王皓等：稀土Ce对含磷高强IF钢铸轧全过程MS夹杂物影响 3 表1试验钢化学成分（质量分数） 表4为稀土加入钢液中发生的化学反应以及 Table I Chemical composition of the tested steel % 标准吉布斯自由能通过该反应以及钢液中各 C Si Mn P S Al,Nb Ti B Ce 元素之间的活度系数，计算出1873K下各稀土型 0.00200.150.680.0780.0050.0290.0270.0220.0012- 夹杂物的生产吉布斯自由能，见图3从图中可 以看出稀土中[%C小于0.01时，钢液中只有 分观测 CeO3、CeO2S、CeO2生成，当[%Ce]大于0.01时， 为更加全面地对比稀土对夹杂物形貌及演变 会依次析出CeS、CeS4、CezS,等夹杂物.由于钢 的影响，选取1、2铸坯宽度1/4处，厚度1/4处， 水合金化过程及凝固过程为非稳态，因此将可能 取Φ5mm×20mm大小的圆柱试样，通过电解、酸 有不同含量的Al-O-Ce类及S-O-Ce类夹杂物出 侵、过滤、干燥等一系列夹杂物提取工艺，最终得 现在钢中 到了不同类型的三维形貌的夹杂物，通过扫描电 2.2Ce对铸坯中MnS夹杂物形态及数量的影响 镜及能谱仪对铸坯中典型的三维夹杂物形貌进行 通过扫描电镜对铸坯不同厚度位置试样中夹 观察对比 杂物类别、DG105Jmol)数量、尺寸等进行统 另外，针对轧制各工序的热轧、冷轧、连退等 计，铸坯试样中主要有MnS、Al-O-Ti、AlO3、 1、2试样，分别用质量分数3%的硝酸酒精对试 TN、TiC、硅酸盐类等类型的夹杂物.铸坯不同位 样表面腐蚀1min,采取原貌分析对夹杂物进行原 置MnS夹杂物统计结果的对比如图4所示，1铸 貌提取，用扫描电镜及能谱仪对夹杂物三维形貌 坯厚度1/8、1/2、7/8位置的MnS夹杂物平均尺寸 及成分进行观测.通过以上试验结果的对比，分析 分别为2.71、1.69和2.01m,明显大于2铸坯同样 稀土添加对F钢轧制全过程MnS夹杂物形貌及 位置的尺寸2.31、1.51和1.29um.同时稀土加入 分布的影响 之后铸坯中各位置MS夹杂物数量较不加稀土明 显减少 2试验结果及讨论 为了更加细致地观察稀土对夹杂物形貌的影 2.1稀土夹杂物生成的热力学计算 响，通过扫描电镜及能谱仪对小样电解铸坯试样 稀土合金加入之后Ce收得率为51%，得到的 中夹杂物进行对比观察.图5(a)为1铸坯试样三 中间包钢水成分见表3.由于Ce具有较强的氧化 维夹杂物整体形貌，夹杂物组成包括：大尺寸长条 性，会与钢液中的氧、硫等元素发生化学反应，对 状的MnS、Al2O3,方形的Ti-C、Ti-N,以及其他 加入铈生成的稀土化合物进行热力学计算. 复合夹杂物.其中典型的MnS夹杂物形貌多为长 表2轧制各工序执行的工艺方案 Table 2 Process plan for each rolling process Beginning Roughing temperature of End temperature Coiling Heating-up Soaking section Rapid cooling Overaging Final cooling temperature/ finishing rolling/ of finishing temperature/ section rolling/℃ temperature/℃ ttemperature/℃ section section section temperature/℃ temperature/℃temperature/℃ 1100 1050 920 720 800 800 300±20 ≤400 ≤150 Casting direction 1/8 100mm ④1/4 Loose side ②12 37/8 Fixed side 1/4 Slab width direction 图2铸坯取样位置示意图 Fig.2 Schematic of the slab sampling location分观测. 为更加全面地对比稀土对夹杂物形貌及演变 的影响，选取 1 #、2 #铸坯宽度 1/4 处，厚度 1/4 处 ， 取 ϕ5 mm×20 mm 大小的圆柱试样，通过电解、酸 侵、过滤、干燥等一系列夹杂物提取工艺，最终得 到了不同类型的三维形貌的夹杂物，通过扫描电 镜及能谱仪对铸坯中典型的三维夹杂物形貌进行 观察对比. 另外，针对轧制各工序的热轧、冷轧、连退等 1 #、2 #试样，分别用质量分数 3% 的硝酸酒精对试 样表面腐蚀 1 min，采取原貌分析对夹杂物进行原 貌提取，用扫描电镜及能谱仪对夹杂物三维形貌 及成分进行观测. 通过以上试验结果的对比，分析 稀土添加对 IF 钢轧制全过程 MnS 夹杂物形貌及 分布的影响. 2    试验结果及讨论 2.1    稀土夹杂物生成的热力学计算 稀土合金加入之后 Ce 收得率为 51%，得到的 中间包钢水成分见表 3. 由于 Ce 具有较强的氧化 性，会与钢液中的氧、硫等元素发生化学反应，对 加入铈生成的稀土化合物进行热力学计算. 表 4 为稀土加入钢液中发生的化学反应以及 标准吉布斯自由能[14] . 通过该反应以及钢液中各 元素之间的活度系数，计算出 1873 K 下各稀土型 夹杂物的生产吉布斯自由能，见图 3 [14] . 从图中可 以看出稀土 中 [%Ce] 小 于 0.01 时 ，钢液中只 有 Ce2O3、Ce2O2S、CeO2 生成，当 [%Ce] 大于 0.01 时， 会依次析出 CeS、Ce3S4、Ce2S3 等夹杂物. 由于钢 水合金化过程及凝固过程为非稳态，因此将可能 有不同含量的 Al‒O‒Ce 类及 S‒O‒Ce 类夹杂物出 现在钢中. 2.2    Ce 对铸坯中 MnS 夹杂物形态及数量的影响 通过扫描电镜对铸坯不同厚度位置试样中夹 杂物类别、DG/(105 J·mol−1) 数量、尺寸等进行统 计 ，铸坯试样中主要 有 MnS、 Al –O –Ti、 Al2O3、 TiN、TiC、硅酸盐类等类型的夹杂物. 铸坯不同位 置 MnS 夹杂物统计结果的对比如图 4 所示，1 #铸 坯厚度 1/8、1/2、7/8 位置的 MnS 夹杂物平均尺寸 分别为 2.71、1.69 和 2.01 μm，明显大于 2 #铸坯同样 位置的尺寸 2.31、1.51 和 1.29 μm. 同时稀土加入 之后铸坯中各位置 MnS 夹杂物数量较不加稀土明 显减少. 为了更加细致地观察稀土对夹杂物形貌的影 响，通过扫描电镜及能谱仪对小样电解铸坯试样 中夹杂物进行对比观察. 图 5（a）为 1 #铸坯试样三 维夹杂物整体形貌，夹杂物组成包括：大尺寸长条 状的 MnS、Al2O3，方形的 Ti–C、Ti–N，以及其他 复合夹杂物. 其中典型的 MnS 夹杂物形貌多为长 表 1    试验钢化学成分 (质量分数) Table 1    Chemical composition of the tested steel % C Si Mn P S Als Nb Ti B Ce 0.0020 0.15 0.68 0.078 0.005 0.029 0.027 0.022 0.0012 — 表 2 轧制各工序执行的工艺方案 Table 2 Process plan for each rolling process Roughing temperature/ ℃ Beginning temperature of finishing rolling / ℃ End temperature of finishing rolling /℃ Coiling temperature/ ℃ Heating-up section temperature/℃ Soaking section ttemperature/℃ Rapid cooling section temperature/℃ Overaging section temperature/℃ Final cooling section temperature/℃ 1100 1050 920 720 800 800 300 ± 20 ≤400 ≤150 Casting direction ① 1/8 100 mm ④ 1/4 Loose side ② 1/2 100 mm ③ 7/8 Fixed side 1/4 Slab width direction Thickness direction 图 2    铸坯取样位置示意图 Fig.2    Schematic of the slab sampling location 王    皓等： 稀土 Ce 对含磷高强 IF 钢铸轧全过程 MnS 夹杂物影响 · 3 ·