110 工程科学学报.第42卷，增刊1 with Al,O in liquid oxide inclusions.The shell-type Cas around low-melting-temperature oxide inclusion generated as a result of the reaction between CaO in the oxide inclusion and dissolved aluminum and sulfur in liquid steel during solidification of liquid steel in the ESR process.The shell-type CaS around high-melting-temperature oxide inclusion is the reaction products of enriched soluble Ca and S during solidification of liquid steel.Patch-type Cas in the oxide-sulfide complex inclusion precipitated from the complex inclusion melt during the cooling of liquid steel in the ESR process. KEY WORDS non-metallic inclusion;sulfide;electroslag remelting;ultralow oxygen;sulfide capacity 电渣重熔可以有效去除钢中的氧化物夹杂、 验.对电渣重熔前后钢中夹杂物进行了检测分析， 硫化物夹杂、氧和硫，从而显著提高钢的洁净度 研究了(CaO-Al2O3-SiO2-Mg0)+CaS复合夹杂 随着用户对钢材使用性能要求的不断提高，对一 物在电渣重熔过程中的演变与机理 些钢种的洁净度提出了更高的要求.这就需要在 1实验过程 钢的精炼过程不断地提高钢的洁净度、控制钢中 夹杂物的成分、尺寸和数量.掌握电渣重熔过程 采用电弧炉→钢包精炼炉(LF,Ladle furnace)→ 氧、硫和夹杂物的去除和转变机理将为优化电渣 真空脱气炉(VD,Vacuum degassing furnace)→气氛 重熔工艺提供一定的理论指导 保护浇注成直径为400mm的H13模具钢自耗电 电渣重熔过程钢液脱氧效果取决于氧化物夹 极.自耗电极的化学成分如表1所示.电渣重熔实 杂的去除程度山因此，自电渣重熔技术工业化初 验在气氛保护抽锭式电渣重熔炉上进行，结品器 始阶段至今，大部分关于电渣重熔洁净钢的研究 直径为600mm.电渣重熔过程全程采用氩气保护 均集中于氧化物夹杂的研究，例如电渣重熔过 (气氛中实测的氧质量分数<0.010%).电渣重熔过 程各阶段对氧化物夹杂去除的贡献率-句，脱氧工 程采用A1脱氧操作降低熔渣的氧势.在自耗电极 艺-1、渣成分90和钢液二次氧化对夹杂物的影 和电渣锭上取尺寸10mm×10mm×10mm试样制 响叫，然而，目前关于电渣重熔过程夹杂物转变机 备成金相样，利用扫描电镜分析夹杂物的形貌、尺 理的研究报道很少 寸和化学成分.在金相样附近取样进行成分分析， 电渣重熔对去除自耗电极中硫化物夹杂具有 利用电感耦合等离子体原子发射光谱分析钢中 很好的效果-均电渣重熔过程自耗电极中 Al、Ca、Mg和Si的含量.利用碳硫分析仪分析了 硫化物夹杂的完去除是基于电渣重熔良好的脱硫 钢中的碳和硫含量.利用氧氨分析仪分析了钢中 能力，电渣重熔实验研究和热力学计算结果表 的全氧含量(T.O)和氨含量 明，由于原始硫化物夹杂均在电渣端部液膜和熔 2结果与讨论 滴形成过程中分解为钢液内的溶解钙、锰、铬和 硫，自耗电极中(Ca,Mn)S夹杂物叫、(Mn,Cr)S夹杂 2.1夹杂物的数量和尺寸 物]、MnS夹杂物2和CaS夹杂物均在电渣 图1为自耗电极和电渣锭中夹杂物的尺寸分 重熔过程被去除了.Liu等7研究指出，自耗电极 布.由图1可以看出，自耗电极和电渣锭中夹杂物 中的(Mn,Cr)S夹杂物在电渣过程分解为钢液中组 的尺寸主要为1~4m,有少量夹杂物的尺寸大于 元而被去除，钢液凝固过程中新生(Mn,Cr)S夹杂 5um.电渣锭中小于4m的夹杂物占90%.经过 物析出.然而，关于氧化物-硫化物复合夹杂物在 电渣重熔之后，钢中尺寸小于3m夹杂物的比例 电渣重熔过程中演变行为的研究很少见报道. 显著增加，大于3m的夹杂物比例减少，夹杂物 电渣重熔过程夹杂物的转变与电渣钢中夹杂 的平均尺寸减小.这是由于大尺寸氧化物夹杂在 物均与自耗电极中原始夹杂物类型密切相关.本 电渣重熔过程被去除了， 文以低氧含量H13模具钢为自耗电极，利用气氛 电渣锭的化学成分如表2所示，经过电渣 保护抽锭式电渣重熔炉进行了电渣重熔工业实 重熔精炼钢中全氧质量分数由0.0017%降低至 表1 自耗电极的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the consumable electrode and remelted ingot % C Si Mn Ni Cr Mo T.0 Al Mg N 0.391.150.42 0.00220.165.670.97147 0.0008 0.0017 0.0150 0.0003 0.0083with Al2O3 in liquid oxide inclusions. The shell-type CaS around low-melting-temperature oxide inclusion generated as a result of the reaction between CaO in the oxide inclusion and dissolved aluminum and sulfur in liquid steel during solidification of liquid steel in the ESR process. The shell-type CaS around high-melting-temperature oxide inclusion is the reaction products of enriched soluble Ca and S during solidification of liquid steel. Patch-type CaS in the oxide–sulfide complex inclusion precipitated from the complex inclusion melt during the cooling of liquid steel in the ESR process. KEY WORDS    non-metallic inclusion；sulfide；electroslag remelting；ultralow oxygen；sulfide capacity 电渣重熔可以有效去除钢中的氧化物夹杂、 硫化物夹杂、氧和硫，从而显著提高钢的洁净度. 随着用户对钢材使用性能要求的不断提高，对一 些钢种的洁净度提出了更高的要求. 这就需要在 钢的精炼过程不断地提高钢的洁净度、控制钢中 夹杂物的成分、尺寸和数量. 掌握电渣重熔过程 氧、硫和夹杂物的去除和转变机理将为优化电渣 重熔工艺提供一定的理论指导. 电渣重熔过程钢液脱氧效果取决于氧化物夹 杂的去除程度[1] . 因此，自电渣重熔技术工业化初 始阶段至今，大部分关于电渣重熔洁净钢的研究 均集中于氧化物夹杂的研究，例如电渣重熔过 程各阶段对氧化物夹杂去除的贡献率[2−6] ，脱氧工 艺[7−8]、渣成分[9−10] 和钢液二次氧化对夹杂物的影 响[11] . 然而，目前关于电渣重熔过程夹杂物转变机 理的研究报道很少. 电渣重熔对去除自耗电极中硫化物夹杂具有 很好的效果 [11−15] . 电渣重熔过程自耗电极中 硫化物夹杂的完去除是基于电渣重熔良好的脱硫 能力[16] . 电渣重熔实验研究和热力学计算结果表 明，由于原始硫化物夹杂均在电渣端部液膜和熔 滴形成过程中分解为钢液内的溶解钙、锰、铬和 硫，自耗电极中 (Ca,Mn)S 夹杂物[11]、(Mn,Cr)S 夹杂 物[13]、MnS 夹杂物[12, 14] 和 CaS 夹杂物[15] 均在电渣 重熔过程被去除了. Liu 等[17] 研究指出，自耗电极 中的 (Mn,Cr)S 夹杂物在电渣过程分解为钢液中组 元而被去除，钢液凝固过程中新生 (Mn,Cr)S 夹杂 物析出. 然而，关于氧化物–硫化物复合夹杂物在 电渣重熔过程中演变行为的研究很少见报道. 电渣重熔过程夹杂物的转变与电渣钢中夹杂 物均与自耗电极中原始夹杂物类型密切相关. 本 文以低氧含量 H13 模具钢为自耗电极，利用气氛 保护抽锭式电渣重熔炉进行了电渣重熔工业实 验. 对电渣重熔前后钢中夹杂物进行了检测分析， 研究了（CaO–Al2O3–SiO2–MgO）+ CaS 复合夹杂 物在电渣重熔过程中的演变与机理. 1    实验过程 采用电弧炉→钢包精炼炉（LF, Ladle furnace）→ 真空脱气炉（VD, Vacuum degassing furnace）→气氛 保护浇注成直径为 400 mm 的 H13 模具钢自耗电 极. 自耗电极的化学成分如表 1 所示. 电渣重熔实 验在气氛保护抽锭式电渣重熔炉上进行，结晶器 直径为 600 mm. 电渣重熔过程全程采用氩气保护 （气氛中实测的氧质量分数<0.010%）. 电渣重熔过 程采用 Al 脱氧操作降低熔渣的氧势. 在自耗电极 和电渣锭上取尺寸 10 mm×10 mm×10 mm 试样制 备成金相样，利用扫描电镜分析夹杂物的形貌、尺 寸和化学成分. 在金相样附近取样进行成分分析， 利用电感耦合等离子体原子发射光谱分析钢中 Al、Ca、Mg 和 Si 的含量. 利用碳硫分析仪分析了 钢中的碳和硫含量. 利用氧氮分析仪分析了钢中 的全氧含量（T.O）和氮含量. 2    结果与讨论 2.1    夹杂物的数量和尺寸 图 1 为自耗电极和电渣锭中夹杂物的尺寸分 布. 由图 1 可以看出，自耗电极和电渣锭中夹杂物 的尺寸主要为 1～4 μm，有少量夹杂物的尺寸大于 5 μm. 电渣锭中小于 4 μm 的夹杂物占 90%. 经过 电渣重熔之后，钢中尺寸小于 3 μm 夹杂物的比例 显著增加，大于 3 μm 的夹杂物比例减少，夹杂物 的平均尺寸减小. 这是由于大尺寸氧化物夹杂在 电渣重熔过程被去除了. 电渣锭的化学成分如表 2 所示. 经过电渣 重熔精炼钢中全氧质量分数由 0.0017% 降低至 表 1 自耗电极的化学成分（质量分数） Table 1  Chemical composition of the consumable electrode and remelted ingot % C Si Mn S Ni Cr V Mo Ca T.O Al Mg N 0.39 1.15 0.42 0.0022 0.16 5.67 0.97 1.47 0.0008 0.0017 0.0150 0.0003 0.0083 · 110 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1