镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验研究

1602007年炉外精炼年会论文集2007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验研究王静松1，2)许建国1)孙伟1)曹立军1)，张辉1)孙志坤1)张恒立3)薛庆国1)1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2)北京科技大学博士后流动站莱钢工作站，莱芜，211074；3)包头文鑫实业有限公司，包头，014010摘要本文开展了采用镁对钢中夹杂物变性的实验研究工作。采用特殊结构的镁芯包芯线对钢水进行处理，处理过程比采用普通结构含镁包芯线平稳，镁可以有效的加入钢水中，并获得比较稳定的收得率。经过镁处理后，钢中夹杂物类型、形态和尺寸明显变化。大尺寸的Al2O3夹杂转变为细小的MgO·Al2O3，同时使钢中MnS夹杂以细小的MgS或MgS-MnS的形式存在。关键词钢；夹杂物变性；镁芯包芯线；喂线获得更高纯净度、更高均匀性的产品是目前钢铁生产和研究的热点，也是冶金技术的发展方向。就目前的生产技术条件，钢中杂质元素含量的控制已经达到较高水平(钢中杂质总量:S+P+N+H+T·O≤100×10-6)[1]，而随着钢水中杂质元素含量的进一步降低，钢中夹杂物对钢铁产品产生的不良影响作用就更加明显，因此，根据产品的不同质量要求来控制和改善钢中夹杂物的性状就显得尤为重要[2]。最为典型、应用最为广泛的夹杂物变性处理技术是铝脱氧钢的钙处理[3]。钙处理可以将钢中Al2O3夹杂转变成低熔点的复合氧化物，有利于其聚合长大从钢水中排除，不仅可以防止水口冻结，而且可以减少钢中氧化物夹杂的数量；同时，滞留在钢中的夹杂物其形状几乎为圆形并无规则地分布于钢中，可以减轻对钢性能的危害。但是钙处理存在的问题是：虽然钢中氧化物夹杂的数量可以大幅度减少，但残留下来的夹杂物往往尺寸比较大，由于CaO·Al2O3夹杂物不易变形，轧制过程中会在夹杂物周围沿变形方向形成微裂纹、空洞，导致钢的一系列性能的恶化。特别是那些对于疲劳性能有苛刻要求的钢种，在生产中则不允许采用钙处理。对于更高质量要求的纯净钢产品，寻找新的夹杂物变性手段，以减轻和消除铝脱氧钢中夹杂物所造成的危害，已经成为钢铁产品生产中一个迫切需要解决的问题。1镁处理对钢中夹杂物的变性效果在炼钢温度下镁不仅与氧和硫具有极好的亲和力，而且还具有极强的对夹杂物形态与尺寸的控制能力。对于铝脱氧钢，镁处理在进一步降低钢中的溶解氧的同时，可以将钢中的Al2O3夹杂变为高熔点的MgO·Al2O3，由于其在钢水中以固态存在，没有聚合长大的过程，因此，其氧化物夹杂的尺寸可以非常细小，弥散分布于钢中。研究表明钢中存在的MgO·Al2O3夹杂尺寸可以控制在5μm以内，对钢的力学性能基本没有负面影响。同样，钢中加镁在进一步降低硫含量的同时，使钢中硫化物以细小的MgS或MgS-MnS的形式存在，减轻因MnS夹杂对钢性能带来的影响[4]。研究表明，由于铝脱氧钢镁处理和钙处理夹杂物变性产物的不同，处理后钢中氧化物夹杂的尺寸分布存在很大差异（如图1所示）[5]。钙处理钢中，夹杂物尺寸小于2.8微米的约为占45%，2.8-5.6微米的占35%，5.6-11.2微米的占17%，11.2-22.6微米的占3.7%，仍然存在1%左右的22.6-45.2微米的较大尺寸夹杂。而镁处理钢中，尺寸小于2.8微米的夹杂物占90%以上，尺寸为2.8-5.6微米的夹杂物约占8%，仅有0.5%左右的夹杂物为5.6-11.2微米，已经不存在大于11.2微米的夹杂物，单位面积的夹杂物数量虽然高于钙处理钢，但是夹杂物尺寸明显变小。虽然对钢水采用镁处理的优点非常突出，但是，由于镁元素自身特点（低熔点，650℃；低沸点，1080℃；高的蒸气压，炼钢温度1600℃时大于2.0Mpa），在没有有效的镁加入方法之前，在炼钢生产过程中，对钢水进行镁处理还存在很大困难。目前，经过多年的努力，在克服了一系列困难后，镁已经被广泛应用于铁水预处理中[6、7]，采用最普遍的方式是气体喷吹法将钝化镁颗粒喷入铁水内部，以达到铁水脱硫的目的。很显然这种方法无法应用于钢水的镁处理。July.20072007年炉外精炼年会论文集•161•钢带粉料层镁芯涂层镁芯线0%20%40%60%80%100%不同尺寸夹杂百分比2.82.8-5.65.6-11.211.2-22.422.4-45.2夹杂物尺寸Al+MgAl+CaSi0%20%40%60%80%100%不同尺寸夹杂百分比2.82.8-5.65.6-11.211.2-22.422.4-45.2夹杂物尺寸Al+MgAl+CaSi图1镁处理和钙处理后钢中夹杂物尺寸分布Fig.1SizedistributionofinclusioninsteelafterMgtreatmentandCatreatment目前通常采用的镁加入方法有冲入法、喂线法、压入法等，加入的合金种类有稀土镁合金、高镁合金、钝化镁粒等。冲入法的操作最为简单，通常是采用块状含镁铁合金（一般为SiMgFe合金，即Si-Fe合金中含有3-5%的Mg），在出钢前加在钢包内，出钢过程中利用钢水冲击混冲入钢水。目前，人们所尝试的钢中加镁处理通常采用这一方法，但是这种方法并不成功，存在的主要问题是镁剧烈燃烧，造成出钢过程白光冲天，致使出钢过程无法操作。此外由于出钢时钢水中氧含量很高，镁与氧的亲和力又大于铝与氧的亲和力，镁绝大部分都用于钢水的前期脱氧而进入熔渣，造成镁吸收率极低，浪费严重，镁的吸收率很不稳定，因此冲入法的实际效果不佳。另一种加镁方法是目前球铁生产中已有应用的喂线法，该方法采用的合金线可以是镁及镁合金线也可以是各种含镁包芯线，芯剂可以是稀土镁合金、高镁合金、钝化镁粒等。该方法存在的主要问题是在喂线过程中，镁提前熔化汽化，造成镁大量的以蒸汽形式外溢，致使钢水剧烈翻滚，轻则与空气接触造成吸气二次氧化，重则导致钢水大翻事故，同样无法在钢水镁处理中得到应用。而较早出现的压入法也存在同样问题。因此钢水镁处理工艺的核心问题是，如何保证钢水对加入的镁具有较高吸收率。这样就不会造成镁以蒸汽的形式大量溢出和燃烧，钢水也就不会剧烈翻滚，既保障了操作安全又保证了处理效果，还不会造成浪费。为达到高吸收率，就必须保证镁蒸汽与钢水保持较长的接触时间，因此镁的汽化过程应该被控制在钢水的深处，这样镁蒸汽泡在上行的过程中能够与钢水充分接触反应，最理想状况是在镁蒸汽泡溢出钢水之前，已经与钢中夹杂物完全结束形成新的夹杂物。2镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性处理研究开发了镁芯包芯线喂线处理工艺，并在球铁生产中成功应用[8]，同时在钢水夹杂物变性处理研究上也取得很大进展。镁芯包芯线结构如图2所示。外层为0.3毫米厚普通钢带，心部为镁或镁合金芯线，介于两者之间的是具有隔热功能的粉料层。图3为镁芯包芯线产品实物照片。采用上述结构的镁芯包芯线可以通过调整粉料层的厚度和物性来调整其导热效果，从而调整喂线处理过程中镁芯线的温度，防止其提前熔化汽化，以达到将镁送入钢水预定深度的目的，这样就可以使镁处理过程平稳并获得较高吸收率，使目前面临的问题得到较好解决。图2镁芯包芯线结构示意图Fig.2SketchofMgcoredwirestructure图3产品实物图Fig.3PhotoofMgcoredwire采用喂镁芯包芯线进行夹杂物变性研究，在500kg中频感应炉上进行实验研究并取得良好效•162•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月果，不仅处理过程比采用普通结构的含镁合金包芯线处理平稳很多，钢中镁含量稳定处于0.003%以上，对钢中夹杂物的变性作用明显，在此重点介绍镁芯包芯线处理后夹杂物的变性效果。图4为采用镁处理前后，钢中Al2O3簇状夹杂物变化扫描电镜照片。图5为夹杂物能谱分析结果。通过扫描电镜观察，与没有加镁试样对比，发现加镁后试样中的夹杂物发生了不同程度的变化。由能谱分析测得夹杂物的成分可知：未处理时夹杂物的主要成分为Al2O3，而经过镁处理后的夹杂物中的主要成分均为MgO•Al2O3尖晶石，这说明经镁处理后Al2O3簇状夹杂物转变成了MgO•Al2O3尖晶石。而且镁处理后的夹杂物尺寸大大减小。(a)(b)图4镁对Al2O3簇状夹杂物的改善效果(a)未加镁处理(b)加镁0.05g/kg钢水Fig.4RefiningEffectofAl2O3inclusionclusterafterbeingMgtreatmentinsteel(a)untreated(b)feeding0.05g/kgsteel(a)(b)图5夹杂物的能谱分析结果(a)未加镁处理(b)加镁0.05g/kg钢水Fig.5EnergyspectrumanalysisresultsofinclusionafterbeingMgtreatmentinsteel(a)untreated(b)feeding0.05g/kgsteel图6为采用镁处理前后钢中Al2O3·MnS夹杂物变化扫描电镜照片。图7为夹杂物能谱分析结果，由能谱分析测得夹杂物的成分可知：未处理钢中夹杂物主要成分为Al2O3·MnS，而镁处理后夹杂物中的主要成分为MgO·Al2O3尖晶石和MgS·MnS，这说明加镁0.05gMg/kg钢水后，Al2O3·MnS复合夹杂物的成分改变，Al2O3转化为MgO·Al2O3尖晶石，MnS转化为MgS·MnS复合夹杂，而且镁处理后的夹杂物尺寸明显减小。(a)(b)图6镁对Al2O3·MnS复合夹杂物改善效果(a)未加镁处理(b)加镁0.05g/kg钢水Fig.6ImprovementofAl2O3·MnScompoundinclusionafterbeingMgtreatmentinsteel(a)untreated(b)feeding0.05g/kgsteelJuly.20072007年炉外精炼年会论文集•163•（a）（b）图7Al2O3·MnS复合夹杂物能谱分析(a)未加镁处理(b)加镁0.05g/kg钢水Fig.7EnergyspectrumanalysisresultsofAl2O3·MnScompoundinclusionafterbeingMgtreatmentinsteel(a)untreated(b)feeding0.05g/kgsteel3结论（1）采用镁芯包芯线处理，加镁过程比采用普通结构含镁包芯线平稳，镁可以有效的加入钢水中，并获得比较稳定的收得率。（2）经过镁处理后，钢中夹杂物类型、形态和尺寸明显变化。大尺寸的Al2O3夹杂转变为细小的MgO·Al2O3，同时使钢中MnS夹杂以细小的MgS或MgS-MnS的形式存在。参考文献1李正邦.超洁净钢的新进展,材料与冶金学报,2002,l11(13):161~1652刘中柱,蔡开科.纯净钢生产技术钢铁2000,35(2):64~693王厚昕,姜周华,李阳等.喂SiCaBa包芯线对钢中夹杂物变性的影响,钢铁研究学报,2004,16(2):19~224王恒,知水.镁系合金在钢水精炼中作用的研究，钢铁研究学报，1989增刊：21~305S.K.Saxena.Productionofultra-cleansteelswithbettermechanicalpropertieswithmagnesiumtreatment.1996steelmakingconferenceproceeding.1996,89~966李博知.用纯颗粒镁脱硫技术.中国冶金2005,15(9):26~287赵志玲.铁水脱硫工艺开发的新进展.包钢科技2001,27(4):16~188XingweiGao,QingguoXue,ZudongZhaoetal.De-velopmentandIndustrialApplicationofaNovelCoatedMg-coredWire.2006ScienceandprocessingofcastironXIII2006，434~439Experimentalresearchoninclu