LF精炼过程中SAE8620钢所含MgO复合夹杂物分析

李文博，包燕平，王 敏

（1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083；2.北京科技大学冶金与生态学院，北京，100083）

钢液精炼过程中的非金属夹杂物根据来源可以分为两类，即内生夹杂与外来夹杂，其中外来夹杂颗粒较大，易于上浮，其在钢中的出现带着偶然性且不规则［1－3］。非金属夹杂物破坏了钢基体的连续性，造成钢的组织不均匀，不仅对钢的使用性能和加工性能造成一定的损害，同时也严重影响钢材质量，降低钢材的使用寿命［4］。钢液精炼过程中，含MgO非金属夹杂物的尺寸总体偏大，且熔点较高，对产品质量危害较大。为此，本文采用非水溶液电解方法分离出SAE8620齿轮钢所含MgO复合夹杂物，通过扫描电镜和能谱分析对含MgO非金属夹杂物的组成、尺寸、形貌和类型进行分析，研究含MgO复合夹杂物的化学成分变化过程，找出在钢液精炼过程中影响含MgO复合夹杂成分变化的因素，为实际生产过程不断优化精炼工艺、控制钢中夹杂物形成提供参考。

1 取样及分析方法

对SAE86020钢在LF精炼过程中的前期、中期、后期三个工位分别取样。对所取钢样在密实处各截取2个8mm×50mm圆柱试样，将表面打磨抛光。

采用非水溶液电解分离方法，萃取分离出钢样中的夹杂物，并挑选出大型含MgO的复合夹杂物，应用扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）对夹杂物的形貌和成分进行分析。采用红外吸收法测定SAE8620齿轮钢的全氧含量。

2 结果与讨论

2.1 大型含MgO复合夹杂物成分变化

SAE8620钢中大型含MgO复合夹杂物的主要化学成分如表1所示。从表1中可见，随着LF精炼过程的进行，大型含MgO复合夹杂物中MgO和CaO的含量均呈上升趋势。这是由于在LF精炼过程中，钢液会与炉衬及熔渣接触，接触过程中耐材与钢液、耐材与熔渣之间存在相互传质过程，耐材中的MgO向钢液和熔渣中溶解，使钢液和熔渣中的MgO含量上升。同时，在精炼过程中会向钢包内添加硅铁、Al线和Ca－Al线等辅料进行脱氧、脱硫、微合金化、夹杂物变性等操作。在钢包精炼初期，客观上存在局部Si、Al含量较高区域，而此时钢液中溶解［Mg］和［Ca］极低。到了精炼中期，随着辅料逐渐熔化，在强脱氧、高碱度、强还原性条件下，钢渣界面或钢液与炉衬界面会发生如下反应：

表1 大型含MgO复合夹杂物的主要化学成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of large MgO－containing inclusions

反应中，还原得到的［Mg］、［Ca］扩散进入钢液，同钢液中Al2O3、SiO2等夹杂物发生反应而进入夹杂物中，从而使夹杂物中MgO和CaO的含量上升。

由表1可以看出，随着精炼过程的进行，夹杂物中SiO2的含量逐渐下降。这是因为夹杂物中SiO2与钢液中的酸溶铝或钙发生如下化学反应：

上述反应使复合夹杂物中SiO2含量降低，从而使夹杂物转变为较低熔点的其他夹杂物。

图1 LF精炼过程钢中T［O］含量变化Fig.1 Change of T［O］in steel during LF refining

由表1还可以看出，夹杂物中Al2O3的含量呈现先上升后下降的趋势。这主要是与钢中的氧含量和钙含量变化密切相关。SAE8620齿轮钢在LF精炼过程中氧含量变化如图1所示。从图1中可看出，在LF精炼前期钢液中氧含量较低，在LF精炼中期氧含量升高，这与钢渣的化学成分变化有关。SAE8620钢中精炼渣化学成分如表2所示。从表2中可以看出，在LF精炼中期，精炼渣中FeO和MnO含量较高，表明此时钢液中的还原性条件与LF精炼初期相比变差，这是导致LF精炼中期钢液中氧含量上升的主要原因。随着钢液中氧含量的升高，钢液中的酸溶铝与氧发生反应，在钢液吹氩搅拌作用下，反应生成的Al2O3会与其他大型含MgO复合夹杂物碰撞并聚集在一起，使含MgO复合夹杂物中Al2O3含量在LF精炼前期至中期过程中出现上升趋势。而在LF精炼后期，由于熔池中加入了Ca－Al线对钢液中夹杂物进行变性处理，使钢液中溶解钙的含量增加，具有较强还原性特质的［Ca］会与大型含MgO复合夹杂物发生反应，置换出大型含MgO复合夹杂物中的铝，造成LF精炼后期含MgO复合夹杂物中Al2O3含量下降。

表2 LF精炼过程钢包渣的化学成分及碱度Table2 Chemical compositions and basicity of ladle slag during LF refining

由以上分析可以得出，在LF精炼的前期、中期和后期三个阶段，大型含MgO复合夹杂物中各成分的含量变化明显，客观上在LF初期由于存在温度和局部浓度分布不均匀，热力学上会产生式（1）～式（5）的化学反应，从而在微观上产生不同类型的含MgO复合夹杂物，精炼过程中一部分夹杂物会随着钢液的吹氩搅拌而上浮至熔渣中被吸附，一部分则残留在钢液中成为含MgO复合夹杂物。

将试验中所提取到的大型含MgO复合夹杂物的平均成分点描绘在SiO2－（MgO＋CaO）－Al2O3假三元相图上，如图2所示。从图2中可以看出，大型含MgO复合夹杂物的熔点非常高，这类夹杂物的变性能力较差，不利于钢材疲劳寿命的提高，在实际生产过程要加以控制。

图2 含MgO复合夹杂物的化学成分变化相图Fig.2 Phase diagram of SiO2－（MgO＋CaO）－Al2O3in MgO－containing inclusions during LF refining process

2.2 夹杂物的形貌特征与类型

大型含MgO复合夹杂物中典型夹杂物的形貌如图3所示。从图3中可以看出，几乎所有大型含MgO复合夹杂物外形都不规则，呈块状且棱角分明，显示一种高熔点状态。

图3 含MgO复合夹杂物的形貌Fig.3 Morphologies of MgO－containing composite inclusions

LF精炼过程含MgO复合夹杂物的类型统计结果如表3所示。从表3中可看出，SiO2－Al2O3－MgO和SiO2－MgO系复合夹杂物在LF前期占比较大，到LF中期和LF后期其占比明显下 降；SiO2－Al2O3－CaO－MgO 和 SiO2－CaO－MgO系复合夹杂物分别在LF后期和LF中期占比明显提高，夹杂物的尺寸较LF前期相比明显减小；而CaO－MgO系复合夹杂物占比从LF前期到LF中、后期明显提高。这是因为，在LF精炼过程中，钢液会在吹氩搅拌的带动下在钢包内流动，在精炼初期由于炉渣的碱度较高和FeO含量较低，渣中部分CaO被［Al］还原发生式（3）的化学反应，而且在LF精炼后期加入了Ca－Al线，使钢液中溶解［Ca］增加，［Ca］与大型含MgO 复合夹杂物接触几率变大，会使大型含MgO复合夹杂物处于不稳定状态，SiO2－Al2O3－MgO 和SiO2－MgO系夹杂物与［Ca］发生如下化学反应：

表3 LF精炼过程含MgO复合夹杂物的类型Table3 Type statistics of MgO－containing inclusions during LF refining

反应中，［Ca］会置换出部分［Mg］或［Si］［5］，使夹杂物中CaO含量升高以及SiO2含量降低。这一结果与本研究前述含MgO复合夹杂物中CaO、SiO2含量随精炼过程的变化结果一致。由于钢液中［Ca］的传递速率快，并且能够在夹杂物－钢液界面保持足够的［Ca］含量，从而促使精炼过程中SiO2－Al2O3－MgO和SiO2－MgO 系复合夹杂物含量逐步 下 降，而 SiO2－Al2O3－CaO－MgO 和 SiO2－CaO－MgO系复合夹杂物含量逐步上升。CaOMgO系复合夹杂物尺寸较大、形状不规则，其含量在精炼过程的中、后期变化不大，因为CaO和MgO形成的二元相图为共晶型，其共晶体即CaO－MgO系复合夹杂物为CaO和MgO之间互相溶解形成的固溶体，它的来源很可能是在精炼过程中由于耐材侵蚀和熔渣被卷入钢液中而形成的，属于典型外来夹杂。

3 结论

（1）在LF精炼过程中发生还原反应得到的［Mg］、［Ca］扩散进入钢液，使夹杂物中 MgO 平均含量由25.0%上升至35.7%，CaO平均含量由16.0%上升至25.7%，夹杂物中SiO2平均含量逐渐下降，从LF前期的48.5%下降至LF后期的26.9%，夹杂物中Al2O3平均含量则是呈现先上升后下降的趋势，从LF前期的10.5%上升至LF中期的18.5%并在LF后期降至11.7%。

（2）LF精炼过程中，随着钢液中的［Ca］含量增加，在 LF精炼后期，SiO2－Al2O3－MgO 和SiO2－MgO系夹杂物的含量分别下降至12.0%和22.0%，SiO2－CaO－MgO 和SiO2－Al2O3－CaO－MgO 系复合夹杂物的含量分别上升至16.5%和28.0%，CaO－MgO系复合夹杂物为CaO与MgO形成的共晶固溶体，其含量和尺寸大小在精炼过程的中、后期变化不大，属于典型外来夹杂。

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