第11期 李强等：低合金高强钢中非金属夹杂物的改性 ·1263· 应条件，促进A山，O3向靠近低熔点区域的CaO- A1,O3转变成低熔点钙铝酸盐，其反应机理为AL,0,→ Mg0一A山，0，复合夹杂物转变，在钙处理对象发生改 Ca0"6Al,03→Ca0·2Al,03+Ca0·Al,03+xCa0· 变的基础上，探索低钙处理实现低合金高强钢中夹 yA,0,(液相)：(2)路径b,由Mg0·A山，0，尖晶石 杂物改性的可能 向低熔点钙铝酸盐转变，需先转变成CaO-MgO- 为了更加准确地判断在治炼各环节夹杂物成 A山03复合夹杂物，再向低熔点钙铝酸盐转变：(3) 分、数量及形貌等行为的变化，利用ASPEX自动扫 路径c,由靠近低熔点区的CaO-MgO-Al,O3复合夹 描电镜对钢中大于1m的夹杂物进行较大面积的 杂物向低熔点钙铝酸盐转变.显然，在上述三种改 统计分析，每个试样的检测面积大约为100mm2.钢 性途径中路径c最短.按路径c进行夹杂物的改 样和渣样的化学成分则采用ICP、红外吸收及化学 性，即首先通过渣-钢反应将由A山，O3转变成靠近低 法等方法检测. 熔点区的Ca0-Mg0-AL,O3复合夹杂物，之后再将 1低合金高强钢精炼过程夹杂物的调查分析 这种复合夹杂物改性成低熔点钙铝酸盐夹杂物，这 种改性策略有可能会大幅降低钙处理的强度 实验钢种的工艺路线为：铁水预处理→210t顶 Mgo 底复吹转炉治炼→LF精炼→RH真空处理→钙处理 0x100 →连铸→热轧.钢种的主要化学成分（质量分数) 为：w（C)=0.08%,w（Si)=0.21%,w(Mn)= 3 75 S尖品石 1.3%,w(P)=0.09%,w(S)=0.002%.在喂钙线 操作之前提取钢水样，通过电镜分析得到钢中不同 质量分数 50 50要 类型夹杂物所占的比例如表1所示. L+Sp+Mgo MgO ALO, 表1钙处理前钢中不同类型夹杂物所占的比例 75 L+Mgol L+CaO+Mgo 25 Table 1 Proportion of inclusions in molten steel before calcium addition b 固相 Ca0100 0AL,0 A山203MgO·Al03Ca0-Mg0-A203含Si、Mn等元素的夹杂物 25 50 75 100 35 8 质量分数% 26 图1夹杂物改性的途径 由表1可见，钙处理前，脱氧产物A山，0仅占钢 Fig.1 Paths of inclusion modification in the Ca0-MgO-Al,O,system 中夹杂物的小部分，大部分夹杂物为含镁铝和含钙 镁铝的复合类型.Kawakami等回认为采用较高碱 就渣一钢一夹杂物反应平衡的角度而言，为了促 度炉渣精炼时，炉渣中的CaO及MgO能被钢液中酸 使钙处理前Al,O3尽快向靠近低熔点区的CaO一 溶铝还原，产生的钙和镁进入钢液中与脱氧产物 MgO一A山，O3复合夹杂物转变，需要增加钢中钙和镁 Al203反应，生成Mg0·Al203尖晶石和Ca0-Mg0- 的含量.根据反应式(1)和(2)，可采取以下措施： A山，O,复合夹杂物，其反应机理如下式所示-0： 增加钢中酸溶铝的含量；提高炉渣中Ca0和Mg0的 2[A]+3(MgO)=3Mg]+(A山，0，)海，(1) 活度；降低炉渣中A山，03的活度.生产中一般采用 2[A+3(Ca0)渣=3[Ca]+(Al,03)渣，(2) Ca0-MgO-Al20,-SiO,渣系，Mg0的饱和质量分数 Mg]+[O]+(A山，0，)夹杂物=(Mg0·Al,03）夹杂物， 在10%左右m,变动的余地不大，对炉渣成分的优 (3) 化应着眼于提高Ca0的活度和降低A山，0，的活度. z[Ca]+(xMg0yA山，0，）夹杂物=zMg]+ 由Thermo-Calc软件计算出Ca0-l0%Mg0- (zCa0·(x-z)Mg0yAl203）夹杂物 (4) A山203Si02准三元渣系的等Ca0活度线和等A山20， 2低合金高强钢中夹杂物改性途径的优化 活度线，分别如图2和图3所示.由图可知，随着炉 渣碱度和w(CaO)/w(Al,03)值的增加，CaO的活度 由热力学软件Thermo-Calc计算出1600℃时 增加，Al203的活度降低.炉渣中Ca0的质量分数 的Ca0-Mg0-A山203三元系相图，如图1所示，图中 超过60%就进入Ca0-10%Mg0-Al203-Si02体系 灰色区域是1600℃时的液相区.由图1可知该体 的饱和区域，在现有的挡渣工艺下炉渣SiO2的质量 系中夹杂物的改性途径可能包括：（1)路径a,由 分数能降低到5%，因此优化后的炉渣碱度(R=第 11 期 李 强等: 低合金高强钢中非金属夹杂物的改性 应条 件，促 进 Al2O3 向 靠 近 低 熔 点 区 域 的 CaO-- MgO--Al2O3 复合夹杂物转变，在钙处理对象发生改 变的基础上，探索低钙处理实现低合金高强钢中夹 杂物改性的可能． 为了更加准确地判断在冶炼各环节夹杂物成 分、数量及形貌等行为的变化，利用 ASPEX 自动扫 描电镜对钢中大于 1 μm 的夹杂物进行较大面积的 统计分析，每个试样的检测面积大约为 100 mm2 ． 钢 样和渣样的化学成分则采用 ICP、红外吸收及化学 法等方法检测． 1 低合金高强钢精炼过程夹杂物的调查分析 实验钢种的工艺路线为: 铁水预处理→210 t 顶 底复吹转炉冶炼→LF 精炼→RH 真空处理→钙处理 →连铸→热轧． 钢种的主要化学成分( 质量分数) 为: w ( C) = 0. 08% ，w ( Si) = 0. 21% ，w ( Mn) = 1. 3% ，w( P) = 0. 09% ，w( S) = 0. 002% ． 在喂钙线 操作之前提取钢水样，通过电镜分析得到钢中不同 类型夹杂物所占的比例如表 1 所示． 表 1 钙处理前钢中不同类型夹杂物所占的比例 Table 1 Proportion of inclusions in molten steel before calcium addition % Al2O3 MgO·Al2O3 CaO--MgO--Al2O3 含 Si、Mn 等元素的夹杂物 25 41 26 8 由表 1 可见，钙处理前，脱氧产物 Al2O3 仅占钢 中夹杂物的小部分，大部分夹杂物为含镁铝和含钙 镁铝的复合类型． Kawakami 等［9］认为采用较高碱 度炉渣精炼时，炉渣中的 CaO 及 MgO 能被钢液中酸 溶铝还原，产生的钙和镁进入钢液中与脱氧产物 Al2O3 反应，生成 MgO·Al2O3 尖晶石和 CaO--MgO-- Al2O3 复合夹杂物，其反应机理如下式所示［9--10］: 2［Al］+ 3( MgO) 渣3［Mg］+ ( Al2O3 ) 渣，( 1) 2［Al］+ 3( CaO) 渣3［Ca］+ ( Al2O3 ) 渣， ( 2) ［Mg］+［O］+ ( Al2O3 ) 夹杂物( MgO·Al2O3 ) 夹杂物， ( 3) z［Ca］+ ( xMgO·yAl2O3 ) 夹杂物z［Mg］+ ( zCaO·( x － z) MgO·yAl2O3 ) 夹杂物． ( 4) 2 低合金高强钢中夹杂物改性途径的优化 由热力学软件 Thermo--Calc 计算出 1 600 ℃ 时 的 CaO--MgO--Al2O3 三元系相图，如图 1 所示，图中 灰色区域是 1 600 ℃ 时的液相区． 由图 1 可知该体 系中夹杂物的改性途径可能包括: ( 1) 路径 a，由 Al2O3 转变成低熔点钙铝酸盐，其反应机理为 Al2O3→ CaO·6Al2O3 → CaO·2Al2O3 →CaO·Al2O3 →xCaO· yAl2O3 ( 液相) ［7］; ( 2) 路径 b，由 MgO·Al2O3 尖晶石 向低熔点钙铝酸盐转变，需先转变成 CaO--MgO-- Al2O3 复合夹杂物，再向低熔点钙铝酸盐转变; ( 3) 路径 c，由靠近低熔点区的 CaO--MgO--Al2O3 复合夹 杂物向低熔点钙铝酸盐转变． 显然，在上述三种改 性途径中路径 c 最短． 按路径 c 进行夹杂物的改 性，即首先通过渣--钢反应将由 Al2O3 转变成靠近低 熔点区的 CaO--MgO--Al2O3 复合夹杂物，之后再将 这种复合夹杂物改性成低熔点钙铝酸盐夹杂物，这 种改性策略有可能会大幅降低钙处理的强度． 图 1 夹杂物改性的途径 Fig． 1 Paths of inclusion modification in the CaO-MgO-Al2O3 system 就渣--钢--夹杂物反应平衡的角度而言，为了促 使钙处理前 Al2O3 尽快向靠近低熔点区的 CaO-- MgO--Al2O3 复合夹杂物转变，需要增加钢中钙和镁 的含量． 根据反应式( 1) 和( 2) ，可采取以下措施: 增加钢中酸溶铝的含量; 提高炉渣中 CaO 和 MgO 的 活度; 降低炉渣中 Al2O3 的活度． 生产中一般采用 CaO--MgO--Al2O3--SiO2 渣系，MgO 的饱和质量分数 在 10% 左右［11］，变动的余地不大，对炉渣成分的优 化应着眼于提高 CaO 的活度和降低 Al2O3 的活度． 由 Thermo--Calc 软 件 计 算 出 CaO--10% MgO-- Al2O3--SiO2 准三元渣系的等 CaO 活度线和等 Al2O3 活度线，分别如图 2 和图 3 所示． 由图可知，随着炉 渣碱度和 w( CaO) /w( Al2O3 ) 值的增加，CaO 的活度 增加，Al2O3 的活度降低． 炉渣中 CaO 的质量分数 超过 60% 就进入 CaO--10% MgO--Al2O3--SiO2 体系 的饱和区域，在现有的挡渣工艺下炉渣 SiO2 的质量 分数能降低到 5% ，因此优化后的炉渣碱度( R = ·1263·