钢水喷镁精炼及其对钢性能的影响

0J:10.13374/j.1ssn1001053x.1983.03.001 北京钢铁学院学报 1983年第3期 钢水喷镁精炼及其对钢性能的影响 北京钢铁学院冶金系赵凤林博士* 西德阿亨大学治金所T.EL.Gammal教授 西德阿亨大学治金所所长W.Dahl 教授 摘要 由于镁对钢的脱氧、脱硫、净化钢水及转变夹杂物形态的良好作用，近年来许 多冶金工作者致力于加镁精炼钢水的研究工作，但因在冶金温度下镁的蒸汽压 高，而其在钢水的溶解度又极小，加入困难，这方面的研究多归于失败。本文利用 阿亨大学热力学数据库计算了以氩作为载气喷镁的脱氧、脱硫作用，以及压力和氩 量对其影响，通过实验制定了行之有效的喷吹工艺，选择了合适的控制参数。 在1-3大压下，氩量为0.1-0.3N.L/m:n,可以向钢水成功地喷入镁。经过镁 精炼的钢水，氧含量可降至4pPm,硫含量降至10Ppm,氧化物及硫化物的部级均 为0级，其尺寸均在5μm之下。随着喷镁量的增加（钢水重量的0.062至%0.56%）， 夹杂物中镁的氧化物及硫化物量增加，夹杂物总量减少且呈球形，此种夹杂物在热 形变中不变形。因此在通常材料中所存在的各向异性完全滑失，特别是缺口冲击韧 性横向性能值提高了2~3倍。文章对材料在不同温度下的冲击韧性、过渡温度及断 口夹杂物的形态进行了研究和论述。 近代工业及新技术的发展对材料提出越来越高的要求。制造高应力和复杂的结构件要求 采用高强度和良好韧性的材料。它应当是各向同性的。即其机械性能，特别是韧性，沿加工 方向、横向和垂直方向应是相等的【·.1。钢中的杂质，钢中非金属夹杂物的数量、类型及 分布对钢的性能有着直接的影响【3！。因此，最大限度地降低钢中氧、硫及夹杂物的含量， 并使夹杂物变成均匀分布的、加工不变形的球状，是提高钢质量的重要措施。 钢中加入稀土或碱土金属可以使氧和硫的含量降得很低。同时进一步排除夹杂物，并使 其变为球形以减少对钢的危害7一84！。镁和氧、硫有很大的亲和力。它可以用来很好的脱 氧、脱硫。它在改进钢的性能上起多大作用？是近年来冶金工作者甚为关心的问题。 由于在冶炼温度下镁有很高的蒸汽压，而且它在钢中的溶解度又极低，很难加入钢熔 池，因而许多研究都失败了。喷射冶金技术的发展为镁的使用开辟了良好的前景1一1」。 近年来对加镁的方法进行了大量的研究。J.J.De bar badiello及其助手们制成镰镁合 金以降低镁的蒸汽压加入钢水【31，M.C.Ashlon,M.W.Batesi和M.Kroker等浸入法 根据北京钢铁学院与西德阿亨大学(RWTH)(即亚森大学)协议，赵凤 林同志作为交流学者，于1979~1982年在阿亨大学治金研究所学习并进行科学研究 在此期间，他在T.E1.Gammal教授和W.Dahl教投的指导下，完成了题目为《钢 水喷镁精炼及其对钢性能的影响的论文，并获博学位。这里发表的是赵凤林所写博 士论文的主要内容。 1

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 钢水喷镁精炼及其对钢性能的影响 北 京 钢 铁 学 院 冶 金 系 赵凤林博 士 铃 西 德 阿 亨 大 学 冶 金 所 教授 西 德 阿亨大学冶金所 所长 教授 摘 要 由于 镁对钢 的脱 氧 、 脱硫 、 净 化钢水及 转 变夹 杂物形 态的 良好作用 ， 近 年来许 多冶金 工 作者致力于加 镁精炼钢水 的研 究工 作 ， 但 因在冶 金温 度下 镁 的燕汽压 仅 高 ， 而 其在钢水的溶 解度 又 极小 ， 加 入 困 难 ， 这 方 面 的研 究多归于失致 。 本文利用 阿亨 大学 热力学数据库计算 了 以氢作为载气喷镁 的脱 氧 、 脱硫 作用 ， 以及 压力和 级 量对 其影 响 ， 通过 实验 制定 了行之 有效 的喷吹工 艺 ， 选择 了合适 的控 制参数 。 在 一 大压 下 ， 氢量为 一。 ， 可 以 向钢水成功地 喷入 镁 。 经 过 镁 精炼的钢水 ， 氧含 量可 降至 ， 硫 含 量 降至 ， 氧化物及 硫化物 的钾 级均 为。 级 ， 其 尺 寸均在 卜 之 下 。 随着喷镁 量 的增加 钢水重 量的。 至 ， 夹杂物 中镁 的氧化 物及 硫 化物量 增加 ， 夹杂物总量减少且 呈球形 ， 此种夹杂物在热 形 变 中不 变形 。 因此在通 常材料 中所 存在的各 向异 性完全 清失 ， 特别是 缺 口 冲击 韧 性横向性 能值 提 高了 倍 。 文章对 材料在不 同温 度 下 的冲击韧性 、 过 渡温 度及 断 口 夹杂物 的形 态进行 了研 究和 论 述 。 近代工 业 及新技 术的发展 对材 料提 出越 来越 高的 要求 。 制造高应 力和 复杂 的结构件要求 采 用 高 强度和 良好韧 性的 材料 。 它应 当是 各向同性的 。 即 其机械性能 ， 特 别 是 韧性 ， 沿加工 方 向 、 横向和垂 直方 向应 是 相等的 ’ “ 。 钢 中的 杂质 ， 钢 中非 金属 夹 杂物 的数量 、 类型 及 分布 对钢 的性 能有着直接 的影 响 汇“ ‘ 。 。 因此 ， 最大 限度地降低钢 中氧 、 硫 及夹杂物的 含 ， 并使夹 杂物变成均 匀分布的 、 加工 不 变形 的球状 ， 是提高钢 质量 的 重要措施 。 钢 中加 入 稀土 或碱土金属可 以使 氧和 硫 的 含量 降得很低 。 同 时进一 步排 除夹杂物 ， 并使 其变为球形 以 减少 对钢 的危害 ’ 一 ， ‘ 。 镁和 氧 、 硫 有很大的 亲和力 。 它可 以 用来很好的脱 氧 、 脱硫 。 它 在改 进钢 的 性 能 上起 多大 作用 是近年来 冶金 工 作者甚 为关 心 的 问题 。 由于在 冶炼 温 度下 镁有 很 高的 蒸汽压 ， 而且它 在钢 中 的 溶 解度又 极低 ， 很难加入钢 熔 池 ， 因而许 多研 究都 失 败 了 。 喷射 冶金技 术 的 发展 为 镁的 使用开 辟 了 良好的前景 ’ ‘ 一 ， 。 近年来 对加 镁的 方 法 进 行 了大量 的 研 究 。 及 其助 手们 制 成镶镁合 金 以降低 镁的 蒸 汽压加 入 钢 水 “ ” ， 和 等浸入 法 根据北 京钢铁学 院与西 德 阿亨 大学 即亚 深 大学 协议 ， 赵风 林同 志作为 交流学者 ， 于 年在阿亨 大学冶金 研 究所 学 习并进行科 学研 究 在此期 间 ， 他 在 教授和 教授的指 导下 ， 完成 了题 目为 《 钢 水喷镁精炼及 其对 钢性能 的影响的论 文 ， 并 获博学位 。 这 里 发表 的是 赵风 林所 写博 士论 文 的主 要 内容 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．001

加入镁丝、镁焦、耐火材料的镂球团及载镁耐火体[a刃，E.Spetzler用喷吹法将 0.97公斤/吨钙合金或者0.38公斤/吨镁喷入钢水，使钢中硫由0.040%降到0.006%~ 0.002%。近似的结果由美国的P.J.Koros,W.G.WiLson等用喷吹镁石灰、表盐粒化镁 方法也得到了。T.EI.Gammal和M.Kroker的研究指示：在大气下用载镁耐火体加镁 的方法，尽管氧、硫没有降低，却大大地提高了钢的纯洁度。金相法鉴定：所有夹杂物均为 I级，很少硫化物，夹杂物均匀分布，呈小球状且不变形。尽管在用镁精炼钢水方面做了一 些工作，但镁的加入方法尚未完全解决，关于镁对钢质量的影响只有较少文献1·一1‘，‘， -1提到。而且不少关于镁精炼的论述多由钙的精炼效果推论而来。因此本文将以试验为 基础详细讨论镁的加入工艺、精炼效果、夹杂物的形态及对钢质量的影响。 一、喷镁精炼的理论基础 1.喷锁的热力学 脱氧及脱硫 热力学数据指出，镁是一个化学活泼元素，它和氧、硫等元素有很大的亲和力。镁和钢 中氧的反应按下式进行【43一8】： {Mg}+〔O)=〔MgO) (1) △G°=-142750+48.627 〔45-48) 1gK=31202,19-10.63 aMso K ()PMea0 部分地也将进行下列反应： (Mg)+〔O)=(MgO) (2) K)agee 取aM0=1则平衡常数为： K ()PMs.a0 它只和温度有关。在吹氩情况下 PM&=Psam-PAt 上式中Psum为溶池空间总压力，P:为氩气分压力。当P5um=1巴，则PMs=1一P:。 那么 K′()=(1-PAr)ao (3) 由式(3)可知钢中氧的活度随着温度和氩量的提高而增大。 按式(2)K(3)′=aMga。。将aMs=fMg〔%Mg)和a。=f,〔%O)值代入K(z)'得： K(z)'=fMgf。〔Mg)·〔%O) (4) 式中：M、f,为镁和氧的话度系数，〔%Mg)、〔%O)为镁和氧的重量百分数。 根据以上热力学分析，利用阿亨大学热力学数据库对喷镁脱氧反应进行了计算。计算结 果用图1表示之。 图1表示吹镁精炼时，钢水氧含量和镁的喷入量、载气量和氩气分压力的关系。钢中氧

加入镁丝 、 镁焦 、 耐 火材 料 的镁 球团 及载 镁耐 火体 〔昌 ” ’ ， 吐 用 喷 吹 法 将 公斤 吨 钙 合 金 或 者 。 公斤 吨 镁喷入 钢 水 ， 使 钢 中硫 由。 降 到 。 近似的结果 由美国的 ， 等用 喷吹镁石灰 、 裹盐粒化镁 方 法也 得 到了 。 和 的研 究指示 在大气下 用载 镁耐 火体加 镁 的方 法 ， 尽管氧 、 硫没有降低 ， 却大大地提高了钢 的纯洁 度 。 金 相法 鉴定 所有夹杂物均为 级 ， 很少硫化物 ， 夹杂物均 匀分布 ， 呈 小球状 且不变形 。 尽管 在 用镁精炼 钢水方面做了一 些工 作 ， 但 镁的 加 入方 法尚 未完 全解决 ， 关 于镁对钢质量 的影 响只 有较 少文 献 ’ 。 一 ’ ‘ ， ’ ‘ ， ， 一 ‘ ’ 提 到 。 而且不少关于镁精炼的论述 多由钙的 精炼效果推论 而来 。 因此 本文 将 以 试 验为 基础 详细讨论镁的加入 工艺 、 精炼效果 、 夹杂物的 形态及 对钢 质量 的影 响 。 一 、 喷镁精炼的理 论基础 咬麟 的热力学 脱氧及脱 硫 热力学数据 指 出 ， 镁是一 个 化学 活 泼元素 ， 它 和 氧 、 硫 等元素有很大的亲和 力 。 镁和钢 中氧的反应按下 式进行 ‘ “ 一 ‘ 〔 〕 〔 〕 △ “ 一 〔 一 〕 川 ， 一 川 部 分地也 将 进行下 列反应 一 。 〔 〕 〔 〕 二 取 ， 。 则 平衡常数为 ， 。 一 。 它 只 和 温 度有关 。 在 吹氢情 况下 一 ， 上式 中 。 二 为溶 池空 间总压 力 ， 了 为氢气 分压 力 。 当 。 ” 二 二 巴 ， 则 一 。 那么 产 一 。 ‘ 由式 可知钢 中氧的 活度随着 温 度和氢量 的提 高而增大 。 按式 产 二 。 一 。 。 将 。 〔 〕和 。 。 〔 〕值 代入 ’ 得 了 。 一 。 〕 〔 〕 式 中 。 、 。 为镁和氧的 活 度系数 〔 〕 、 〔 〕为镁和氧的 重量 百分数 。 根据 以 上热力学分析 ， 利用 阿亨大学热 力学数据库 对喷镁脱氧反应 进行 了计算 。 计算结 果用图 表示之 。 图 表示吹 镁精炼时 ， 钢 水氧 含量 和 镁的 喷入量 、 载气量 和 氢气分压 力的关系 。 钢 中氧

含量随着喷吹的进行不断降低。镁喷 入量小于0.1%时，脱氧速度很快， P:1bar 105 P3bar 然后减慢。压力增加，氧含量降低。 P.5bar 6 氩气量提高，氧含量也增高。镁加入 4 量为0.5%时，氧含量为10.7%数量 级。 h 镁的脱硫反应按下式进行： {Mg}+〔S)=(MgS) (5) 98 00i △G°=-98150+41.3T〔45-48) 三4 1gK6)=21453.55-9.027 T 010.0i aM8S K (6)=PMeas 01 0.2 03 04 0.5 Mg-Zugabe in %(Massengeholt) 部分地也将进行下列反应： 喷镁量，重量-% 〔Mg)+〔S)=(MgS)〔48)(6) 图1 氧含量与喷镁量、氨气量及压力的关系 amss K()=avga 取aM8s=1 K（6)=PMs"as 将PMg=Psun-PA,=1-PAr代入 得 K/(6)=(1-PAr).as (7) 式(7)表明：温度愈高，Pr愈大，则as愈大。 类似以上分析对式(6)亦适用： K ()=aMsas =fMefs(%Mg).%S) (8) 通过热力学数据库的计算，得到喷镁时硫含量和喷镁量、载气量、氩分压力的关系： 图(2)。 图2表明，经过喷镁，钢中硫含量降低。值得注意的是，在喷镁小于0.01%时不脱硫。 随后迅速脱硫，然后减缓下来。这说明镁的脱硫能力远差于它的脱氧能力。而钙则有较高的 脱硫能力，在相同钢熔池中，它首先脱硫〔49)。提高压力，促进脱硫反应。增加载气量阻止 脱硫反应。在5个大压下喷镁0.5%，可使疏含量从170ppm降至8ppm。 镁在纯铁中的溶解度 镁在纯铁中的溶解度目前尚未被准确测定。不同作者提出不同数据。按照Y,M.Leve- hen,V.M.Khoko1kov和A.A.Corhkow(50),在25巴时，镁在纯铁中的溶解度为 0.2At%。BurY1er〔51)在热力学计算的基础上提出一个二元系Fe-Mg相图并指出在 1600℃，一大气压，镤的假想溶解度为0.03%。 镁的蒸汽压 不同的作者提出不同的公式来计算镁的蒸汽压。但其差别甚小。这里我们选用O.K“一 baschewski[48]公式： 1gPro1)=-7550-1,41gT+12.79 T (9) 镁的蒸汽压和温度的关系示于图3。 3

含量 随着喷吹的 进行 不断降低 。 镁喷 入量 小于 时 ， 脱氧 速 度很快 ， 然 后减慢 。 压 力增 加 ， 氧 含量 降低 。 氢气量 提高 ， 氧 含量 也 增高 。 镁加 入 量 为 。 时 ， 氧 含量 为 数量 级 。 镁 的脱 硫反应按下 式 进行 〔 〕 △ 。 一 〔 卜 〕 一 一 ‘ 部分 地也将 进行下 列反应 一 一 日 一 · 一一 二 一 一一一一 二 － 阅 ’ 门 门 「 双 一 船 二 ， 一 一‘ ，‘ 叫 ，， 州 坏气 ‘ － 一 －－ 一 一 一 尸甘‘ 卜一 一 卜 一 一 叫卜 一一 叫声二 二串留州 仪闷 竺 ‘ 、 · 哆创 州份 、 · · 习‘ 闷 ， 协》 ， 一 、 、 ， 一门 二 曳 习 州 卜 一 一 二二 竺 二竺卫， 一一司卜，，， 一 ‘ 二 」 一 ， 一 二， 竖， ‘ 叫 六犷俪 二 卜 卜一 口厂一门 卜 、 一七大六到 认幼 〔 〔 〕 〔 〔 〕 。 图 氧含 量 与喷镁 量 、 氮气 童及 压 力的关 系 ‘ 取 ‘ “ ‘ 。 “ 一 将 ‘ 。 。 一 ， 一 代入 得 产 。 》 二 一 式 表 明 温 度愈 高 ， 愈大 ， 则 愈 大 。 类似 以 上分析对式 亦适 用 。 ‘ · 。 一 〔 一 〔 通过 热 力学数 据库 的计算 ， 得 到 喷 镁时 硫 含量 和 喷镁量 、 载气量 、 氢分压 力的关系 图 。 图 表 明 ， 经过 喷镁 ， 钢 中硫 含量 降低 。 值得 注意 的是 ， 在 喷镁小 于 时不脱硫 。 随后迅速脱 硫 ， 然 后 减缓下来 。 这说 明镁的脱 硫 能力远差 于它 的脱氧能 力 。 而钙则有较高的 脱 硫能 力 ， 在 相 同钢熔 池 中 ， 它 首先脱 硫 〔 〕 。 提 高压 力 ， 促 进脱硫反应 。 增加 载气 阻止 脱硫反应 。 在 个大压下喷 镁 ， 可 使 硫 含量 从 降至 。 镁在纯 铁 中的 溶 解度 镁在纯 铁 中的 溶 解度 目前尚 未被准确 测定 。 不 同作者提 出不 同 数据 。 按照 奋 和 〔 〕 ， 在 巴 时 ， 镁在纯 铁 中的溶解度为 。 〔 〕在热 力 学计 算 的 基 础 上提 出一 个 二 元 系 一 相 图并指 出在 。 。 ℃ ， 一大 气压 ， 镁的 假想溶 解度为 。 镁的蒸 汽压 不 同的 作者提 出不同的 公 式来计 算镁的 蒸汽压 。 但 其差 别 甚 小 。 这里 我们 选用 。 一 ‘ 吕 公 式 ’ 忍 ‘， ， 一 镁的 蒸汽压 和温度的关系示 于图

P.1bar P.3bor P.Sbar 120 00 001 d 9 0. 03 Mg-2 ugabe i名【4e5 engehait1喷铁量，重量-一% 图2碗含量与喷镁量、氢气量及压力的关系 由图3可知1600℃镁的蒸汽压为18.36巴。这是加镤精炼的主要困难。 2.喷铁动力学： 镤粉由氩气经过喷枪喷向熔池。在喷枪中 逐渐加热至熔池温度，变为镁蒸汽。这种氩气 D 和镁蒸汽的混合物由喷枪口的三个喷孔进入熔 出 池。混合气泡在上浮的过程中与钢中氧、硫及 夹杂物接触，发生脱氧，脱硫和使夹杂物变性 宫20 的反应，并将产物输送到熔池表面。因而气泡 上升速度和产物的排除速度是不可忽视的因 ? 素。 Ar一Mg的混合气泡的上升速度→ 2 混合气体流的体积为： V。18a0=VA,1800+VMa1800 对于炉号®18，(V,=0.17l/min,mMg =0.15g/min)V。100=0.691/min=11.5 cm3/s。 混合气从喷枪的三个一毫米直径的喷孔喷 201300140015001600170 Temp陀ratur in℃漂度，℃ 出。因此通过一孔喷出的气体为3.8cm3/s。 当气体离开喷嘴进入钢液时，形成气泡。其数 图3镁蒸汽压力和温度的关系 量和形状取决于流动条件、喷孔直径和熔池的表面涨力。 按照W.Siemes和K,Gunther对于流速小于8cm/s和均匀气泡形成，并且液体 4

目 ‘ 山 。 一 加 户 一 加 ‘ 如 像 条 二 ， 仍︸‘﹁一工︸︺么。 到叨 掩万 、 、 、 橇翻 · 之 攀七 、 一 洲 鑫‘ 如 纂 立 嘴成皿 ， 皿 巍一 图 硫 含量 与喷镁 量 、 氢气 量及 压 力的关 系 由图 可 知 ℃ 镁的 蒸 汽压 为 巴 。 这是加 镁精炼的 主 要困难 。 邪田鱿‘谈召︸留‘仓。吕知，，﹄。 喷族 动 力 学 镁 粉 由叙气经过 喷枪 喷 向熔 池 。 在喷枪 中 逐渐加 热 至熔 池温度 ， 变 为镁蒸汽 。 这种氨气 和 镁蒸汽的混 合物 由喷枪 口 的三个喷孔 进入熔 池 。 混 合气泡在 上浮 的过 程 中与钢 中氧 、 硫 及 夹杂物接触 ， 发 生脱氧 ， 脱硫和使夹 杂物 变性 的反应 ， 并将产物输送 到熔 池表面 。 因而气 泡 上升速 度和 产 物 的排除 速度是 不 可 忽视 的 因 素 。 一 的混 合 气泡的 上升速 度， 混 合气体流的 体积 为 ‘ ‘ 对于炉号地 ， ， ， 。 ’ “ “ 。 混 合 气从 喷枪 的三个一毫米直径的 喷孔 喷 出 。 因此通 过 一 孔喷 出的 气体为 。 当气 体离开喷嘴进入钢 液 时 ， 形成气泡 。 其数 才 一 梦 厂 才 尹 洲日 州 尸口口沪 ‘ 夕 口 醉 讯 诬度 ， ℃ 图 镁 蒸汽 压 力和温 度 的关系 量 和形状 取 决 于 流 动条件 、 喷 孔 直径 和熔池 的 表面 涨 力 。 按 照 和 对 于 流速 小于 。 和均 匀 气 泡形 成 ， 并且 液 体

粘度小于19.610~2p,可用下式计算气泡直径[61 da= 3o·dp P+ g (11) 式中σ=1600g/s2为钢在1600℃时的表面涨力， d。=0.1cm为气泡直径， V。=3.83cm3/s为气流体积： g=981cm/s2为重力加速度影 △p=6.21g/cm3为气体和钢液的密度差。 根据H.D.Mendeson公R〔53)计算气泡的上升速度： ,=√+gr=32.1e/s (12) 气泡在钢液中的逗留时间决定了实验条件下镁的利用率很低。对不同熔池高度计算出的 气泡逗留时间列表如下： 熔池深度 c m 气泡逗留时间 13.5 0.4 100 3.1 200 6.2 300 9.3 由表可知，如将实验结果从实验室扩大到生产，即随着熔池深度的增加，气泡在钢水中 逗留时间延长，从而大大提高镁的利用率是完全可能的。 反应产物的上浮速度 静态熔池中反应产物上浮速度按stockes公式计算【s): V=2(P1-0)gr 9·n 式中V为反应产物的上升速度，cm/ss p,为液态钢水的比重，在1600℃时等于7.06g/cm, p2为反应产物的平均比重，等于3.0g/cm3, g为重力加速度， Y为反应产物的半径，假定它为球形， n为钢水的粘度，在1000℃时等于2cp, ··,不同大小的夹杂物的上浮速度及实验条件下的上浮时间，按上式计算结果列表如下： 夹杂半径cm 上浮速度cm/s 上浮13.5cm所需时间分 1.0 0.000443 508.43 5.0 0.0111 20.34 10.0 0.0443 5.08 20.0 0.177 1.27 5

粘度小于 · 一 “ ， 可 用下 式计 算气 泡直径 【 “ 。 一 爵 · 〔替玲 ’ 应黔〕 “ “ 式 中 “ 为钢 在 ℃ 时的 表面 涨 力 ， 。 二 为气泡直 径， 为气流体积 为重 力加速 度， △ 二 。 ’ 为气 体和钢 液的 密度差 。 根据 公 式 〕计算气泡的 上升速 度 幸 。 了六 ‘一 · ‘ 气泡在钢 液 中的逗留时间决定 了实验 条件下 镁的 利用率很低 。 对不 同熔 池高度计算出的 气泡逗 留时 间列表如下 熔池 深度 。 气 泡逗 留时 间 。 由表可 知 ， 如 将 实验结果 从 实验室 扩大 到生产 ， 即 随着熔池 深度的增加 ， 气 泡在钢 水 中 逗 留时 间延 长 ， 从 而大大提 高镁 的 利用 率是 完全可 能 的 。 反应 产物 的 上浮速 度 静 态熔 池 中反应 产物 上浮速 度按 。 。 公 式计 算 【 “ ‘ ， 一 “ 一 一 － 甘 月 式 中 为反 应 产 物 的 上升速 度 ， 。 、 为液 态 钢水的比 重 ， 在 时 等于 为反应 产物 的平均 比 重 ， 等于 ， 为重 力加 速 度 丫 为反应 产物的半径 ， 假定 它 为球形 ， 月为钢 水 的粘度 ， 在 ℃ 时 等于 。 ， 不 同大小的 夹杂物 的 上浮速 度及 实验 条件下 的 上浮 时间 ， 按 上式计算结果 列表如下 夹杂半径 上浮速 度 上浮 所需 时间 分 。 八八”︸

由上表可知大于5μm的反应产物，即使在静态熔池中也能够上浮到实验熔池表面。在 喷吹过程中，氩气气泡以31.9cm/s的速度上升。它将把气液介面生成的反应产物不断输送 到熔池表面。再加上感应炉中的电磁搅拌，反应产物的上浮比计算要快得多。 3.材料学蕃础 研究表明钢中硫化物是使钢产生各向异性的重要原因。普通钢中硫以硫化铁存在。锰合 金钢中硫可以硫化锰形式存在。它们在艇固的时候，以不同形态析出。C.E.Sims和助手 们提出有下列类型【5s1: (1)含有氧化物的球状硫化物， (2)分布在晶界的硫化物， (3)边角硫化物。 高的氧含量促使生成1.2型硫化物。类型1，球状证明其液态析出。类型2在凝固后期析 出，存在于晶粒界。在炭和硅含量较高时析出硫化物类型3。它的边角形及均匀分布表明其 为晶体凝固。 硫化物类型1甚难变形，因而对材料的各向异性影响较小，，硫化物的类型2可变形， 在材料塑性变形中变成长的条状，它使材料的各向异性加剧，硫化物类型3更易变形，它对 材料的各向异性影响更大【2一)。 为了消除材料的各向异性，有两种方法是很有效果的。第一将钢中硫降的很低，使其无 法生成硫化物；第二将硫化物变性变态，使其成为一种不变形的类型。 为了脱硫，加入那些与硫比铁、锰有更大亲和力的元素。为使硫化物变态，加入那些与 硫和氧生成不变形硫化物或氧硫化物的元素。常用的有Ti、Zr、稀土、Ca和镁及它们的金 金。两种方法的综合称为硫化物控制。 本实验中采用喷镁精炼也主要是为了这个目的。 二、实验方法 实验在八公斤真空感应炉中进行。炉子容许在10一3毛的真空下和不大于四个大气压的保 护气氛下工作。炉子上面安装喷射装置（图4）。 它由镁粉贮存器，输送装置和喷枪组成。喷枪的浸入部分由M。+ZO2金属陶瓷材料制 成。端部有三个1mm直径的孔。喷镁速度可以在0.3~.05g/min范围内准确地控制。喷吹 过程中可以取样、测温和测定熔池的氧含量。 实验钢号采用st523。炉料加入后，将炉子抽空至10~2毛，充氩至所需压力，然后通电 加热。炉料熔化后，升温至1600℃。用氩气将小于1mm粒度的镁粉或裹盐粒化镁喷入熔 池。直至所需镁粉全部喷入为止，测温、定氧。温度为1590℃~1610℃浇注。钢锭加热至 1050~1070℃轧成72×12mm的带。其变形量约为8倍。加工前后，按需要取化学分析样， 定氧样，金相样及机械性能样。金相样进行光学显微镜夹杂物、组织、硬度及显微硬度检 验。在扫描电镜上进行夹杂物的形貌及定性分析。性能样进行拉伸及冲击试验。实验炉号及 对比炉号的化学成份、工艺参数及冶金效果列表1及表2。 6

由上表可 知大于 卜 的 反应产物 ， 即使在 静态熔池中也能够上 浮到实验熔池表面 。 在 喷吹过程 中 ， 氢气气泡 以 的速度 上升 。 它 将把气液介面 生成的反应产物不断输送 到熔池表面 。 再加 上感应炉 中的 电磁搅拌 ， 反 应产 物的 上浮 比计算要快得 多 。 材料学甚 础 研 究表 明钢 中硫化物是使钢 产 生各向异性的 重要原因 。 普通钢 中硫 以硫 化铁存在 。 锰 合 金钢 中硫可 以 硫 化锰 形式存在 。 它们 在 凝 固的时候 ， 以 不 同形态析 出 。 积助 手 们 提 出有下 列类型 “ ‘ ’ ‘ 含有氧化物的球状 硫 化物， 分布在 晶界的 硫 化物 ， ， 边角硫化物 。 高的 氧 含量 促使 生成 型 硫化物 。 类型 ， 球状证 明其液态析 出 。 类型 在凝 固后 期析 出 ， 存在于晶粒界 。 在 炭和 硅 含量较高 时析 出硫 化物类型 。 它 的 边角形及均 匀分布表 明 其 为晶体凝 固 。 硫化物类型 甚 难 变形 ， 因而对材料的各向异性影 响较 小 ， ， 硫 化物 的类型 可 变形 ， 在材料塑性变形 中变成长的条状 ， 它使 材料的各向异性加剧 硫化物类型 更易 变形 ， 它 对 材料的 各向异性影 响更大 卜 ‘ 。 为了消除材料的 各向异性 ， 有 两种方 法是很有效 果 的 。 第一将钢 中硫降的 很低 ， 使 其无 法 生成硫 化物 第二将硫化物变性变态 ， 使 其成 为一 种 不变形 的类型 。 为了脱硫 ， 加 入 那些 与硫比 铁 、 锰 有更大亲和力的 元素 。 为使硫 化物 变态 ， 加 入 那些 与 硫和 氧生成不变形硫化物或氧硫化 物的元素 。 常用 的有 、 、 稀土 、 和 镁及它们 的 金 金 。 两 种方法的综 合 称 为硫化物控制 。 本实验中采用喷 镁精炼也主 要是 为了这个 目的 。 二 、 实验 方法 实验在八公斤真空感应炉中进行 。 炉子容许在 一 千 的真空下 和 不大于四 个大气压 的保 护气氛下工作 。 炉子 上面 安装喷射装 置 图 。 它 由镁粉贮存器 ， 输送装 置和喷 枪组成 。 喷枪 的 浸 入部 分 由 。 金属 陶瓷材料制 成 。 端部有三个 直 径的 孔 。 喷 镁速度可 以 在 范 围内准确地控制 。 喷 吹 过程中可 以取样 、 测 温和 测定 熔池 的 氧 含量 。 实验钢号采用 。 炉料加入后 ， 将炉子抽空至 一 干 ， 充氢至所需压力 ， 然后 通 电 加热 。 炉料 熔化后 ， 升温 至 ℃ 。 用氢气将小于 粒度的 镁 粉 或裹盐粒化镁喷入 熔 池 。 直 至所需镁 粉全部喷 入 为止 ， 测温 、 定 氧 。 温度 为 ℃ ℃ 浇注 。 钢 锭加热 至 ℃ 轧成 的带 。 其 变形量 约 为 倍 。 加 工前后 ， 按需要取 化学 分析样 ， 定氧样 ， 金相样 及机械性 能样 。 金 相样 进行光 学显微 镜夹杂 物 、 组织 、 硬 度及 显微硬 度检 验 。 在扫描 电镜 上进行 夹杂物的 形貌及定性分析 。 性能样 进行拉伸及冲击试 验 。 实验炉号及 对比炉号的化学成份 、 工艺参数及冶金效果 列表 及表

5 图4真空一压力一感应炉总图 7

券 图 真空一 压 力一感应 炉 总图

表1 实验料和对比料的化学成份，% Schin. n Mg Ca Ti Zr 名 Nr, ou 0,20 1,55 0,22 0,018 0,0009 0,003 0,001 0,020 0,045 OA 0,26 0,018 0,0009 0,008 0,001 0,052 0,18 6 023 0,02 0,0006 - ,15 0.35 0,019 0,0003 3 0,017 0,015 0,0007 0,001 0,025 0,018 ,26 0.34 0,018 0,001 0,02 0,004 0,128 0,36 0.018 0,0015 0,001 ,0037 0,029 0,12 0,12 0.017 D,0015 001 ,C055 0,182 0.33 0,011 D,0012 0,019 ,002 0,036 0,1 9 0,16 1,24 0,37 0,015 0,0006 0,012 0,002 (续)表1 Portsstsung.Tafel 1 Schm. Nr. 0 S1 g A1 Ca 3r 0,2 1,12 0,37 0,01 0,001 0,044 0,002 -0,001 0,022 0,11 11 'o,18 1,20 0,38 U,Q15 0,0003 0,016 0,002 16 0,20 0,010 0,0013 0,011 0,0017 0,065 0,0048 0,0008 0,035 0,0013 0.001 23456189 0,0026 0,0010 0,036 0,0011 0,001 0,015 0,0003 0,014 0,0011 0。 009 0,0009 0,04 0 0021 0,001 0,37 0,021 0,0095 0,003 0.0025 0,005 0,001 0,029 0,36 0,0011 0,0013 0,0031 0,015 0,001 0,016 8 0,42 0.0010 0,0009 0,026 0,0018 0,001 0,175 0,34 0,0016 0,0007 0,027 0,0031 0,002 0,024 0.82 0,17 1,39 0,41 0,0037 0, 0009 0,071 0,0019 0,002 0,027 0,24

表 甲 尹。 吕 实验料和 对比 料的 化学成份 ， ‘ 四 协 了 一 王 。 口 土 黑 枷 叭 … 。 · 洲 一 夕 一 ， ， 多 ‘ 一 一 ， 八 一 ， 一 一 。 ， 一 一 ， ， ，气 。 一 一 一 一 一 勺 一 一 。 子 ， ， 旬 ， 。 一 。 ‘ 。 ， 。 一 。 ， 。 飞 一 日 弓 。 ， ， ， 一 一 ， ， 一 ， 一 一 ， 。 多， 一 一 一 ， 一 。 多 ， ， ， 日 一 ， 后 续 表 ， 二 ‘ 立些公‘ 。 恤 吕 吕 彻 公 吸 名 知 丹 一 一 ， 一 一 一 之 尝。 ， 。 一 ， ， 一 一 ， 训 洲 ， 一 ‘ 丫 德 。 ， ， 幼， 一 。 加 一 ， ， 一 ， 句 一 一 ， 。 一 一 ， 一 ， 一 吮句 ， 一 一 一 一 ， ， 。 一 一 ， 一 勺 ， 。 ， ， ， 一 ， ， ， 一 一口〕 三。 。 夕 一 一 ， 一 ， 减 ， ， ， 一 王 介 一 一 一 一 ， ， ， 一 ， · ， ， ， 。 一 一 一 ， 减】 洲 ， 一 ， ， 一 ， 一 一 一 一， ， 今 一 一 一 一 一 ， ， 一 一 训刀 一 多 一 ， ” 训 】多 ， 一 一侧】

表2 喷镁精炼的工艺参数及冶金效果 卧nblasen每 Schm. Druek Ar-Nonge ME Io S in PP 可 可ra in Zugabe in Ausbr. in in in bar % g/min 1n% 106 n.B. OU 3 0 29 12,7 170 180 34,5 OA 3 0,1 20,0 0 2 14,0 7o 180 2 71,4 0,3 6,9 k1. k1, 20,0 17 2 0,3 4,2 kl. k红， 48 26,0 190 0 1 0,3 0,3 k1, xl. 16 170 170 0 . 0,3 18,0 4,6 0,062 0,07 2,4 22,0 170 11,8 屯 57,1 0,3 18,0 kl. 7 150 21,0 170 0 6 0,3 18,0 0 00 0- 0 0,3 32,4 13,4 0,18 1 2%,0 0,3 36,0 13, 0,19 0 11 2,7 74,3 9 0,3 28,5 9,9 g 10 1,2 149 10 0,2 24,0 13,4 3,9 11 8,0 600 11 0,19 40.7 134 0,06 1,6 16 10,0 170 10 续上表 Fortoetsung Tefel 2 Ar-Menge Druck in Eo s in Ppm 间 Nr. in 出 N.Le Zugabe in Ausbr. in in in bar g/nin. 1n% ppm 10~6 n.B. % 0,25 40,5 20,0 0,24 0,12 2,9 1 7,3 170 100 41,2 74.3 13 0,15 30,3 20,0 0,26 0,10 4,1 21 10,2 70 48 71,8 2 71,4 0,20 42,4 26,6 0,38 0,1 3,4 54 17 26 84,7 74,3 15 0,16 47.7 11,2 014 0,04 1,7 13 14,0 150 11,8 0,15 37,2 20,3 0,29 0,04 2,8 14 5,6 1 71.4 0,17 38,8 26,2 0,36 0,12 23 170 95 75,7 0,17 32,8 27.9 0,37 0,15 6 2 10,0 60,0 19 0,17 44,2 41.2 0,56 0,15 2,4 14.3 0,17 37,1 9,4 0,13 0,04 9,7 14 1 75.7 0,10 23,6 31,1 0,42 0,13 2,9 20 4,0 170 78,2 74,3 三、实验结果及分析讨论 1.脱氧、脱硫及脱氮效果 由表2可知，钢中全氧含量经过喷镁精炼由原材料中的28ppm降低到<20ppm。浓差 定氧的结果表明，在喷镁过程中，随着喷镁的增加，氧的活度不断下降（图5）。镁的喷入 量大于0.18%时，钢中溶解氧小于15ppm,镁量为0.42%时，溶解氧为4PPm。可见镁是 一种很强的脱氧剂。钢中余氧含量很低，预示钢的纯度很高。这显然是由于氩冲洗及镁精炼 的作用所致。 9

表 甲 喷 镁精炼 的工艺 参数及 冶金效果 了 。 助 名 盯 ， ‘ 艺 区 加‘ · 皿 一 心 日 。 刃刃” 。 卜儿 对 艺 万目 ” 四 勺。 呜 勺 万 ， 一 比 淤 。 。 召 几 口 及 。 。 书 书 绍 一 一 一 一今 一 一 一， 一 一 一 ， 一 一令 。 一 。 。 一 一 犯 了一 一 ， 一 一 ，一 一。 多 一 。 一 勺一 一 ， 乍 一， ， 日一 一 一 ，一 拍 句 ， 一， 一 。 一 一 ‘ 一 多 。 一 ， 一 一， ‘ ，一 一 ， ， ， ，一 ， 一， 。 一 一 一 ， ， ，一 一 ， ，一 ，和 ，如 ，一 多 ，一 续 上表 ， 助 里旦户经」 一 州二 盛 月 召， 林民 ， ， 一 工 劝 此 吕 黔 口 书 另 肠 ， 醉 人 日 。 。 书 一 一 一 一 一 ， 多 ， 一 一多 ， ， 一 乡 一 一 ， ， 一 ，一 卜 一 ， 一 一 ， 多一 ， ， ， ， 一 。 ，一 一 一 ， 一 一 。 。 多 ， 一 ， ， 一 宁， 甲 。 了 ， 一 一 ， ， ， ， 。 一 日 印， 一 一 。 一 。 一 一 ， ， ， ， ， 一 ， 一 ， 一 ， ，今一 。 一 ， 一 一 。 一 一 一 》 ， 一 ， ， 一 一 一 一 ， 三 、 实验 结果 及分 析讨论 · 脱妞 、 脱硫及脱 氮效 果 由表 可 知 ， 钢 中全氧 含量 经过 喷 镁精炼 由原材料 中的 降低 到 。 浓差 定氧 的结果 表 明 ， 在喷 镁过 程 中 ， 随着喷 镁 的增加 ， 氧 的 活 度不断下 降 图 。 镁的喷入 量 大 于。 时 ， 钢 中溶 解氧小 于 ， 镁量 为 时 ， 溶 解氧 为 。 可见 镁是 一种很 强的脱氧 剂 。 钢 中全氧含量 很低 ， 预 示钢 的纯 度很高 。 这显 然是 由于氢冲洗及镁精炼 的作用所致

●1如 ■3ba :轻g螺 ·1ba 。3be 02 03 6 02. 03 构-2 ugobe in%lc55 ngeho)喷换量，量重-一% 州g-2ug3bein%【ssengtholt坡厘量，藏量-⅓ 图5'喷吹后的溶解氧和喷镁 图6喷吹后的硫含量和喷镁量及 量的关系 压力的关系 图6表示钢中硫含量随喷镁量的 100 增加而减少。在1大压的氩气氛下， ●1bor 喷镁0.18%以下不脱硫，喷镁0.18~ 3 bar 0.26%疏含量迅速降低，喷镁大于 Argonotmosphore 0.26%硫下降平缓下来，喷镁0.26~ 0.38%钢中硫含置为48~26ppm。 装 脱硫率和喷镁量的关系曲线（图7）也 60 表示了类似的趋势。脱硫率按下式计 算： 0 Ms=- -Sn100% 式中，门s为脱硫率，%， Sv为喷镁前的硫含量影 20 Sn为喷后的硫含量。 1大气压氩气氛下的喷镁脱硫率 达84.7%。 0203 04 05 Mg-Zugabe in%(Massengehait】黄镁量，意量-% 图6、7也表示了气氛压力对脱硫 率的影响。氩气压力由1大气压提高 图7·脱统率和喷镁量及压力的关系 至3大压，脱硫率由84.7%提高到93.5%。喷镁量为0.56%时，高达94.1%。 实验中也看到，随着喷镁精炼的进行，取得相当好的脱硫氮效果（表2）。商品钢 St52-3含氮量为70ppm。经过喷镁精炼，随着氩流量的不同，钢中氮含量降至30-17ppm 它相当于57~75.7%的脱氮率。脱氮率按下式计算： 1N=N4100% 19

“ 爆 甘 鼠 匀加 ， · 、 巍 矍巍 沐、 一 飞 澡 · 罐霎翼鑫 ’ 肠 ， 崎闷炎遥彭那母 ，一 丫飞 ’ 一 主恤卿娜喇 一，一 一门 狱 翻万 〕 城 汉公 飞 月口 泛 拘 如卯加 的 附脚 ，加 》嗦翻月滋皿一拓 图尽 喷吹后 的溶解 氧和 喷镁 量 的关系 图 喷吹后 的硫含 量和 喷镁食及 压 力的关 系 图 表示钢 中硫 含量 随喷 镁量 的 增加 而减少 。 在 大压 的 氢气氛下 ， 喷镁 以下 不脱硫 喷 镁 一 硫 含量迅速 降低 ， 喷 镁大 于 硫下降平缓下来 ， 喷镁。 钢 中 硫 含量 为 。 脱硫 率和 喷镁量 的 关系曲线 图 也 表示 了类似的趋 势 。 脱硫率按 下式计 算 ‘ ， 一 。 ， 式 中 ， 、 ，，为脱硫率 ， ， 为喷 镁前的 硫 含量 多 为喷后 的 硫 含量 。 大气压氢气氛下的喷镁脱硫率 达 。 图 、 也表示 了气氛压 力对脱硫 率的影响 。 氨气压 力由 大气压提高 至 大压 ， 脱 硫率 由 提 高 到 。 加 卜 比 洲 八哆门 帕 喻 尸 了· · 才 图 宁 脱硫 率和 喷镁量及 压 力的 关系 喷 镁量 为 时 ， 高达 。 实验中 也看 到 ， 随着 喷 镁精 炼的 进行 ， 取得 相 当 好的 脱硫 氮效果 表 。 商 品钢 ， 含氮量 为 。 经过 喷 镁精炼 ， 随着 氨流量 的 不 同 ， 钢 中氮 含量 降至 。 一 它 相 当于 的 脱氮 率 。 脱氮率技 下 式计 算 一 。 一