工程科学学报，第37卷，第11期：1415-1421,2015年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.11:1415-1421,November 2015 DOI:103374/j.issn2095-9389.2015.11.004:http://joumals.ustb.edu.cn 低碳含铝钢20Mn2精炼渣系Ca0-SiO2-Al,03-Mg0-CaF, 的优化 郭宝奇，包燕平四，王敏，林路 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:baoyp@usth.eu.cn 摘要通过对低碳含铝钢20Mn2精炼过程的取样分析，得出精炼渣的熔化温度偏高，渣中存在大量固相C0,并导致钢中 含有Ca0类夹杂物，精炼渣吸附夹杂物能力差.利用FactSage热力学计算，从渣的低熔点区域控制和渣一钢反应这两个方面 对渣系进行研究与优化.结果表明，C0/Al203质量比在1.5左右添加质量分数为3%CaF2可以有效降低渣的熔化温度，渣 的熔化温度随着CF,含量的升高呈现先降低后升高的趋势，Mg0的质量分数控制5%左右低熔点区域面积达到最大.在 Si02质量分数大于30%区域，钢中氧含量大体上随着C0/AL,0,质量比的增加而降低，在Si02的质量分数低于30%区域随 着C0含量的升高而降低，钢中酸溶铝含量在SiO2含量高的区域随着Al,O,/SiO2质量比的增加而升高，在SiO2含量低的区 域随着C0/Si02质量比的增加而增加.根据热力学分析结果得出合理的渣系范围：Ca050%~60%,A,0320%-35%, Si025%~10%,Mg05%-8%,CF20-5%.优化渣系的实验结果表明，优化后渣系熔化温度降低，钢中夹杂物数量、面积 和平均尺寸均有明显下降. 关键词炼钢：精炼：渣系；优化：液相线温度：夹杂物 分类号TF769.2 Optimization of Cao-SiO,-Al,O,-MgO-CaF,refining slag in low-carbon and aluminum-containing 20Mn2 steel GUO Bao-qi,BAO Yan-ping,WANG Min,LIN Lu State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT Through analysis of samples taken in the refining process of low carbon and aluminum containing 20Mn2 steel,it was found that the melting point of the refining slag was high,substantial solid Cao and CaO-type inclusions existed in the steel and slag, leading to a decrease in absorption capacity of inclusions in the molten slag.Based on thermodynamic calculations utilizing FactSage software,the slag system was investigated and optimized by integrating the control of low-melting-point regions and reactions between slag and steel.The results show that 3%CaF2 addition can decrease the melting temperature of the slag with CaO/Al,O,mass ratio around 1.5,and the melting point of the slag exhibits an initial decline and a subsequent rise with increasing CaF content.The largest low-melting-point region is obtained through governing the Mgo content in a vicinity of 5%.The oxygen content in the steel decreases with increasing Ca/Al2O mass ratio in the region of SiO,exceeding 30%,and decreases with increasing Ca0 content in the region of SiO lower than 30%.The acid-soluble aluminum content increases with increasing Al2O/SiO mass ratio in the region of high SiO content and increasing CaO/SiO,mass ratio in the region of low SiO,content.According to results from thermodynamic analysis,the optimized slag can be given as 50%-60%Ca0,20%-35%Al2O3,5%-10%Si02,5%-8%Mgo,and 0-5%CaF2.Experi- 收稿日期：201407-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274029)：钢铁治金新技术国家重点实验室开发基金资助项目(KF13-09)
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期: 1415--1421，2015 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 11: 1415--1421，November 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 11． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 1992) 低碳含铝钢 20Mn2 精炼渣系 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 的优化 郭宝奇，包燕平，王 敏，林 路 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 通过对低碳含铝钢 20Mn2 精炼过程的取样分析，得出精炼渣的熔化温度偏高，渣中存在大量固相 CaO，并导致钢中 含有 CaO 类夹杂物，精炼渣吸附夹杂物能力差． 利用 FactSage 热力学计算，从渣的低熔点区域控制和渣--钢反应这两个方面 对渣系进行研究与优化． 结果表明，CaO/Al2O3 质量比在 1. 5 左右添加质量分数为 3% CaF2 可以有效降低渣的熔化温度，渣 的熔化温度随着 CaF2 含量的升高呈现先降低后升高的趋势，MgO 的质量分数控制 5% 左右低熔点区域面积达到最大． 在 SiO2 质量分数大于 30% 区域，钢中氧含量大体上随着 CaO/Al2O3 质量比的增加而降低，在 SiO2 的质量分数低于 30% 区域随 着 CaO 含量的升高而降低，钢中酸溶铝含量在 SiO2 含量高的区域随着 Al2O3 / SiO2 质量比的增加而升高，在 SiO2 含量低的区 域随着 CaO/ SiO2 质量比的增加而增加． 根据热力学分析结果得出合理的渣系范围: CaO 50% ～ 60% ，Al2O3 20% ～ 35% ， SiO2 5% ～ 10% ，MgO 5% ～ 8% ，CaF2 0 ～ 5% ． 优化渣系的实验结果表明，优化后渣系熔化温度降低，钢中夹杂物数量、面积 和平均尺寸均有明显下降． 关键词 炼钢; 精炼; 渣系; 优化; 液相线温度; 夹杂物 分类号 TF769. 2 收稿日期: 2014--07--06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274029) ; 钢铁冶金新技术国家重点实验室开发基金资助项目( KF13--09) Optimization of CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 refining slag in low-carbon and aluminum-containing 20Mn2 steel GUO Bao-qi，BAO Yan-ping ，WANG Min，LIN Lu State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Through analysis of samples taken in the refining process of low carbon and aluminum containing 20Mn2 steel，it was found that the melting point of the refining slag was high，substantial solid CaO and CaO-type inclusions existed in the steel and slag， leading to a decrease in absorption capacity of inclusions in the molten slag． Based on thermodynamic calculations utilizing FactSage software，the slag system was investigated and optimized by integrating the control of low-melting-point regions and reactions between slag and steel． The results show that 3% CaF2 addition can decrease the melting temperature of the slag with CaO/Al2O3 mass ratio around 1. 5，and the melting point of the slag exhibits an initial decline and a subsequent rise with increasing CaF2 content． The largest low-melting-point region is obtained through governing the MgO content in a vicinity of 5% ． The oxygen content in the steel decreases with increasing CaO/Al2O3 mass ratio in the region of SiO2 exceeding 30% ，and decreases with increasing CaO content in the region of SiO2 lower than 30% ． The acid-soluble aluminum content increases with increasing Al2O3 / SiO2 mass ratio in the region of high SiO2 content and increasing CaO/ SiO2 mass ratio in the region of low SiO2 content． According to results from thermodynamic analysis，the optimized slag can be given as 50% － 60% CaO，20% － 35% Al2O3，5% － 10% SiO2，5% － 8% MgO，and 0 － 5% CaF2 ． Experi-
·1416 工程科学学报，第37卷，第11期 mental results show that the melting point of the optimized slag declines,and there are apparent decreases in the number,area and mean diameter of inclusions in the steel. KEY WORDS steelmaking:refining:slag systems:optimization:liquidus temperatures;inclusions 低碳含铝钢广泛应用于08Al、l6MnR、20Mn2等铝 析，取样位置选在合金化与脱氧的终点，即在精炼过程 镇静钢种，含铝钢要求钢中酸溶铝控制在一定含量以 终点，钙处理之前取样，同时取渣样与对应的钢样.将 上.钢中铝主要有两方面的作用：一方面铝是高效的 渣样进行研磨，筛分至200目以下，利用荧光分析 脱氧剂，可以有效地将钢中氧含量降低至较低水平：另 (XRF)的方法得到渣的成分，将三炉精炼渣的成分结 一方面控制钢中A!含量在一定范围内可以细化组织 果分别得出平均值，渣成分的均值如表1.对钢样进行 晶粒，改善钢材的韧性-☒.低碳含铝钢在转炉吹炼终 切割，用SiC砂纸磨样至1500目以后抛光处理，利用 点需要通过较高终点氧含量来实现低碳含量，因此在 扫描电镜对夹杂物进行成分与形貌观察，借助光镜对 精炼过程需要利用大量的A脱氧，这样使得钢中 夹杂物的数量与尺寸进行定量分析. A山，0，夹杂物含量迅速升高，该类夹杂物熔点高，不但 表120M2钢精炼渣的主要成分（质量分数） 对钢材的力学性能产生危害，还会在连铸的过程中导 Table 1 Main composition of the refining slag of 20Mn2 steel 致水口结瘤B 在精炼过程中，渣一钢界面反应与精炼渣吸附作 Ca0 A203 Mgo CaF2 其他 用，是去除A山，0，类夹杂物的主要途径5-)，包括夹 62.4 17.4 9.6 3.9 6.1 0.6 杂物变性处理的产物，最终均通过渣的吸附、熔解完 成去除，所以优化精炼渣的成分可以在满足钢种对 1.3精炼渣的成渣过程 酸溶铝含量要求的前提下，实现对夹杂物最大程度 利用FactSage热力学软件中Equilibrium模块对目 的去除 前该精炼渣的成渣过程进行分析，如图2所示，得出精 本文通过对低碳含铝钢20M2的取样分析，结合 炼渣的成渣过程.精炼渣的开始熔化温度为900℃， Ca0-SiO2-AL,0,-Mg0CaF2精炼渣系的热力学分析， 完全熔化温度2000℃.在精炼温度区间，固相Ca0大 从控制精炼渣的低熔点区域和渣一钢反应两个方面， 量存在于渣系中，在1300~1500℃范围内随着温度的 研究渣成分对渣的液相线温度和钢液成分的影响，并 升高，固态Ca0含量随之升高，在1500℃时到达最大 得出合理的渣系成分范围. 值，然后逐渐下降，直到2000℃才全部熔化，导致渣的 熔化温度偏高.Mg0在1600℃被渣相熔解.在1200~ 1实验与讨论 1500℃之间存在固相Ca,Si0,原因在于化渣后进行 1.1精炼工艺 了Si-Mn合金化，促进了渣中析出固相Ca,SiO,为减 实验生产低碳含铝钢20M2采用的精炼流程如 少此类固相在精炼过程中析出，可以将合金化环节从 图1所示.LF进站后向钢包内加入石灰和萤石，碳粉 LF精炼过程提前至转炉炉后或者LF前期造渣阶段. 进行造渣，然后通电化渣.停电后加入硅铁和高猛合 110 金，脱氧采用喂铝线直接脱氧，通电结束后进行喂钙线 100 对夹杂物变性处理. 90 渣相 80 合金化 进站 造渣 通电 停电取样 70 (加人石灰 化渣 (加入Si,Mn 60 与萤石 合金) 50 Ca,SiO,(s)Ca,SiO,(s,) 电 40 停 30 Ca A10.(s) 20 Ca.MgAl.O. CaO(s) 。出站取样 停电取样 加入C,Si线 加入A线 Ca,SiO,(s) 30050070090011001300150017001900210023002500 温度℃ 图120M2钢的LF精炼工艺流程图 图220Mn2钢精炼渣成渣过程 Fig.1 Flow chart of the refining process of 20Mn2 in LF Fig.2 Precipitation process of the refining slag of 20Mn2 steel 1.2实验方法与结果 从渣系的热力学分析可以发现，在精炼的温度下， 对三炉生产20M2钢的LF精炼过程进行取样分 精炼渣中除了存在液相的熔渣以外，还有一定量的固
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 mental results show that the melting point of the optimized slag declines，and there are apparent decreases in the number，area and mean diameter of inclusions in the steel． KEY WOＲDS steelmaking; refining; slag systems; optimization; liquidus temperatures; inclusions 低碳含铝钢广泛应用于 08Al、16MnＲ、20Mn2 等铝 镇静钢种，含铝钢要求钢中酸溶铝控制在一定含量以 上． 钢中铝主要有两方面的作用: 一方面铝是高效的 脱氧剂，可以有效地将钢中氧含量降低至较低水平; 另 一方面控制钢中 Al 含量在一定范围内可以细化组织 晶粒，改善钢材的韧性［1--2］． 低碳含铝钢在转炉吹炼终 点需要通过较高终点氧含量来实现低碳含量，因此在 精炼过 程 需 要 利 用 大 量 的 Al 脱 氧，这 样 使 得 钢 中 Al2O3 夹杂物含量迅速升高，该类夹杂物熔点高，不但 对钢材的力学性能产生危害，还会在连铸的过程中导 致水口结瘤［3--4］． 在精炼过程中，渣--钢界面反应与精炼渣吸附作 用，是去除 Al2O3 类夹 杂 物 的 主 要 途 径［5--7］，包括 夹 杂物变性处理的产物，最终均通过渣的吸附、熔解完 成去除，所以优化精炼渣的成分可以在满足钢种对 酸溶铝含量要求的前提下，实现对夹杂物最大程度 的去除． 本文通过对低碳含铝钢 20Mn2 的取样分析，结合 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 精炼渣系的热力学分析， 从控制精炼渣的低熔点区域和渣--钢反应两个方面， 研究渣成分对渣的液相线温度和钢液成分的影响，并 得出合理的渣系成分范围． 1 实验与讨论 1. 1 精炼工艺 实验生产低碳含铝钢 20Mn2 采用的精炼流程如 图 1 所示． LF 进站后向钢包内加入石灰和萤石，碳粉 进行造渣，然后通电化渣． 停电后加入硅铁和高猛合 金，脱氧采用喂铝线直接脱氧，通电结束后进行喂钙线 对夹杂物变性处理． 图 1 20Mn2 钢的 LF 精炼工艺流程图 Fig． 1 Flow chart of the refining process of 20Mn2 in LF 1. 2 实验方法与结果 对三炉生产 20Mn2 钢的 LF 精炼过程进行取样分 析，取样位置选在合金化与脱氧的终点，即在精炼过程 终点，钙处理之前取样，同时取渣样与对应的钢样． 将 渣样进 行 研 磨，筛 分 至 200 目 以 下，利 用 荧 光 分 析 ( XＲF) 的方法得到渣的成分，将三炉精炼渣的成分结 果分别得出平均值，渣成分的均值如表 1． 对钢样进行 切割，用 SiC 砂纸磨样至 1500 目以后抛光处理，利用 扫描电镜对夹杂物进行成分与形貌观察，借助光镜对 夹杂物的数量与尺寸进行定量分析． 表 1 20Mn2 钢精炼渣的主要成分( 质量分数) Table 1 Main composition of the refining slag of 20Mn2 steel % CaO SiO2 Al2O3 MgO CaF2 其他 62. 4 17. 4 9. 6 3. 9 6. 1 0. 6 1. 3 精炼渣的成渣过程 利用 FactSage 热力学软件中 Equilibrium 模块对目 前该精炼渣的成渣过程进行分析，如图 2 所示，得出精 炼渣的成渣过程． 精炼渣的开始熔化温度为 900 ℃， 完全熔化温度 2000 ℃ ． 在精炼温度区间，固相 CaO 大 量存在于渣系中，在 1300 ～ 1500 ℃范围内随着温度的 升高，固态 CaO 含量随之升高，在 1500 ℃ 时到达最大 值，然后逐渐下降，直到 2000 ℃才全部熔化，导致渣的 熔化温度偏高． MgO 在 1600 ℃被渣相熔解． 在1200 ～ 1500 ℃ 之间存在固相 Ca3 SiO5，原因在于化渣后进行 了 Si--Mn 合金化，促进了渣中析出固相 Ca3 SiO5，为减 少此类固相在精炼过程中析出，可以将合金化环节从 LF 精炼过程提前至转炉炉后或者 LF 前期造渣阶段． 图 2 20Mn2 钢精炼渣成渣过程 Fig． 2 Precipitation process of the refining slag of 20Mn2 steel 从渣系的热力学分析可以发现，在精炼的温度下， 精炼渣中除了存在液相的熔渣以外，还有一定量的固 · 6141 ·
郭宝奇等：低碳含铝钢20Mn2精炼渣系Ca0-SiO2-A,0,-Mg0CaF2的优化 ·1417 态CaO,以及少量固态的Mg0没有熔化.渣中固相氧 夹杂物属于高熔点夹杂物，对轧制以及钢材性能危害 化物的存在会使渣的黏度显著升高，流动性变差.渣 性较大.图3为精炼过程所取钢样中典型夹杂物的面 吸附夹杂物的限制性环节是组元的扩散，而黏度正是 扫描结果.可以看出该带状夹杂物成分主要为Ca0, 影响传质扩散的主要因素⑧习，所以减少渣相中固相 同时含有少量的Si02·该渣系的碱度适中，在2.5~3 氧化物既可以降低渣的熔化温度，还能够减小渣的黏 之间，然而渣中山，0，含量偏低，导致渣的熔化温度过 度，进而提高渣吸附夹杂物的能力 高，化渣速度下降，精炼周期变长，同时精炼渣的脱氧、 在精炼过程中渣系中一直存在固相的Ca0,通过 吸附夹杂物的能力也会下降.所以合理的渣系需要结 渣一钢之间的传质会导致钢中出现Ca0夹杂物.CaO 合碱度和A山，O3含量两方面综合考虑 O-K 5um Si-KA 图3精炼过程中20M2钢中典型夹杂物 Fig.3 Representative inclusions in 20Mn2 steel during the refining process 2Ca0Si02-Al,03-Mg0-CaFz精炼渣 -1600℃ 0.9A -1500℃ A0.1 系热力学分析 1400℃ 0.8 0.2 2.1精炼渣低熔点区域的控制 0> 0.3 通过优化渣的成分，将渣系成分控制在低熔点区 A0.4 域.这一方面有利于加快化渣速度，促进渣对夹杂物 量分数 的吸附@，改善渣的流动性以及反应的动力学条件： Si0, 0.5 0.5 04 0. 分数 另一方面还可以实现降低钢中夹杂物的熔点，提高夹 0.3 0.7 杂物的塑性.在渣一钢反应的过程中精炼渣的成分不 0.2 0.8 断发生变化，因此首先应该增大渣系的低熔点区域，使 0.1 0.9 更多的渣系成分落在该区域. Cm00.9080.706050.403020.1A1,0, 精炼渣低熔点区域的控制主要与组分质量比 Ca0质量分数 Ca0/AL,03以及Ca0/Si02有关，通过FactSage6.3热 图4Ca0Si02-A2034%Mg06%CaF2精炼渣系的低熔点 力学软件计算得到Ca0-Si02-A山203-4%Mg0-6% 区域 CaF2的低熔点区域，如图4所示. Fig.4 Low-melting-point region of the Cao-Si02-Al203- 在精炼的过程中，渣系的成分处在1600℃以内的 4%Mg0-6%CaF2 refining slag 区域中便可以得到良好的渣况，如果渣的成分进入蓝 色等温线1500℃或红色等温线1400℃以内，可以实 的温度.根据等温线变化的特点，将其分为三个区域， 现更快的化渣，同时表明CaO-Si0,一Al,O3三个组元的 如图中虚线所示，即为Ca0/AL,0,3.5的区域. 少量的CaF,与MgO也对熔化温度有一定的影响.研 在0.4 究表明，CF,不但可以降低渣的黏度，改善渣的流动 3.5的区域，渣系的液相线温度均随着Caf,含量的升 性，还可以降低液相线温度，实现快速化渣：然而 高而呈现先下降后升高的趋势，在Ca01Al,0,<0.4的 CaF,的作用在不同的条件下效果不尽相同.为了探究 区域液相线温度随着CF,含量的升高而增加，说明在 CaF,对渣系液相线温度的影响，现利用FactSage6.3 这个区域CaF,会升高渣的熔化温度. 中Phase diagram模块计算出Caf2-Al,O,-CaO-SiO2 在靠近Ca0/Al,O,=1.5的区域，很小的CaF,添 四元等温相图，其中SiO2和Mg0的质量分数分别假定 加量就可以将渣的熔化温度，即为液相温度从下降到 为20%和5%，结果如图5，其中同一种颜色表示相同 上升的转折点，控制在最低值附近.相比之下，在
郭宝奇等: 低碳含铝钢 20Mn2 精炼渣系 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 的优化 态 CaO，以及少量固态的 MgO 没有熔化． 渣中固相氧 化物的存在会使渣的黏度显著升高，流动性变差． 渣 吸附夹杂物的限制性环节是组元的扩散，而黏度正是 影响传质扩散的主要因素［8--9］，所以减少渣相中固相 氧化物既可以降低渣的熔化温度，还能够减小渣的黏 度，进而提高渣吸附夹杂物的能力． 在精炼过程中渣系中一直存在固相的 CaO，通过 渣--钢之间的传质会导致钢中出现 CaO 夹杂物． CaO 夹杂物属于高熔点夹杂物，对轧制以及钢材性能危害 性较大． 图 3 为精炼过程所取钢样中典型夹杂物的面 扫描结果． 可以看出该带状夹杂物成分主要为 CaO， 同时含有少量的 SiO2 ． 该渣系的碱度适中，在 2. 5 ～ 3 之间，然而渣中 Al2O3 含量偏低，导致渣的熔化温度过 高，化渣速度下降，精炼周期变长，同时精炼渣的脱氧、 吸附夹杂物的能力也会下降． 所以合理的渣系需要结 合碱度和 Al2O3 含量两方面综合考虑． 图 3 精炼过程中 20Mn2 钢中典型夹杂物 Fig． 3 Ｒepresentative inclusions in 20Mn2 steel during the refining process 2 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 精炼 渣 系热力学分析 2. 1 精炼渣低熔点区域的控制 通过优化渣的成分，将渣系成分控制在低熔点区 域． 这一方面有利于加快化渣速度，促进渣对夹杂物 的吸附［10］，改善渣的流动性以及反应的动力学条件; 另一方面还可以实现降低钢中夹杂物的熔点，提高夹 杂物的塑性． 在渣--钢反应的过程中精炼渣的成分不 断发生变化，因此首先应该增大渣系的低熔点区域，使 更多的渣系成分落在该区域． 精炼渣低熔点区域的控制 主 要 与 组 分 质 量 比 CaO /Al2O3 以及 CaO / SiO2 有关，通 过 FactSage6. 3 热 力学 软 件 计 算 得 到 CaO--SiO2 --Al2O3 --4% MgO--6% CaF2 的低熔点区域，如图 4 所示． 在精炼的过程中，渣系的成分处在 1600 ℃ 以内的 区域中便可以得到良好的渣况，如果渣的成分进入蓝 色等温线 1500 ℃ 或红色等温线 1400 ℃ 以内，可以实 现更快的化渣，同时表明 CaO--SiO2 --Al2O3 三个组元的 含量是控制渣系低熔点区域的主要因素． 另外，渣中 少量的 CaF2 与 MgO 也对熔化温度有一定的影响． 研 究表明，CaF2 不但可以降低渣的黏度，改善渣的流动 性，还可以降低液相线温度［11--12］，实现快速化渣; 然而 CaF2 的作用在不同的条件下效果不尽相同． 为了探究 CaF2 对渣系液相线温度的影响，现利用 FactSage6. 3 中 Phase diagram 模块计算出 CaF2 --Al2O3 --CaO--SiO2 四元等温相图，其中 SiO2 和 MgO 的质量分数分别假定 为 20% 和 5% ，结果如图 5，其中同一种颜色表示相同 图 4 CaO--SiO2 --Al2O3 --4% MgO--6% CaF2 精炼渣系的低熔点 区域 Fig． 4 Low-melting-point region of the CaO-- SiO2 -- Al2O3 -- 4% MgO--6% CaF2 refining slag 的温度． 根据等温线变化的特点，将其分为三个区域， 如图中虚线所示，即为 CaO /Al2O3 ＜ 0. 4 的区域、0. 4 ＜ CaO /Al2O3 ＜ 3. 5 的区域和 CaO /Al2O3 ＞ 3. 5 的区域． 在 0. 4 ＜ CaO /Al2O3 ＜ 3. 5 的区域和 CaO /Al2O3 ＞ 3. 5 的区域，渣系的液相线温度均随着 CaF2 含量的升 高而呈现先下降后升高的趋势，在 CaO /Al2O3 ＜ 0. 4 的 区域液相线温度随着 CaF2 含量的升高而增加，说明在 这个区域 CaF2 会升高渣的熔化温度． 在靠近 CaO /Al2O3 = 1. 5 的区域，很小的 CaF2 添 加量就可以将渣的熔化温度，即为液相温度从下降到 上升的 转 折 点，控 制 在 最 低 值 附 近． 相 比 之 下，在 · 7141 ·
·1418 工程科学学报，第37卷，第11期 CaF 0.1 ·面积比例 0.8 02 0.35 0.7 0.6 =35 0.4 质量分数 0.30 05 05 质量 0.4 0.6 15和 0.7 025 2I00℃ O℃ 0.8 400℃1A50℃ T600 2080℃ 24681021416 2000 0a飞 30.9 MO质量分数/% 2100气 1900℃ 0.9 0.8 0.7 0.605040.30.20.A,0 图6低熔点区域面积比例与MgO含量的关系 CcaO质量分数 Fig.6 Relationship between the ratio of the low-melting-point region and Mgo content 图5Ca0-Al,03CaF20.2Si02渣系的等温曲线 Fig.5 Isothermal curves of the Ca0-Al20;-CaF2-0.2Si02 slag 铝脱氧，利用A-0反应国计算渣钢平衡时钢液中氧 system 含量，低碳含铝钢20M2的钢液成分如表2，结合钢液 成分与相互作用系数，采用式(3)得到组元的活度 Ca0/AL,0,靠近3.5的区域则需要更高的CaF,才能 系数，其中∫表示组元的活度系数，e为相互作用系数， 将渣的熔化温度控制在最低值的范围. w为质量分数.利用FacSage中Equilibrium模块计算 在实际的精炼过程中，CaF2加入量在20%以下， 出渣中AL,0,在1600℃的等活度曲线，结合式(1)、式 通常控制在4%~10%，对于Ca0/AL,03>3.5的区 (2)及活度系数，可以得到钢液中等氧含量分布曲线， 域，液相线温度过高，如图5中红色等温线所示，添加 如图7所示 CaF,以后液相线温度仍在1900℃以上，不适合将渣的 成分控制在该区域.本次实验所取精炼渣CaO/AL,0= 表220M2钢精炼过程成分（质量分数） Table 2 Composition of 20Mn2 in the refining process 6.5,正处在该区域，所以应该将渣中Ca0/Al,0,的比 值降至1.5左右，进而添加3%左右的CaF,便可将渣 C Si Mn Cr A 的熔化温度降至最低。 0.1600.1981.4910.0160.0190.0470.023 渣中MgO主要来自炉渣的侵蚀以及部分渣料中 2[]+3[O]=(Al,03). (1) 含有的Mg0,质量分数一般在3%~10%之间波动.为 了探究不同MgO含量对渣的低熔点区域大小的影响， △G9=-1202000+386.3T,Jmol. (2) 假定低于1500℃为低熔点区域，现利用FactSage软件 g财=∑(o]) (3) 并采用同样的方法计算Si0,-Ca0一AL,0,-Mg0的等 式中，表示元素i活度系数，表示组元j对组元i的 温相图，得出不同MgO含量时低熔点区域面积S.三 相互作用系数，门为组元j的质量分数. 角形相图的面积为A,S/A表示渣的低熔点区域面积 从图7中可得当Si0,的质量分数高于30%时，钢 比例，如图6.由图可以看出四元渣的低熔点区域随着 中氧含量随着CaO/Al,0,比值的升高而降低，因为 Mg0含量增加呈现先升高后下降的趋势，当Mg0的质 Ca0/AL20,比值越大，渣中AL2O3的活度越低，所以钢 量分数为5%时，渣的低熔点区域面积比例达到峰值， 液与Al,0,平衡时的氧含量也低.满足20M2钢对氧 最大值S/A=0.36,可以使更多成分的渣的处在低熔 含量要求的低熔点区域的成分范围为：Si0,30%~ 点区域. 75%,Ca00~50%,Al2030~20%. 2.2渣钢热力学反应平衡 当Si02的质量分数低于30%时，钢中氧含量随着 利用渣一钢反应调控钢液成分需基于两个假设： 渣中Ca0含量的升高而降低.满足20Mn2钢对氧含 一方面是渣一钢达到局部热力学平衡状态，另一方面 量要求的低熔点区域的成分范围为：Si020~20%, 是钢中夹杂物活度与渣中对应氧化物活度近似相等. Ca050%~65%,Al,0325%~50% 降低钢中氧含量是减少各类夹杂物数量的前提，氧含 综上所述，相图中在上下两个区域均存在低氧势 量是判定钢液洁净度的重要指标，实验钢种20M2要 区域与低熔点区域，然而渣系成分区域的确定还需结 求控制氧含量在1×10~5以内.含铝钢精炼过程采用 合含铝钢中对铝含量的要求
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 5 CaO--Al2O3 --CaF2 --0. 2SiO2 渣系的等温曲线 Fig． 5 Isothermal curves of the CaO--Al2O3 --CaF2 --0. 2SiO2 slag system CaO /Al2O3 靠近 3. 5 的区域则需要更高的 CaF2 才能 将渣的熔化温度控制在最低值的范围． 在实际的精炼过程中，CaF2 加入量在 20% 以下， 通常控制 在 4% ～ 10% ，对 于 CaO /Al2O3 ＞ 3. 5 的区 域，液相线温度过高，如图 5 中红色等温线所示，添加 CaF2 以后液相线温度仍在 1900 ℃ 以上，不适合将渣的 成分控制在该区域． 本次实验所取精炼渣 CaO/Al2O3 = 6. 5，正处在该区域，所以应该将渣中 CaO /Al2O3 的比 值降至 1. 5 左右，进而添加 3% 左右的 CaF2 便可将渣 的熔化温度降至最低． 渣中 MgO 主要来自炉渣的侵蚀以及部分渣料中 含有的 MgO，质量分数一般在 3% ～ 10% 之间波动． 为 了探究不同 MgO 含量对渣的低熔点区域大小的影响， 假定低于 1500 ℃为低熔点区域，现利用 FactSage 软件 并采用同样的方法计算 SiO2 --CaO--Al2O3 --MgO 的等 温相图，得出不同 MgO 含量时低熔点区域面积 S． 三 角形相图的面积为 A，S /A 表示渣的低熔点区域面积 比例，如图 6． 由图可以看出四元渣的低熔点区域随着 MgO 含量增加呈现先升高后下降的趋势，当 MgO 的质 量分数为 5% 时，渣的低熔点区域面积比例达到峰值， 最大值 S /A = 0. 36，可以使更多成分的渣的处在低熔 点区域． 2. 2 渣--钢热力学反应平衡 利用渣--钢反应调控钢液成分需基于两个假设: 一方面是渣--钢达到局部热力学平衡状态，另一方面 是钢中夹杂物活度与渣中对应氧化物活度近似相等． 降低钢中氧含量是减少各类夹杂物数量的前提，氧含 量是判定钢液洁净度的重要指标，实验钢种 20Mn2 要 求控制氧含量在 1 × 10 － 5以内． 含铝钢精炼过程采用 图 6 低熔点区域面积比例与 MgO 含量的关系 Fig． 6 Ｒelationship between the ratio of the low-melting-point region and MgO content 铝脱氧，利用 Al--O 反应［13］计算渣--钢平衡时钢液中氧 含量，低碳含铝钢 20Mn2 的钢液成分如表 2，结合钢液 成分与相互作用系数［14］，采用式( 3) 得到组元的活度 系数，其中 fi表示组元的活度系数，e 为相互作用系数， w 为质量分数． 利用 FacSage 中 Equilibrium 模块计算 出渣中 Al2O3 在 1600 ℃的等活度曲线，结合式( 1) 、式 ( 2) 及活度系数，可以得到钢液中等氧含量分布曲线， 如图 7 所示． 表 2 20Mn2 钢精炼过程成分( 质量分数) Table 2 Composition of 20Mn2 in the refining process % C Si Mn P S Cr Al 0. 160 0. 198 1. 491 0. 016 0. 019 0. 047 0. 023 2［Al］+ 3［O］( Al2O3 ) ． ( 1) ΔG = － 1202000 + 386. 3T， J·mol － 1 ． ( 2) lgfi = ∑ j ( e j i ·w［j］) ． ( 3) 式中，fi 表示元素 i 活度系数，e j i 表示组元 j 对组元 i 的 相互作用系数，w［j］为组元 j 的质量分数． 从图 7 中可得当 SiO2 的质量分数高于 30% 时，钢 中氧含量 随 着 CaO /Al2O3 比值的升高而降低，因为 CaO /Al2O3 比值越大，渣中 Al2O3 的活度越低，所以钢 液与 Al2O3 平衡时的氧含量也低． 满足 20Mn2 钢对氧 含量要求的低熔点区 域 的 成 分 范 围 为: SiO2 30% ～ 75% ，CaO 0 ～ 50% ，Al2O3 0 ～ 20% ． 当 SiO2 的质量分数低于 30% 时，钢中氧含量随着 渣中 CaO 含量的升高而降低． 满足 20Mn2 钢对氧含 量要求的低熔点区域的成分范围为: SiO2 0 ～ 20% ， CaO 50% ～ 65% ，Al2O3 25% ～ 50% ． 综上所述，相图中在上下两个区域均存在低氧势 区域与低熔点区域，然而渣系成分区域的确定还需结 合含铝钢中对铝含量的要求． · 8141 ·
郭宝奇等：低碳含铝钢20Mn2精炼渣系Ca0-SiO2-A,0,-Mg0CaF2的优化 1419* Ca0/Si02含量的增加而升高.对于20Mn2钢，若将钢 一等氧含量曲线 0.9 中铝的质量分数控制在1.5×10-4以上，渣的成分应 .1 -1873K 0.8 M:0质量分数为5% 该在质量分数为1.5×104等铝线的左下方，向饱和 CaO区域靠近，即为高碱度，低熔点的成分区域 07 0.3 06 A04 3精炼渣成分优化 S0,质量分数 0.5 3.1渣系成分的优化 0.4 0.6 通过第一部分的实验分析和第二部分的热力学计 0.3 0.7 算可以发现，原精炼渣中A山，0，含量过低，导致该渣系 0.2 0.8 熔化温度偏高，距离低熔点区域较远，并且析出大量固 0. 、0.9 相氧化物，导致渣黏度和熔化温度升高，渣吸附夹杂物 0.30.20.1A1.0 和脱氧的能力下降 090.80.70.60.5 0.4 0质量分数 为了改善渣的精炼效果，首先需要使渣的成分 图7等氧质量分数曲线(10-6)与渣系的关系 处在1600℃的液相线以内，即为1600℃的液相区， Fig.7 Relationship between isooxygen content curves (10-6)and 促进其对夹杂物的吸附.根据前面CF,对液相线影 slag systems 响的研究，该实验渣系中添加Caf,对降低液相线温 度的作用有限，需要降低C/A的比值至1.5左右才 含铝钢对钢中铝含量有着严格要求，控制钢中 能使CaF,有效降低熔化温度.为了有效控制钢中氧 合理的铝含量可以提高组织韧性，过高的酸溶铝会 含量，需要将渣的成分向右移动，在满足低熔点区域 降低钢的塑性，在轧制过程产生裂纹的.通过控制 条件的情况下，渣的成分要向Ca0的饱和区域靠近， 精炼渣的成分可以有效地调整钢中酸溶铝含量，对 降低渣一钢平衡时钢中氧含量，进而减少钢中夹杂物 于20M2钢控制[AI]在1.5×10以上.在低碳含 的数量 铝钢中利用式(4)和式(5)0，采用相同的方法得出 渣系的优化路径如图8中箭头方向所示，图中正 渣-钢体系中的等A1含量曲线.图8为渣-钢反应在 方形表示原始渣系，黑色圆形表示目标的优化渣系. 1600℃达到平衡时钢液中等A1含量曲线与渣成分 综合低熔点区域、铝含量和低氧三方面，渣系成分应控 的关系 制为：Ca050%~60%,Al,0320%~35%,Si020~ 4[A]+3(Si02)=2(AL,0,)+3[Si] (4) 10%,Mg05%,CaF20-5% △G9=-658300+107.2T,Jmol1. (5) 3.2优化渣系的实验结果 等铝质量分数曲线 在原有渣系的基础上通过加入铝矾土调节渣中 0.9 -1873K A山0，含量，结合加入石灰的量将渣系成分调整到图 M0质量分数5% 0.8 0.6×10 02 8中的黑色圆形区域.对优化的精炼渣系分别取渣 07 03 样和对应的钢样，取样方法和试样处理方法与1.2 0,质量分数 0.6 0.4 中优化前的取样过程一致.所取优化渣系成分结果 2×10 05 0.5 的平均值如表3.可以看出该渣系处在目标渣系的 范围内 0.4 0.6 6×10 利用FactSage得出优化渣的成渣过程，如图9. 0.3 07 渣系在940℃时开始熔化，1620℃时精炼渣完全熔 0.22 2x10 0.8 化.与优化前相比，可以看出优化后渣的熔化速度变 0.1 0.9 2×10 快，熔化温度降低，渣钢反应的温度范围内渣中固相 00.9 0.80.70.60.50.4 03 0.20.1 明显减少，改善了精炼渣的流动性与吸附夹杂物的 CO质量分数 能力 图8等铝质量分数曲线(10~6)与渣系的关系 Fig.8 Relationship between iso-aluminum content curves (10-5) 表320M2钢优化后精炼渣的主要成分（质量分数） and slag systems Table 3 Main composition of the optimized refining slag of 20Mn2 steel 在S0,质量分数低于30%的区域，钢液中A1含 Al203 Mgo CaF, 其他 量随着碱度的增加而升高，在高碱度区域，铝含量随着 54.0 10.2 26.4 5.5 2.5 1.4
郭宝奇等: 低碳含铝钢 20Mn2 精炼渣系 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 的优化 图 7 等氧质量分数曲线( 10 － 6 ) 与渣系的关系 Fig． 7 Ｒelationship between iso-oxygen content curves ( 10 － 6 ) and slag systems 含铝钢对钢中铝含量有着严格要 求，控 制 钢 中 合理的铝含量可以提高组织韧性，过高的酸溶铝会 降低钢的塑性，在轧制过程产生裂纹［15］． 通过控制 精炼渣的成分可以有效地调整钢中酸溶铝含量，对 于 20Mn2 钢控制［Al］在 1. 5 × 10 － 4以上． 在低碳含 铝钢中利用式( 4) 和式( 5) ［10］，采用相同的方法得出 渣--钢体系中的等 Al 含量曲线． 图 8 为渣--钢反应在 1600 ℃ 达到平衡时钢液中等 Al 含量曲线与渣成分 的关系． 4［Al］+ 3( SiO2 ) 2( Al2O3 ) + 3［Si］． ( 4) ΔG = － 658300 + 107. 2T，J·mol － 1 ． ( 5) 图 8 等铝质量分数曲线( 10 － 6 ) 与渣系的关系 Fig． 8 Ｒelationship between iso-aluminum content curves ( 10 － 6 ) and slag systems 在 SiO2 质量分数低于 30% 的区域，钢液中 Al 含 量随着碱度的增加而升高，在高碱度区域，铝含量随着 CaO / SiO2 含量的增加而升高． 对于 20Mn2 钢，若将钢 中铝的质量分数控制在 1. 5 × 10 － 4 以上，渣的成分应 该在质量分数为 1. 5 × 10 － 4 等铝线的左下方，向饱和 CaO 区域靠近，即为高碱度，低熔点的成分区域． 3 精炼渣成分优化 3. 1 渣系成分的优化 通过第一部分的实验分析和第二部分的热力学计 算可以发现，原精炼渣中 Al2O3 含量过低，导致该渣系 熔化温度偏高，距离低熔点区域较远，并且析出大量固 相氧化物，导致渣黏度和熔化温度升高，渣吸附夹杂物 和脱氧的能力下降． 为了改善渣的精炼效果，首先需要 使 渣 的 成 分 处在 1600 ℃ 的液相线以内，即为 1600 ℃ 的液相区， 促进其对夹杂物的吸附． 根据前面 CaF2 对液相线影 响的研究，该实验渣系中添加 CaF2 对降低液相线温 度的作用有限，需要降低 C /A 的比值至 1. 5 左右才 能使 CaF2 有效降低熔化温度． 为了有效控制钢中氧 含量，需要将渣的成分向右移动，在满足低熔点区域 条件的情况下，渣的成分要向 CaO 的饱和区域靠近， 降低渣--钢平衡时钢中氧含量，进而减少钢中夹杂物 的数量． 渣系的优化路径如图 8 中箭头方向所示，图中正 方形表示原始渣系，黑色圆形表示目标的优化渣系． 综合低熔点区域、铝含量和低氧三方面，渣系成分应控 制为: CaO 50% ～ 60% ，Al2O3 20% ～ 35% ，SiO2 0 ～ 10% ，MgO 5% ，CaF2 0 ～ 5% ． 3. 2 优化渣系的实验结果 在原有渣系的基础上通过加入铝矾土调节渣中 Al2O3 含量，结合加入石灰的量将渣系成分调整到图 8 中的黑色圆形区域． 对优化的精炼渣系分别取渣 样和对应 的 钢 样，取样方法和试样处理方法与 1. 2 中优化前的取样过程一致． 所取优化渣系成分结果 的平均值如表 3． 可以看出该渣系处在目标渣系的 范围内． 利用 FactSage 得出优化渣的成渣过程，如 图 9． 渣系在 940 ℃ 时开始熔化，1620 ℃ 时精炼渣完全熔 化． 与优化前相比，可以看出优化后渣的熔化速度变 快，熔化温度降低，渣钢反应的温度范围内渣中固相 明显减少，改善了精炼渣的流动性与吸附夹杂物的 能力． 表 3 20Mn2 钢优化后精炼渣的主要成分( 质量分数) Table 3 Main composition of the optimized refining slag of 20Mn2 steel % CaO SiO2 Al2O3 MgO CaF2 其他 54. 0 10. 2 26. 4 5. 5 2. 5 1. 4 · 9141 ·
·1420· 工程科学学报，第37卷，第11期 100 0 90 70 盈桃化 80 渣相 70 60 Ca MgAl O(s) 50 50 40 Ca,SiO,(s)Ca,Siois, 30 26.1 30 Ca,ALO.(s) 2L8 20 20 CaO(s) 10 92 CaF,(s) MgO(s) 10 1.4 )5 30050070090011001300150017001900210023002500 0.4 温度℃ 1-2m 2-4m >4um 夹杂物尺寸分布 图920M2钢优化后精炼渣成渣过程 Fig.9 Precipitation process of the optimized refining slag of 20Mn2 图11不同渣系中夹杂物尺寸分布 steel Fig.11 Size distribution of inclusions in different slag systems 为研究优化渣系对吸附夹杂物能力的影响，现对 Ca0/Al,03比值在1.5左右添加3%CaF,可以有效 钢样进行光镜观察，选取50个视场统计夹杂物的数量 降低渣的熔化温度，变化趋势为先降低后升高.在 与尺寸分布，并与优化前的渣系进行对比.如图10所 Ca0/Al,03<0.4的区间，CaF2会升高液相线温度. 示，优化后的渣系钢中夹杂物的总数、总面积和平均直 Mg0质量分数控制在5%左右时，低熔点区域面积达 径均明显下降。其原因在于优化后的渣系化渣速度升 到最大 高，渣中固相减少，黏度下降，同时钢中氧势较低，使得 (3)渣一钢反应达到平衡状态时，在Si02的质量 渣对夹杂物的吸附能力增强.图11为夹杂物的尺寸 分数大于30%区域，钢中氧含量大体上随着渣中 分布.可以看出优化后渣系的钢中夹杂物在小于1m Ca0/AL,0,的升高而降低，在SiO02的质量分数低于 的范围内所占比例高于优化前的比例，在1~2m、2 30%区域随着渣中Ca0含量的升高而降低.钢中酸溶 ~4μm和大于4m的范围均比优化前的低，说明优 铝含量在渣的高SiO,区域随着AL,O,/S0,的升高而 化后钢中微型尺寸夹杂物所占比例升高，大型夹杂物 升高，在低SiO2含量区域随着Ca0/Si02的增加而 个数的比例减少，降低了夹杂物的危害 增加 2000 2.0 (4)在渣系处于低熔点区域的前提下，结合低碳 1800 ☑优化前 1.8 盈优化后 含铝钢20M2钢对酸溶铝和氧含量的要求，综合以上 1600 1.6 1421.4 可得合理的精炼渣成分范围为：Ca050%~60%, 1400 1) 1.4 1200 1.2 Al,0320%-35%,Si020-10%,Mg05%,Caf20~ 1000 5%.优化后渣系熔化温度降低，化渣速度提高，钢 800 08 0.8 中夹杂物数量、面积和平均尺寸均有明显的下降， 60 487 0.6 小于1μm的夹杂物所占比例升高，大型夹杂物比例 400 2755 0.4 200 0.2 降低 0.0 夹杂物，总数 夹杂物，总面积夹杂物平均直径 图10不同渣系中夹杂物总数、总面积与平均直径对比 指 考文献 Fig.10 Comparison of the number,area and mean diameter of in- [Mohanty P S,Gruzleski J E.Mechanism of grain refinement in clusions in different slag systems aluminium.Acta Metall Mater,1995,43(5)2001 2]Easton M,Stjohn D.Grain refinement of aluminum alloys:Part 4结论 I.The nucleant and solute paradigms-a review of the litera- ture.Metall Mater Trans A,1999,30(6)1613 (1)精炼渣中A山，0，含量偏低，导致精炼渣的熔 B] Lind M,Holappa L.Transformation of alumina inclusions by cal- 化温度过高，化渣速度慢，渣中存在大量固相Ca0,并 cium treatment.Metall Mater Trans B,2010,41(2):359 且在钢中发现C0类夹杂物，精炼渣吸附夹杂物能力 [4]Fukuda Y,Ueshima Y,Mizoguchi S.Mechanism of alumina dep- osition on alumina graphite immersion nozzle in continous caster. 较弱 1S01m,1992,32(1）:164 (2)Ca0-Si02-AL,03-Mg0-Caf2精炼渣系在 [5]Lee S H,Tse C,Yi K W,et al.Separation and dissolution of
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 9 20Mn2 钢优化后精炼渣成渣过程 Fig． 9 Precipitation process of the optimized refining slag of 20Mn2 steel 为研究优化渣系对吸附夹杂物能力的影响，现对 钢样进行光镜观察，选取 50 个视场统计夹杂物的数量 与尺寸分布，并与优化前的渣系进行对比． 如图 10 所 示，优化后的渣系钢中夹杂物的总数、总面积和平均直 径均明显下降． 其原因在于优化后的渣系化渣速度升 高，渣中固相减少，黏度下降，同时钢中氧势较低，使得 渣对夹杂物的吸附能力增强． 图 11 为夹杂物的尺寸 分布． 可以看出优化后渣系的钢中夹杂物在小于 1 μm 的范围内所占比例高于优化前的比例，在 1 ～ 2 μm、2 ～ 4 μm 和大于 4 μm 的范围均比优化前的低，说明优 化后钢中微型尺寸夹杂物所占比例升高，大型夹杂物 个数的比例减少，降低了夹杂物的危害． 图 10 不同渣系中夹杂物总数、总面积与平均直径对比 Fig． 10 Comparison of the number，area and mean diameter of inclusions in different slag systems 4 结论 ( 1) 精炼渣中 Al2O3 含量偏低，导致精炼渣的熔 化温度过高，化渣速度慢，渣中存在大量固相 CaO，并 且在钢中发现 CaO 类夹杂物，精炼渣吸附夹杂物能力 较弱． ( 2) CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO--CaF2 精炼 渣 系 在 图 11 不同渣系中夹杂物尺寸分布 Fig． 11 Size distribution of inclusions in different slag systems CaO /Al2O3 比值在 1. 5 左右添加 3% CaF2 可以有效 降低渣的熔化温度，变 化 趋 势 为 先 降 低 后 升 高． 在 CaO /Al2O3 ＜ 0. 4 的区 间，CaF2 会升 高 液 相 线 温 度． MgO 质量分数控制在 5% 左右时，低熔点区域面积达 到最大． ( 3) 渣--钢反应达到平衡状态时，在 SiO2 的质量 分数 大 于 30% 区 域，钢中氧含量大体上随着渣中 CaO /Al2O3 的升 高 而 降 低，在 SiO2 的质 量 分 数 低 于 30% 区域随着渣中 CaO 含量的升高而降低． 钢中酸溶 铝含量在渣的高 SiO2 区域随着 Al2O3 / SiO2 的升高而 升高，在 低 SiO2 含量 区 域 随 着 CaO / SiO2 的增 加 而 增加． ( 4) 在渣系处于低熔点区域的前提下，结合低碳 含铝钢 20Mn2 钢对酸溶铝和氧含量的要求，综合以上 可得合理的精炼渣成分范围为: CaO 50% ～ 60% ， Al2O3 20% ～ 35% ，SiO2 0 ～ 10% ，MgO 5% ，CaF2 0 ～ 5% ． 优化后渣系熔化温度降低，化渣速度提高，钢 中夹杂物数 量、面积和平均尺寸均有明显的下降， 小于1 μm的夹杂物所占比例升高，大型夹杂物比例 降低． 参 考 文 献 ［1］ Mohanty P S，Gruzleski J E． Mechanism of grain refinement in aluminium． Acta Metall Mater，1995，43( 5) : 2001 ［2］ Easton M，Stjohn D． Grain refinement of aluminum alloys: Part Ⅰ． The nucleant and solute paradigms — a review of the literature． Metall Mater Trans A，1999，30( 6) : 1613 ［3］ Lind M，Holappa L． Transformation of alumina inclusions by calcium treatment． Metall Mater Trans B，2010，41( 2) : 359 ［4］ Fukuda Y，Ueshima Y，Mizoguchi S． Mechanism of alumina deposition on alumina graphite immersion nozzle in continous caster． ISIJ Int，1992，32( 1) : 164 ［5］ Lee S H，Tse C，Yi K W，et al． Separation and dissolution of · 0241 ·
郭宝奇等：低碳含铝钢20Mn2精炼渣系Ca0-SiO2-A山，03-Mg0-CaF2的优化 *1421· AlO inclusions at slag/metal interfaces.Non Cryst Solids, by controlling slag composition.Ironmaking Steelmaking,2002, 2001,282(1):41 29(3):214 6]Sridhar S,Cramb A W.Kinetics of Al2O3 dissolution in Cao- [11]Seetharaman S,Mukai K,Sichen D.Viscosities of slags-an over- Mgo-Si02-Al,0,slags:in situ observations and analysis.Metall view.Steel Res Int,2005,76(4)267 Mater Trans B,2000,31(2):406 [12]Park J H,Min D J,Song H S.The effect of CaF,on the viscosi- Lange K W.Thermodynamic and kinetic aspects of secondary ties and structures of Cao-Si0-Mgo-CaF2 slags.Metall Mater steelmaking processes.Int Mater Rev,1988,33(1):53 Trans B,2002,33(5):723 [8]Choi J Y,Lee HG,Kim J S.Dissolution rate of Al2O:into mol- [13]Suito H.Inoue R.Thermodynamics on control of inclusions com- ten Cao-Si02-Al20:slags.IS/J Int,2002,42(8):852 position in ultra-clean steels.IS/J Int,1996,36(5):528 Soll-Morris H,Sawyer C.Zhang Z T,et al.The interaction of 14]Sigworth G K,Elliott J F.The thermodynamics of liquid dilute spherical Al203 particles with molten Al20:-CaO-FeO,-SiO2 iron alloys.Met Sci,1974,8(1):298 slag5.Fuel,2009,88(4):670 [15]Brimacombe JK,Sorimachi K.Crack formation in the continu- [10]Yoon B,Heo K,Kim J,et al.Improvement of steel cleanliness ous casting of steel.Metall Trans B,1977,8(2):489
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