脱氧工艺对低合金高强度钢中夹杂物的影响

韩文习，于景坤，颜正国

(1.东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004;2.莱芜钢铁集团有限公司技术中心，山东 莱芜 271105)

夹杂物是衡量钢质量的重要指标，其类型、组成、形态、含量及尺寸分布等直接影响钢材的冷热加工性能，以及塑性、韧性和疲劳性能［1］.近年来，尽管钢铁市场形势严峻，但终端用户对高品质钢材的需求却一直稳步增加，迫使企业更加重视提高钢材的质量.钢水脱氧是炼钢过程中必不可少的工艺环节，合理的脱氧工艺对控制钢中夹杂物至关重要.国内外冶金企业都非常注重对钢水脱氧工艺的研究，冶金工作者们就如何降低钢中的氧含量，提高钢的洁净度，不断对现有脱氧工艺进行改进，并探索新的脱氧技术.目前，在炼钢过程中使用复合脱氧剂代替铝对钢水进行脱氧操作已成为主流，尤其是含钡的复合脱氧剂越来越受到人们的重视［2～5］.随着氧化物冶金技术的发展，如何有效利用脱氧产物也成为研究的热点，其中，有关钛的脱氧工艺及其脱氧产物受到了冶金和材料学术界的重点关注和广泛研究［6～10］.

本研究以低合金高强度热轧H型钢为研究对象，进行不同脱氧工艺的工业批量对比试验，考察硅钙钡合金、钛线两种脱氧剂对钢中夹杂物的影响，探索在大生产条件下降低钢中夹杂物的合理脱氧工艺，提高中小转炉－LF精炼炉－连铸流程生产高品质低合金钢的夹杂物控制水平.

1 试验

试验在某炼钢厂进行，试验钢的化学成分如表1所示.当钢水出至1/4时开始对准钢流冲击区均匀加入脱氧及合金化合金，钢水出至3/4时加完.采用两种不同脱氧方式:(Ⅰ)在转炉出钢过程中加入Si－Ca－Ba合金进行预脱氧，按Si－Ca－Ba合金+Si－Mn合金+Si－Ca－Ba合金方式分批加入;(Ⅱ)在出钢过程中先加入Si－Mn合金，进LF精炼站开吹后用喂丝机加入Ti线进行预脱氧.两种脱氧工艺预脱氧剂的加入量根据转炉出钢时钢中溶解氧的量来确定.精炼过程两种试验方案采用相同的精炼工艺完成终脱氧和脱硫，并按照相同的终点溶解氧［O］控制出站.两种脱氧方式各试验一个浇次，两个浇次的试验均为“高炉铁水+废钢→60t顶吹转炉→LF精炼→连铸”工艺流程.脱氧剂Si－Ca－Ba合金及Ti线的化学成分如表2所示.试验过程采用提桶式取样器取LF精炼终点钢样，以及铸坯和轧材样.

表1 试验钢种的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of experimental steel(mass fraction)%

表2 脱氧剂的平均化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of deoxidizer(mass fraction)%

利用氧氮分析仪检测LF精炼终点试样中的全氧含量，比较两者的终脱氧效果;采用金相显微镜、扫描电镜并结合能谱分析仪分析铸坯、轧材中的夹杂物形貌、尺寸、分布及成分，对比研究两种脱氧方式对钢中夹杂物的影响.

2 试验结果及讨论

2.1 脱氧方式对钢中全氧含量(质量分数w［TO］)的影响

钢中的全氧含量(质量分数w［TO］)的大小经常作为钢水纯净度的评价指标，在一定程度上能够反映钢中夹杂物含量的多少.采用脱氧剂Si－Ca－Ba，脱氧方式为Ⅰ的同一浇次10炉钢的精炼终点试样 w［TO］的变化在20.9～72.3×10－6，平均为 41.5 ×10－6，不同炉次的 w［TO］波动幅度比较大，说明钢中的夹杂物分布不均匀.而采用脱氧剂钛线，脱氧方式Ⅱ的同一浇次Ti脱氧试验的5炉钢的精炼终点试样w［TO］的变化在13.7 ～33.2×10－6，平均为26.8×10－6，w［TO］低于使用Si－Ca－Ba脱氧工艺时的钢.由两个浇次LF终点试样的w［TO］检测结果可知，采用钛线作为脱氧剂，方式Ⅱ的脱氧工艺，其钢液的洁净度较以Si－Ca－Ba为脱氧剂，脱氧方式Ⅰ有较大幅度的提高.

2.2 脱氧方式对钢中夹杂物的影响

2.2.1 对夹杂物形貌和组成的影响

通过金相检验，在以Si－Ca－Ba为脱氧剂，采用脱氧方式Ⅰ所生产的铸坯中发现了尺寸较大的球形夹杂(见图1(a))，能谱分析表明此类夹杂物主要是由 Si、Mn、Ca、O 及少量 Al所组成的复合氧化物夹杂，部分夹杂物中含有极少量的Ba.其轧材中典型夹杂物形貌如图1(b)所示.

理论上，Ba、Ca具有很强的脱氧能力，Si－Ca－Ba复合脱氧合金中Ba具有降低Ca的蒸气压、增大Ca在钢液中的溶解度的作用，可显著提高Ca的脱氧和球化夹杂物的能力.有研究［11，12］表明，含Ba合金的脱氧产物半径较大，上浮速度快，这也是本次试验中，铸坯夹杂物中较少发现Ba的脱氧产物存在的主要原因.

由钙和钡组成的复合脱氧剂不仅具有较强的脱氧能力，而且对夹杂物也有很强的变性能力，加入钢中后生成的氧化物CaO、BaO可与Si、Al的脱氧产物SiO2、Al2O3作用生成低熔点的复合化合物，在钢液中呈液态，铸坯中检出的大颗粒球形夹杂也证明了这一点.一般认为液态的脱氧产物与钢液接触的界面张力较小，易于碰撞长大而上浮去除，能够获得纯净度较高钢水.但由于中小转炉－连铸生产线生产节奏快，夹杂物上浮时间不充分，从而影响钢中夹杂物的上浮去除，使得钢中的氧含量较高.而且由于此类大颗粒夹杂物的存在，也导致其LF精炼终点钢中全氧含量波动幅度较大.此类尺寸较大的硅酸盐类塑性夹杂物，在轧制过程会沿轧制方向延伸成条带状(见图1(b))，导致夹杂物评级级别较高.

图1 Si－Ca－Ba脱氧钢Fig.1 Metallographic images of inclusions in Si－Ca－Ba complex deoxidized steel

以Ti作为脱氧剂，采用脱氧方式Ⅱ所试生产的连铸坯及其轧材，其金相、扫描电镜检验结果表明，金属基体中存在数量众多弥散分布的尺寸小于5 μm的球形复合夹杂，没有发现大颗粒夹杂物.能谱分析结果表明，其组成主要为含 Ti、Ca、Mn、S的复合夹杂物，部分夹杂还含有少量的Al、Si.典型夹杂物扫描电镜照片如图2所示.

以Ti作为脱氧剂，采用脱氧方式Ⅱ的试验钢在转炉出钢过程利用Si、Mn脱氧合金化，由于试验钢的 w［Mn］/w［Si］介于4～7之间，脱氧产物形成低熔点的MnOX·SiO2化合物，在出钢钢水混冲过程有一部分会聚集长大上浮到渣中，部分的脱氧产物在加Ti处理后会被Ti还原，剩余比较少部分聚集长大的机会降低，与钢液中的TiOX、Al2O3夹杂物形成尺寸很小的复合夹杂物，由于尺寸小，在钢液中上浮去除困难，从而留在钢中形成弥散分布的夹杂物.加Ti后钢中尺寸大的夹杂物数目明显减少，尺寸小的夹杂物数目明显增多.宏观表现为全氧分析结果波动相对较小，这也是轧材金相检验夹杂物评级较低的原因.对于大多数钢材来说，这种弥散分布的小尺寸夹杂物不会影响钢材的最终使用性能.

2.2.2 对夹杂物评级的影响

两种脱氧方式所生产的轧材夹杂物金相检验评级见表3.由夹杂物评级结果可知，以Si－Ca－Ba为脱氧剂的脱氧方式Ⅰ，其钢中C类硅酸盐类夹杂物评级明显高于以Ti为脱氧剂的脱氧方式Ⅱ，而且在终点［S］含量差别不大的情况下，后者A类硫化物夹杂级别也较前者显著降低.

分析认为，在本试验条件下，Ti脱氧后的试验钢中很多氧化物夹杂上都有硫化锰析出，Ti脱氧后形成的复合氧化物夹杂在凝固过程中成为了钢中MnS的形核质点，最终得到氧化物和MnS的复合夹杂.Ti脱氧后形成的弥散分布、小尺寸夹杂物对钢中的［S］有较好的分散效果，能够细化钢中的硫化物夹杂.剩余的［S］即便没有以氧化物夹杂作为形核质点，而是在钢液凝固时以MnS单独析出，由于［S］所占质量已经较少，也不会形成大尺寸的硫化物夹杂.

表3 试验钢夹杂评级Table 3 Inclusions grade of experimental steel

3 结论

(1)中小转炉—LF精炼炉—连铸流程生产低合金钢，与使用硅钙钡脱氧相比，使用钛脱氧工艺后钢中全氧含量显著降低，钢洁净度大幅度提高，硫化物、硅酸盐类夹杂的评级也显著降低.

(2)Ti脱氧工艺的试验钢轧材中尺寸小于5 μm的复合夹杂物数目多，夹杂物呈细小弥散分布.

(3)Ti脱氧工艺的试验钢轧材中大部分夹杂物为含MnS的球形复合夹杂，对钢中的硫化物有明显的弥散作用，降低了［S］对钢材性能的危害.

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