10^-6和30×10^-6,显微夹杂物数量平均为4个/mm~2。铸坯中的显微夹杂物主要为3～5 μm的AIN,同时存在少量的MnS、Al₂O₃·AIN和Al₂O₃·MgO·MnS。     

锰原料对低合金TRIP钢中非金属夹杂物的影响

为了研究不同锰合金原料对TRIP钢洁净度的影响及锰合金中非金属夹杂物的遗传特性,采用SEM-EDS分别检测了电解锰、金属锰和中碳锰铁中非金属夹杂物的类型、形貌和尺寸,并通过高温试验和热力学计算系统探讨了采用3种锰原料进行合金化后TRIP钢中非金属夹杂物特征.结果表明,电解锰中夹杂物主要为MnC、MnC-MnO和MnO-...     

12CaO·7Al2O3基精炼渣脱硫试验

在试验室用MoSi₂井式电阻炉试验研究了12CaO·7Al₂O_O3的预熔工艺和含10%～20%BaO、2%～6%MgO、1%～3%Li₂O,（12CaO·7Al₂O₃）/SiO₂=8～10的12CaO·7Al₂O₃基精炼渣对成分为（%）0.23C、1.29Mn、0.44Si、0.026P、0.023S、0.04Mo、0.02Cr、0.06Cu的低碳钢的脱硫能力。结果表明,12CaO·7Al₂O₃基预熔精炼渣具有较好的脱硫能力,在1 590℃加入量为3%的条件下,能将钢液中的硫含量从0.030%降低到0.006%,脱硫率80.00%。通过运用正交方法对渣成分进行优化,得出12CaO·7A国₂O₃基精炼渣的优化渣系为:15%BaO,4%MgO,3%Li₂O,（12CaO·7Al₂O₃）/SiO₂=9。     

80t BOF-LF-RH-CC流程冶炼55SiCr弹簧钢洁净度的研究

55SiCr钢280 mm×325 mm铸坯（/%:0.55C,1.42Si,0.67Mn,0.008S,0.67Cr）的冶炼流程为80 t BOF-LF-RH-CC工艺。通过BOF出钢加Al和硅铁合金,同时加入精炼渣,控制精炼过程渣碱度R（CaO/SiO₂）为2.0左右,RH≥20 min,软吹搅拌≥15 min,控制钢中夹杂物转变,得到洁净弹簧钢55SiCr。分析结果表明,LF精炼过程中夹杂物由早期的Al₂O₃-SiO₂-MnO和Al₂O₃夹杂将逐渐转变为Al₂O₃-CaO-SiO₂夹杂,RH真空处理后夹杂物全部转变为Al₂O₃-CaO-SiO₂夹杂,LF开始精炼T[O]和[N]分别为36×10^-6和26×10^-6,铸坯T[O]、[N]分别为7×10^-6和43×10^-6,铸坯中夹杂物主要为Al₂O₃-CaO-SiO₂和Al₂O₃,尺寸≤10μm。      

Al脱氧钢中氧化物对MnS析出的影响

使用10 kg真空感应炉Al脱氧冶炼较高S含量超低氧高强度钢,钢中T[O]降到0.0010%,S的质量分数为0.0190%.采用ASPEX explorer全自动扫描电镜对钢中非金属夹杂物进行检测,发现98%非金属夹杂物都是弥散分布的MnS和MnS+Al₂O₃复合夹杂物.MnS夹杂物棱角分明,从形貌特征来看应属于第Ⅲ类硫化物.MnS+Al₂O₃复合夹杂物以Al₂O₃为核心,外层包裹MnS,其数量约占9%~32%;作为核心的Al₂O₃平均直径为1.5μm.其生成过程可描述为:凝固过程中,小尺寸Al₂O₃被推至固液两相区,而选分结晶作用使得钢中的Mn和S在凝固前沿富集,并以Al₂O₃作为异质形核质点析出MnS夹杂物.对凝固过程中Al₂O₃的推动和捕获行为进行了相关计算.计算结果表明:直径小于4μm的Al₂O₃可被推动,并作为MnS的异质形核质点.      

60t LF精炼终点GCrl5轴承钢中氧化物夹杂特性的研究

通过电弧炉出钢加铝铁、硅铁脱氧,LF精炼初渣的组分为(/%:27.39~37.34 Al₂O_3,38.42~38.68 CaO,14.20~18.38 SiO_2,8.50~10.72 MgO,0.82~0.89 FeO,0.27~0.33 MnO,0.69~0.74 S,0.66~0.75TiO₂,（CaO）/（SiO₂）=2.09~2.72,（CaO）/（Al₂O₃）=1.04~1.40),LF终点T[O]为0.0012%~0.0019%,T[N]为0.0043%~0.0050%,[Ti]0.002%和[Ca]0.006%~0.009%。GCr15轴承钢LF精炼终点氧化物夹杂分析结果表明,钢中主要氧化物夹杂为镁铝尖晶石（MgO·Al₂O₃）和钙镁铝尖晶石氧化物（CaO·MgO·Al₂O₃）。镁铝尖晶石平均尺寸低于0.5μm,当有MnS、TiN等在其上析出后平均尺寸增大。钙镁铝尖晶石平均尺寸通常在2μm以上,在精炼温度下呈液态,易在钢中聚集长大,其尺寸（1.39~2.12μm）比固态的钙镁铝尖晶石-MnS夹杂物大,且更被精炼渣吸收并上浮去除。随着精炼过程钢液中的硫含量降低,以这两类尖晶石为核心的含MnS的复合夹杂物的平均尺寸降低。适当降低精炼终点渣中MgO的含量、光学碱度和黏度可以减少钢中夹杂物的数量并降低其平均尺寸。     

高铝高炉渣系的熔化特性

 为了掌握高Al₂O₃条件下(w(Al₂O₃)为15%以上)高炉渣系的熔化特性,利用差式扫描量热仪分析了不同w(MgO)/w(Al₂O₃)、碱度(R)以及w(Al₂O₃)对高铝高炉渣的熔化温度及熔化热的影响。试验结果表明,炉渣熔化开始温度为1 248～1 291 ℃、熔化结束温度为1 432～1 485 ℃、熔化热为137～211 J/g;当w(Al₂O₃)=15%、高w(MgO)/w(Al₂O₃)时,发生了共晶逆反应,导致高炉炉渣熔化开始温度逐渐降低,但由于高炉炉渣的液相线温度基本未变,所以炉渣熔化结束温度基本未发生改变;w(Al₂O₃)为20%时,随着w(MgO)/w(Al₂O₃)的增加,炉渣中易生成熔点较高的镁铝尖晶石,导致高炉炉渣熔化开始温度逐渐增大,与此同时,炉渣液相线温度逐渐降低,导致炉渣熔化结束温度逐渐降低;随着碱度R的增加,高炉炉渣中生成了具有高熔点的化合物、炉渣的液相线温度升高,使得高炉炉渣的熔化开始温度逐渐增加、炉渣熔化结束温度逐渐升高;随着w(Al₂O₃)的增加,发生了共晶逆反应,故炉渣的熔化开始温度逐渐降低,而随着w(Al₂O₃)的增加,炉渣中键能较大的Al—O键增多,需要在更高温度下才能实现炉渣的最终熔化,即熔化结束温度逐渐增加;随着w(MgO)/w(Al₂O₃)、R以及w(Al₂O₃)的增加,炉渣熔化热逐渐增多。分析认为,随着R的增加,炉渣中有高熔点化合物的生成,熔化热增加;随着炉渣中w(Al₂O₃)的增加,炉渣中Al—O键增多,解聚破坏熔渣结构消耗的热量增多;而随着w(MgO)/w(Al₂O₃)增加,高熔点化合物的生成或熔化开始温度降低,造成熔化热增加。     

100 t复吹转炉-RH-70 mm板坯连铸流程0. 88% Si无取向硅钢的夹杂物行为

0.88%Si无取向硅钢的生产工艺为100 t BOF出钢时加300kg石灰,终点[C]0.035%~0.05%,出钢温度1640~1650℃,RH吹氧脱碳,加99.0%Al-Fe合金6.69 kg/t,加70%Si-Fe合金15.70 kg/t,70 mm板坯连铸过程全程保护浇铸,使用镁质碱性中间包覆盖剂。分析结果表明,RH终点[O]28×10^-6,铸坯[O]22×10^-6,RH-前[N]为16×10^-6,RH过程增氮4×10^-6,RH结束到铸坯增氮6×10^-6;RH脱碳终点时钢中夹杂物以球形MnO·Al₂O₃为主;RH出站时以不规则形状的Al₂O₃为主,并伴有少量单独存在的CaS夹杂;中间包钢液内的夹杂物主要以不规则形状的Al₂O₃为主;铸坯中多为不规则形状的Al₂O₃以及少量AlN,还有少量由结晶器卷渣引起的含Na成分的复合夹杂物。     

RH加钛时机和纯循环时间对IF钢洁净度影响

为进一步提升RH精炼的冶炼效率,更好与高拉速连铸相匹配,对RH冶炼IF钢过程中加Ti时机和纯循环时间对夹杂物的影响开展了试验研究。结果表明,钢液中T.O质量分数在加Al 5 min后小于0.003 0%;夹杂物的数密度在合金化4～5 min后具有最小值,随后增加纯循环时间,夹杂物的数密度无明显变化。在300 t RH工业生产实践中,Al-Ti间隔时间为2 min、纯循环时间为5 min和Al-Ti间隔3 min、纯循环4 min的处理工艺可以保证钢液中的夹杂物充分上浮去除,夹杂物的数密度为0.7～0.8个/mm²,可以实现RH的高效化精炼。在Al-Ti间隔时间大于1 min、纯循环时间大于3 min的操作条件下钢液中未检测到尺寸大于50μm的夹杂物。基于以上工艺优化,IF钢的RH真空处理时间已经降低至20 min。向钢液中加入Al后主要形成Al₂O₃夹杂物,加入钛铁合金化后钢液中会形成富[Ti]区域,[Ti]将Al₂O₃还原而生成Al-Ti氧化物。随着[Ti]在钢液内的扩散以及...     

Al--Ca复合合金钢水脱氧机理的研究

通过Al-Ca复合合金钢水脱氧的平衡热力学计算,确定了钢液的氧的质量分数在3×10-6~1×10-4条件下,1600℃时的Al-Ca复合合金脱氧产物的稳定区域图.以此为基础,假定钙的收得率为100%,预测了钢液在Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为5,加入量为M kg;Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为0.2,加入量为M kg;Al-Ca复合合金Ca/Al质量比为0.2,加入量为0.2M kg三种不同脱氧制度下夹杂物的演变历程.结果表明,在Ca/Al=5,复合合金加入量使初始钢液中的[Ca]为0.01%,[Al]为0.002%时,夹杂物在钢液精炼过程中的演变历程为:12CaO·7Al₂O₃（l）/CaO·Al₂O₃（l）→CaO （s）→12CaO·7Al₂O₃（l）/CaO·Al₂O₃（l）→CaO （s）→12CaO·7Al₂O₃（l）/CaO·Al₂O₃（l）,并确定了固态和液态脱氧产物在脱氧过程中交替形成为最理想的Al-Ca复合合金脱氧制度,可为钢铁企业脱氧剂的选择和应用提供参考和借鉴.      

精炼渣和氧含量对钢帘线盘条夹杂物和断丝指数的影响

试验研究了钢厂BOF-LF-CC-高速线材轧制流程LF二元精炼渣60CaO-40SiO₂、[O]27×10^-6,和三元精炼渣47.5~50.2CaO-41.8~45.7SiO₂-5~8 Al₂O₃、[O]12×10^-6~14×10^-6 对φ5.5 mm盘条中夹杂物种类、形貌、尺寸和数量的影响以及拉丝合股过程断丝指数的影响。结果表明,[O]较高、采用二元渣系精炼的盘条中夹杂物尺寸一般存7μm以上数量较多,Al₂O₃含量较高,且集中在盘条表面深度1 mm以内,断丝指数为2.5; [O]较低,采用三元渣系精炼的盘条中夹杂物SiO₂含量较高,Al₂O₃含量较低,大部分夹杂物尺寸为~5μm,盘条表面没有较大尺寸的夹杂物,断丝指数为1.0~1.5,所以F采用含5%Al₂O₃的三元渣精炼,控制[O]≤15×10^-6,降低钢中夹杂物数量和尺寸可显著改善钢帘线的拉拔性能。      

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。