·1568 工程科学学报，第41卷，第12期 during solidification. KEY WORDS stainless steel;Si-Mn deoxidation;continuous casting;inclusion;thermodynamic calculation 202不锈钢为Cr-Mn节镍型奥氏体不锈钢，因 了202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理，并提 其价格低廉，广泛应用于日常生活、装饰等领域， 出了合理的控制方法 这些领域对产品的表面质量要求严格.通常光 1冶炼工艺与研究方法 滑、无缺陷、美观的表面是衡量不锈钢产品质量 的重要指标，但不锈钢中的夹杂物常会导致不锈 1.1冶炼工艺 钢产品表面缺陷-)因此，研究不锈钢中夹杂物 202不锈钢采用EAF一GOR一LF一CC冶炼 的形成机理，以合理控制冶炼过程中夹杂物的形 工艺：将不锈钢废料和合金等原料在电炉(EAF) 成，对提高不锈钢最终产品质量至关重要 中熔化，熔化的钢水在底吹转炉(GOR)中进行脱 202不锈钢通常使用硅锰合金作为脱氧剂.相 碳和初脱硫，还原期使用硅锰合金进行脱氧，之后 较于铝脱氧形成的高熔点氧化铝夹杂物，硅锰脱 在钢包精炼炉(LF)中进行温度调整和成分微调 氧初生夹杂物大都为液态冶炼过程中，液态夹 冶炼合格的钢水经钢包运至连铸平台进行连续浇 杂物大都容易聚集形成较大尺寸夹杂物，进而上 铸(CC),开浇温度为1490℃，使用单流直弧形不 浮至液态炉渣而被去除).在硅锰脱氧钢中，夹杂 锈钢板坯连铸机将钢水浇铸成连铸坯 物成分大都为MnO-SiO2-Al2O,.夹杂物中铝元 1.2研究方法 素主要来源于合金原料中的残余铝剧这些残余 在生产过程中，分别在LF进站、LF出站和连 铝也可能会导致钢中形成高熔点的氧化铝或者镁 铸坯进行取样，依次编号为1#、2#和3#，如图1所 铝尖晶石(MgOA1,O3)夹杂物例，而这类夹杂物容 示.将所取钢样加工成5mm×50mm的圆柱棒， 易引发连铸浸入式水口的堵塞0-通常可采用 使用惰性气体熔融红外吸收法检测圆柱棒钢样中 钙处理将这些固态夹杂物改性为液态夹杂物2-忉 氧成分.通过使用红外吸收法检测钢中C、S含 相较于上述钢液内夹杂物的形成和控制研 量，其他合金元素采用电感耦合等离子体发射光 究，钢液凝固过程中氧化物夹杂的形成机理研究 谱法(ICP-OES)进行检测.试样的主要成分如表1 较少.Goto等8劉研究了锰脱氧钢中初始氧化物对 所示.通过线切割将钢样加工成金相样(15mm× 凝固过程中氧化物析出和长大行为的影响.他们 15mm×20mm),使用SiC砂纸打磨金相样，最后 发现钢液凝固过程中MnO-FeO类氧化物的析出 使用2.5um的抛光膏对金相样进行抛光.使用 和长大不受初始氧化物特征的影响.Nurmi等g INCA自动扫描电镜(EVOI8-INCAsteel,ZEISS Co. 发现在硅锰脱氧高碳钢凝固过程中有新的夹杂物 Ltd)对金相样进行夹杂物观察和统计，确定试样 形成.他们提出这是由于温降过程中钢内氧的溶 中主要的夹杂物类型、尺寸、形貌及数量 解度降低，进而导致了新的氧化物的析出.Choi等Po Si-Mn 研究了硅锰脱氧304不锈钢连铸坯凝固过程中氧 脱氧 化物夹杂的演变特点.他们统计发现夹杂物的尺 EAF GOR LF CC 寸越小，夹杂物的碱度(CaO/SiO2)越低，而MnO含 量则越高.他们提出在凝固过程中，夹杂物的成分 2# 变化受到夹杂物的初始成分、新形成氧化物的比 图1202不锈钢冶炼工艺及取样示意图 重、氧化物形成速率以及反应时间的影响，在本 Fig.1 Schematic illustration of sampling locations 次试验的202不锈钢连铸坯中发现了新形成的 2 结果与分析 M-A-O类夹杂物，对于这类夹杂物在凝固过程 中的形成机理还没有报道 2.1钢中夹杂物特征 因此，本文以电炉(EAF)一底吹转炉(GOR)一 GOR还原期使用硅锰合金脱氧，进入LF精炼 钢包精炼炉(LF)一连续浇铸(CC)工艺生产的 时，钢中以球型Ca-Si-Mn-O类夹杂物为主，典型 202不锈钢为研究对象.通过对LF进站、LF出站 夹杂物形貌如图2(a)所示，图中数字为各主要元 和连铸坯进行取样，使用自动扫描电镜统计分析 素的质量分数.部分夹杂物中含有少量铝和镁，铝 钢中夹杂物的变化特征，并结合热力学计算，研究 元素主要来源于所加入合金中的残余铝-镁元during solidification. KEY WORDS    stainless steel；Si‒Mn deoxidation；continuous casting；inclusion；thermodynamic calculation 202 不锈钢为 Cr−Mn 节镍型奥氏体不锈钢，因 其价格低廉，广泛应用于日常生活、装饰等领域， 这些领域对产品的表面质量要求严格. 通常光 滑、无缺陷、美观的表面是衡量不锈钢产品质量 的重要指标，但不锈钢中的夹杂物常会导致不锈 钢产品表面缺陷[1−3] . 因此，研究不锈钢中夹杂物 的形成机理，以合理控制冶炼过程中夹杂物的形 成，对提高不锈钢最终产品质量至关重要. 202 不锈钢通常使用硅锰合金作为脱氧剂. 相 较于铝脱氧形成的高熔点氧化铝夹杂物，硅锰脱 氧初生夹杂物大都为液态[4] . 冶炼过程中，液态夹 杂物大都容易聚集形成较大尺寸夹杂物，进而上 浮至液态炉渣而被去除[5] . 在硅锰脱氧钢中，夹杂 物成分大都为 MnO−SiO2−Al2O3 [6] . 夹杂物中铝元 素主要来源于合金原料中的残余铝[7−8] . 这些残余 铝也可能会导致钢中形成高熔点的氧化铝或者镁 铝尖晶石 (MgO·Al2O3 ) 夹杂物[9] ，而这类夹杂物容 易引发连铸浸入式水口的堵塞[10−11] . 通常可采用 钙处理将这些固态夹杂物改性为液态夹杂物[12−17] . 相较于上述钢液内夹杂物的形成和控制研 究，钢液凝固过程中氧化物夹杂的形成机理研究 较少. Goto 等[18] 研究了锰脱氧钢中初始氧化物对 凝固过程中氧化物析出和长大行为的影响. 他们 发现钢液凝固过程中 MnO−FeO 类氧化物的析出 和长大不受初始氧化物特征的影响. Nurmi 等[19] 发现在硅锰脱氧高碳钢凝固过程中有新的夹杂物 形成. 他们提出这是由于温降过程中钢内氧的溶 解度降低，进而导致了新的氧化物的析出. Choi 等[20] 研究了硅锰脱氧 304 不锈钢连铸坯凝固过程中氧 化物夹杂的演变特点. 他们统计发现夹杂物的尺 寸越小，夹杂物的碱度（CaO/SiO2）越低，而 MnO 含 量则越高. 他们提出在凝固过程中，夹杂物的成分 变化受到夹杂物的初始成分、新形成氧化物的比 重、氧化物形成速率以及反应时间的影响. 在本 次试验的 202 不锈钢连铸坯中发现了新形成的 Mn−Al−O 类夹杂物，对于这类夹杂物在凝固过程 中的形成机理还没有报道. 因此，本文以电炉（EAF）—底吹转炉（GOR）— 钢包精炼炉（ LF）—连续浇铸（CC）工艺生产的 202 不锈钢为研究对象. 通过对 LF 进站、LF 出站 和连铸坯进行取样，使用自动扫描电镜统计分析 钢中夹杂物的变化特征，并结合热力学计算，研究 了 202 不锈钢中非金属夹杂物的形成机理，并提 出了合理的控制方法. 1    冶炼工艺与研究方法 1.1    冶炼工艺 202 不锈钢采用 EAF—GOR—LF—CC 冶炼 工艺：将不锈钢废料和合金等原料在电炉（EAF） 中熔化，熔化的钢水在底吹转炉（GOR）中进行脱 碳和初脱硫，还原期使用硅锰合金进行脱氧，之后 在钢包精炼炉（LF）中进行温度调整和成分微调， 冶炼合格的钢水经钢包运至连铸平台进行连续浇 铸（CC），开浇温度为 1490 ℃，使用单流直弧形不 锈钢板坯连铸机将钢水浇铸成连铸坯. 1.2    研究方法 在生产过程中，分别在 LF 进站、LF 出站和连 铸坯进行取样，依次编号为 1#、2#和 3#，如图 1 所 示. 将所取钢样加工成 ϕ5 mm×50 mm 的圆柱棒， 使用惰性气体熔融红外吸收法检测圆柱棒钢样中 氧成分. 通过使用红外吸收法检测钢中 C、S 含 量，其他合金元素采用电感耦合等离子体发射光 谱法（ICP-OES）进行检测. 试样的主要成分如表 1 所示. 通过线切割将钢样加工成金相样（15 mm× 15 mm× 20 mm），使用 SiC 砂纸打磨金相样，最后 使用 2.5 μm 的抛光膏对金相样进行抛光. 使用 INCA 自动扫描电镜（EVO18-INCAsteel, ZEISS Co. Ltd.）对金相样进行夹杂物观察和统计，确定试样 中主要的夹杂物类型、尺寸、形貌及数量. 2    结果与分析 2.1    钢中夹杂物特征 GOR 还原期使用硅锰合金脱氧，进入 LF 精炼 时，钢中以球型 Ca−Si−Mn−O 类夹杂物为主，典型 夹杂物形貌如图 2（a）所示，图中数字为各主要元 素的质量分数. 部分夹杂物中含有少量铝和镁，铝 元素主要来源于所加入合金中的残余铝[7−8] . 镁元 Si−Mn 脱氧 EAF LF GOR 1# 2# 3# CC 图 1    202 不锈钢冶炼工艺及取样示意图 Fig.1    Schematic illustration of sampling locations · 1568 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期