气氛保护电渣重熔过程中氧化物–CaS复合夹杂物的演变

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 气氛保护电渣重熔过程中氧化物CS复合夹杂物的演变 刘伟建史成斌徐昊驰郑顶立吕士刚李晶郭宝善 Evolution of oxide-CaS complex inclusions during protective atmosphere electroslag remelting LIU Wei-jian,SHI Cheng-bin,XU Hao-chi,ZHENG Ding-li,L Shi-gang,LI Jing.GUO Bao-shan 引用本文： 刘伟建，史成斌，徐吴驰，郑顶立，吕土刚，李晶，郭宝善.气氛保护电渣重熔过程中氧化物Cs复合夹杂物的演变.工程科 学学报，2020,42S:109-118.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.03.12.s08 LIU Wei-jian,SHI Cheng-bin,XU Hao-chi,ZHENG Ding-li,L Shi-gang.LI Jing.GUO Bao-shan.Evolution of oxideCaS complex inclusions during protective atmosphere electroslag remelting[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):109-118.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.03.12.s08 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.12.s08 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报.2020,42(4：516htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.07.001 超低碳钢精炼过程中Fe-A-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报.2019,41(6：757 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报.2018,40(9：1065 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.09.007 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020,42(7)：912htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005

气氛保护电渣重熔过程中氧化物CaS复合夹杂物的演变 刘伟建 史成斌 徐昊驰 郑顶立 吕士刚 李晶 郭宝善 Evolution of oxide–CaS complex inclusions during protective atmosphere electroslag remelting LIU Wei-jian, SHI Cheng-bin, XU Hao-chi, ZHENG Ding-li, L Shi-gang, LI Jing, GUO Bao-shan 引用本文: 刘伟建, 史成斌, 徐昊驰, 郑顶立, 吕士刚, 李晶, 郭宝善. 气氛保护电渣重熔过程中氧化物CaS复合夹杂物的演变[J]. 工程科 学学报, 2020, 42(S): 109-118. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08 LIU Wei-jian, SHI Cheng-bin, XU Hao-chi, ZHENG Ding-li, L Shi-gang, LI Jing, GUO Bao-shan. Evolution of oxideCaS complex inclusions during protective atmosphere electroslag remelting[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 109-118. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 结晶器旋转数值模拟及对高速钢电渣锭碳化物的影响 Numerical simulation of mold rotation and its effect on carbides in HSS ESR ingot 工程科学学报. 2020, 42(4): 516 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.07.001 超低碳钢精炼过程中Fe-Al-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报. 2019, 41(6): 757 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报. 2018, 40(9): 1065 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.007 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005

工程科学学报.第42卷，增刊1：109-118.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:109-118,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08;http://cje.ustb.edu.cn 气氛保护电渣重熔过程中氧化物-CaS复合夹杂物的演变 刘伟建)，史成斌四，徐吴驰，郑顶立)，吕士刚2，李晶)，郭宝善 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)邢台钢铁有限责任公司，邢台054027 ☒通信作者，E-mail:chengbin.shi@ustb.edu.cn 摘要利用扫描电镜分析了自耗电极和电渣重熔钢中夹杂物的特征，结合热力学计算，分析了氧硫复合夹杂物在电渣重熔 过程中的转变机理.结果表明，电渣重熔采用气氛保护结合脱氧操作可以将自耗电极全氧质量分数由0.0017%降低至 0.0008%.电渣重熔之后钢中小于3um夹杂物的比例显著增加.自耗电极中的夹杂物为CaS与含质量分数3%和11%左右 Mg0的CO-Al2O,-SiOz-Mg0结合的两类复合夹杂物.电渣过程未被去除的氧化物夹杂中的SiO2被钢液中酸溶铝还原，保 留至电渣锭中.电渣锭中含约1%Mg0和2%SiO2且成分均匀的CaO-Al20,-SiO2-Mg0是在电渣过程中新生的夹杂物.自耗 电极中的CaS通过分解为钢液中溶解Ca和S.以及通过与液态氧化物夹杂中A12O3反应的途径在电渣过程被去除.电渣锭 中低熔点氧化物夹杂周围环状CaS是钢液凝固过程中溶解S、酸溶铝A!与氧化物夹杂中CO的反应产物，高熔点氧化物夹 杂周围环状CS是钢液凝固过程中Ca和S偏析后反应新生的夹杂物.复合夹杂物中补丁状CaS是在电渣重熔钢液冷却过 程中由复合夹杂物熔体中析出的 关键词非金属夹杂物：硫化物：电渣重熔：超低氧：硫化物容量 分类号TF769.2 Evolution of oxide-CaS complex inclusions during protective atmosphere electroslag remelting LIU Wei-jian,SHI Cheng-bin,XU Hao-chi),ZHENG Ding-li),LU Shi-gang?,LI Jing,GUO Bao-shan 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xingtai Iron and Steel Co.,Ltd.,Xingtai 054027,China Corresponding author,E-mail:chengbin.shi@ustb.edu.cn ABSTRACT The inclusions in the consumable steel electrode and electroslag remelted steel were characterized using a scanning electron microscope(SEM)equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer(EDS).The evolution mechanism of oxide-sulfide complex inclusions during electroslag remelting (ESR)was elucidated based on inclusion experimental identification and thermodynamic calculation.The results show that the combination of protective atmosphere and deoxidation operation during ESR lowers the total oxygen content from 0.0017%in the electrode to 0.0008%in the ingot.The number proportion of the inclusions smaller than 3 um in the steel greatly increases after ESR.The inclusions in the steel electrode are two oxide-sulfide complex types of CaS+CaO-Al2O3-SiOz-Mgo containing about 3%Mgo and CaS+CaO-Al2O3-SiOz-MgO containing about 11%MgO.SiO2 in the original oxide inclusions that had not been removed in ESRR process was reduced by soluble aluminum in liquid steel,and the products remain in the ESR process until in remelted ingot.The CaO-Al2O3-SiO2-Mgo inclusions with uniform elements distribution,which contain about 1%MgO and about 2%iOz,in the ingot are newly formed oxide inclusions in the ESR.Cas inclusions in the steel electrode were removed during the ESR through dissociating into soluble calcium and sulfur in liquid steel,and in the way of reacting 收稿日期：202003-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874026.52074027)

气氛保护电渣重熔过程中氧化物–CaS 复合夹杂物的演变 刘伟建1)，史成斌1) 苣，徐昊驰1)，郑顶立1)，吕士刚2)，李    晶1)，郭宝善2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    2) 邢台钢铁有限责任公司，邢台 054027 苣通信作者，E-mail: chengbin.shi@ustb.edu.cn 摘    要    利用扫描电镜分析了自耗电极和电渣重熔钢中夹杂物的特征，结合热力学计算，分析了氧硫复合夹杂物在电渣重熔 过程中的转变机理. 结果表明，电渣重熔采用气氛保护结合脱氧操作可以将自耗电极全氧质量分数由 0.0017% 降低至 0.0008%. 电渣重熔之后钢中小于 3 μm 夹杂物的比例显著增加. 自耗电极中的夹杂物为 CaS 与含质量分数 3% 和 11% 左右 MgO 的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 结合的两类复合夹杂物. 电渣过程未被去除的氧化物夹杂中的 SiO2 被钢液中酸溶铝还原，保 留至电渣锭中. 电渣锭中含约 1%MgO 和 2%SiO2 且成分均匀的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 是在电渣过程中新生的夹杂物. 自耗 电极中的 CaS 通过分解为钢液中溶解 Ca 和 S，以及通过与液态氧化物夹杂中 Al2O3 反应的途径在电渣过程被去除. 电渣锭 中低熔点氧化物夹杂周围环状 CaS 是钢液凝固过程中溶解 S、酸溶铝 Al 与氧化物夹杂中 CaO 的反应产物，高熔点氧化物夹 杂周围环状 CaS 是钢液凝固过程中 Ca 和 S 偏析后反应新生的夹杂物. 复合夹杂物中补丁状 CaS 是在电渣重熔钢液冷却过 程中由复合夹杂物熔体中析出的. 关键词    非金属夹杂物；硫化物；电渣重熔；超低氧；硫化物容量 分类号    TF769.2 Evolution  of  oxide –CaS  complex  inclusions  during  protective  atmosphere  electroslag remelting LIU Wei-jian1) ，SHI Cheng-bin1) 苣 ，XU Hao-chi1) ，ZHENG Ding-li1) ，LÜ Shi-gang2) ，LI Jing1) ，GUO Bao-shan2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Xingtai Iron and Steel Co., Ltd., Xingtai 054027, China 苣 Corresponding author, E-mail: chengbin.shi@ustb.edu.cn ABSTRACT    The  inclusions  in  the  consumable  steel  electrode  and  electroslag  remelted  steel  were  characterized  using  a  scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). The evolution mechanism of oxide–sulfide complex  inclusions  during  electroslag  remelting  (ESR)  was  elucidated  based  on  inclusion  experimental  identification  and thermodynamic  calculation.  The  results  show  that  the  combination  of  protective  atmosphere  and  deoxidation  operation  during  ESR lowers the total oxygen content from 0.0017% in the electrode to 0.0008% in the ingot. The number proportion of the inclusions smaller than  3  μm  in  the  steel  greatly  increases  after  ESR.  The  inclusions  in  the  steel  electrode  are  two  oxide –sulfide  complex  types  of CaS+CaO –Al2O3–SiO2–MgO containing about 3% MgO and CaS+CaO –Al2O3–SiO2–MgO containing about 11% MgO. SiO2 in the original oxide inclusions that had not been removed in ESRR process was reduced by soluble aluminum in liquid steel, and the products remain in the ESR process until in remelted ingot. The CaO–Al2O3–SiO2–MgO inclusions with uniform elements distribution, which contain  about  1%MgO  and  about  2%SiO2 ,  in  the  ingot  are  newly  formed  oxide  inclusions  in  the  ESR.  CaS  inclusions  in  the  steel electrode were removed during the ESR through dissociating into soluble calcium and sulfur in liquid steel, and in the way of reacting 收稿日期: 2020−03−12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51874026，52074027） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：109−118，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 109−118, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08; http://cje.ustb.edu.cn

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 0.0083

with 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

刘伟建等：气氛保护电渣重熔过程中氧化物-CaS复合夹杂物的演变 111 60 氛中氧含量小于0.010%)结合在线脱氧操作完全 ESR 50 可以将钢中氧含量进一步降低至极低水平.这不 同于其他研究报道的低氧钢经过电渣重熔后氧含 % 量没有降低反而增加8-9 2.2夹杂物类型和形貌 自耗电极中典型夹杂物的扫描电子显微镜 (SEM-EDS,Scanning electron microscope-energy dis- persive X-ray spectrometer)元素面扫描和EDS谱 0N N器N图 图如图2所示.自耗电极中的夹杂物均为 1-2 2-33-4 4-55-6 >6 CaO-Al2O3-SiO2-Mg0和CaS形成的复合夹杂 Inclusion diameter/um 物.结合EDS能谱分析结果，氧化物夹杂按照 图1自耗电极和电渣锭中夹杂物的尺寸分布 Mg0的平均含量可以分为两类，即含3%左右Mg0 Fig.1 Size distribution of inclusions in the consumable steel and remelted steel 的Ca0-Al,03-Si02-Mg0夹杂物和含11%左右 Mg0的CaO-Al2O,-SiO2-Mg0夹杂物.EDS分析 0.0008%,钢中全氧含量的显著降低和钙含量的降 结果表明，在一些MgO含量高的氧化夹杂中， 低间接证实了由于大尺寸氧化物夹杂被大量去除 Mg0的分布并不均匀，如图2(b)所示 导致小尺寸夹杂物比率增加的推断.低氧含量自 将这两类氧化物夹杂的成分统计后分别绘入 耗电极(T.0=0.0017%)经过气氛保护电渣重熔（气 利用FactSage计算的含3%Mg0和11%Mg0的 表2电渣锭的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of the remelted ingot 9% Mn Cr Mo Ca T.0 Al Mg N 0.39 1.06 0.42 0.0016 0.16 5.67 0.97 1.47 0.0005 0.0008 0.0160 0.0002 0.0088 (a) 2 um O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA (b) 2 Hm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA O-KA Mg-K A1-K Si-KA Ca-KA 3.5 (d) Acquisition 3.0 2.5 2.0 3 1.5 8 2 M 1.0 Fe 0.5 Fe 0 1 2 3456 7 3456 78 9 10 Energy/keV Energy/keV 图2自耗电极中典型夹杂物的元素面分布(a,b,c)和EDS谱图(d,e)(图(d)和(e)中的EDS谱图分别对应图(a)和(c)中夹杂物的EDS点分析) Fig.2 Element mappings (a,b,c)and EDS spectra(d,e)of complex inclusions in the consumable steel electrode (EDS spectra in(d)and (e)correspond to the inclusions shown in (a)and (c),respectively)

0.0008%，钢中全氧含量的显著降低和钙含量的降 低间接证实了由于大尺寸氧化物夹杂被大量去除 导致小尺寸夹杂物比率增加的推断. 低氧含量自 耗电极（T.O=0.0017%）经过气氛保护电渣重熔（气 氛中氧含量小于 0.010%）结合在线脱氧操作完全 可以将钢中氧含量进一步降低至极低水平. 这不 同于其他研究报道的低氧钢经过电渣重熔后氧含 量没有降低反而增加[18−19] . 2.2    夹杂物类型和形貌 自耗电极中典型夹杂物的扫描电子显微镜 （SEM-EDS, Scanning electron microscope-energy dis￾persive  X-ray  spectrometer）元素面扫描 和 EDS 谱 图 如 图 2 所 示 . 自 耗 电 极 中 的 夹 杂 物 均 为 CaO –Al2O3–SiO2–MgO 和 CaS 形成的复合夹杂 物. 结合 EDS 能谱分析结果 ，氧化物夹杂按照 MgO 的平均含量可以分为两类，即含 3% 左右 MgO 的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 夹杂物和含 11% 左右 MgO 的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 夹杂物. EDS 分析 结果表明 ，在一 些 MgO 含量高的氧化夹杂中 ， MgO 的分布并不均匀，如图 2（b）所示. 将这两类氧化物夹杂的成分统计后分别绘入 利 用 FactSage  计 算 的 含 3%MgO 和 11%MgO 的 表 2 电渣锭的化学成分（质量分数） Table 2  Chemical composition of the remelted ingot % C Si Mn S Ni Cr V Mo Ca T.O Al Mg N 0.39 1.06 0.42 0.0016 0.16 5.67 0.97 1.47 0.0005 0.0008 0.0160 0.0002 0.0088 0 10 20 30 40 50 60 2−3 3−4 4−5 5−6 Number proportion of inclusions/ % Inclusion diameter/μm Electrode ESR ingot 1−2 >6 图 1    自耗电极和电渣锭中夹杂物的尺寸分布 Fig.1     Size  distribution  of  inclusions  in  the  consumable  steel  and remelted steel (a) 2 μm 2 μm 2 μm (b) (c) O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA O-KA O-KA (d) (e) 3.5 5 3.0 4 2.5 3 2.0 1.5 2 1 1.0 Intensity (counts) 0 0.5 0 1 2 3 4 5 Energy/keV 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 Energy/keV 6 7 8 9 10 Fe Cr Cr Ca Ca Mg O V V S S Fe Si Ca Ca Mg O S Fe S Fe Al Al Si Acquisition Intensity (counts) Acquisition 图 2    自耗电极中典型夹杂物的元素面分布（a,b,c）和 EDS 谱图（d,e）（图（d）和（e）中的 EDS 谱图分别对应图（a）和（c）中夹杂物的 EDS 点分析） Fig.2    Element mappings (a,b,c) and EDS spectra (d,e) of complex inclusions in the consumable steel electrode (EDS spectra in (d) and (e) correspond to the inclusions shown in (a) and (c), respectively). 刘伟建等： 气氛保护电渣重熔过程中氧化物–CaS 复合夹杂物的演变 · 111 ·

112 工程科学学报.第42卷，增刊1 CaO-A12O3SiO2相图，结果如图3所示.图3中红 而，含11%左右Mg0的CaO-Al2O3-SiO2-Mg0夹杂 色实线为1600℃的等温线.由图3可以看出，自耗 物成分基本上均分布在低熔点区以外(>1600℃)，这些 电极中含3%左右Mg0的CaO-AlO3SiO2-Mg0 氧化物夹杂在自耗电极熔化过程不会以液态存在. 夹杂物成分位于低熔点区(<1500℃)，这些氧化物 电渣锭中典型夹杂物的SEM-EDS元素面扫 夹杂在自耗电极熔化过程中会以液态形式存在.然 描和EDS谱图如图4所示.电渣锭中的夹杂物均 (a) SiO (b) SiO 09 09 08 0.2 0.3 06 06 0.4 w(SiO.)/% 0.5 wA2O39% 05 w(SiO,)/ 0.5 W(AlO, 05 04 0.4 0.7 03 8 02 0.8 0.2 7 o.3 0.9 CaA山 0.9 0.80.70.60.50.40.30.20.1Al,0 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Al,0 (CaO% (CaO 图3自耗电极中氧化物夹杂在CaO-Al,O,-SiO,三元相图中的成分分布.(a)3%MgO:(b)11%Mg0 Fig.3 Composition distribution of oxide inclusions in steel electrode on the CaO-Al,O-SiO,phase diagram:(a)3%MgO;(b)11%MgO (a) 2μm O-KA Ag-K Al-K Si-KA Ca-KA KA (b) 2 um O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA (c) 2 um Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA (d) 2μm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA -KA (e) Acquisition 8⑤ Acquisition 1 5 5 32 1 Si S 0 e Si Fe 1 2 3 45678 9 10 1 2 3 456 789 10 Energy/keV Energy/keV 图4电渣锭中典型夹杂物的元素面分布(ab,c,d)和EDS谱图(e,f)(图(e)和(f)中的EDS谱图分别对应图(a)和(d)中夹杂物的EDS点分析) Fig.4 Element mappings (a,b,c,d)and EDS spectra (e,f)of complex inclusions in the remelted ingot(EDS spectra in (e)and (f)correspond to the inclusions shown in (a)and(d),respectively)

CaO–Al2O3–SiO2 相图，结果如图 3 所示. 图 3 中红 色实线为 1600 ℃ 的等温线. 由图 3 可以看出，自耗 电极中含 3% 左右 MgO 的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 夹杂物成分位于低熔点区（<1500 ℃），这些氧化物 夹杂在自耗电极熔化过程中会以液态形式存在. 然 而，含 11% 左右 MgO 的 CaO–Al2O3–SiO2–MgO 夹杂 物成分基本上均分布在低熔点区以外（>1600℃），这些 氧化物夹杂在自耗电极熔化过程不会以液态存在. 电渣锭中典型夹杂物的 SEM-EDS 元素面扫 描和 EDS 谱图如图 4 所示. 电渣锭中的夹杂物均 0.1 Al CaO 2O3 (a) SiO2 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 w(CaO)/% w(Al2O3 )/% w(SiO2 )/% 0.1 Al CaO 2O3 (b) SiO2 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 w(CaO)/% w(Al2O3 )/% w(SiO2 )/% 图 3    自耗电极中氧化物夹杂在 CaO–Al2O3–SiO2 三元相图中的成分分布. （a）3%MgO；（b）11%MgO Fig.3    Composition distribution of oxide inclusions in steel electrode on the CaO–Al2O3–SiO2 phase diagram: (a) 3%MgO; (b) 11%MgO (a) 2 μm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA (b) 2 μm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA (c) 2 μm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA (d) 2 μm O-KA Mg-K Al-K Si-KA Ca-KA S-KA (e) (f) 7 4 3 2 1 Intensity (counts) 0 0 1 2 3 4 5 Energy/keV 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 Energy/keV 6 7 8 9 10 Fe Cr Cr Ca Ca O Mg V V S S Fe Si Ca Ca O Mg S S Fe Fe Al Si Acquisition Intensity (counts) Acquisition 6 5 8 7 4 3 2 1 6 5 Al 图 4    电渣锭中典型夹杂物的元素面分布（a,b,c,d）和 EDS 谱图（e,f）（图（e）和（f）中的 EDS 谱图分别对应图（a）和（d）中夹杂物的 EDS 点分析） Fig.4     Element  mappings  (a,b,c,d)  and  EDS  spectra  (e,f)  of  complex  inclusions  in  the  remelted  ingot  (EDS  spectra  in  (e)  and  (f)  correspond  to  the inclusions shown in (a) and (d), respectively) · 112 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1