下渣对钢中非金属夹杂物的影响实验研究

Experimental Study on the Effect of Slag Carryover on Non-Metallic Inclusions in Steel

摘要: 电弧炉或转炉等初炼炉下渣后，下渣会对钢的洁净度产生影响。为了探索不同下渣率对钢中夹杂物的影响，采用MoSi₂炉开展了5种下渣率、2种精炼渣的渣金平衡实验。结果表明，钢中非金属夹杂物种类主要是MgO∙Al₂O₃和极少量的Ca-Mg-Al-O系夹杂物，夹杂物类型受下渣影响较小。随着下渣率从0增加到8%，复合MgO∙Al₂O₃中w (MgO)随着下渣率的增加而减小，而包裹型夹杂外层MgO∙Al₂O₃中w (MgO)随着下渣率的增加而增加，精炼前后夹杂物的数密度和面积比均增加，钢中尺寸在1 ≤ d < 2 μm区间的夹杂物所占比例逐渐降低。实验结果显示S13渣具有更好的精炼能力。

Abstract: FeO in Slag carryover from primary smelting furnace such as EAF or BOF would affect the cleanliness of steel during refining. In order to explore the influence of various slag carryover ratios on inclusions in steel during refining process, slag-metal equilibrium experiments under five different slag carryover ratios and two different refining slag were carried out by utilizing MoSi₂ furnace. The results showed that the types of inclusions were mainly MgO·Al₂O₃ and a small number of Ca-Mg-Al-O inclusions, and the types of inclusions were less affected by slag carryover conditions. With the increase of slag carryover ratio from 0 to 8%, the w (MgO) in composite MgO·Al₂O₃ decreased with the increase of slag carryover ratios, while the w (MgO) in the outer layer MgO·Al₂O₃ of the inclusion increased with the increase of slag carryover ratios. The number density and area ratio of inclusions increased before and after refining with the increase of slag carryover ratios, meanwhile the proportion of inclusions in the range of 1 ≤ d < 2 μm decreased gradually. S13 slag has the better refining ability.

1. 引言

目前国内外钢铁企业生产轴承钢工艺流程主要分为转炉长流程和电弧炉短流程[1]，其中工艺技术、设备等因素对轴承钢洁净度和夹杂物控制有重要影响[2]。文献[3]报道了非金属夹杂物是影响轴承钢疲劳性能的主要因素，文献[4]-[6]通过分析疲劳断口与夹杂物种类、尺寸的关系，认为钢中镁铝尖晶石、钙铝酸盐以及含Ti非金属夹杂物会导致疲劳裂纹。文献[7] [8]通过分析工业试验样品发现钢包顶渣卷入是轴承钢中大尺寸夹杂物的来源。Al脱氧可将钢中总氧水平控制在较低范围，但脱氧产物Al₂O₃容易聚集长大形成絮状结瘤物而造成水口堵塞[9]。文献[10]则通过实验研究手段论证了钙处理将Al₂O₃改性为低熔点钙铝酸盐的可行性，但文献[11]通过分析VD真空处理后钢中氧化物夹杂的变化特征，认为真空处理后钢中钙质量分数的增加是导致大尺寸球状钙铝酸盐生成的主要因素。

实际生产出钢过程中，由于设备故障、人工操作不当或挡渣方式方法存在一定缺陷等原因，造成初炼炉终点下渣进入钢包，其不仅影响炉后脱氧工艺，还对后续LF精炼过程钢中非金属夹杂物产生一定影响。但国内外关于初炼下渣对钢中夹杂物的影响相关研究较少。本文在实验室条件下开展高温热模拟实验，探索不同下渣率和精炼渣系条件下，钢中非金属夹杂物的变化特征，以期为工业生产提供指导借鉴。

2. 实验方法及过程

MoSi₂管式炉示意图参见文献[12]，实验选用的钢样主要成分见表1。为了研究不同初炼炉下渣条件精炼前后非金属夹杂物的变化特征，结合工业生产实际下渣情况，实验中采用的下渣率分别为0%、2%、4%、6%、8%。因为实际生产中，炉渣中的FeO含量是存在一定的波动范围，本实验中为了模拟下渣氧化性条件并达到精准控制氧化性条件的目的，排除初炼渣其他成分的干扰，实验中选择FeO粉剂模拟工业初炼渣中的FeO来表征炉渣氧化性，FeO粉剂加入量按式(1)进行计算。将放有钢样的氧化镁坩埚放置在石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放置在氩气氛围保护下的管式炉中进行升温操作。当温度达到1600℃时，向钢液中加入FeO粉剂，取1#样；10 min后向熔池中加入精炼渣，成分见表2，渣金质量比控制为10%，第60 min时，取2#样。实验后，将所取样品切割成Φ6 mm × 10 mm圆柱样，使用800、1000、1500、2000目砂纸进行打磨、抛光处理，然后在光学显微镜下放大500倍进行观测拍照，利用Image-Pro Plus 6.0软件对非金属夹杂物尺寸和数量统计进行统计。采用ZEISS EVO18钨灯丝扫描电镜对夹杂物形貌和成分检测进行检测。

$m_{\text{FeO}}=W\times \alpha \times \beta \times \gamma /\eta$ (1)

式中：m_FeO，FeO试剂加入量，g；W，钢样质量，g；α，终渣质量比，取10%；β为下渣率，即下渣量与总渣量的质量比，本实验取0%、2%、4%、6%、8%；γ，初炼渣FeO质量分数，取15%；η，FeO粉剂纯度，为90%。

Table 1. Chemical compositions of test steel

表1. 实验钢成分(质量分数/%)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Al
0.99	0.21	0.29	0.008	0.006	1.65	0.015

Table 2. Chemical compositions of slag

表2. 精炼渣成分(质量分数/%)

渣系	CaO	SiO2	Al2O3	MgO
S1	63.00	13.00	20.00	4.00
S13	56.12	7.14	32.65	4.08

3. 结果与讨论

3.1. 夹杂物种类及形貌变化

图1为不同下渣率不同精炼渣条件1#样中非金属夹杂物电镜扫描检测结果。可以看出，精炼前钢中主要存在多边形MgO·Al₂O₃和极少量球状Ca-Mg-Al-O系夹杂物，夹杂物形态与文献[13]所观测保持一致。图2为不同下渣率不同精炼渣2#样中非金属夹杂物电镜检测结果。此时钢中夹杂物以多边形MgO·Al₂O₃为主和少量的球状Ca-Mg-Al-O系夹杂，另外钢中出现了外层为MgO·Al₂O₃、心部为MgO的包裹型夹杂。夹杂物面扫结果显示，下渣率和精炼渣的改变对非金属夹杂物的形态几乎无影响。

3.2. 夹杂物成分变化

面扫结果显示钢中存在大量多边形复合MgO·Al₂O₃夹杂物，如图1和图2的(a)~(b)所示。扫描电镜成分分析结果显示此类夹杂成分变化具有一定规律性，图3为精炼前后不同下渣率复合MgO·Al₂O₃夹杂物成分变化趋势。精炼前后w (MgO)随着下渣率的增加而减少，且精炼后在相同下渣率条件下w (MgO)有所提高。如图3(a)所示，对于S1渣系精炼炉次，随着下渣率由0%提升至8%，精炼前w (MgO)由33.3%下降至17.05%，精炼后由33.59%下降至19.37%。对于S13渣系精炼炉次也出现同样规律性变化，但S13渣系炉次精炼后w (MgO)整体提升率较低。

(a)~(b) 多边形MgO·Al₂O₃；(c) 球状Ca-Mg-Al-O系夹杂

Figure 1. SEM-mappings of inclusions in 1# sample

图1. 1#样中夹杂物面扫结果

(a)~(b)多边形MgO·Al₂O₃；(c)~(e) MgO·Al₂O₃ + 心部MgO夹杂；(f) 球状Ca-Mg-Al-O系夹杂物

Figure 2. SEM-mappings of inclusions in 2# sample

图2. 2#样中夹杂物面扫结果

Figure 3. Variation of w (MgO) in composite MgO·Al₂O₃ with different slag carryover ratios before and after refining

图3. 不同下渣率复合MgO·Al₂O₃中w (MgO)精炼前后变化

3.3. 夹杂物数量及尺寸变化

图4、图5为精炼前后非金属夹杂物数密度和面积比检测结果。精炼前后夹杂物数密度和面积比均随着下渣率的增加而增加，精炼后在相同下渣率条件下，夹杂物和面积比均呈现下降趋势。如图4(a)，图4(b)所示，随着下渣率由0%提升至8%，精炼前夹杂物数密度由35.24个·mm⁻²上升至54.24个·mm⁻²，面积比由0.0183%增加至0.0321%；精炼后数密度由18.39个·mm⁻²上升至31.66个·mm⁻²，面积比由0.0055%增加至0.0145%。如图5(a)，图5(b)，S13渣精炼炉次也出现了类似规律，但在相同下渣率条件下，S13渣精炼炉次精炼后夹杂物数密度和面积比下降更为明显。

图6、图7为精炼前后非金属夹杂物尺寸分布统计结果。可以明显看出，精炼前后钢中1 ≤ d < 2 μm尺寸区间夹杂物的数量占比随着下渣率的增加而减少，精炼后在相同下渣率条件下，该尺寸区间夹杂物

Figure 4. Number density and area ratio of inclusions before and after refining with S1 slag

图4. S1渣系精炼前后夹杂物数密度和面积比

Figure 5. Number density and area ratio of inclusions before and after refining with S13 slag

图5. S13渣系精炼前后夹杂物数密度和面积比

Figure 6. Size distribution of inclusions before and after refining with S1 slag

图6. S1渣系精炼前后夹杂物尺寸分布

占比有所提升，且S13渣精炼炉次提升率较高。夹杂物尺寸分布变化特征与数密度、面积比变化特征基本保持一致。随着下渣率的增大，下渣中FeO总量增加，FeO会与钢水中的Al发生式(2)反应，从而导致钢中生成新的脱氧产物Al₂O₃数量增多，因此钢中夹杂物数密度呈现增加趋势。此外Al₂O₃不断聚集长大[9]-[13]，增加了钢中大尺寸夹杂物的数量，因此夹杂物面积比增大同时小尺寸夹杂物数量比例减少。精炼后夹杂物数密度下降且小尺寸夹杂物数量比例升高是由于精炼渣对夹杂物具有良好的吸附能力[14]-[19]，且大尺寸夹杂物所受浮力较大，因此更容易上浮去除。夹杂物数密度、面积比、尺寸分布变化结果显示S13精炼渣对夹杂物的吸附能力更强一些。

2[Al] + 3[O] = Al₂O₃ (2)

Figure 7. Size distribution of inclusions before and after refining with S13 slag

图7. S13渣系精炼前后夹杂物尺寸分布

4. 结论

(1) 在本实验条件下，不同下渣率和精炼渣成分对钢中非金属夹杂物的种类基本无影响，钢中非金属夹杂物主要为多边形复合MgO·Al₂O₃，还含有极少量球状Ca-Mg-Al-O系夹杂物。精炼后，钢中出现外层MgO·Al₂O₃、心部MgO包裹型夹杂物。

(2) 精炼前后复合MgO·Al₂O₃中w (MgO)随着下渣率的增加而减少，且在相同下渣率条件下精炼后w (MgO)有所提升，且S13渣精炼炉次提升率较小。

(3) 随着下渣率的增加，精炼前后夹杂物的数密度和面积比均增加，相同下渣率条件下精炼后数密度和面积比呈下降趋势，且S13渣精炼炉次下降率要高于S1渣精炼炉次；精炼前后钢中1 ≤ d < 2 μm尺寸区间夹杂物的数量占比随着下渣率的增加而减少，在相同下渣率条件下精炼后该尺寸区间夹杂物数量比例有所提升，且S13渣精炼炉次的提升率更高。数密度、面积比、尺寸分布等变化规律说明S13渣具有更好的精炼能力。

基金项目

吕梁市校地合作重点研发专项(2023XDHZ05)和辽宁省科技计划联合计划(2023JH2/101700302)。

NOTES

^*通讯作者。