摘要: 选取铝镁砖、镁铬砖、镁碳砖三种耐火材料，在SWRH82B帘线钢高温液体中进行浸泡实验，利用金相显微镜和电化学设备对凝固后的帘线钢进行夹杂物和腐蚀行为观察。结果表明，SWRH82B帘线钢在三种耐火砖反应后钢中均会不同程度地产生非金属夹杂物。夹杂物以点状、近球形和一些不规则的形状存在。与铝镁砖反应后的钢中夹杂物的尺寸较大，而与镁铬砖、镁碳砖反应后的钢中夹杂物的尺寸较小且更为分散。SWRH82B与铝镁砖反应后的自腐蚀电位最高、自腐蚀电流密度最小且容抗弧最大，表现为较高的抗腐蚀能力；但帘线钢与耐火材料反应产物所形成的大尺寸颗粒，对于后续的拉丝过程会产生不利的影响，可以通过渣洗和夹杂物塑性化工艺来加以改善。
Abstract:
Three refractory materials, namely, Al-Mg, Mg-Cr and Mg-C bricks, were soaked in molted SWRH82B cord steel. The inclusions and corrosion behavior of the steel were observed by metallographic microscope and electrochemical equipment. The results show that there exist nonmetallic inclusions in different degrees in the steel after the reaction of three refractory bricks. Inclusions exist in the form of dots, nearly spheres and some irregular shapes. The size of inclusions in steel reacted with Al-Mg bricks is larger, while the size of inclusions in steel reacted with Mg-Cr bricks and Mg-C bricks is smaller and more dispersed. SWRH82B has the highest self-corrosion potential, the lowest self-corrosion current density and the largest capacitance arc after reaction with aluminum-magnesium brick, which shows high anti-corrosion ability; however, the large-size particles formed by the reaction between cord steel and refractory materials will have adverse effects on the subsequent wire drawing process, which can be improved by slag washing and inclusion plasticization process.
1. 引言
帘线钢具有弹性好、强度高、抗冲击的优异性能，主要用作轮胎增强体，是超洁净钢的代表产品，也是线材生产水平的标志。帘线钢在拉拔成丝后，直径一般为在0.3 mm以下，因此在生产中对冶炼、轧制、加工等每个环节都有特殊的要求，特别是对钢中夹杂物的数量要求非常严格。在高纯净帘线钢冶炼过程中，耐火材料与钢液之间的物理化学作用产生是产生夹杂的原因之一。随着炼钢过程中对炉外精炼和合金化工艺越来越重视，钢包内衬用耐火材料的选择愈发重要 [1] [2]，而目前上述领域的研究尚未见有系统的研究报道。本研究选取铝镁砖、镁铬砖、镁碳砖三种耐火材料(分别对应柳钢生产线上钢包、RH真空室和转炉炉体耐火材料)，在帘线钢高温钢液中进行浸泡实验，利用金相显微镜和电化学设备对凝固后的帘线钢进行夹杂物观察，目的是了解耐火材料和钢水的相互作用，探索外来夹杂物的产生机理，为耐火材料的选择提供依据。
2. 实验方法
实验材料取自柳钢生产现场使用的耐火砖。三种材料的化学成分如表1所示，SWRH82B钢取自柳钢生产线上的帘线钢盘条，化学成分为C：0.80%，Si：0.18%，Mn：0.81%，P：0.01，S：0.01%。
Table 1. Chemical composition of three refractory bricks (Wt.%)
表1. 三种耐火砖的化学成分(质量分数)
用金刚石锯将耐火砖切成5 mm的薄片，与SWRH82B钢一起放入坩埚，采用GP-8中频感应电炉，升温至1500℃，在熔体中保温5个小时，然后取出耐火砖薄片，待钢水凝固冷却后，采用德国LEICADM2700P金相显微镜，依据钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法(GB/T 13925-2010)观察钢中非金属夹杂物的形貌，采用GamryIFC1010-20133电化学工作站进行电化学性能测试。测试采用三电极法进行测量，如图1所示。对电极为铂片，参比电极选用过饱和甘汞溶液(SCE)，鲁金毛细管搭配参比电极使用，工作电极裸露的面积为1 cm2，电解液为3.5 wt% NaCl溶液。首先将试样浸泡在溶液中测试开路电位，测试时间为1800 s，开路电位稳定后测量极化曲线，用EchemAnalyst软件对极化曲线进行数据拟合。电化学交流阻抗谱测试同样将试样浸泡在溶液中测试开路电位，测试时间为1800 s，开路电位稳定后测量试样的交流阻抗。
Figure 1. Schematic diagram of electrochemical workstation
图1. 电化学工作站示意图
3. 实验结果及分析
3.1. 非金属夹杂物的形貌
加热温度为1500℃，未浸泡的SWRH82B钢和三种耐火材料浸泡在钢液中作用5个小时后，钢样经过切割、镶嵌、打磨和抛光后，金相组织形貌如图2所示。
从图2可知，经过长期浸泡以后，和未浸泡的情况(图2(a))相比较，SWRH82B帘线钢中与三种耐火砖反应后夹杂物均有增加。夹杂物以点状、近球形和一些不规则的形状存在。与铝镁砖反应后的SWRH82B帘线钢中非金属夹杂物的尺寸较大，平均尺寸为8 μm，而与镁铬砖、镁碳砖反应后的SWRH82B帘线钢中非金属夹杂物的尺寸较小，尺寸较为均匀，平均尺寸分别为5 μm和6 μm。
与铝镁砖反应后的SWRH82B帘线钢中以一些近球形、不规则的Al2O3夹杂为主，氧化镁系耐火材料会促进钢中的Al2O3夹杂转化为MgO·Al2O3复合夹杂物，所以还有少量的MgO·Al2O3夹杂存在。与镁铬砖反应后的SWRH82B帘线钢中以近球形、长条形和不规则的非金属夹杂物(Cr2O3·MgO)形式存在。与镁碳砖反应后的SWRH82B帘线钢增碳比较严重，一是镁碳砖中的碳直接溶解于钢液中，二是碳与MgO反应生成CO和Mg蒸气，Mg蒸气在MgO周围氧化沉积，钢中碳含量增加。
(a) 浸泡前 
(b) 铝镁砖 
(b) 镁铬砖 
(c) 碳砖
Figure 2. Metallographic structure of SWRH82B cord steel and refractory brick reaction
图2. SWRH82B帘线钢与耐火砖反应金相组织
文献 [1] [2] 表明，帘线钢中的硬质氧化物，如氧化铝等等，将严重影响钢材的可塑性，在拉丝过程中造成断丝。帘线钢与铝镁砖的反应产物所形成的大尺寸颗粒，显然对于后续的拉丝过程产生不利的影响。为了消除这些影响，需要采用钢水的净化和夹杂物塑性化工艺 [3] [4]。解决钢中Al2O3夹杂带来的影响主要思路有两条：一是使用如Si-Al-Fe或Si-Al-Ca-Ba等含铝的脱氧剂进行预脱氧，再通过后续调整精炼工艺，以达到去除Al2O3夹杂的目的；二是采用无铝脱氧工艺，即通过提前脱磷，提高转炉终点钢的碳含量，降低Ti含量，以硅锰、硅铁或者锰铁替代纯铝或含铝合金进行脱氧合金化，并采用碳硅或硅钙进行终脱氧处理 [5] [6]。但方法一对夹杂物的处理难度较大，因此，目前主要采用无铝脱氧工艺。方法二在终脱氧后，对Al2O3起一定的抑制作用。同时需要严格控制所用原料中的铝含量和钢水包衬材料中的Al2O3含量等。
通过控制精炼渣的组成可以实现SWRH82B硬质夹杂物的塑性化 [7]。具体做法是，采用无铝化脱氧，并将精炼渣的碱度控制在0.8~1.2，Al2O3质量分数控制在10%以下，能使CaO-Al2O3-SiO2系夹杂物成为塑性夹杂物。
3.2. 电化学性能测试
在相同条件下，电化学性能可以在一定程度下反映帘线钢的洁净度，因为夹杂物的存在对材料的电化学性能有很大影响。试验钢与三种耐火砖反应后的极化曲线的拟合结果如表2所示，从表可以看出试验钢与铝镁砖反应后的自腐蚀电位最高，为−507.0 mV，自腐蚀电位越高，抗腐蚀能力越好。
Table 2. The fitting values of polarization curves
表2. 极化曲线拟合值
电化学阻抗谱能真实的反映试验钢在电化学溶解过程中的反应动力学，也间接反映了钢的纯度。采用电化学阻抗技术将小振幅交流电压扰动电极产生的线性关系响应信号，转换成阻抗谱数据的电化学测量方法。图3是试验钢与三种耐火砖反应后和SWRH82B帘线钢的Nyquist图。
Figure 3. Nyquist drawing of SWRH82B steel after reaction with refractory brick
图3. 与耐火砖反应后和SWRH82B钢的Nyquist图
钢中的夹杂物含量和材料的电化学行为有对应的关系。夹杂物的体积分数小对应于大的容抗弧。从图3可知，试验钢与铝镁砖、镁铬砖反应后的容抗弧大于镁碳砖反应后的容抗弧，其中试验钢与铝镁砖反应后的容抗弧最大。容抗弧越大表明试验钢的自腐蚀就越小，试验钢的腐蚀速率越缓慢。结合表2中的数据，可以看出，试验钢与铝镁砖反应后的自腐蚀电流密度最小，为8.13 μA∙cm−2，自腐蚀电流密度越小，材料的腐蚀速度越慢，所以试验钢与铝镁砖反应后腐蚀速度最慢，具有较好的抗腐蚀性能最好，也就说明，该耐火材料更适合作为高纯净帘线钢的炉衬或者钢包材料。
4. 结论
试验通过金相形貌分析和电化学测定的方法，研究了三种耐火材料对SWRH82B帘线钢洁净度的影响，得到的主要结论如下：
SWRH82B帘线钢在高温三种耐火砖反应后钢中均会不同程度地产生非金属夹杂物，夹杂物以点状、近球形和一些不规则的形状存在。与铝镁砖反应后的钢中夹杂物的尺寸较大，而与镁铬砖、镁碳砖反应后的钢中夹杂物的尺寸较小。与铝镁砖反应后的钢中以Al2O3夹杂为主，还有少量的MgO∙Al2O3复合夹杂；与镁铬砖反应后的钢中以近球形、长条形和不规则的非金属夹杂物形式存在；与镁碳砖反应后的钢增碳比较严重。SWRH82B与铝镁砖反应后的自腐蚀电位最高、自腐蚀电流密度最小且容抗弧最大，表现为较高的抗腐蚀能力；镁铬砖次之而镁碳砖最差。但帘线钢与铝镁砖的反应产物所形成的大尺寸颗粒，显然对于后续的拉丝过程产生不利的影响，可以通过渣洗和夹杂物塑性化的工艺来解决。
基金项目
广西重大科技专项(桂科AA18242013-2)。
NOTES
*通讯作者。