工程科学学报 Chinese Journal of Engineering RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 潘明于会香季晨曦刘延强冀云卿 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel PAN Ming.YU Hui-xiang.JI Chen-xi.LIU Yan-qiang.JI Yun-qing 引用本文： 潘明，于会香，季晨曦，刘延强，冀云卿.RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响[U.工程科学学报，2020.42(7)：846-853. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.07.19.002 PAN Ming.YU Hui-xiang.JI Chen-xi,LIU Yan-qiang.JI Yun-qing.Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel[J].Chinese Journal of Engineering.2020,42(7):846-853.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 在线阅读View online::htps/ldoi.org10.13374/.issn2095-9389.2019.07.19.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of Total Oxygen on Non-metallic Inclusion of Gear Steel 工程科学学报.优先发表https:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.05.001 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020.42(2：194htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.22.004 超低碳钢精炼过程中Fe-A1-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报.2019,41(6：757 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AIN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,39(7)：1008 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.005 增氨析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报.2018,40(8：937 https:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.007
RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 潘明 于会香 季晨曦 刘延强 冀云卿 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel PAN Ming, YU Hui-xiang, JI Chen-xi, LIU Yan-qiang, JI Yun-qing 引用本文: 潘明, 于会香, 季晨曦, 刘延强, 冀云卿. RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(7): 846-853. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 PAN Ming, YU Hui-xiang, JI Chen-xi, LIU Yan-qiang, JI Yun-qing. Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(7): 846-853. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of Total Oxygen on Non-metallic Inclusion of Gear Steel 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 超低碳钢精炼过程中Fe-Al-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报. 2019, 41(6): 757 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005 增氮析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报. 2018, 40(8): 937 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.007
工程科学学报.第42卷.第7期：846-853.2020年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.7:846-853,July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002;http://cje.ustb.edu.cn RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 潘明)，于会香)区，季晨曦2)，刘延强》，冀云卿) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院.北京1000832)首钢技术研究院，北京1000433)首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢作业部. 唐山063200 ☒通信作者，E-mail:yuhuixiang@ustb.edu.cn 摘要无间隙原子钢(F钢)主要用于汽车、家电等行业，除需要极低的C、N含量外，对最终产品的表面质量也有严格要 求.钢中O含量和夹杂物对产品的表面质量影响很大.快速降低钢中C含量、同时保证钢的高洁净度是非常重要的.为此， 通过在Ruhrstahl Hereaeus(RH)精炼-连铸过程密集取样，采用ASPEX扫描电镜详细研究了RH吹氧强制脱碳工艺下吹氧量 对F钢洁净度的影响.结果表明，本实验条件下，吹氧量对精炼-连铸过程中夹杂物的类型和形貌没有影响.吹氧量对RH精 炼前期（加A!后4内）钢液洁净度影响较大，而对后期生产过程中钢液的洁净度影响不大：精炼前期，吹氧量高，钢液中总 氧(T.O)含量和夹杂物的量增加.簇群状夹杂物主要出现在RH破空之前.真空精炼结束后钢液中很难发现簇群状夹杂物 中间包钢液洁净度与RH吹氧量相关性不大，而与加A!脱氧前钢液中O含量相关性很大，加AI脱氧前钢液中O含量高，中 间包钢液洁净度差：为提高中间包钢液的洁净度，应尽量减少加A脱氧前钢液中的O含量.随着生产的进行，钢液中TO含 量、夹杂物的量呈下降趋势，洁净度逐渐提高. 关键词F钢：RH精炼：洁净度：非金属夹杂物：吹氧量：脱氧前氧含量 分类号TF769.9 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel PAN Ming.YU Hui-xiang.JI Chen-xi,LIU Yan-qiang.JI Yun-qing 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China 3)Steelmaking Department,Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan 063200,China Corresponding author,E-mail:yuhuixiang@ustb.edu.cn ABSTRACT Interstitial-free (IF)steel is widely used in the automobile industry,home appliance industry,etc.Not only very low content of carbon and nitrogen,but also high quality surface of the final product are required for this steel grade.The contents of oxygen and inclusions in the steel have a great influence on the surface quality of the final product.Therefore,it is very important to decrease the carbon content effectively and keep high steel cleanliness at the same time in industrial production.In present work,the effect of oxygen blowing on the cleanliness of IF steel under the forced decarburization by oxygen blowing in the Ruhrstahl Hereaeus(RH)refining process was studied through dense sampling during RH and continuous casting process,and inclusion analysis was carried out with automatic scanning electron microscopy (ASPEX).Oxygen blowing was found to have little effect on the inclusions'types and morphology throughout the process.The oxygen blowing rate had a great influence on the cleanliness of the molten steel in the early stage of RH refining (within 4 min after adding Al).An increase in the oxygen blowing rate led to an increase in the content of total oxygen(T.O)and the amount of inclusions in the steel,but it had little effect on the steel cleanliness in the subsequent process.Cluster inclusions were mainly found before the vacuum was broken,and finding them in steel after RH refining was difficult.The steel 收稿日期：2019-07-19 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFB0304000,2017YFB0304001)
RH 精炼过程中吹氧量对 IF 钢洁净度的影响 潘 明1)，于会香1) 苣，季晨曦2)，刘延强3)，冀云卿1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 首钢技术研究院，北京 100043 3) 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢作业部， 唐山 063200 苣通信作者，E-mail: yuhuixiang@ustb.edu.cn 摘 要 无间隙原子钢（IF 钢）主要用于汽车、家电等行业，除需要极低的 C、N 含量外，对最终产品的表面质量也有严格要 求. 钢中 O 含量和夹杂物对产品的表面质量影响很大. 快速降低钢中 C 含量、同时保证钢的高洁净度是非常重要的. 为此， 通过在 Ruhrstahl Hereaeus（RH）精炼−连铸过程密集取样，采用 ASPEX 扫描电镜详细研究了 RH 吹氧强制脱碳工艺下吹氧量 对 IF 钢洁净度的影响. 结果表明，本实验条件下，吹氧量对精炼−连铸过程中夹杂物的类型和形貌没有影响. 吹氧量对 RH 精 炼前期（加 Al 后 4 min 内）钢液洁净度影响较大，而对后期生产过程中钢液的洁净度影响不大；精炼前期，吹氧量高，钢液中总 氧（T.O）含量和夹杂物的量增加. 簇群状夹杂物主要出现在 RH 破空之前，真空精炼结束后钢液中很难发现簇群状夹杂物. 中间包钢液洁净度与 RH 吹氧量相关性不大，而与加 Al 脱氧前钢液中 O 含量相关性很大，加 Al 脱氧前钢液中 O 含量高，中 间包钢液洁净度差；为提高中间包钢液的洁净度，应尽量减少加 Al 脱氧前钢液中的 O 含量. 随着生产的进行，钢液中 T.O 含 量、夹杂物的量呈下降趋势，洁净度逐渐提高. 关键词 IF 钢；RH 精炼；洁净度；非金属夹杂物；吹氧量；脱氧前氧含量 分类号 TF769.9 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel PAN Ming1) ，YU Hui-xiang1) 苣 ，JI Chen-xi2) ，LIU Yan-qiang3) ，JI Yun-qing1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China 3) Steelmaking Department, Shougang Jingtang United Iron and Steel Co., Ltd., Tangshan 063200, China 苣 Corresponding author, E-mail: yuhuixiang@ustb.edu.cn ABSTRACT Interstitial-free (IF) steel is widely used in the automobile industry, home appliance industry, etc. Not only very low content of carbon and nitrogen, but also high quality surface of the final product are required for this steel grade. The contents of oxygen and inclusions in the steel have a great influence on the surface quality of the final product. Therefore, it is very important to decrease the carbon content effectively and keep high steel cleanliness at the same time in industrial production. In present work, the effect of oxygen blowing on the cleanliness of IF steel under the forced decarburization by oxygen blowing in the Ruhrstahl Hereaeus (RH) refining process was studied through dense sampling during RH and continuous casting process, and inclusion analysis was carried out with automatic scanning electron microscopy (ASPEX). Oxygen blowing was found to have little effect on the inclusions ’ types and morphology throughout the process. The oxygen blowing rate had a great influence on the cleanliness of the molten steel in the early stage of RH refining (within 4 min after adding Al). An increase in the oxygen blowing rate led to an increase in the content of total oxygen (T.O) and the amount of inclusions in the steel, but it had little effect on the steel cleanliness in the subsequent process. Cluster inclusions were mainly found before the vacuum was broken, and finding them in steel after RH refining was difficult. The steel 收稿日期: 2019−07−19 基金项目: 国家重点研发计划资助项目 (2017YFB0304000, 2017YFB0304001) 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期：846−853，2020 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 7: 846−853, July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002; http://cje.ustb.edu.cn
潘明等：RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 847. cleanliness in a tundish had little correlation with the oxygen blowing rate during RH treatment,but had a great correlation with the oxygen content in the molten steel before Al deoxidation.The higher the oxygen content before Al deoxidation,the worse the steel cleanliness in the tundish.To improve the cleanliness in the tundish,the oxygen content in molten steel before Al addition should be decreased as much as possible.The T.O and the inclusions amount in the steel showed a downward trend as the production proceeded, which indicates that the steel cleanliness was gradually improved. KEY WORDS IF steel:RH refining:cleanliness;nonmetallic inclusions;oxygen blowing rate;content of oxygen before deoxidation F钢主要用于汽车、家电等行业，要求具有优 氧进行强制脱碳.与传统RH精炼相比，RH顶吹 异的深冲性能，因此，该钢种要求极低的C、N含 氧工艺可提高脱碳速率；同时，CO的二次燃烧及 量，再加入一定量的Ti、Nb等元素，将钢中的C、 加A升温能对钢液进行温度补偿，从而降低转炉 N等间隙原子完全固定为碳氮化合物.该钢种除 出钢温度]国内外学者对H顶吹氧工艺开展 了对成分有严格要求外，对最终产品的表面质量 了一些研究，主要集中在脱碳机理和脱碳速率方 也有很高的要求. 面.根据脱碳机理，建立脱碳数学模型，描述RH F钢最终产品，即冷轧板表面缺陷主要有：条 的脱碳反应规律，预测熔池C含量变化，优化 状缺陷、翘皮、孔洞等，其中条状缺陷占比最大， RH设备和工艺操作，如：改进浸渍管内径、增大 造成该缺陷的主要成因是钢中的非金属夹杂物山 吹Ar流量网，降低真空室压力2心-2等，提高脱碳 为此，学者们对F钢的洁净度进行了较多的研究， 速率.关于RH顶吹氧工艺对F钢洁净度的影响 主要包括精炼过程中夹杂物的行为、RH精炼过程 很少报道， 的工艺控制及非稳态浇注下的铸坯质量研究 综上，F钢除需要极低的C、N含量外，对最 RH精炼过程中，IF钢中夹杂物主要为A12O3类和 终产品的表面质量也有非常严格的要求.钢中 Al-Ti-O复合类.Matsuura等I、Basu等B认为 O含量对钢的洁净度以及最终产品的表面质量影 Al-Ti-O类夹杂是由于局部Ti浓度较高而产生 响很大，因此，RH吹氧量对钢液洁净度的影响和 的，此类夹杂物与钢液的润湿性较好，容易造成后 控制非常重要.本文对实际生产中RH不同吹氧 续连铸过程的水口堵塞.RH精炼过程中对工艺控 量情况下精炼到连铸过程钢液的洁净度进行研 制的研究主要包括T合金化、炉渣氧化性、纯循 究，以期为RH吹氧强制脱碳工艺生产F钢提供 环时间、镇静时间等对钢液洁净度的影响.研究 一定的指导 认为，Al、Ti合金的加入需要间隔一定时间以保 1 实验方法 证Al2O3能充分上浮：降低RH进站炉渣的氧化 性有利于钢液洁净度的提高5-：适当延长纯循环 试验钢种为IF钢(SDC04),工艺流程为：铁水 及镇静时间有利于钢液洁净度的提高6-刀非稳态 预脱硫一→顶底复吹转炉→RH真空精炼→板坯连 浇铸包括头坯、尾坯、交接坯等，与正常铸坯相 铸，转炉公称容量为300t.采用实验专用取样器 比，非稳态浇注情况下铸坯洁净度变差⑧-夹杂 在H真空精炼和连铸过程不同时刻对钢水密集 物在铸坯表皮下一定距离内有聚集趋势，并据此 取样，以加A1时刻为计时起点，破空在加T后 确定表面清理的最佳深度等-12， 6~8min,镇静时间为10~15min,同时对炉次对 随着冶金技术的进步，IF钢的C、N含量控制 应的铸坯取样.实验共开展6个炉次，取样明细如 已不是限制性问题，关键是如何快速降低钢中 图1所示，取样器试样和铸坯样加工如图2所示. C含量、同时保证钢的高洁净度，即高效、低成本 切取的钢样经研磨、抛光后制成标准的金相 地生产高品质F钢.为此，很多企业采用RH顶吹 试样，采用ASPEX扫描电镜对非金属夹杂物进行 Vacuum Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min broken Holding Tundish Casting Sampling Sampling Sampling Sampling Sampling Sampling Slab sample 图1取样明细 Fig.1 Sampling during process
cleanliness in a tundish had little correlation with the oxygen blowing rate during RH treatment, but had a great correlation with the oxygen content in the molten steel before Al deoxidation. The higher the oxygen content before Al deoxidation, the worse the steel cleanliness in the tundish. To improve the cleanliness in the tundish, the oxygen content in molten steel before Al addition should be decreased as much as possible. The T.O and the inclusions amount in the steel showed a downward trend as the production proceeded, which indicates that the steel cleanliness was gradually improved. KEY WORDS IF steel；RH refining；cleanliness；nonmetallic inclusions；oxygen blowing rate；content of oxygen before deoxidation IF 钢主要用于汽车、家电等行业，要求具有优 异的深冲性能，因此，该钢种要求极低的 C、N 含 量，再加入一定量的 Ti、Nb 等元素，将钢中的 C、 N 等间隙原子完全固定为碳氮化合物. 该钢种除 了对成分有严格要求外，对最终产品的表面质量 也有很高的要求. IF 钢最终产品，即冷轧板表面缺陷主要有：条 状缺陷、翘皮、孔洞等，其中条状缺陷占比最大， 造成该缺陷的主要成因是钢中的非金属夹杂物[1] . 为此，学者们对 IF 钢的洁净度进行了较多的研究， 主要包括精炼过程中夹杂物的行为、RH 精炼过程 的工艺控制及非稳态浇注下的铸坯质量研究. RH 精炼过程中，IF 钢中夹杂物主要为 Al2O3 类和 Al ‒Ti ‒ O 复合类 . Matsuura 等 [2]、 Basu 等 [3] 认 为 Al‒Ti‒O 类夹杂是由于局部 Ti 浓度较高而产生 的，此类夹杂物与钢液的润湿性较好，容易造成后 续连铸过程的水口堵塞. RH 精炼过程中对工艺控 制的研究主要包括 Ti 合金化、炉渣氧化性、纯循 环时间、镇静时间等对钢液洁净度的影响. 研究 认为，Al、Ti 合金的加入需要间隔一定时间以保 证 Al2O3 能充分上浮[4] ；降低 RH 进站炉渣的氧化 性有利于钢液洁净度的提高[5−6] ；适当延长纯循环 及镇静时间有利于钢液洁净度的提高[6−7] . 非稳态 浇铸包括头坯、尾坯、交接坯等，与正常铸坯相 比，非稳态浇注情况下铸坯洁净度变差[8−11] ；夹杂 物在铸坯表皮下一定距离内有聚集趋势，并据此 确定表面清理的最佳深度等[11−12] . 随着冶金技术的进步，IF 钢的 C、N 含量控制 已不是限制性问题 ，关键是如何快速降低钢中 C 含量、同时保证钢的高洁净度，即高效、低成本 地生产高品质 IF 钢. 为此，很多企业采用 RH 顶吹 氧进行强制脱碳. 与传统 RH 精炼相比，RH 顶吹 氧工艺可提高脱碳速率；同时，CO 的二次燃烧及 加 Al 升温能对钢液进行温度补偿，从而降低转炉 出钢温度[13] . 国内外学者对 RH 顶吹氧工艺开展 了一些研究，主要集中在脱碳机理和脱碳速率方 面. 根据脱碳机理，建立脱碳数学模型，描述 RH 的脱碳反应规律，预测熔池 C 含量变化[14−18] ；优化 RH 设备和工艺操作，如：改进浸渍管内径[16]、增大 吹 Ar 流量[19] ，降低真空室压力[20−21] 等，提高脱碳 速率. 关于 RH 顶吹氧工艺对 IF 钢洁净度的影响 很少报道. 综上，IF 钢除需要极低的 C、N 含量外，对最 终产品的表面质量也有非常严格的要求. 钢中 O 含量对钢的洁净度以及最终产品的表面质量影 响很大，因此，RH 吹氧量对钢液洁净度的影响和 控制非常重要. 本文对实际生产中 RH 不同吹氧 量情况下精炼到连铸过程钢液的洁净度进行研 究，以期为 RH 吹氧强制脱碳工艺生产 IF 钢提供 一定的指导. 1 实验方法 试验钢种为 IF 钢（SDC04），工艺流程为：铁水 预脱硫→顶底复吹转炉→RH 真空精炼→板坯连 铸，转炉公称容量为 300 t. 采用实验专用取样器 在 RH 真空精炼和连铸过程不同时刻对钢水密集 取样 ，以加 Al 时刻为计时起点 ，破空在加 Ti 后 6～8 min，镇静时间为 10～15 min，同时对炉次对 应的铸坯取样. 实验共开展 6 个炉次，取样明细如 图 1 所示，取样器试样和铸坯样加工如图 2 所示. 切取的钢样经研磨、抛光后制成标准的金相 试样，采用 ASPEX 扫描电镜对非金属夹杂物进行 Add Al 2 min Add Al Add Ti Add Al 4 min Add Al 6 min Holding Vacuum broken Tundish Casting Sampling Sampling Sampling Sampling Sampling Sampling Slab sample 图 1 取样明细 Fig.1 Sampling during process 潘 明等： RH 精炼过程中吹氧量对 IF 钢洁净度的影响 · 847 ·
848 工程科学学报，第42卷，第7期 Analyses of T.O and N Inner arc side 表1RH吹氧情况 =5 mm Table 1 Oxygen blowing during RH treatment Heat Oxygen Decarburization/ Oxygen content before number blowing/m' % deoxidation/% =30mm 1 35 0.0185 0.0365 5mm 2 215 0.0302 0.0362 =30mm 10mm 220 0.0262 0.0350 Analyses of inclusions (a) (b) 235 0.0252 0.0310 图2试样加工图.(a)取样器试样：(b)铸坯试样 5 295 0.0418 0.0291 Fig.2 Schematic of sample machining:(a)sample by sampler;(b) 6 160 0.0341 0.0388 sample from slab 钛铁合金(FeTi70)进行合金化.从ASPEX扫描电 分析，每个试样的分析面积为100mm2左右，检测 镜对夹杂物统计分析的结果看，不同吹氧量情况 的夹杂物最小尺寸设为5um:采用红外吸收法和 下钢中夹杂物的类型和典型形貌特征基本一致 热导法对钢中的T.O含量和N含量进行分析. 夹杂物主要有两类，Al2O3类和A1-Ti-0复合类， 2结果与讨论 图3和图4所示为两类夹杂物的典型形貌. A12O3类夹杂物形貌多样，可分为两类：(1)簇 2.1不同RH吹氧量下钢中夹杂物的特征 群类，尺寸从几十微米到上百微米，主要有针条形 表I为实际生产过程中RH吹氧量情况，其 Al2O3组成的树枝类簇群，颜色较浅，如图3(a)所 中，吹氧量包括脱碳吹氧和升温吹氧.选取高、 示；有类球形A12O3组成的珊瑚状簇群，颜色较深， 中、低三种吹氧量的炉次，对钢中夹杂物的特征进 如图3(b)所示.(2)单体类，尺寸大都在5~10um 行分析描述，三个炉次分别为第5炉次（吹氧量 左右，形状有棒状、球形和块状等，分别如图3(c)、 295m3),第6炉次（吹氧量160m3)和第1炉次（吹 3(d)和3(e)所示. 氧量35m3) A1-Ti-0复合夹杂物形貌相对简单，主要为单 生产过程中采用A1脱氧，间隔一段时间后加 体类，呈类球状或不规则状，尺寸一般在10m以 (a) 12 um (b) 24m 12μm (d) 12m (e) 12m 图3Al2O3夹杂物典型形貌.(a)树枝类簇群：(b)珊瑚状簇群：(c)棒状：(d)球形：(e)块状 Fig.3 Morphology of typical Al2O:inclusions:(a)dendritic cluster;(b)coral cluster,(c)bar-like;(d)spherical;(e)bulk (a 12μum A 0 Ti (b) 12μm 图4A-Ti-O复合夹杂物典型形貌及面扫.(a)类球状：(b)不规则状 Fig.4 Morphology of typical Al-Ti-O complex inclusions and surface scanning:(a)spherical;(b)irregular shape
分析，每个试样的分析面积为 100 mm2 左右，检测 的夹杂物最小尺寸设为 5 μm；采用红外吸收法和 热导法对钢中的 T.O 含量和 N 含量进行分析. 2 结果与讨论 2.1 不同 RH 吹氧量下钢中夹杂物的特征 表 1 为实际生产过程中 RH 吹氧量情况，其 中，吹氧量包括脱碳吹氧和升温吹氧. 选取高、 中、低三种吹氧量的炉次，对钢中夹杂物的特征进 行分析描述，三个炉次分别为第 5 炉次（吹氧量 295 m3 ），第 6 炉次（吹氧量 160 m3 ）和第 1 炉次（吹 氧量 35 m3 ）. 生产过程中采用 Al 脱氧，间隔一段时间后加 钛铁合金（FeTi70）进行合金化. 从 ASPEX 扫描电 镜对夹杂物统计分析的结果看，不同吹氧量情况 下钢中夹杂物的类型和典型形貌特征基本一致. 夹杂物主要有两类，Al2O3 类和 Al‒Ti‒O 复合类， 图 3 和图 4 所示为两类夹杂物的典型形貌. Al2O3 类夹杂物形貌多样，可分为两类：（1）簇 群类，尺寸从几十微米到上百微米，主要有针条形 Al2O3 组成的树枝类簇群，颜色较浅，如图 3（a）所 示；有类球形 Al2O3 组成的珊瑚状簇群，颜色较深， 如图 3（b）所示. （2）单体类，尺寸大都在 5～10 μm 左右，形状有棒状、球形和块状等，分别如图 3（c）、 3（d）和 3（e）所示. Al‒Ti‒O 复合夹杂物形貌相对简单，主要为单 体类，呈类球状或不规则状，尺寸一般在 10 μm 以 表 1 RH 吹氧情况 Table 1 Oxygen blowing during RH treatment Heat number Oxygen blowing/m3 Decarburization/ % Oxygen content before deoxidation/% 1 35 0.0185 0.0365 2 215 0.0302 0.0362 3 220 0.0262 0.0350 4 235 0.0252 0.0310 5 295 0.0418 0.0291 6 160 0.0341 0.0388 Analyses of T.O and N Inner arc side 5mm Φ=30 mm Φ=5 mm Φ=30 mm (a) (b) 10 mm 10 mm 20 mm Analyses of inclusions 图 2 试样加工图. （a）取样器试样；（b）铸坯试样 Fig.2 Schematic of sample machining: (a) sample by sampler; (b) sample from slab (a) (b) 12 μm 24 μm (c) (d) 12 μm 12 μm (e) 12 μm 图 3 Al2O3 夹杂物典型形貌. （a）树枝类簇群；（b）珊瑚状簇群；（c）棒状；（d）球形；（e）块状 Fig.3 Morphology of typical Al2O3 inclusions: (a) dendritic cluster; (b) coral cluster; (c) bar-like; (d) spherical; (e) bulk (a) (b) 12 μm Al O Ti Al O Ti 12 μm 图 4 Al‒Ti‒O 复合夹杂物典型形貌及面扫. （a）类球状；（b）不规则状 Fig.4 Morphology of typical Al‒Ti‒O complex inclusions and surface scanning: (a) spherical; (b) irregular shape · 848 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期
潘明等：RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 849· 下，类球状A1-Ti-O夹杂物一般含Ti量较高，颜色 标：T.0质量分数小于0.0030%时，可直接交货； 较浅，如图4(a)所示；不规则状的Al-Ti-0夹杂物 T.O质量分数大于0.0055%时，直接降级：居两者 常常伴随有颜色较浅的灰色区域和颜色较深的黑 之间待检查后方可交货.本研究中，对ASPEX扫 色区域，面扫描发现灰色区域含T量很高，黑色区 描电镜检测到的钢中夹杂物进行整理统计，采用 域含A1量很高，如图4(b)所示.Do0等2四1也对 T.O含量，N含量，夹杂物数量密度和夹杂物面积 A1脱氧后Ti合金化形成的Al-Ti-O复合夹杂物 比来评判钢水的洁净度.其中，夹杂物数量密度定 进行过研究，发现夹杂物呈粗糙的球形，且包含黑 义为单位检测面积上夹杂物的数量，夹杂物面积 色、灰色和亮色三种不同颜色区域，通过EDS扫 比定义为单位检测面积上夹杂物的面积，分别如 描发现其成分分别是Al、Al-Ti复合及Fe,这与本 式(1)和式(2)所示 文观察到的结果是一致的 Nin A= (1) 图5显示了吹氧量分别为35、160和295m3 Sse 情况下钢中夹杂物的尺寸分布.可以发现，无论吹 B=Sin (2) 氧量多少，整个生产过程中，夹杂物尺寸主要分布 Sse 在5~10um,大于50m的夹杂物数量很少：吹氧 式中，A为夹杂物的数量密度，mm2;B为夹杂物的 量增大，加Al2min时夹杂物的数量，尤其是大尺 面积比，106：Nm为检测出的夹杂物的数量；Sn为 寸夹杂物的数量增多，但是随后的生产过程中夹 所有检测出的夹杂物的总面积，m子，Sc为试样检 杂物的量与吹氧量关系并不大 测的总面积.mm2 2.2RH不同吹氧量下精炼-连铸过程中钢液洁净 图6和图7分别为钢液中T.O含量和N含量 度的变化 变化.随着生产的进行，钢中工.O含量大体上呈下 前人研究评价F钢洁净度一般采用T.O含量 降的趋势，铸坯中T.0含量最低，全部为0.0015% 和非金属夹杂物的数量.Hasunuma等2]提出用中 以下，达到了很高的洁净度，另外，值得注意的是， 间包钢水的T.O含量作为钢水洁净度的评价指 从中包到铸坯T.O含量下降十分明显，说明该实 30 3.0 2-r (a) Add Al 2 min ww/ (b) Add Al 4 min ☐Add Al2min Add Al 6 min Add Al 4 min 目Vacuum broken Add Al 6 min 2.0 IHolding 2.0 目/acuum broken Tundish IHolding 1.5 為 Slab 5 ☑Slab 1.0 0.5 0 5-10 10-1515-2020-50 >50 5-10 10-1515-2020-50 >50 Size of inclusions/um Size of inclusions/um 9.5 (c) uw/su 9.4 Add Al 2 min 9.3 Add Al6 92 broken 9.1 9.0 1 1.0 0.5 0 级口 5-10 10-1515-2020-50>50 Size of inclusions/μm 图5不同RH吹氧量下钢中夹杂物的尺寸分布.(a)35m:(b)160m3:(c)295m3 Fig.5 Size distribution of inclusions in different oxygen blowing in RH:(a)35 m;(b)160 m3;(c)295 m
下，类球状 Al‒Ti‒O 夹杂物一般含 Ti 量较高，颜色 较浅，如图 4（a）所示；不规则状的 Al‒Ti‒O 夹杂物 常常伴随有颜色较浅的灰色区域和颜色较深的黑 色区域，面扫描发现灰色区域含 Ti 量很高，黑色区 域含 Al 量很高，如图 4（ b）所示. Doo 等[22] 也对 Al 脱氧后 Ti 合金化形成的 Al‒Ti‒O 复合夹杂物 进行过研究，发现夹杂物呈粗糙的球形，且包含黑 色、灰色和亮色三种不同颜色区域，通过 EDS 扫 描发现其成分分别是 Al、Al‒Ti 复合及 Fe，这与本 文观察到的结果是一致的. 图 5 显示了吹氧量分别为 35、160 和 295 m3 情况下钢中夹杂物的尺寸分布. 可以发现，无论吹 氧量多少，整个生产过程中，夹杂物尺寸主要分布 在 5～10 μm，大于 50 μm 的夹杂物数量很少；吹氧 量增大，加 Al 2 min 时夹杂物的数量，尤其是大尺 寸夹杂物的数量增多，但是随后的生产过程中夹 杂物的量与吹氧量关系并不大. 2.2 RH 不同吹氧量下精炼−连铸过程中钢液洁净 度的变化 前人研究评价 IF 钢洁净度一般采用 T.O 含量 和非金属夹杂物的数量. Hasunuma 等[23] 提出用中 间包钢水的 T.O 含量作为钢水洁净度的评价指 标 ：T.O 质量分数小于 0.0030% 时，可直接交货； T.O 质量分数大于 0.0055% 时，直接降级；居两者 之间待检查后方可交货. 本研究中，对 ASPEX 扫 描电镜检测到的钢中夹杂物进行整理统计，采用 T.O 含量，N 含量，夹杂物数量密度和夹杂物面积 比来评判钢水的洁净度. 其中，夹杂物数量密度定 义为单位检测面积上夹杂物的数量，夹杂物面积 比定义为单位检测面积上夹杂物的面积，分别如 式（1）和式（2）所示. A = Nin Ssc （1） B = Sin Ssc （2） 式中，A 为夹杂物的数量密度，mm−2 ；B 为夹杂物的 面积比，10−6 ；Nin 为检测出的夹杂物的数量；Sin 为 所有检测出的夹杂物的总面积，μm2 ，Ssc 为试样检 测的总面积，mm2 . 图 6 和图 7 分别为钢液中 T.O 含量和 N 含量 变化. 随着生产的进行，钢中 T.O 含量大体上呈下 降的趋势，铸坯中 T.O 含量最低，全部为 0.0015% 以下，达到了很高的洁净度，另外，值得注意的是， 从中包到铸坯 T.O 含量下降十分明显，说明该实 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 5−10 10−15 15−20 Size of inclusions/μm Number density of inclusions/mm−2 20−50 >50 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab (a) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 5−10 10−15 15−20 Size of inclusions/μm Number density of inclusions/mm−2 20−50 >50 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Slab (b) 9.5 0 5−10 10−15 15−20 Size of inclusions/μm Number density of inclusions/mm−2 20−50 >50 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab (c) 9.4 9.3 9.2 9.1 9.0 1.5 1.0 0.5 图 5 不同 RH 吹氧量下钢中夹杂物的尺寸分布. （a）35 m3 ；（b）160 m3 ；（c）295 m3 Fig.5 Size distribution of inclusions in different oxygen blowing in RH: (a) 35 m3 ; (b) 160 m3 ; (c) 295 m3 潘 明等： RH 精炼过程中吹氧量对 IF 钢洁净度的影响 · 849 ·
850 工程科学学报，第42卷，第7期 验条件下中包对夹杂物的去除十分有利；整个过 15 ■Oxygen blowing:35m3 程中N含量相对比较稳定，在0.0020%~0.0030% Oxygen blowing:160 m3 ▲Oxygen blowing:295m 之间，第1炉中包浇铸N含量较高，说明该炉次未 做好保护浇铸 0.008 ■Oxygen blowing35m3 Oxygen blowing:160m2 A Oxygen blowing:295 m ◆ 0.006 0 50.004 Add Al 2 min Vacuum broken Add Al 6 min Add Al 4 min Holding 0.002 Sampling time 图8不同RH吹氧量下夹杂物数量密度变化 0 Holding Tundish slab Fig.8 Change in the density of inclusions in different oxygen blowing Add Al 6 min Add Al 4 min Add Al 2 min Vacuum broken in RH 250 Sampling time ■Oxygen blowing35m3 色200 ●Oxygen blowing160m 图6不同RH吹氧量下T.O含量变化 Oxygen blowing:295 m Fig.6 Change in the content of T.O in different oxygen blowing in RH 0.0040 ■Oxygen blowing35m3 台100 ●Oxygen blowing.160m3 0.0035 ▲Oxygen blowing295m3 50 盖nwnl ◆ 0 Holdine吗 Tundish slab ◆ ◆ Add Al 2 min Vacuum broken Add Al 6 min Add Al 4 min 0.0020 Sampling time 图9不同RH吹氧量下夹杂物面积比变化 Add Al 6 min Add Al 4 min Add Al 2 min Vacuum broken ldi Tundish Fig.Change in the area ratio of inclusions in different oxygen blowing in RH Sampling time 2.3RH吹氧量对夹杂物去除的影响 图7不同RH吹氧量下N含量变化 如前所述，加T前钢液中夹杂物主要是 Fig.7 Change in the content of N in different oxygen blowing in RH A12O3,Al2O3夹杂物在钢液流动的作用下，相互碰 图8和图9分别为生产过程中钢中夹杂物数 撞和长大形成大尺寸A12O3夹杂物，从而更容易上 量密度和面积比的变化，随着生产的进行，夹杂物 浮去除4不考虑夹杂物颗粒间的相互作用和流 数量密度和面积比呈下降的趋势，说明钢液的洁 场对夹杂物运动的影响，根据雷诺数R的不同， 净度在提高.并且，夹杂物数量密度和面积比的变 颗粒球形夹杂物在钢液中的运动区域可分为 化趋势一致，并与钢液中T.O含量变化趋势吻合的 3种，分别为斯托克斯定律区(Stokes)、过渡区 很好，因此评判F钢洁净度的方法可综合使用TO (Allen)和牛顿定律区等(Newton)2: 含量、夹杂物数量密度和夹杂物面积比等指标 雷诺数公式： 通过T.O含量、夹杂物数量密度、夹杂物面积 比分析，整体上看中间包钢液和铸坯的洁净度与 站 (3) RH吹氧量相关性不大，吹氧量仅在加Al后4min 当Re<2,为层流，符合斯托克斯定律(Stokes), 内对钢液洁净度有影响，之后随生产的进行各炉 v=PFe-pi)g.d (4) 次洁净度差别不大 18μ
验条件下中包对夹杂物的去除十分有利；整个过 程中 N 含量相对比较稳定，在 0.0020%～0.0030% 之间，第 1 炉中包浇铸 N 含量较高，说明该炉次未 做好保护浇铸. 图 8 和图 9 分别为生产过程中钢中夹杂物数 量密度和面积比的变化，随着生产的进行，夹杂物 数量密度和面积比呈下降的趋势，说明钢液的洁 净度在提高. 并且，夹杂物数量密度和面积比的变 化趋势一致，并与钢液中 T.O 含量变化趋势吻合的 很好，因此评判 IF 钢洁净度的方法可综合使用 T.O 含量、夹杂物数量密度和夹杂物面积比等指标. 通过 T.O 含量、夹杂物数量密度、夹杂物面积 比分析，整体上看中间包钢液和铸坯的洁净度与 RH 吹氧量相关性不大，吹氧量仅在加 Al 后 4 min 内对钢液洁净度有影响，之后随生产的进行各炉 次洁净度差别不大. 2.3 RH 吹氧量对夹杂物去除的影响 如 前 所 述 ， 加 Ti 前 钢 液 中 夹 杂 物 主 要 是 Al2O3，Al2O3 夹杂物在钢液流动的作用下，相互碰 撞和长大形成大尺寸 Al2O3 夹杂物，从而更容易上 浮去除[24] . 不考虑夹杂物颗粒间的相互作用和流 场对夹杂物运动的影响，根据雷诺数 Re 的不同， 颗粒球形夹杂物在钢液中的运动区域可分 为 3 种 ，分别为斯托克斯定律区（ Stokes）、过渡区 （Allen）和牛顿定律区等（Newton） [25] ： 雷诺数公式： Re = v µ · ρFe · d （3） 当 Re<2，为层流，符合斯托克斯定律（Stokes）， v = (ρFe−ρi)g · d 2 18µ （4） 0.008 0.006 0.004 0.002 0 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab Sampling time Content of T.O/ % Oxygen blowing: 35 m3 Oxygen blowing: 160 m3 Oxygen blowing: 295 m3 图 6 不同 RH 吹氧量下 T.O 含量变化 Fig.6 Change in the content of T.O in different oxygen blowing in RH 0.0040 0.0035 0.0030 0.0020 0.0025 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab Sampling time Content of N/ % Oxygen blowing: 35 m3 Oxygen blowing: 160 m3 Oxygen blowing: 295 m3 图 7 不同 RH 吹氧量下 N 含量变化 Fig.7 Change in the content of N in different oxygen blowing in RH 15 10 5 0 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab Sampling time Number density of inclusions/mm−2 Oxygen blowing: 35 m3 Oxygen blowing: 160 m3 Oxygen blowing: 295 m3 图 8 不同 RH 吹氧量下夹杂物数量密度变化 Fig.8 Change in the density of inclusions in different oxygen blowing in RH 250 200 150 100 50 0 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab Sampling time Area ratio of inclusions/10−6 Oxygen blowing: 35 m3 Oxygen blowing: 160 m3 Oxygen blowing: 295 m3 图 9 不同 RH 吹氧量下夹杂物面积比变化 Fig.9 Change in the area ratio of inclusions in different oxygen blowing in RH · 850 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期
潘明等：RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 851· 当2500,为紊流区，符合牛顿定律(Newton), ■Oxygen blowing:35m3 3.03g·pFe-pi)-d 克 ◆Oxygen blowing:I60m V= (6) A Oxygen blowing:295 m3 μ'PFe 式中，v为夹杂物的平均速度，mspe和P分别 为钢液和夹杂物颗粒的密度，kgm;g为重力加 速度，ms2;4为钢水的动力黏度，Pas;d为夹杂物 40 的当量直径，m 20 在RH精炼过程中，夹杂物在钢液中的运动主 0 ◆ 要处于过渡区(Allen)范围.本研究中钢液深度 H大约为4.5m,钢液密度pme=7.0×103kgm, Add Al 4 min Add Al 2 min Vacuum broken Add Al 6 min Al203夹杂物密度p,=3.97×103kgm,钢水的动 Sampling time 力黏度=5×103Pas7,代入(5)式计算，结果如图10 图11不同RH吹氧量与簇群状夹杂物面积比关系 所示 Fig.11 Relation between different oxygen blowing in RH and area ratio of cluster inclusions Depth from steel surface:4.0 m ---Depth from steel surface:3.0 m 40 Depth from steel surface:2.0 m 2.4中间包洁净度的影响因素 -.-Depth from steel surface:1.0 m 从上文看，随着生产的进行，不同吹氧量下钢 30 液的洁净度均逐渐提高，铸坯的洁净度最高且各 220 炉次差别不大，为了进一步分析吹氧量对近终产 号10 品洁净度的影响，本小节研究了中间包钢液洁净 4 度与吹氧量及加A1脱氧前钢液中O含量的关系 0 50 100150200 250 图12为中间包夹杂物面积比与吹氧量的关 Size of Al,O,/um 系，图13为中间包夹杂物面积比与加A1脱氧前钢 图10钢包不同深度夹杂物上浮时间 液中O含量的关系.可以发现，中间包钢液洁净度 Fig.10 Removal time of inclusions in different depths of ladle 与吹氧量相关性不大，但与加A!脱氧前钢液中 可以发现，夹杂物尺寸越大，距离钢液面越 O含量有比较明显的相关性.即加A!脱氧前钢液 近，去除时间越短.但是，如2.1小节所述，该实验 中O含量越高，中间包内夹杂物面积比越高，钢液 条件下夹杂物尺寸主要分布在5~10um之间，不 洁净度就越差 可能在加A1后4min内上浮去除，而如图8和图9 所示，在加Al4min时夹杂物的数量显著降低，故 60 可以推断在加A1后4min内小尺寸Al2O3会不断 聚集形成大尺寸的簇群状A12O3夹杂物，进而从钢 50 中快速上浮去除 图11为吹氧量与簇群夹杂物面积比的关系， 吹氧量越大，在加Al2min时簇群夹杂物面积比越 ■ 大，这也证明了上述说法，在精炼前期（加A1后 4min内)夹杂物的数量会随吹氧量的增加而增 多，但会快速聚集形成大尺寸的簇群状Al2O3.另 0 50 100150200250300 Oxygen blowing/m' 外，随着生产的进行，簇群状夹杂物面积比呈下降 图12中包内夹杂物面积比与RH吹氧量关系 趋势，而且簇群状夹杂物主要出现在破空之前，真 Fig.12 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the 空精炼结束后钢中很难发现簇群状夹杂物，钢液 amount of oxygen blowing
当 2500，为紊流区，符合牛顿定律（Newton）， v = [ 3.03g ·(ρFe−ρi)· d µ · ρFe ] 1 2 （6） 式中，v 为夹杂物的平均速度，m·s−1 ；ρFe 和 ρi 分别 为钢液和夹杂物颗粒的密度，kg·m−3 ；g 为重力加 速度，m·s−2 ；μ 为钢水的动力黏度，Pa·s；d 为夹杂物 的当量直径，m. 在 RH 精炼过程中，夹杂物在钢液中的运动主 要处于过渡区（Allen）范围[4] . 本研究中钢液深度 H 大 约 为 4.5 m， 钢 液 密 度 ρFe=7.0×103 kg·m−3[26] ， Al2O3 夹杂物密度 ρi=3.97×103 kg·m−3[4] ，钢水的动 力黏度 μ=5×10−3 Pa·s[27] ，代入（5）式计算，结果如图 10 所示. 可以发现，夹杂物尺寸越大，距离钢液面越 近，去除时间越短. 但是，如 2.1 小节所述，该实验 条件下夹杂物尺寸主要分布在 5～10 μm 之间，不 可能在加 Al 后 4 min 内上浮去除，而如图 8 和图 9 所示，在加 Al 4 min 时夹杂物的数量显著降低，故 可以推断在加 Al 后 4 min 内小尺寸 Al2O3 会不断 聚集形成大尺寸的簇群状 Al2O3 夹杂物，进而从钢 中快速上浮去除. 图 11 为吹氧量与簇群夹杂物面积比的关系， 吹氧量越大，在加 Al 2 min 时簇群夹杂物面积比越 大，这也证明了上述说法，在精炼前期（加 Al 后 4 min 内）夹杂物的数量会随吹氧量的增加而增 多，但会快速聚集形成大尺寸的簇群状 Al2O3 . 另 外，随着生产的进行，簇群状夹杂物面积比呈下降 趋势，而且簇群状夹杂物主要出现在破空之前，真 空精炼结束后钢中很难发现簇群状夹杂物，钢液 达到了较高的洁净度，仅第 1 炉次（吹氧量 35 m3 ） 在中包时出现异常，是因为该炉次在中包发生了 二次氧化. 2.4 中间包洁净度的影响因素 从上文看，随着生产的进行，不同吹氧量下钢 液的洁净度均逐渐提高，铸坯的洁净度最高且各 炉次差别不大. 为了进一步分析吹氧量对近终产 品洁净度的影响，本小节研究了中间包钢液洁净 度与吹氧量及加 Al 脱氧前钢液中 O 含量的关系. 图 12 为中间包夹杂物面积比与吹氧量的关 系，图 13 为中间包夹杂物面积比与加 Al 脱氧前钢 液中 O 含量的关系. 可以发现，中间包钢液洁净度 与吹氧量相关性不大，但与加 Al 脱氧前钢液中 O 含量有比较明显的相关性. 即加 Al 脱氧前钢液 中 O 含量越高，中间包内夹杂物面积比越高，钢液 洁净度就越差. 50 40 30 20 10 4 0 Size of Al2O3/μm Removal time of inclusions/min Depth from steel surface: 4.0 m Depth from steel surface: 3.0 m Depth from steel surface: 2.0 m Depth from steel surface: 1.0 m 0 50 100 150 200 250 图 10 钢包不同深度夹杂物上浮时间 Fig.10 Removal time of inclusions in different depths of ladle 120 100 80 60 20 40 0 Add Al 2 min Add Al 4 min Add Al 6 min Vacuum broken Holding Tundish Slab Sampling time Area ratio of cliuster inclusions/10−6 Oxygen blowing: 35 m3 Oxygen blowing: 160 m3 Oxygen blowing: 295 m3 图 11 不同 RH 吹氧量与簇群状夹杂物面积比关系 Fig.11 Relation between different oxygen blowing in RH and area ratio of cluster inclusions 60 55 50 45 40 35 Oxygen blowing/m3 Area ratio of inclusions in the tundish/10−6 0 50 100 150 200 250 300 图 12 中包内夹杂物面积比与 RH 吹氧量关系 Fig.12 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the amount of oxygen blowing 潘 明等： RH 精炼过程中吹氧量对 IF 钢洁净度的影响 · 851 ·
852 工程科学学报，第42卷，第7期 (3)中间包钢液洁净度与H吹氧量没有明显 的相关性，而与加A1脱氧前钢中O含量有一定的 相关性，加A1脱氧前钢中O含量越高，中间包钢 50 液洁净度越差 45 (4)随着生产的进行，钢中T.0含量、夹杂物 数量密度和面积比呈下降的趋势，说明钢液的洁 40 净度在提高，铸坯的洁净度达到最高水平；夹杂物 数量密度及面积比与钢中T.0含量有很好的对应 0.0290.0310.0330.0350.037 关系，可综合使用T.0含量、夹杂物数量密度和面 Oxygen content before Al deoxygenation/% 积比来评判F钢洁净度 图13中包内夹杂物面积比与加A1脱氧前钢液中氧含量关系 致谢 Fig.13 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the 本研究开展过程中得到了首钢集团邓小旋、 content of oxygen in molten steel before Al deoxygenation 潘宏伟、王雷川等技术人员的大力帮助，在此，作 假设夹杂物均为球形A12O3那么夹杂物形成 者们一并表达最衷心的感谢 量可由式(7)2叨来表述： 4 参考文献 WFe (7) [1]Wang X H.Non-metallic inclusion control technology for high 式中：r为夹杂物的半径，m;p:为夹杂物密度， quality cold rolled steel sheets.Iron Steel,013,48(9):1 kgm3;N:为夹杂物形成数量；Mo为氧的摩尔质 (王新华.高品质冷轧薄板钢中非金属夹杂物控制技术，钢铁， 量，gmo；M为夹杂物的摩尔质量，gmol;Co 2013.48(9):1) 为加A1脱氧前钢液中的溶解氧含量，I0;We为 [2] Matsuura H,Wang C,Wen G H,et al.The transient stages of 钢液总质量，kg inclusion evolution during Al and/or Ti additions to molten iron. ISJ1m,2007,47(9:1265 根据上式可知，当加A1脱氧前钢液中O含量 [3] Basu S,Choudhary S K,Girase N U.Nozzle clogging behaviour 越高，则生成夹杂物的数量就越多，即钢液洁净度 of Ti-bearing Al-killed ultra low carbon steel./S//Int,2004, 就越差.实际生产中，IF钢在RH精炼过程中吹氧 44(10):1653 量往往取决于钢液中的C含量以及温度，当C含 [4]Wang M,Bao Y P,Yang Q.Effect of ferro-titanium alloying 量和温度均达到要求后，此时钢液中的O(即加 process on steel cleanness.J Univ Sci Technol Beijing,2013, A1脱氧前钢液中的O)含量才是影响钢液洁净度 35(6):725 最主要因素之一.在本试验条件下，为提高中间包 (王敏，包燕平，杨荃.钛合金化过程对钢液洁净度的影响.北京 钢液的洁净度，应尽量减少加A!脱氧前钢液中的 科技大学学报，2013,35(6)：725) 0含量 [5]Qin Y M,Wang X H.Li L P,et al.Effect of oxidizing slag on cleanliness of IF steel during ladle holding process.Steel Res Int, 3结论 2015,86(9:1037 [6]Cui H,Chen B,Wang M,et al.Cleanliness control of IF steel (1)该实验条件下吹氧量对F钢中的夹杂物 during the RH refining process.J Univ Sci Technol Beijing,2011, 类型及典型形貌没有影响，夹杂物类型主要有两 33(Suppl1)147 类，一类为A2O3夹杂物，呈簇群状和棒状、球形、 (崔衡，陈斌王敏，等.RH精炼过程中F钢洁净度控制.北京科 块状等单体状；另一类是A1-Ti-0复合夹杂物，主 技大学学报，2011,33（增刊1）：147) 要呈类球形或不规则形等单体状，绝大部分夹杂 [7]Wang M,Bao Y P,Cui H,et al.Effect of RH pure circulation on 物尺寸在5~10um之间 the cleanness of titanium stabilized interstitial-free (Ti-IF)steel./ (2)吹氧量对RH精炼前期（加Al后4min内） Univ Sci Technol Beijing,2011,33(12):1448 (王敏，包燕平，崔衡，等.RH纯循环对T-F钢洁净度的形响.北 影响较大，T.O含量、夹杂物数量密度及面积比随 京科技大学学报，2011,33(12)：1448) 吹氧量的增加而增大：随后的生产过程中，吹氧量 [8]Yuan F M,Wang X H,Li H,et al.Cleanliness of interstitial-free 对钢液的洁净度影响很小，簇群状夹杂物主要出 steel slabs produced in different casting stages.JUniv Sci Technol 现在破空之前，真空精炼结束后钢中很难发现簇 Beijing,2005,27(4):436 群状夹杂物 (袁方明，王新华，李宏，等.不同浇铸阶段F钢连铸板坯洁净度
假设夹杂物均为球形 Al2O3，那么夹杂物形成 量可由式（7） [27] 来表述： 4 3 πr 3 ρiNi ( 3MO Mi ) = ( CO 106 ) WFe （7） 式中 ： r 为夹杂物的半径 ， m； ρi 为夹杂物密度 ， kg·m−3 ；Ni 为夹杂物形成数量；MO 为氧的摩尔质 量 ， g·mol−1 ；Mi 为夹杂物的摩尔质量， g·mol−1 ；CO 为加 Al 脱氧前钢液中的溶解氧含量，10−6 ；WFe 为 钢液总质量，kg. 根据上式可知，当加 Al 脱氧前钢液中 O 含量 越高，则生成夹杂物的数量就越多，即钢液洁净度 就越差. 实际生产中，IF 钢在 RH 精炼过程中吹氧 量往往取决于钢液中的 C 含量以及温度，当 C 含 量和温度均达到要求后，此时钢液中的 O（即加 Al 脱氧前钢液中的 O）含量才是影响钢液洁净度 最主要因素之一. 在本试验条件下，为提高中间包 钢液的洁净度，应尽量减少加 Al 脱氧前钢液中的 O 含量. 3 结论 （1）该实验条件下吹氧量对 IF 钢中的夹杂物 类型及典型形貌没有影响，夹杂物类型主要有两 类，一类为 Al2O3 夹杂物，呈簇群状和棒状、球形、 块状等单体状；另一类是 Al‒Ti‒O 复合夹杂物，主 要呈类球形或不规则形等单体状，绝大部分夹杂 物尺寸在 5～10 μm 之间. （2）吹氧量对 RH 精炼前期（加 Al 后 4 min 内） 影响较大，T.O 含量、夹杂物数量密度及面积比随 吹氧量的增加而增大；随后的生产过程中，吹氧量 对钢液的洁净度影响很小. 簇群状夹杂物主要出 现在破空之前，真空精炼结束后钢中很难发现簇 群状夹杂物. （3）中间包钢液洁净度与 RH 吹氧量没有明显 的相关性，而与加 Al 脱氧前钢中 O 含量有一定的 相关性，加 Al 脱氧前钢中 O 含量越高，中间包钢 液洁净度越差. （4）随着生产的进行，钢中 T.O 含量、夹杂物 数量密度和面积比呈下降的趋势，说明钢液的洁 净度在提高，铸坯的洁净度达到最高水平；夹杂物 数量密度及面积比与钢中 T.O 含量有很好的对应 关系，可综合使用 T.O 含量、夹杂物数量密度和面 积比来评判 IF 钢洁净度. 致谢 本研究开展过程中得到了首钢集团邓小旋、 潘宏伟、王雷川等技术人员的大力帮助，在此，作 者们一并表达最衷心的感谢. 参 考 文 献 Wang X H. Non-metallic inclusion control technology for high quality cold rolled steel sheets. Iron Steel, 2013, 48（9）: 1 （王新华. 高品质冷轧薄板钢中非金属夹杂物控制技术. 钢铁, 2013, 48（9）：1） [1] Matsuura H, Wang C, Wen G H, et al. The transient stages of inclusion evolution during Al and/or Ti additions to molten iron. ISIJ Int, 2007, 47（9）: 1265 [2] Basu S, Choudhary S K, Girase N U. Nozzle clogging behaviour of Ti-bearing Al-killed ultra low carbon steel. ISIJ Int, 2004, 44（10）: 1653 [3] Wang M, Bao Y P, Yang Q. Effect of ferro-titanium alloying process on steel cleanness. J Univ Sci Technol Beijing, 2013, 35（6）: 725 （王敏, 包燕平, 杨荃. 钛合金化过程对钢液洁净度的影响. 北京 科技大学学报, 2013, 35（6）：725） [4] Qin Y M, Wang X H, Li L P, et al. Effect of oxidizing slag on cleanliness of IF steel during ladle holding process. Steel Res Int, 2015, 86（9）: 1037 [5] Cui H, Chen B, Wang M, et al. Cleanliness control of IF steel during the RH refining process. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(Suppl1): 147 （崔衡, 陈斌, 王敏, 等. RH精炼过程中IF钢洁净度控制. 北京科 技大学学报, 2011, 33(增刊1): 147） [6] Wang M, Bao Y P, Cui H, et al. Effect of RH pure circulation on the cleanness of titanium stabilized interstitial-free (Ti-IF) steel. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33（12）: 1448 （王敏, 包燕平, 崔衡, 等. RH纯循环对Ti-IF钢洁净度的影响. 北 京科技大学学报, 2011, 33（12）：1448） [7] Yuan F M, Wang X H, Li H, et al. Cleanliness of interstitial-free steel slabs produced in different casting stages. J Univ Sci Technol Beijing, 2005, 27（4）: 436 （袁方明, 王新华, 李宏, 等. 不同浇铸阶段IF钢连铸板坯洁净度. [8] 60 55 50 45 40 35 Oxygen content before Al deoxygenation/% Area ratio of inclusions in the tundish/10−6 0.029 0.031 0.033 0.035 0.037 图 13 中包内夹杂物面积比与加 Al 脱氧前钢液中氧含量关系 Fig.13 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the content of oxygen in molten steel before Al deoxygenation · 852 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期
潘明等：RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 853 北京科技大学学报，2005,27(4)：436) carbon steel.J Univ Sci Technol Beijing,2011,33(3):276 [9]Cui H,Yue F,Bao Y P,et al.Study on cleanliness of IF steel first (李崇巍，成国光，王新华，等.RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及 slab.Iron Steel,2010,45(3):38 控制工艺.北京科技大学学报，2011,33(3)：276) (崔衡，岳蜂，包燕平，等.F钢连铸头坯洁净度研究.钢铁，2010， [18]Park Y G,Yi K W.A new numerical model for predicting carbon 45(3):38) concentration during RH degassing treatment./S//Int,2003, [10]Deng X X.Wang X H,LiLP,et al.Effect of ladle change process 43(9):1403 on the surface cleanliness of IF steel continuous casting slabs. [19]Inoue S,Furuno Y,Usui T,et al.Acceleration of decarburization Univ Sci Technol Beijing,2014,36(7):880 in RH vacuum degassing process./SI//nt,1992,32(1):120 (邓小旋，王新华，李林平，等.交换钢包过程对F钢连铸板坯表 [20]Harashima K,Mizoguchi S,Matsuo M,et al.Rates of nitrogen and 层洁净度的影响.北京科技大学学报，2014,36(7)：880) carbon removal from liquid iron in low content region under [11]Zhang Q Y,Wang L T.Wang X H.Influence of casting speed reduced pressures.ISI/m,992,32(1):111 variation during unsteady continuous casting on non-metallic [21]Liu B S,Zhu G S,Li H X,et al.Decarburization rate of RH inclusions in IF steel slabs./SI/Int,2006,46(10):1421 refining for ultra low carbon steel.Int J Miner Metall Mater,2010. [12]Kumar A,Choudhary S K.Ajmani S K.Distribution of 17(1):22 macroinclusions across slab thickness.IS/Int.2012.52(12): [22]Doo WC,Kim D Y,Kang S C,et al.The morphology of Al-Ti-O 2305 complex oxide inclusions formed in an ultra low-carbon steel melt [13]Liu L.Development of process and equipment of RH vacuum during the RH process.Met Mater Int,2007,13(3):249 refinery technology.Iron Steel,2006,41(8):1 [23]Hasunuma J,Kurose Y,Hiwasa S,et al.Production of ultra-low (刘浏.RH真空精炼工艺与装备技术的发展.钢铁，2006,41(8)： carbon steel by K-BOP process at Kawasaki Steel /Steelmaking 1) Conference Proceedings.Detroit,1990:91 [14]Han C J,Ai L Q,Liu B S,et al.Decarburization mechanism of [24]Wang M,Bao Y P,Cui H,et al.The composition and morphology RH-MFB refining process.J Univ Sci Technol Beijing,2006, evolution of oxide inclusions in Ti-bearing ultra low-carbon steel 13(3):218 melt refined in the RH process.ISI,010,50(11):1606 [15]Yamaguchi K,Kishimoto Y,Sakuraya T,et al.Effect of refining [25]Zhang X Z.Principles of Transport Phenomena in Metallurgy. conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in Beijing:Metallurgical Industry Press,1988 RH degasser.ISI/Int,1992,32(1):126 (张先棹.治金传输原理.北京：冶金工业出版社，1988) [16]Takahashi M,Matsumoto H,Saito T.Mechanism of [26]Zhong L C,Zeze M,Mukai K.Density of liquid IF steel decarburization in RH degasser./SI/Int,1995,35(12):1452 containing Ti.ISI/Int,2005,45(3):312 [17]Li C W,Cheng GG,Wang X H,et al.Internal decarburization [27]Wakoh M,Sano N.Behavior of alumina inclusions just after mechanism and control technology of RH treatment for ultra-low deoxidation.IS/J Int,2007,47(5):627
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