镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验.pdf

D0:10.133745.issn1001-053x.2007.s1.006 第29卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.1 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验王静松1,2)许建国)孙伟) 孙志坤) 张恒立3) 薛庆国) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)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，镁可以有效地加入钢水中，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A2O3夹杂转变为细小的MgO-Al2O3,同时使钢中Al2O3MnS夹杂以细小的Al2O3 MnS-MgS的形式存在. 关键词钢：夹杂物变性：镁芯包芯线：喂线分类号TF704 获得更高纯净度、更高均匀性的产品是目前钢 1镁处理对钢中夹杂物的变性效果铁生产和研究的热点，也是治金技术的发展方向.就目前的生产技术条件，钢中杂质元素含量的控制已在炼钢温度下镁不仅与氧和硫具有极好的亲和经达到较高水平（钢中杂质总量：S+P+N+H+ 力，而且还具有极强的对夹杂物形态与尺寸的控制 T0≤100×106)，而随着钢水中杂质元素含量的进能力.对于铝脱氧钢，镁处理在进一步降低钢中溶一步降低，钢中夹杂物对钢铁产品产生的不良影响解氧的同时，可以将钢中的A12O3夹杂变为高熔点作用就更加明显，因此，根据产品的不同质量要求的MgOA12O3,由于其在钢水中以固态存在，没有来控制和改善钢中夹杂物的性状就显得尤为重要聚合长大的过程，因此，其氧化物夹杂的尺寸可以 2 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，对钢的最为典型、应用最为广泛的夹杂物变性处理技力学性能基本没有负面影响.同样，钢中加镁在进术是铝脱氧钢的钙处理).钙处理可以将钢中A12O3 一步降低硫含量的同时，使钢中硫化物以细小的夹杂转变成低熔点的复合氧化物，有利于其聚合长 MgS或MgS-MnS的形式存在，减轻MnS夹杂对钢大从钢水中排除，不仅可以防止水口冻结，而且可性能带来的影响. 以减少钢中氧化物夹杂的数量：同时，滞留在钢中研究表明，由于铝脱氧钢镁处理和钙处理夹杂的夹杂物其形状几乎为圆形并无规则地分布于钢物变性产物的不同，处理后钢中氧化物夹杂的尺寸中，可以减轻对钢性能的危害，但是钙处理存在的分布存在很大差异（如图1所示）).钙处理钢中，夹问题是：虽然钢中氧化物夹杂的数量可以大幅度减杂物尺寸小于2.8um的约占45%，2.8-5.6μm的占少，但残留下来的夹杂物往往尺寸比较大，并且由 35%,5.6-11.2μm的占17%，11.2-22.6μm的占于CaO-AlO3夹杂物不易变形，轧制过程中会在夹 3.7%,仍然存在1%左右的22.6~45.2μm的较大尺杂物周围沿变形方向形成微裂纹、空洞，导致钢一寸夹杂.而镁处理钢中，尺寸小于2.8um的夹杂物系列性能的恶化.特别是那些对于疲劳性能有苛刻占90%以上，尺寸为2.8~5.6μm的夹杂物约占8%，要求的钢种，在生产中则不允许采用钙处理，对于仅有0.5%左右的夹杂物为5.6~11.2μm,已经不存更高质量要求的纯净钢产品，寻找新的夹杂物变性在大于11.2μm的夹杂物，单位面积的夹杂物数量手段，以减轻和消除铝脱氧钢中夹杂物所造成的危虽然高于钙处理钢，但是夹杂物尺寸明显变小，害，已经成为钢铁产品生产中一个迫切需要解决的虽然对钢水采用镁处理的优点非常突出，但是，问题. 由于镁元素的自身特点（低熔点，650°C:低沸点，收清日期：2007-03-21 修回日期：2007-04-25 作者简介：王静松(1968一)，男，博士，副教授

第 29 卷增刊 1 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.1 2007 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 收稿日期：2007−03−21 修回日期：2007−04−25 作者简介：王静松(1968⎯)，男，博士，副教授镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验王静松 1,2) 许建国 1) 孙伟 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，镁可以有效地加入钢水中，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 Al2O3⋅MnS 夹杂以细小的 Al2O3⋅MnS⋅MgS 的形式存在．关键词钢；夹杂物变性；镁芯包芯线；喂线分类号 TF704 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，并且由于 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 5 µm 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 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 µm 的约占 45%，2.8-5.6 µm 的占 35%，5.6-11.2 µm 的占 17%，11.2∼22.6 µm 的占 3.7%，仍然存在 1%左右的 22.6∼45.2 µm 的较大尺寸夹杂．而镁处理钢中，尺寸小于 2.8 µm 的夹杂物占 90%以上，尺寸为 2.8∼5.6 µm 的夹杂物约占 8%，仅有 0.5%左右的夹杂物为 5.6∼11.2 µm，已经不存在大于 11.2 µm 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，由于镁元素的自身特点（低熔点，650°C；低沸点， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s1.006

Vol.29 Suppl1 王静松等：镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验 ·23 1080C:高的蒸气压，炼钢温度1600C时大于2.0 入法也存在同样问题. MPa),在没有有效的镁加入方法之前，在炼钢生因此钢水镁处理工艺的核心问题是，如何保证产过程中，对钢水进行镁处理还存在很大困难. 钢水对加入的镁具有较高吸收率.这样就不会造成目前，经过多年的努力，在克服了一系列困难镁以蒸汽的形式大量溢出和燃烧，钢水也就不会剧后，镁已经被广泛应用于铁水预处理中6刃，采用最烈翻滚，既保障了操作安全又保证了处理效果，还普遍的方式是气体喷吹法将钝化镁颗粒喷入铁水内不会造成浪费.为达到高吸收率，就必须保证镁蒸部，以达到铁水脱硫的目的.很显然这种方法无法汽与钢水保持较长的接触时间，因此镁的汽化过程应用于钢水的镁处理，应该被控制在钢水的深处，这样镁蒸汽泡在上行的 100 过程中能够与钢水充分接触反应，最理想状况是在 ☑AI+Mg 镁蒸汽泡溢出钢水之前，已经与钢中氧及夹杂物完图Al+CaSi 全反应而形成新的夹杂物 2 镁芯包芯线处理钢水使夹杂物变 60 性 40 通过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 20 处理工艺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0.3mm厚普通钢带，心部为 <2.82.8-5.65.61.211.2-2.422.45.2 镁或镁合金芯线，介于两者之间的是具有隔热功能夹杂物尺寸的粉料层.图3为镁芯包芯线产品实物照片.采用图1镁处理和钙处理后钢中夹杂物尺寸分布上述结构的镁芯包芯线可以通过调整粉料层的厚度目前通常采用的将镁加入钢水的方法有冲入和物性来调整其导热效果，从而调整喂线处理过程法、喂线法、压入法等，加入的合金种类有稀土镁中镁芯线的温度，防止其提前熔化汽化，以达到将合金、高镁合金、钝化镁粒等镁送入钢水预定深度的目的，这样就可以使镁处理冲入法的操作最为简单，通常是采用块状含镁过程平稳并获得较高吸收率，使目前面临的问题得铁合金（一般为SiMgFe合金，即Si-Fe合金中含有到较好解决 3%~5%的Mg(质量分数)，在初炼炉出钢前加在钢包内，出钢过程中利用钢水冲击将含镁铁合金混冲钢带镁芯涂层入钢水，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粉料层镁芯线很高，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，浪费图2镁芯包芯线结构示意图严重，镁的吸收率极低且很不稳定，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.而较早出现的压图3产品实物图

Vol.29 Suppl.1 王静松等：镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验 • 23 • 1080°C；高的蒸气压，炼钢温度 1600°C 时大于 2.0 MPa），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．图 1 镁处理和钙处理后钢中夹杂物尺寸分布目前通常采用的将镁加入钢水的方法有冲入法、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(质量分数)），在初炼炉出钢前加在钢包内，出钢过程中利用钢水冲击将含镁铁合金混冲入钢水．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，浪费严重，镁的吸收率极低且很不稳定，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，已经与钢中氧及夹杂物完全反应而形成新的夹杂物． 2 镁芯包芯线处理钢水使夹杂物变性通过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工艺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 mm 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图 3 产品实物图

Vol.29 Suppl.1 王静松等：镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验 …25· 800 600 (a) Al (b) Al 600 兰4m 400 Mg 本 0 Fe 200F Fe 200 Mn Fe 00 Ca 人心 04 0 2 4 6 3 45 6 7 8 E/keV E/keV 图7 Al2O;MnS复合夹杂物能谱分析.(a)未加镁处理；(b)加镁0.05g/kg钢水 3结论 [3)王厚听，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 (1)采用镁芯包芯线处理，加镁过程比采用普 [4】王恒，知水.镁系合金在钢水精炼中作用的研究.钢铁研究学通结构含镁包芯线平稳，镁可以有效地加入钢水中，报，1989，增刊：21 并获得比较稳定的吸收率。 [5]Saxena S K.Production of ultra-clean steels with better me- (2)经过镁处理后，钢中夹杂物类型、形态和 chanical properties with magnesium treatment.1996 Steelmaking Conference Proceeding,1996,89 尺寸明显变化.大尺寸的A12O3夹杂转变为细小的 [6)]李博知.用纯颗粒镁脱硫技术.中国治金，2005,15(9)：26 MgO-Al2O3,同时使钢中Al2O3MnS复合夹杂以细 [7】赵志玲.铁水脱硫工艺开发的新进展.包铜科技，2001,27(4)：小的Al2O3 MgS.MnS复合夹杂的形式存在. 16 [8]Gao X W,Xue Q G,Zhao Z D,et al.Development and industrial 参考文献 application of a novel coated Mg-cored wire.2006 Science and [1】李正邦.超洁净钢的新进展.材料与治金学报，2002,111(13) Processing of Cast Iron XIII,2006,434 161 [2刘中柱，蔡开科.纯净钢生产技术，钢铁，2000,35(264 Experimental study on inclusion modification in the steel by Mg cored wire feeding process WANG Jingsong2),XU Jianguo,SUN Wei,CAO Lijun,ZHANG Hui,SUN Zhikun, ZHANG Hengli,XUE Qingguo 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Sciences and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Post-doctoral Station of USTB,Post-doctoral Work Station of Laigang Group,Shandong 211074,China 3)Bao Tou Wenxin Industrial Co.Ltd.,Baotou 014010,China ABSTRACT The process of Mg-cored wire feeding was investigated.The Mg cored wire with special structure was applied in inclusion modification in steel.The process of feeding the Mg-cored wire is more smoothly than feeding the Mg-wire with old structure in steel treating at 1600C,the absorption ratio is higher and more stable than that of the old process.After being treated by Mg-cored wire feeding,the Al2O3 inclusions with the big size changes to the fine particles of MgO.Al2O3 inclusions.At same time,the Al2O3MnS inclusions changes to the Al2O;MgS-MnS inclusions. KEY WORDS steel;inclusion modification;Mg cored wire;wire feeding

Vol.29 Suppl.1 王静松等：镁芯包芯线处理钢水夹杂物变性实验 • 25 • 图 7 Al2O3·MnS 复合夹杂物能谱分析．(a)未加镁处理；(b) 加镁 0.05 g/kg 钢水 3 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，镁可以有效地加入钢水中，并获得比较稳定的吸收率． (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 Al2O3⋅MnS 复合夹杂以细小的 Al2O3⋅MgS⋅MnS 复合夹杂的形式存在．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 [2] 刘中柱，蔡开科．纯净钢生产技术，钢铁，2000, 35(2): 64 [3] 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 [4] 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 [5] Saxena S K. Production of ultra-clean steels with better mechanical properties with magnesium treatment. 1996 Steelmaking Conference Proceeding, 1996, 89 [6] 李博知．用纯颗粒镁脱硫技术．中国冶金，2005, 15(9): 26 [7] 赵志玲．铁水脱硫工艺开发的新进展．包钢科技，2001, 27(4): 16 [8] Gao X W, Xue Q G, Zhao Z D, et al. Development and industrial application of a novel coated Mg-cored wire. 2006 Science and Processing of Cast Iron XIII, 2006, 434 Experimental study on inclusion modification in the steel by Mg cored wire feeding process WANG Jingsong1,2), XU Jianguo2), SUN Wei1), CAO Lijun1), ZHANG Hui1), SUN Zhikun1), ZHANG Hengli3), XUE Qingguo1) 1) Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Sciences and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Post-doctoral Station of USTB, Post-doctoral Work Station of Laigang Group, Shandong 211074, China 3) Bao Tou Wenxin Industrial Co. Ltd., Baotou 014010, China ABSTRACT The process of Mg-cored wire feeding was investigated. The Mg cored wire with special structure was applied in inclusion modification in steel. The process of feeding the Mg-cored wire is more smoothly than feeding the Mg-wire with old structure in steel treating at 1600°C, the absorption ratio is higher and more stable than that of the old process. After being treated by Mg-cored wire feeding, the Al2O3 inclusions with the big size changes to the fine particles of MgO⋅Al2O3 inclusions. At same time, the Al2O3⋅MnS inclusions changes to the Al2O3⋅MgS⋅MnS inclusions. KEY WORDS steel; inclusion modification; Mg cored wire; wire feeding