27SiMn钢夹杂物特征及控制工艺优化_吕明.pdf

第5 8卷 第6期 2 0 2 3年6月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.6,p 6 1-7 1 J u n e2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 6 7 62 7 S i M n钢夹杂物特征及控制工艺优化吕 明1,刘坤龙1,高郅喆1,宋保民2,张朝晖1(1.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西 西安7 1 0 0 5 5;2.沙钢集团安阳永兴特钢有限公司,河南 安阳4 5 5 1 1 3)摘 要:2 7 S i M n钢中高熔点夹杂物是引起探伤缺陷的主要原因。为了进一步控制2 7 S i M n钢中夹杂物,对国内某钢铁企业“B O FL FC C”工艺流程生产的2 7 S i M n钢进行研究。采用分阶段取样方式分别在L F进站、钙处理前、软吹后、中间包及铸坯中提取试样,探究2 7 S i M n钢中各工序夹杂物的特征。结果表明,L F精炼过程中,夹杂物主要以M g O-A l2O3、硅酸盐及A l2O3-C a O-M g O夹杂物为主;在软吹及浇注阶段,主要以(C a S)-A l2O3-M g O-S i O2-C a O系为主,同时钢液内存在大量C a S颗粒,表明钙处理后钢液内仍存在高熔点夹杂物。在此基础上,研究了2 7 S i M n钢液内C a S及钙铝酸盐类夹杂物的热力学形成机理。发现钢液中w(A l)为0.0 2 2%时,钢液w(C a)控制在0.0 0 13%0.0 0 35%有利于1 2 C a O7 A l2O3生成;同时,为防止在钢液内大量生成C a S,阻碍A l2O3夹杂物转变为1 2 C a O7 A l2O3,w(S)应控制在0.0 0 15%0.0 0 39%。基于夹杂物特征研究和热力学计算,提出工艺优化方案,调整精炼渣碱度至3.2以上,增加渣系硫容量,同时将渣中w(A l2O3)由1 0%1 1%提高至1 3%以上,促进炉渣流动性;减少铝块脱氧剂的加入,由1 3 0k g/炉降至1 2 0k g/炉;进行轻钙处理操作,硅钙线喂入量由4 0 0m/炉减少至2 0 0m/炉。并进行了工业优化试验,发现软吹后钢液内w(C a)约为0.0 0 24%,连铸阶段进一步降至0.0 0 18%左右,w(S)控制在0.0 0 2%左右;在A l2O3-S i O2-C a O-(8%)M g O体系中,夹杂物平均成分由16 0 018 0 0高熔点区进入到14 0 015 0 0液相区,钙处理效果显著改善,提高了钢材质量。关键词:2 7 S i M n;钙处理;非金属夹杂物;L F精炼;热力学文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 6-0 0 6 1-1 1I n c l u s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l p r o c e s so p t i m i z a t i o no f2 7 S i M ns t e e lL M i n g1,L I U K u n l o n g1,GAOZ h i z h e1,S ONGB a o m i n2,Z HANGZ h a o h u i1(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g,X ia nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y,X ia n7 1 0 0 5 5,S h a a n x i,C h i n a;2.A n y a n gY o n g x i n gS p e c i a l S t e e lC o.,L t d.,S h a g a n gG r o u p,A n y a n g4 5 5 1 1 3,H e n a n,C h i n a)基金项目:陕西省自然科学基础研究计划联合基金资助项目(2 0 2 1 J LM-3 2);陕西省教育厅服务地方专项计划资助项目(2 2 J C 0 4 4)作者简介:吕 明(1 9 8 6),男,博士,副教授;E-m a i l:l v m i n g s t e e l 1 6 3.c o m;收稿日期:2 0 2 2-1 0-3 1通信作者:张朝晖(1 9 6 7),男,博士,教授;E-m a i l:z h z h h u i 6 71 2 6.c o mA b s t r a c t:H i g hm e l t i n gp o i n t i n c l u s i o n s i n2 7 S i M ns t e e l a r e t h em a i nc a u s eo f f l a wd e t e c t i o nd e f e c t s.I no r d e r t o f u r-t h e r c o n t r o l t h e i n c l u s i o n s i n2 7 S i M ns t e e l,as t u d yw a sc o n d u c t e do n2 7 S i M ns t e e lp r o d u c e db yt h e B O FL FC C p r o c e s s i nad o m e s t i cs t e e l c o m p a n y.L i q u i ds t e e lw e r es a m p l e da t t h e i n i t i a l s t a g e,b e f o r ec a l c i u mt r e a t m e n t,a f t e rs o f tb l o w i n g i nL Fr e f i n i n gp r o c e s s,i n t u n d i s ha n dc a s t i n gb i l l e t.T h e s a m p l e sw e r e a n a l y z e d t o i n v e s t i g a t e t h e c h a r-a c t e r i s t i c so f i n c l u s i o n s i n2 7 S i M ns t e e l.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n c l u s i o n sa r em a i n l y M g O-A l2O3,M g O-S i O2a n dA l2O3-C a O-M g Oi n c l u s i o n si nL Fr e f i n i n gp r o c e s s.I nt h es o f t-b l o w i n ga n dc a s t i n gs t a g e,t h e r ei se x i s t i n g(C a S)-A l2O3-M g O-S i O2-C a Oi n c l u s i o n,w h i l ea l a r g en u m b e ro fC a Sp a r t i c l e se x i s t i nt h em o l t e ns t e e l,w h i c h i n d i-c a t e s t h a t t h e r ea r es t i l lh i g hm e l t i n gp o i n t i n c l u s i o n si n2 7 S i M ns t e e la f t e rc a l c i u mt r e a t m e n t.O nt h i sb a s i s,t h et h e r m o d y n a m i c a l f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fC a Sa n dc a l c i u ma l u m i n a t e i n c l u s i o n sw i t h i nt h e2 7 S i M ns t e e l l i q u i dw e r ei n v e s t i g a t e d.I t i s f o u n dt h a tw(A l)i s0.0 2 2%w h e nw(C a)i s c o n t r o l l e db e t w e e n0.0 0 13%a n d0.0 0 35%i nl i q u i ds t e e l,w h i c h i s c o n d u c i v e t o t h eg e n e r a t i o no f 1 2 C a O7 A l2O3.A t t h e s a m e t i m e,i no r d e r t op r e v e n t t h eg e n-e r a t i o no fC a S i nm o l t e ns t e e la n dh i n d e rt h et r a n s f o r m a t i o no fA l2O3i n c l u s i o n si n t o1 2 C a O7 A l2O3,w(S)s h o u l db ec o n t r o l l e d i nt h er a n g eo f 0.0 0 15%-0.0 0 39%.B a s e do nt h es t u d yo f i n c l u s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r-m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n s,t h ep r o c e s s o p t i m i z a t i o ns c h e m ew a sp r o p o s e d.T h eb a s i c i t yo f r e f i n i n gs l a gw a s a d j u s t e d t oa b o v e3.2t o i n c r e a s e t h es u l f u rc a p a c i t y,a n dw(A l2O3)i ns l a gw a s i n c r e a s e df r o m1 0%-1 1%t oa b o v e1 3%t o钢 铁第5 8卷p r o m o t e t h e f l u i d i t y.T h ea d d i t i o no f a l u m i n u md e o x i d i z e rw a sr e d u c e df r o m1 3 0k gt o1 2 0k g.s i l i c a-c a l c i u m w i r ew a sd e c r e a s e df r o m4 0 0mt o2 0 0mt oc a r r yo u t l i g h t c a l c i u mt r e a t m e n t.T h e i n d u s t r i a lo p t i m i z a t i o nt e s tw a sc o n-d u c t e d,a n d i tw a s f o u n dt h a tw(C a)i nm o l t e ns t e e lw a sa b o u t 0.0 0 24%a f t e rs o f tb l o w i n g,w h i c hw a s f u r t h e rr e d u c e dt oa b o u t 0.0 0 1 8%a tt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gs t a g e,a n dw(S)w a sc o n t r o l l e da ta b o u t0.0 0 2%.I nt h eA l2O3-S i O2-C a O-(8%)M g Os y s t e m,t h ea v e r a g e c o m p o s i t i o no f i n c l u s i o n sc h a n g e s f r o mt h eh i g hm e l t i n gp o i n t r e-g i o no f 16 0 0-18 0 0t o t h e 14 0 0-15 0 0i n t h e l i q u i dp h a s e z o n e.T h e e f f e c t o f c a l c i u mt r e a t m e n t i s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da n dt h eq u a l i t yo f s t e e l i s i m p r o v e d.K e yw o r d s:2 7 S i M n;c a l c i u mt r e a t m e n t;i n c l u s i o ne v o l u t i o n;L Fr e f i n i n g;t h e r m o d y n a m i c s 2 7 S i M n钢作为一种低合金低碳调质钢,具有高强韧性、耐磨性以及高强度等特点,广泛应用于煤矿液压 支 架、油 缸、立 柱 等 关 键 零 部 件 制 造1-4。2 7 S i M n钢通常采用“B O FL FC C”的生产工艺,转炉出钢过程采用铝脱氧,产生了高熔点的氧化铝夹杂物,易造成水口结瘤,影响连铸可浇性;此外,由于氧化铝夹杂物可塑性差,严重影响钢材质量5-8。目前通常采用钙处理对氧化铝夹杂物及其衍生物镁铝 尖 晶 石 进 行 改 性9-1 2,将 夹 杂 物 变 性 为1 2 C a O7 A l2O3、3 C a OA l2O3等低熔点钙铝酸盐。钢液内存在的高熔点夹杂物是引起成材缺陷的重要原因1 3-1 7。李金展等1 8对2 7 S i M n热轧无缝钢管内壁毛刺进行分析,发现与不易变形的夹杂物偏聚行为有关;何建中等1 9分析了2 7 S i M n无缝钢管轧制开裂原因,认为氧化铝及钙铝酸盐等高熔点夹杂物是管体开裂的主要原因;边锋等2 0对2 7 S i M n钢坯进行探伤缺陷研究,也发现与钢液内存在的非金属夹杂物有关。研究表明,夹杂物对2 7 S i M n无缝钢管质量影响显著。但目前关于2 7 S i M n钢中夹杂物种类变化及行为机理研究较少,孙丽媛等2 1对2 7 S i M n钢洁净度控制进行研究,通过系统分析,统计了各阶段夹杂物成分变化,然而未深入研究夹杂物演变机理。因此,有必要明确2 7 S i M n钢中非金属夹杂物的演变及去除机理,研究精确控制夹杂物改性的手段,以便最大程度地去除钢中非金属夹杂物,提高钢材质量。本文以国内某钢铁企业生产的2 7 S i M n钢为研究对象,通过热力学计算深入研究钙处理过程中夹杂物演变规律,并通过工业试验进行验证,最终获得钢中高熔点夹杂物的控制方法,为钙处理2 7 S i M n钢中夹杂物控制提供理论指导。1 取样分析方法转炉出钢时按照铝块、硅铁、锰硅合金的顺序加入,进行强脱氧及合金化操作;L F精炼造白渣,白渣保持期间进行成分微调,白渣精炼中期将钢液化学成分调至内控范围;精炼结束喂4 0 0m/炉硅钙线,喂线结束钢包及时加入覆盖剂保温和隔绝空气,同时吹氩软搅拌,调整氩气压力保持钢液面蠕动且不裸 露,软 搅 拌 时 间 不 少 于1 5 m i n。本 试 验2 7 S i M n钢化学成分见表1。试验中L F精炼渣成分见表2。表1 2 7 S i M n钢的化学成分(质量分数)T a b l e1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f 2 7 S i M ns t e e l%CS iM nPSA lC a0.2 40.3 21.1 01.4 01.1 01.4 00.0 2 50.0 1 00.0 0 50.0 2 00.0 0 4表2 L F精炼终渣主要成分T a b l e2 M a i nc o m p o n e n t so fL Fr e f i n i n g f i n a l s l a g炉次w(S i O2)/%w(A l2O3)/%w(M g O)/%w(C a O)/%w(M n O)/%w(F e O)/%w(T F e)/%R11 9.3 11 1.0 26.6 25 5.6 60.0 30.9 40.7 32.8 821 7.4 71 0.3 85.9 45 6.5 80.1 51.9 41.5 13.2 432 0.9 51 0.6 86.2 95 6.1 40.0 61.0 20.7 92.6 8 通过提桶取样器分别在L F进站、钙处理前、软吹后及中间包各环节提取钢液试样,后进行水冷。在连铸阶段截取2 0 0 mm厚度的1 5 0mm断面试样,并在L F精炼过程蘸取渣样。所取提桶样及铸坯样内 加 工 出5 mm5 0 mm棒 状 样 和1 0 mm2 0mm 2 0mm的金相样,取样及尺寸如图1所示。26第6期吕 明,等:2 7 S i M n钢夹杂物特征及控制工艺优化(a)提桶样;(b)铸坯样图1 取样及尺寸示意F i g.1 S a m p l i n ga n ds i z ed i a g r a m2 结果与讨论2.1 钢液主要化学成分及洁净度试样钢液化学成分分析见表3。L F精炼阶段,w(N)、w(O)持续降低,软吹后,w(O)降低至0.0 0 08%。浇注至中间包时,钢液内氧氮含量略微增加,可能发生了轻微二次氧化现象。L F进站阶段,w(A l)约为0.0 1 1%,在精炼结束后w(A l)增加至0.0 2 0%左右,原因主要为精炼时硅铁合金的加入,含有一定的金属铝被带入钢液2 2,出现增铝现象。表3 各阶段钢液平均化学成分(质量分数)T a b l e3 M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fm o l t e ns t e e l i ne a c hs t a g e%工序SA lNC aOL F进站0.0 1 740.0 1 30.0 0 320.0 0 050.0 0 35钙处理前0.0 0 600.0 2 30.0 0 300.0 0 080.0 0 22软吹后0.0 0 570.0 2 10.0 0 270.0 0 390.0 0 80中间包0.0 0 580.0 2 20.0 0 360.0 0 340.0 0 11铸坯0.0 0 570.0 2 20.0 0 430.0 0 310.0 0 902.2 各阶段典型夹杂物演变2.2.1 L F进站L F进站典型夹杂物形貌如图2和图3所示。在转炉出钢过程中依次加入铝块、硅锰合金进行脱氧合金化,生 成 大 量A l2O3夹 杂 物,反 应 式 见 式(1)2 3。此外,硅锰合金也参与脱氧反应,生成以S i O2、M n O成 分 为 主 的A l2O3-S i O2-M n O系 夹 杂物,外形呈球状,且熔点较低,易上浮去除2 4。因图2 L F进站A l2O3形貌F i g.2 M o r p h o l o g yo fA l2O3i nL Fs t a t i o n36钢 铁第5 8卷图3 L F进站A l2O3-S i O2-M n O形貌F i g.3 M o r p h o l o g yo fA l2O3-S i O2-M n Oi nL Fs t a t i o n此,在L F进站时以A l2O3夹杂物为主,如图2所示,多为小尺寸块状、球状颗粒;存在部分球状A l2O3-S i O2-M n O系夹杂物,尺寸约为2m,如图3所示。2A l+3O=(A l2O3)i n c l u s i o nG=-11 7 55 9 4+3 9 6.8T(1)式中:G为反应的吉布斯自由能。2.2.2 钙处理前钙处理前典型夹杂物形貌如图4所示。钢液内铝脱氧产物未完全上浮去除,残留在钢液内,主要为A l2O3夹杂物,如图4(a)所示。精炼前期在吹氩软搅拌的作用下,钢液对耐火材料进行冲刷的同时与精炼渣接触,钢液内溶解铝与渣及耐火材料中的镁、氧发生如下反应2 5。形成的镁铝尖晶石夹杂物呈块状,尺寸约为2m,如图4(b)所示。3(M g O)s l a g+2A l=(A l2O3)i n c l u s i o n+3M g(2)(A l2O3)i n c l u s i o n+M g+O=(M g OA l2O3)i n c l u s i o nG=-1 1 07 2 0-9 3.5 1T(3)2 7 S i M n钢液内溶解硅质量分数高达1.2 0%左右,精炼前期加入硅钡合金,易生成硅酸盐夹杂物,如图4(c)所示,尺寸约为2m;同时,由于钢液硅含量较高,在钙处理前,钢液溶解钙主要来源于溶解硅和渣中氧化钙的反应,见式(4)2 6。当钢液溶解钙达到一定含量时,会在M g O-A l2O3夹杂物表面反应,形成内层为M g O-A l2O3,外层为M g O-A l2O3-C a O的 复 杂 相,反 应 式 见 式(5)2 7。尺 寸 约 为2m,呈近似球状,如图4(d)所示。6(C a O)s l a g+3S i=6C a+3(S i O2)s l a g(4)(M g OA l2O3)i n c l u s i o n+xC a=xM g+xC a O(1-x)M g OA l2O3(5)(a)A l2O3;(b)M g O-A l2O3;(c)硅酸盐;(d)M g O-A l2O3-C a O图4 钙处理前典型夹杂物形貌F i g.4 M o r p h o l o g yo f t y p i c a l i n c l u s i o n sb e f o r ec a l c i u mt r e a t m e n t2.2.3 软吹后软吹后典型夹杂物形貌如图5所示。随着硅钙线的喂入,钢液内钙含量上升,式(5)持续进行反应,未反应的镁铝尖晶石核心逐渐向外层复杂相转变。M g O在夹杂物中未被完全取代,是一个不完全变性的过 程,镁 铝 尖 晶 石 转 变 为 成 分 均 匀 的M g O-A l2O3-C a O系夹杂物2 7。此外,精炼中期向钢液内加入硅钡合金,以及钙处理时向钢包内喂入硅钙线等操作,出现增硅现象,与钢液内夹杂物发生反应。软吹后阶段,夹杂物以A l2O3-M g O-S i O2-C a O为主,如46第6期吕 明,等:2 7 S i M n钢夹杂物特征及控制工艺优化图5(a)和图5(b)所示,外形为球状,尺寸约为2m。钙处理后大量溶解钙进入钢液,由于钙与硫结合能力较强,直接生成C a S夹杂物,见式(6)2 3。如图5(c)所示,C a S夹杂物外形呈球状,尺寸在1m左右,大量存在于软吹后阶段;此外,C a S又会以异质形核的方式形成,见式(7)2 9。如图5(d)所示,夹杂物以M g O-A l2O3-S i O2-C a O为核心,外层包裹着C a S夹杂物,尺寸约为2m。图5(d)中夹杂物的面扫分析如图6所示,夹杂物核心存在部分钙元素,均匀分布着氧、镁、铝、硅等元素;而边部为硫、钙元素的主要存在区域。C a+S=(C a S)i n c l u s i o nG=-5 4 25 3 1+1 2 4.1 5T(6)3(C a O)i n c l u s i o n+2A l+3S=3(C a S)i n c l u s i o n+(A l2O3)i n c l u s i o nG=-9 6 30 1 6+3 3 2T(7)(a)、(b)M g O-A l2O3-S i O2-C a O;(c)C a S;(d)C a S-M g O-A l2O3-C a O-S i O2图5 软吹后典型夹杂物形貌F i g.5 M o r p h o l o g yo f t y p i c a l i n c l u s i o n sa f t e r s o f tb l o w i n g图6 夹杂物面扫分析F i g.6 I n c l u s i o ns u r f a c e s c a n n i n ga n a l y s i s2.2.4 中间包中间包内典型夹杂物形貌如图7所示。中间包浇注阶段,为夹杂物相互碰撞结合提供了良好的动力学条件。如图7(a)所示,A l2O3-M g O-S i O2-C a O系夹杂物分布于基体上部暗沉区域内,C a S处于下部较为明亮区域。夹杂物尺寸在2m左右,外形为近似球状。在随钢液运动过程中,其形貌不断发生变化,直至转化为球形。图7(b)所示为C a S夹杂物,随冶炼进行,连铸阶段钢液温度降低,有利于C a S夹杂物生成3 0。2.3 夹杂物成分分布将夹杂物成分分别投影至M g O-A l2O3-C a O三元系、S i O2-A l2O3-C a O-(8%)M g O四元系及C a S-A l2O3-C a O三元系相图内,如图8所示。在钙处理前,夹杂物成分主要分布与A l2O3质量分数高的区域,如图8(a)所示,A l2O3质量分数平均为8 1.3 3%左右;同时,钙处理前出现的M g O-A l2O3及M g O-A l2O3-C a O系夹杂物数量所占比例分别为6 3.3%、56钢 铁第5 8卷(a)C a S-M g O-A l2O3-S i O2-C a O;(b)C a S;(c)谱图1;(d)谱图2;(e)谱图3图7 中间包内典型夹杂物形貌F i g.7 M o r p h o l o g yo f t y p i c a l i n c l u s i o n s i nt a n n i s h(a)M g O-A l2O3-C a O三元系相图;(b)S i O2-A l2O3-C a O-(8%)M g O四元系相图;(c)C a S-A l2O3-C a O三元系相图图8 2 7 S i M n钢夹杂物成分分布F i g.8 I n c l u s i o nc o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o no f 2 7 S i M ns t e e l3 6.7%。为研究 钙处理 对C a S-M g O-A l2O3-S i O2-C a O夹杂物熔点的影响,将软吹后、及连铸阶段夹杂物成分置于相图内,结果如图8(b)和图8(c)所示。夹杂物中C a S质量分 数平均约为2 3.4 5%,S i O2质 量 分 数 平 均 约 为1 9.4 8%。夹 杂 物 处 于16 0 018 0 0高熔点区域。2.4 夹杂物演变机理采用 此 生 产 工 艺 冶 炼2 7 S i M n钢,夹 杂 物 由M g O、A l2O3、S i O2、C a O及C a S等成分组成。如图9所示,形成过程主要包括以下几个阶段:1)转 炉 出 钢 过 程 中 脱 氧 剂 的 加 入,生 成 以A l2O3及A l2O3-S i O2-M n O等脱氧产 物为主的夹杂物;2)随精炼进行,在渣及炉衬的作用下,钙、镁进入钢 液,夹 杂 物 以M g O-A l2O3以 及M g O-A l2O3-C a O系夹杂物为主;3)钙处理后,钢液内快速生成大量小尺寸的C a S夹杂物。同时,钢液内增硅现象的出现,夹杂物转变为A l2O3-M g O-S i O2-C a O;4)浇注阶段,钢液流动性进一步增强,夹杂物经相互碰撞产生新夹杂物体系C a S-A l2O3-M g O-S i O2-C a O。此外,C a S类夹杂物依旧稳定存在。66第6期吕 明,等:2 7 S i M n钢夹杂物特征及控制工艺优化图9 2 7 S i M n钢夹杂物演变F i g.9 I n c l u s i o ne v o l u t i o no f 2 7 S i M ns t e e l3 夹杂物热力学分析基于上述对2 7 S i M n钢中夹杂物特征的分析,发现钢液内存在大量C a S类夹杂物,不仅会显著影响钙处理效果,阻碍A l2O3变性,还易堵塞水口,恶化连铸连浇性能。同时,在钙处理后形成的钙铝酸盐类夹杂物控制不稳定,存在高熔点特性,对连铸坯质量造成影响。本文研究了2 7 S i M n钢液内C a S及钙铝酸盐夹杂物的热力学形成机理。2 7 S i M n钢热力学计算所用化学成分见表4。钢液中S、A l、C a元素相关的活度系数计算见表53 1-3 2。表4 热力学计算用钢液化学成分(质量分数)T a b l e4 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fm o l t e ns t e e l f o rt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n%CS iM nPSA ls0.2 81.11.30.0 20.0 0 60.0 1 8表5 18 7 3K下2 7 S i M n钢液中各组元与S、A l、C a元素的相互作用系数T a b l e5 I n t e r a c t i o nc o e f f i c i e n t so f e a c hc o m p o n e n t o f 2 7 S i M nm o l t e ns t e e lw i t he l e m e n t sS,A l a n dC aijCS iM nPSC aA lC rA l0.0 9 10.0 5 6-0.0 0 360.0 0 330.0 3 5-0.0 4 70.0 4 5C a-0.3 4-0.0 9 70-4-1.3 3-0.0 0 2-0.0 7 2S0.1 10.0 6 3-0.0 2 60.0 2 90.0 2 8-0.9 3 10.0 3 5-0.0 1 1 采用铝脱氧会产生A l2O3夹杂物,由于其高熔点特性,会大量残存于钢液内,易造成水口结瘤。通常在精炼结束时进行钙处理,将高熔点A l2O3夹杂物改性为低熔点钙铝酸盐,从而提高连铸可浇性。钙处理过程中,钢液内主要进行反应3 3见式(8)。3C a+(A l2O3)i n c l u s i o n=2A l+3(C a O)i n c l u s i o nKA l-C a=a2(A l)a3(C a)a3(C a O)a(A l2O3)=1 01 56 6 1T-2.5 8(8)式中:KA l-C a为式(8)的反应平衡常数;a(A l)为A l的活度;a(C a O)为C a O的 活 度;a(C a)为C a的 活 度;a(A l2O3)为A l2O3的活度;T为温度。由表4和表5结合式(9)1 0分别计算出A l、C a的活度系数。l gfi=(ejiw(j)(9)式中:fi为钢液中组元i的活度系数,fA l=1.0 6 6,fC a=0.6 1 5;eji为钢液中组元j对组元i的相互作用系数;w(j)为组元j在钢液内的质量分数。在18 7 3K下钙铝酸盐内C a O和A l2O3的活度值见表62 3,3 0,3 4。结合式(8),计算出18 7 3K下钢液内A l-C a平衡曲线,如图1 0所示。18 7 3K下,3 C a OA l2O3、1 2 C a O7 A l2O3在钢液内为液态,C a OA l2O3熔点在18 7 8K左右,钢液内以部分液态形式存在。1 2 C a O7 A l2O3熔点最低,因此理想钙处理效果是将夹杂物改性为1 2 C a O7 A l2O3。由图1 0可知,随着w(A l)增加,钢液内与之平衡76钢 铁第5 8卷的w(C a)也随之增 加。在钢液中w(A l)为0.0 2 2%时,钙处理w(C a)平均为0.0 0 37%左右,位于3 C a OA l2O3曲线之上。表明钙处理后的钢液中,夹杂物多数转变为3 C a OA l2O3,其在18 7 3K下呈液态。若在软吹后阶段仍未上浮去除,会随钢液温降过程逐渐析出危害钢液3 5。因此,应将钢液成分控制在3 C a OA l2O3与1 2 C a O7 A l2O3平衡曲线之间的区域内,且最好处于1 2 C a O7 A l2O3平衡曲 线 附 近,即w(A l)为0.0 2 2%时,钢 液w(C a)应为0.0 0 13%0.0 0 35%,且 控 制 在0.0 0 13%左右更有利于1 2 C a O7 A l2O3的生成。表6 18 7 3K下钙铝酸盐中C a O和A l2O3的活度T a b l e6 A c t i v i t yv a l u e so fC a Oa n dA l2O3i nc a l c i u ma l u m i n a t ea t 18 7 3K项目3 C a OA l2O31 2 C a O7 A l2O3C a OA l2O3aC a O0.4 80.3 4 00.1 5aA l2O30.0 10.0 6 40.2 8图1 0 18 7 3K下不同夹杂物中A l和C a平衡曲线F i g.1 0 E q u i l i b r i u mc u r v e so fA l a n dC a i nd i f f e r e n t i n c l u s i o n sa t 18 7 3K 钙处理后钢液内出现大量C a S类夹杂物,反应见式(6)和式(7),分别建立S-C a、S-A l平衡关系,明晰2 7 S i M n钢液内C a S夹杂物生成机理。结合表4和表5,由式(9)计算出S的活度系数fS=1.1 6 8。将以 上 结 果 代 入 式(6),计 算 出18 7 3 K和18 2 3K下钢液S-C a热力学平衡曲线,如图1 1所示。当S-C a平衡点处于曲线下方时,钢液内C a S夹杂物不能以均质形核的方式直接形成。由图1 0可知,温度为18 7 3K时,钙处理后钢液平均成分位于曲线之上,表明在此阶段C a S夹杂物可在钢液内生成。此外,钢液内w(C a)越高,对w(S)要求越加严格。因此,当w(C a)控制在0.0 0 35%以内时,钢液w(S)应控制在0.0 0 48%以下,可避免直接生成C a S夹杂物。图1 1 18 7 3K及18 2 3K下钢液内S-C a平衡曲线F i g.1 1 S-C ae q u i l i b r i u mc u r v e s i nm o l t e ns t e e la t 18 7 3Ka n d18 2 3K结合式(7),计算出18 7 3K下钢液内A l-S热力学平衡曲线,如图1 2所示。A l2O3夹杂物的变性程度和钢液w(S)有关,当w(C a)一定时,C a S若以未改性完全的钙铝酸盐为形核中心,在其表面异质形核,将会阻碍钢液对A l2O3的持续改性,同时消 耗 钢 液 内w(C a),影 响 钙 处 理 效 果。在18 7 3K下,钢液内w(A l)为0.0 2 2%时,w(S)控制在0.0 0 15%0.0 0 39%,处于1 2 C a O7 A l2O3与C a OA l2O3的A l-S平衡曲线区域内,有利于低熔点钙铝酸盐1 2 C a O7 A l2O3生成。图1 2 18 7 3K钢液内A l-S平衡曲线F i g.1 2 A l-Se q u i l i b r i u mc u r v e i nl i q