高鋁精煉渣對重軌鋼中夾雜物的影響

康 旭， 戰東平， 楊永坤， 屈樂欣， 劉 越， 姜周華， 張慧書

(1. 東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2. 遼寧科技學院 冶金工程學院，遼寧 本溪 117004)

伴隨著鐵路運輸的高速化、重載化，對重軌鋼的性能要求也愈來愈多，國內外關于重軌鋼的生產工藝和設備也在不斷改進和優化.國內重軌鋼在冶煉裝備上現已達到很高水平，但生產工藝與國外仍存在較大差距.而其中最主要的問題就在于重軌鋼中非金屬夾雜物的控制[1].重軌鋼中非金屬夾雜物的存在會對重軌鋼的性能產生重要的影響，對于這一點科研工作者們已經有了統一的共識[2-3].

重軌鋼中非金屬夾雜物按其來源可分為外來夾雜物和內生夾雜物[4]，外來夾雜物主要來自于從冶煉到連鑄的整個過程中的二次氧化產物、卷渣(爐渣和保護渣等)和耐火材料的侵蝕[5]，這類夾雜物大多尺寸較大，對鋼材危害較大，應在精煉過程中采用合適精煉渣盡量促進大顆粒夾雜物上浮排除[6].內生夾雜物主要是來自于鋼液脫氧、凝固和冷卻過程中析出的夾雜物，尺寸一般較小，研究表明顯微夾雜主要是脫氧產物，其主要與鋼中所含氧的質量分數有關，會對高強鋼的疲勞性能和斷裂性能產生極大影響，因此應盡量控制鋼中全氧質量分數[7-8].研究者們[9-10]發現氧化鋁較高的夾雜物對成品重軌鋼產生較大的危害，在重軌鋼冶煉過程中對氧化鋁類夾雜的控制尤為重要.

阮小江等[11]對軸承鋼的研究表明，通過改變精煉渣成分可以降低鋼中全氧質量分數，減小夾雜物尺寸，且對夾雜物成分產生一定的影響.本文以某廠生產的重軌鋼U71Mn為例，在實驗室條件下進行不同質量分數Al2O3精煉渣成分實驗，探究了高氧化鋁精煉渣對重軌鋼中夾雜物的影響.

1 實驗材料及方法

本文以國內某鋼廠生產的重軌鋼U71Mn為原料，精煉渣-鋼液平衡實驗在MoSi2管式電阻爐開展，實驗裝置如圖1所示.

首先，將400 g鋼樣和40 g精煉渣一同放入氧化鎂坩堝中，將坩堝置于石墨坩堝并一同放入MoSi2電阻爐中，在氬氣氣氛下升至1 873 K，保溫 90 min，在氬氣恒溫過程中分別于0 、 5、 10、 20、 30、 90 min 時和終點時取鋼錠樣進行氮氧分析，并對終點鋼錠加工后進行金相定量、掃描電鏡及EDS能譜分析.

2 實驗結果與分析

2.1 精煉渣成分設計

實驗室實驗采用的精煉渣系為CaO-Al2O3-SiO2三元渣系，同時加入少量的氧化鎂和氟化鈣.為了研究不同Al2O3質量分數對重軌鋼冶煉的影響，同時結合所查閱文獻[12-15]，精煉渣兼顧脫氧和脫硫能力的同時，能夠對夾雜物起到一定的改善作用.具體的精煉渣成分設計方案如表1所示，其中1#精煉渣成分為該廠用精煉渣近似成分， 2～6#精煉渣為不同Al2O3質量分數下對照實驗.

2.2 實驗結果與分析

采用TCH600型氧氮分析儀，對精煉渣-鋼液平衡實驗冶煉過程中各爐次不同時刻所取的試樣進行全氧質量分數檢測，結果如圖2所示.從圖2可以看出重軌鋼精煉過程全氧質量分數下降并最終趨于平衡.鋼中全氧質量分數的降低主要原因是鋼液中氧化物類夾雜上浮進入渣中.同時，從圖中也能夠看出隨著精煉渣二元堿度CaO/SiO2逐漸增加，平衡時鋼中全氧質量分數逐漸減小，這說明高堿度精煉渣，有利于鋼液脫氧，對于鋼中氧化物類夾雜的吸附排出更為有利.因此從精煉渣對鋼中氧質量分數影響考慮，精煉渣中CaO/SiO2為6.38，Al2O3在30%左右效果較好.

表1 精煉渣成分表

圖2 全氧質量分數變化Fig.2 Change of total oxygen mass fraction

利用OLYMOUS金相顯微鏡對打磨和拋光后每個試樣49個視場(放大500倍)進行觀察并拍照，并用圖象處理系統統計視場中夾雜物最大直徑和面積等參數，將數據整理后結果如圖3所示.

圖3 夾雜物平均直徑與渣中氧化鋁質量分數的關系Fig.3 The relationship between inclusion average diameter and alumina mass fraction in slag

從圖3可以看出鋼中夾雜物的平均直徑隨著渣中Al2O3質量分數的增加呈現出先減小后增加的趨勢.當精煉渣中Al2O3質量分數約為30%時，鋼中夾雜物的平均尺寸達到最小值 1.31 μm.此時精煉渣中CaO/Al2O3值約為1.65，精煉渣CaO和Al2O3的質量分數接近12CaO·7Al2O3，二元堿度CaO/SiO2為6.38，渣熔點較低，熔化較快，對氧化鋁類夾雜物的吸附效果更好，促進了夾雜物的吸附排除，根據斯托克斯上浮公式，大顆粒夾雜物上浮較快，其到達渣-鋼界面，被精煉渣吸附排除，鋼中大顆粒夾雜物數量減少，夾雜物平均尺寸降低.如果從鋼中夾雜物平均尺寸角度考慮時，Al2O3質量分數處于30%左右效果較好.

因為含有較高質量分數氧化鋁的夾雜物對成品重軌鋼產生的危害較大，因此對六爐試樣中夾雜物氧化鋁質量分數進行統計.對于不同Al2O3質量分數的精煉渣成分，夾雜物中氧化鋁質量分數存在一定的差異，夾雜物中氧化鋁質量分數與渣中氧化鋁質量分數的變化關系如圖4所示，可以看出夾雜物中氧化鋁質量分數隨著精煉渣中Al2O3的質量分數減少而逐漸減少，因為精煉渣中Al2O3質量分數減少，渣中Al2O3活度降低，渣-鋼反應進入鋼液中的鋁減少，因此生成的夾雜物中氧化鋁質量分數逐漸降低.1#和6#渣中Al2O3質量分數相差較多，但夾雜物中氧化鋁質量分數基本相同，因此認為當渣中Al2O3質量分數在不超過30%時，渣中Al2O3活度較低，精煉渣中Al2O3質量分數對夾雜物中氧化鋁質量分數影響較小.

圖4 夾雜物中氧化鋁質量分數與渣中氧化鋁質量分數的關系Fig.4 The relationship between the mass fraction of alumina in the inclusions and the mass fraction of alumina in the slag

采用掃描電鏡和EDS能譜分析對較大尺寸夾雜物的二維形貌和成分進行統計分析，不同精煉渣成分，重軌鋼終點樣中較大尺寸夾雜物形貌和成分分布如圖5所示.從圖中可以看出不同爐次夾雜物均是以氧化物為核心的包裹型夾雜物.氧化物核心最主要成分為Al2O3·MgO，因為實驗使用MgO坩堝，因此有較多的Al2O3·MgO形成；部分爐次在Al2O3-MgO外側包有少量的SiO2，且隨著渣中CaO/SiO2值增加夾雜物中SiO2質量分數逐漸減少，當CaO/SiO2超過3.6時，基本消失，因為隨著渣中CaO/SiO2值增加，渣中SiO2活度降低，所以夾雜物中SiO2質量分數減少.氧化物核心最外側為硫化物包裹層，且隨著CaO/SiO2增加，硫化物包裹層包裹范圍逐漸變小.因為硫化物一般在凝固前沿析出，且在析出時易以其它夾雜物為核心，在其表面包裹析出，而鋼液中氧化物類夾雜物較多，為其提供了較多的形核核心；同時隨著渣中二元堿度CaO/SiO2增加，渣中CaO活度增加，脫硫效果逐漸增強，鋼中硫質量分數減少[16]，生成的硫化物夾雜物逐漸減少，包裹范圍變小.且隨著渣中CaO/SiO2增加硫化物包裹層逐漸由MnS轉變為CaS，可以看出6#爐次外側硫化物包裹層不再為MnS，而是轉變為CaS.

3 結 論

本文以某廠生產的重軌鋼U71Mn為例，通過利用不同Al2O3質量分數精煉渣在實驗室二硅化鉬電阻爐中進行渣-金平衡實驗，研究了高氧化鋁精煉渣對重軌鋼中夾雜物的影響.得到以下結論：

(1)隨著高鋁精煉渣中CaO/SiO2的增加，鋼中全氧質量分數逐漸降低，說明含有一定量Al2O3的高堿度精煉渣有利于鋼液脫氧，對于鋼中氧化物類夾雜的吸附排出更為有利.

(2)鋼中夾雜物的平均直徑隨渣中Al2O3質量分數的增加先減小后增加.當精煉渣中Al2O3質量分數約為30%，精煉渣中CaO/Al2O3值約為1.65時，渣熔點較低，熔化較快，對氧化鋁類夾雜物的吸附效果較好，鋼中夾雜物的平均直徑為6爐次最小值1.31 μm.

(3)6爐次夾雜物中氧化鋁質量分數隨著渣中Al2O3減少逐漸減少，且當渣中Al2O3質量分數低于30%時，精煉渣中氧化鋁質量分數對鋼中夾雜物氧化鋁質量分數影響不大.

(4)實驗室6爐次較大尺寸夾雜物均是以Al2O3·MgO為核心的包裹型夾雜，部分爐次在Al2O3·MgO外側包有少量的SiO2，并隨著渣中CaO/SiO2值增加而逐漸減少.夾雜物最外側為硫化物包裹層，隨著CaO/SiO2增加包裹范圍逐漸變小，且硫化物包裹層逐漸由MnS轉變為CaS.