李璟宇等：202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 ·1571 (a100 1-2um 6% 3% 8% 5% 2~3 um 11% 13% 34μm 80- 18% 24% 4~8μm >8m 60- 57% 56% 40% 33% 40 20 28% 34% 38% 26% 0- 12 23 34 3# 48 试样 夹杂物尺寸/m 因6试样中不同尺寸夹杂物数量分布 (b)100 096 15% ALO 0/% Fig.6 Size distribution of inclusions in all samples 21% 80 30% 为30%，而1~2um夹杂物中Ca0质量分数仅为 11%.同时大尺寸夹杂物中SO2质量比例也高于 60 61% 54% 43% 32% 小尺寸夹杂物中SiO2含量.在1#和2#试样中， 40 MnO的质量分数随夹杂物尺寸的增大而减小；在 2#试样中，1~2um夹杂物中MnO质量占比最高， 31% 33% 37% 26% 达到61%，而在4~8um尺寸夹杂物中所占比例 为32%.在1#与2#试样中，不同尺寸范围内夹杂 1-2 2-3 34 4 X 夹杂物尺寸/m 物的氧化铝质量分数都较低，大都在10%以下，随 (c)100 着夹杂物尺寸的增加A1O3含量未发生明显变化， 12% IALO 09%- 20% 19% 但在3#试样中，氧化铝含量随夹杂物尺寸增大而 80 2% 7以 增加.此外，3#试样的MO含量则随着夹杂物尺 寸减小而增大.相较1#和2#试样，3#试样中Mn0 60- 的质量分数明显增加，3#连铸坯试样中1~2m 83% 79% 68% 40 64% 尺寸夹杂物的Mn0比例高达83%，而在1#和2#试 样中仅为57%和61%，3#试样中较大尺寸夹杂物 20 (4~8um)的Mn0比例也达到64%，而1#和2#试 8% 8% 11% 10% 样中仅占比33%和32%.同时，3#连铸坯试样中夹 Q 1-2 23 3-4 4-8 杂物的CaO和SiO2所占比例明显减少 夹杂物尺寸/m 2.2夹杂物形成机理 图7不同尺寸夹杂物中各氧化物质量比例.(a)试样1：(b)试样2： 硅锰脱氧后，钢中的夹杂物主要为Ca-Si-Mn-O (c)试样3 类夹杂物，为此，使用FactSageTM7.2计算了1600℃ Fig.7 Mass ratio of main compositions in inclusions of different sizes (a)sample 1;(b)sample 2;(c)sample 3 时202不锈钢的Si-Mn-0平衡相图，如图8所示 图中硅质量分数和锰质量分数计算范围分别为 物也大都为球型液态夹杂物.在LF精炼过程中， 0.1%~2%和0.1%~10%.相图主要分为四个区 域：液态氧化物区（主要组成为MnO-SiO2)、SiO2 部分夹杂物中含有少量铝，这与加入合金元素和 区、MnO区和钢液部分.可以发现当硅质量分数 脱氧剂带入残余铝元素有关，钢中残余铝含量对 高于1%、锰质量分数低于1%时，钢中易形成氧 夹杂物的影响也至关重要例，本文进一步计算了不 化硅夹杂物；同样，当硅质量分数低于03%，锰质 同铝含量条件下，202不锈钢中Mn-Si-0平衡相 量分数高于7%时，钢中易形成氧化锰夹杂物.合 图，结果如图9所示.图中硅质量分数和锰质量分 理控制钢中Si和Mn含量，可以使得夹杂物为液 数计算范围分别为0.01%~2%和1%~10%.当铝 态氧化物.本次实验成分点也标记于图中，可以发 质量分数为1×10，相图主要分为三个区域：液态氧 现都位于液态氧化物区域，试样中观察到的夹杂 化物区（主要组成为MnO-Al2O3-SiO2)、MnO-Al2O3为 30%，而 1～2 μm 夹杂物中 CaO 质量分数仅为 11%. 同时大尺寸夹杂物中 SiO2 质量比例也高于 小尺寸夹杂物中 SiO2 含量. 在 1#和 2#试样中 ， MnO 的质量分数随夹杂物尺寸的增大而减小；在 2#试样中，1～2 μm 夹杂物中 MnO 质量占比最高， 达到 61%，而在 4～8 μm 尺寸夹杂物中所占比例 为 32%. 在 1#与 2#试样中，不同尺寸范围内夹杂 物的氧化铝质量分数都较低，大都在 10% 以下，随 着夹杂物尺寸的增加 Al2O3 含量未发生明显变化， 但在 3#试样中，氧化铝含量随夹杂物尺寸增大而 增加. 此外，3#试样的 MnO 含量则随着夹杂物尺 寸减小而增大. 相较 1#和 2#试样，3#试样中 MnO 的质量分数明显增加，3#连铸坯试样中 1～2 μm 尺寸夹杂物的 MnO 比例高达 83%，而在 1#和 2#试 样中仅为 57% 和 61%，3#试样中较大尺寸夹杂物 （4～8 μm）的 MnO 比例也达到 64%，而 1#和 2#试 样中仅占比 33% 和 32%. 同时，3#连铸坯试样中夹 杂物的 CaO 和 SiO2 所占比例明显减少. 2.2    夹杂物形成机理 硅锰脱氧后，钢中的夹杂物主要为 Ca−Si−Mn−O 类夹杂物，为此，使用 FactSageTM 7.2 计算了 1600 ℃ 时 202 不锈钢的 Si−Mn−O 平衡相图，如图 8 所示. 图中硅质量分数和锰质量分数计算范围分别为 0.1%～2% 和 0.1%～10%. 相图主要分为四个区 域：液态氧化物区（主要组成为 MnO−SiO2）、SiO2 区、MnO 区和钢液部分. 可以发现当硅质量分数 高于 1%、锰质量分数低于 1% 时，钢中易形成氧 化硅夹杂物；同样，当硅质量分数低于 0.3%，锰质 量分数高于 7% 时，钢中易形成氧化锰夹杂物. 合 理控制钢中 Si 和 Mn 含量，可以使得夹杂物为液 态氧化物. 本次实验成分点也标记于图中，可以发 现都位于液态氧化物区域，试样中观察到的夹杂 物也大都为球型液态夹杂物. 在 LF 精炼过程中， 部分夹杂物中含有少量铝，这与加入合金元素和 脱氧剂带入残余铝元素有关，钢中残余铝含量对 夹杂物的影响也至关重要[9] ，本文进一步计算了不 同铝含量条件下，202 不锈钢中 Mn−Si−O 平衡相 图，结果如图 9 所示. 图中硅质量分数和锰质量分 数计算范围分别为 0.01%～2% 和 1%～10%. 当铝 质量分数为 1×10−5，相图主要分为三个区域：液态氧 化物区（主要组成为 MnO−Al2O3−SiO2）、MnO−Al2O3 1～2 μm 2～3 μm 3～4 μm 4～8 μm >8 μm 4 3 2 1 0 1# 2# 试样 3# 夹杂物个数/mm−2 图 6    试样中不同尺寸夹杂物数量分布 Fig.6    Size distribution of inclusions in all samples 1～2 2～3 3～4 4～8 夹杂物尺寸/μm 100 (a) Al2O3 SiO2 CaO MnO 80 60 40 20 0 质量分数/% 26% 28% 34% 38% 57% 56% 40% 33% 11% 13% 18% 24% 6% 3% 8% 5% 1～2 2～3 3～4 4～8 夹杂物尺寸/μm 100 (b) Al2O3 SiO2 CaO MnO 80 60 40 20 0 质量分数/% 26% 31% 33% 37% 61% 54% 43% 32% 11% 15% 21% 30% 2% 0% 3% 1% 1～2 2～3 3～4 4～8 夹杂物尺寸/μm 100 (c) Al2O3 SiO2 CaO MnO 80 60 40 20 0 质量分数/% 8% 8% 11% 10% 83% 79% 68% 64% 1% 12% 20% 7% 7% 0% 2% 19% 图 7    不同尺寸夹杂物中各氧化物质量比例. (a) 试样 1；(b) 试样 2； (c) 试样 3 Fig.7    Mass ratio of main compositions in inclusions of different sizes: (a) sample 1; (b) sample 2; (c) sample 3 李璟宇等： 202 不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 · 1571 ·