《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.05.12.004©北京科技大学2020 硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物的影响 刘南12)，成功区，张立峰4☒，任英”，温昕” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083：2)内蒙古包钢钢联股份有限公司炼钢厂，内蒙古包头014010：3) 中治南方工程技术有限公司，湖北武汉430223：4)燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066044 ☒通信作者，E-mail:chenggong_ustb@l63.com,zhanglifeng@ysu.edu.cn 摘要大尺寸CaO-Al2O,类夹杂物容易引起轴承钢疲劳失效，大尺寸CaO-AlO,类夹茶物的控制是生产高端GCr15轴承 钢的关键因素之一。精炼过程中合金引入杂质元素、渣精炼和精炼过程中卷渣是铝脱氣轴承钢中大尺寸CO-4Al,O,类夹杂 物的主要潜在来源。硅铁合金通常用来提高轴承钢的淬火和抗回火软化性，本文通过实验室实验、样品分析和热力学计算， 研究了硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物的影响。硅铁合金主要由深色的硅相和浅色的硅铁相组成，钙元素在硅 相和硅铁相的界面处以金属化合物形式存在。研究发现，加入硅铁合金后，钢总钙(T.C)含量增加，钢中的AO和 MgO.Al2O3夹杂物被改性为CO-AlO,类夹杂物，夹杂物尺寸随着夹杂物中CaO舍量增加而减小，钢中并未生成大尺寸 CO-Al,O3类夹杂物。随着钢中T.Ca含量增加，夹杂物平均尺寸降低，钢中.O金量增加，表明硅铁合金中金属钙元素不 会直接引起钢中大尺寸CaO-Al,O3类夹杂物的生成。但是生成的小尺寸固相CaO-Al,O类夹杂物在水口处粘附结瘤，结瘤 物脱落后会成为钢中大尺寸CaO-AlO3类夹杂物的来源之一。 关键词铝脱氧钢：硅铁合金：金属钙元素：CO-Al2O,类夹杂物， 分类号 TF777.1 Effect of calcium element in ferrosilicon alloys on inclusions in an Al-killed steel LIU Nan 2),CHENG Gong,ZHANG Lizfeng REN Ying",WEN Xin) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering. iversity of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2) Steelmaking Plant,Inner Mongolia Baotou Steel n Co.,Ltd.,Baotou City,Nei Mongol 014010,China 3) WISDRI Engineering Technology Co Hubei 430223,China 4)State Key Laboratory of Metastable als Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao City,Hebei 066004,China Corresponding author,E-mail; b@163. com,zhanglifeng@ysu.edu.cn ABSTRACT Large size CaO-Al2O:type inclusions easily induced fatigue failure of bearing steels and the control of large size CaO- AlO type inclusions was the key to produce high-quality GCr15 bearing steels.Impurity elements in alloys added during refining. slag refining,and slag entrainment during the refining process were main potential sources for the formation of large size CaO-Al2O type inclusions in Al-killed bearing steels.The ferrosilicon alloy was usually applied to improve the quenching and tempering softening resistance of Al-killed bearing steels.In the current work,the effect of calcium element in ferrosilicon alloys on inclusions in an Al-killed bearing steel was studied through laboratory experiments,observation,and thermodynamic calculation.The ferrosilicon alloy mainly consisted of the dark silicon phase and the light ferrosilicon phase.The calcium element in ferrosilicon alloys existed as the metal compound at the interface between the silicon phase and the ferrosilicon phase.The total calcium (T.Ca) content in the molten steel increased after the addition of the ferrosilicon alloy,modifying Al2O:and MgO.Al2O3 inclusions into CaO-Al2O,type ones.The size of inclusions in the molten steel decreased with the increase of the Cao content in inclusions.Large size CaO-Al2O;type inclusions were little generated.With the increase of the T.Ca in the molten steel,the T.O in the steel increased 1
硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物的影响 刘 南 1,2)，成 功 3)，张立峰 4)，任 英 1)，温 昕 1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2) 内蒙古包钢钢联股份有限公司炼钢厂，内蒙古 包头 014010；3) 中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223；4)燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066044 通信作者，E-mail: chenggong_ustb@163.com, zhanglifeng@ysu.edu.cn 摘 要 大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物容易引起轴承钢疲劳失效，大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物的控制是生产高端 GCr15 轴承 钢的关键因素之一。精炼过程中合金引入杂质元素、渣精炼和精炼过程中卷渣是铝脱氧轴承钢中大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂 物的主要潜在来源。硅铁合金通常用来提高轴承钢的淬火和抗回火软化性， 本文通过实验室实验、样品分析和热力学计算， 研究了硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物的影响。硅铁合金主要由深色的硅相和浅色的硅铁相组成，钙元素在硅 相和硅铁相的界面处以金属化合物形式存在。研究发现，加入硅铁合金后，钢中总钙（ T.Ca）含量增加，钢中的 Al2O3和 MgO·Al2O3夹杂物被改性为 CaO-Al2O3类夹杂物，夹杂物尺寸随着夹杂物中 CaO 含量增加而减小，钢中并未生成大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物。随着钢中 T.Ca 含量增加，夹杂物平均尺寸降低，钢中 T.O 含量增加，表明硅铁合金中金属钙元素不 会直接引起钢中大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物的生成。但是生成的小尺寸固相 CaO-Al2O3类夹杂物在水口处粘附结瘤，结瘤 物脱落后会成为钢中大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物的来源之一。 关键词 铝脱氧钢；硅铁合金；金属钙元素；CaO-Al2O3类夹杂物；洁净度 分类号 TF777.1 Effect of calcium element in ferrosilicon alloys on inclusions in an Al-killed steel LIU Nan1,2) , CHENG Gong3), ZHANG Li-feng4), REN Ying1) , WEN Xin1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Steelmaking Plant, Inner Mongolia Baotou Steel Union Co., Ltd., Baotou City, Nei Mongol 014010, China 3) WISDRI Engineering Technology Co., Ltd., Wuhan City, Hubei 430223, China 4) State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao City, Hebei 066004, China Corresponding author, E-mail: chenggong_ustb@163.com, zhanglifeng@ysu.edu.cn ABSTRACT Large size CaO-Al2O3 type inclusions easily induced fatigue failure of bearing steels and the control of large size CaOAl2O3 type inclusions was the key to produce high-quality GCr15 bearing steels. Impurity elements in alloys added during refining, slag refining, and slag entrainment during the refining process were main potential sources for the formation of large size CaO-Al 2O3 type inclusions in Al-killed bearing steels. The ferrosilicon alloy was usually applied to improve the quenching and tempering softening resistance of Al-killed bearing steels. In the current work, the effect of calcium element in ferrosilicon alloys on inclusions in an Al-killed bearing steel was studied through laboratory experiments, observation, and thermodynamic calculation. The ferrosilicon alloy mainly consisted of the dark silicon phase and the light ferrosilicon phase. The calcium element in ferrosilicon alloys existed as the metal compound at the interface between the silicon phase and the ferrosilicon phase. The total calcium (T.Ca) content in the molten steel increased after the addition of the ferrosilicon alloy, modifying Al 2O3 and MgO·Al2O3 inclusions into CaO-Al2O3 type ones. The size of inclusions in the molten steel decreased with the increase of the CaO content in inclusions. Large size CaO-Al2O3 type inclusions were little generated. With the increase of the T.Ca in the molten steel, the T.O in the steel increased 1 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.12.004 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
while the average size of inclusions decreased.It was indicated that the calcium element in ferrosilicon alloys was hardly a direct reason for the formation of large size CaO-Al2O inclusions in the steel.However,the generated small solid CaO-Al2O,type inclusions were able to clog at the wall of the submerged entry nozzle,and the subsequent dislodgement of the big clogging lump into the molten steel was one of the reasons for the existence of large and irregular shape CaO-Al2O3 type inclusions in the steel product. KEY WORDS Al-killed steel;ferrosilicon alloys;calcium element;CaO-Al2O;type inclusions;cleanliness 轴承钢是典型的铝脱氧钢，其接触疲劳开裂是轴承失效的主要方式之一，钢中非金属夹杂物对轴承 的疲劳寿命影响很大，引。国内外铝脱氧钢生产企业主要从降低钢中TO含量B、减小夹杂物尺寸A,和控 制夹杂物成分B,6-1等方面提高铝脱氧钢洁净度。生产的高端铝脱氧轴承钢中TO含量普遍控制在5ppm以 下。当钢中TO含量极低时，钢中依然存在数十微米甚至更大尺寸的CaO-AlO类夹杂物，大尺寸CaO- AlzO,类夹杂物成为了影响轴承等钢产品稳定性的关键因素。Kawakami基天至业浅验结果提出钢液和 精炼渣反应可以生成CaO-AlO,类夹杂物。Ohta等1o发现铝脱氧钢中70%的>5mm的CaO-Al2O3类夹杂物 来源于精炼渣卷入钢液，钢液中钙元素和夹杂物反应形成的CO-AlO,类杂物比例很小。Chi等ul研究 发现，钢包釉的剥落会导致铝脱氧钢中生成CaO-Al2O3类夹杂物。Ma等通过钙处理将铝脱氧钢中A1O3 和MgO0AlO3夹杂物改性为球形CaO-AlO-Mg0夹杂物，夹杂物平均尺寸减小，但是钢中会生成大尺寸 的CaO夹杂物。朱守欣研究发现，水口内壁结瘤物是由<10um的MgO-Al2O,和CaO-Al2O3-MgO)高熔 点夹杂物堆积而成，结瘤物的脱落是铝脱氧轴承钢棒材上大尺长条状CO-AlO,-(MgO)夹杂物的主要来 源。Riyahimalayeri等I对铝脱氧钢工业生产过程钢中夹杂物成分和尺寸之间关系进行了研究，研究发现 随着夹杂物中钙含量增加，夹杂物尺寸增加。影响铝脱第钢中大尺寸CO-AlO类夹杂物的因素非常复杂， 包括冶炼工艺、耐火材料、合金、辅料等。目前已报道的铅脱氧轴承钢中夹杂物的控制研究主要集中在 钙、镁s-1和稀土8-20等活泼金属合金以及精炼渣对钢中夹杂物的改性21,2四。铝脱氧钢冶炼普遍使用的 硅铁合金中金属钙元素对钢中夹杂物的影响还鲜有女献报道。基于此，本文在实验室条件下通过控制单 变量研究了硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物特别是大尺寸CaO-A1O3类夹杂物的影响，探讨 了铝脱氧钢中内生夹杂物尺寸和成分之间的关系。 1.实验方法 1.1硅铁合金中的杂质元意 铝脱氧钢中硅元素提高了淬抗回火软化性从而增加了铝脱氧钢硬度，铝脱氧轴承钢中硅含量应 控制在0.15t%以上。在铝脱氧钢性产实践中，通常需要在LF精炼时加入硅铁以调整钢液成分。尽管高 端铝脱氧钢的生产普遍对使铁合金中的杂质元素含量有严格的要求，但是关于硅铁合金中金属钙元素对 铝脱氧轴承钢中夹杂物的定量影响的研究还鲜有报道。表1为铝脱氧轴承钢生产实践中常使用的硅铁合 金中钙和铝的含量图1为不同钙含量的硅铁合金的元素面扫描结果。硅铁合金基体主要由深色的高硅 相和浅色的硅铁相组成， 在高硅相和硅铁相的界面处存在钙和铝的金属元素杂质相。 表1硅铁合金中钙和铝的含量/w% Table 1 Contents of T.Ca and T.Al in ferrosilicon alloys/wt% Ferrosilicon T.Ca T.Al Type A 0.68 1.11 Type B 0.92 1.28 Type C 1.22 1.84 收高日期：2021-05-12 金项目：国家自然科学基金资助项目(U1860206,51725402) 河北省省级科技计划资助项目(20311004D.20311005D.20311006D,20591001D) 2
while the average size of inclusions decreased. It was indicated that the calcium element in ferrosilicon alloys was hardly a direct reason for the formation of large size CaO-Al2O3 inclusions in the steel. However, the generated small solid CaO-Al 2O3 type inclusions were able to clog at the wall of the submerged entry nozzle, and the subsequent dislodgement of the big clogging lump into the molten steel was one of the reasons for the existence of large and irregular shape CaO-Al 2O3 type inclusions in the steel product. KEY WORDS Al-killed steel; ferrosilicon alloys; calcium element; CaO-Al2O3 type inclusions; cleanliness1 轴承钢是典型的铝脱氧钢，其接触疲劳开裂是轴承失效的主要方式之一，钢中非金属夹杂物对轴承 的疲劳寿命影响很大[1, 2]。国内外铝脱氧钢生产企业主要从降低钢中 T.O 含量[3, 4]、减小夹杂物尺寸[4, 5]和控 制夹杂物成分[3, 6-8]等方面提高铝脱氧钢洁净度。生产的高端铝脱氧轴承钢中 T.O 含量普遍控制在 5 ppm 以 下。当钢中 T.O 含量极低时，钢中依然存在数十微米甚至更大尺寸的 CaO-Al2O3类夹杂物，大尺寸 CaOAl2O3类夹杂物成为了影响轴承等钢产品稳定性的关键因素[4]。Kawakami[9]基于工业试验结果提出钢液和 精炼渣反应可以生成 CaO-Al2O3类夹杂物。Ohta 等[10]发现铝脱氧钢中 70%的>5 μm 的 CaO-Al2O3类夹杂物 来源于精炼渣卷入钢液，钢液中钙元素和夹杂物反应形成的 CaO-Al2O3类夹杂物比例很小。Chi 等[11]研究 发现，钢包釉的剥落会导致铝脱氧钢中生成 CaO-Al2O3类夹杂物。Ma 等[12]通过钙处理将铝脱氧钢中 Al2O3 和 MgO·Al2O3夹杂物改性为球形 CaO-Al2O3-MgO 夹杂物，夹杂物平均尺寸减小，但是钢中会生成大尺寸 的 CaO 夹杂物。朱守欣[13]研究发现，水口内壁结瘤物是由<10 μm 的 MgO·Al2O3和 CaO-Al2O3-(MgO)高熔 点夹杂物堆积而成，结瘤物的脱落是铝脱氧轴承钢棒材上大尺寸长条状 CaO-Al2O3-(MgO)夹杂物的主要来 源。Riyahimalayeri 等[14]对铝脱氧钢工业生产过程钢中夹杂物成分和尺寸之间关系进行了研究，研究发现 随着夹杂物中钙含量增加，夹杂物尺寸增加。影响铝脱氧钢中大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物的因素非常复杂， 包括冶炼工艺、耐火材料、合金、辅料等。目前已报道的铝脱氧轴承钢中夹杂物的控制研究主要集中在 钙[12]、镁[15-17]和稀土[18-20]等活泼金属合金以及精炼渣对钢中夹杂物的改性[21, 22]。铝脱氧钢冶炼普遍使用的 硅铁合金中金属钙元素对钢中夹杂物的影响还鲜有文献报道。基于此，本文在实验室条件下通过控制单 一变量研究了硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中夹杂物特别是大尺寸 CaO-Al2O3类夹杂物的影响，探讨 了铝脱氧钢中内生夹杂物尺寸和成分之间的关系。 1. 实验方法 1.1 硅铁合金中的杂质元素 铝脱氧钢中硅元素提高了淬火和抗回火软化性从而增加了铝脱氧钢硬度，铝脱氧轴承钢中硅含量应 控制在 0.15 wt%以上。在铝脱氧钢生产实践中，通常需要在 LF 精炼时加入硅铁以调整钢液成分。尽管高 端铝脱氧钢的生产普遍对硅铁合金中的杂质元素含量有严格的要求，但是关于硅铁合金中金属钙元素对 铝脱氧轴承钢中夹杂物的定量影响的研究还鲜有报道。表 1 为铝脱氧轴承钢生产实践中常使用的硅铁合 金中钙和铝的含量。图 1 为不同钙含量的硅铁合金的元素面扫描结果。硅铁合金基体主要由深色的高硅 相和浅色的硅铁相组成，在高硅相和硅铁相的界面处存在钙和铝的金属元素杂质相。 表 1 硅铁合金中钙和铝的含量 / wt% Table 1 Contents of T.Ca and T.Al in ferrosilicon alloys / wt% Ferrosilicon T.Ca T.Al Type A 0.68 1.11 Type B 0.92 1.28 Type C 1.22 1.84 1收稿日期: 2021-05-12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(U1860206, 51725402) 河北省省级科技计划资助项目(20311004D, 20311005D, 20311006D, 20591001D) 2 录用稿件，非最终出版稿
(a) 6001m (c) 圈1不同钙含量的硅铁合金样品的元素面扫描.(a0.68 wt%T.Ca,(b)0.92wt%TCa;(c)1.22wt%TCa Fig.1 Elemental mapping of ferrosilicon alloys containing different T.Ca contents:(a)0.68 wt%T.Ca:(b)0.92 wt%T.Ca: (c)1.22 wt%T.Ca 1.2实验和检测方法 铝脱氧钢连铸坯中大尺寸夹杂物数量相对较少，本研究采用国内某厂铝脱氧钢连铸坯作为实验原料。 为了消除连铸坯中已有大尺寸夹杂物对实验结果的影响，首先将铝脱氧钢连铸坯升温到1873K熔化。在 1873K下保温一定时间使钢中可能存在的大尺寸夹杂物完全上浮去除。实验过程中向钢液中加FO3粉末 和高纯铝粒(99.999wt%),使钢中新生成A10,夹杂物，进而研究硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中 夹杂物成分和尺寸的影响。具体实验泼骤如下：1)将装有340g铝脱氧钢连铸坯的A1203坩埚放置在硅钼 电阻炉中，坩埚的内径为32mm高度为100mm:在氩气保护气氛下以5Kmin升温速率加热至1873 K,通入氩气流量为5Lmin;下使用AlO,坩埚是为了排除坩埚中Mg0对实验结果的影响：2)当温度升 至1873K时，保温20mn后将0.025g用铁皮包裹着的高纯Fz03粉末插入钢液，用石英管搅拌10s: 3)接着，将0.11g用铁皮包裹着的高纯铝粒插入钢液，用石英管搅拌10s:4)再将用铁皮包裹着1.5g 硅铁插入钢液，角英管搅拌10s,此刻作为实验起始时间。为防止钢液凝固、冷却过程钢中夹杂物发生 转变21，在1873K不保温5mi后将坩埚从炉管中取出并快速水冷。另外进行一炉不加硅铁的实验作为 空白实验进行对比研究。 将钢锭沿直径对称切开，在钢锭的纵截面上取宽度为10m钢样，从钢锭顶部到底部用自动扫描电 镜4-2扫描截面上>1m的夹杂物。在距离钢锭底部10mm处取直径为5mm圆棒，用于分析钢中T0含 量，样品分析示意图如图2所示。表2为用直读光谱检测的钢成分。此外，利用场发射电镜对铝脱氧钢工 业生产过程中浸入式水口结瘤物的形貌和成分进行分析，对比研究加入硅铁合金后钢中夹杂物和浸入式 水口结瘤物之间的关系。 3
图 1 不同钙含量的硅铁合金样品的元素面扫描. (a) 0.68 wt% T.Ca; (b) 0.92 wt% T.Ca; (c) 1.22 wt% T.Ca Fig.1 Elemental mapping of ferrosilicon alloys containing different T.Ca contents: (a) 0.68 wt% T.Ca; (b) 0.92 wt% T.Ca; (c) 1.22 wt% T.Ca 1.2 实验和检测方法 铝脱氧钢连铸坯中大尺寸夹杂物数量相对较少，本研究采用国内某厂铝脱氧钢连铸坯作为实验原料。 为了消除连铸坯中已有大尺寸夹杂物对实验结果的影响，首先将铝脱氧钢连铸坯升温到 1873 K 熔化。在 1873 K 下保温一定时间使钢中可能存在的大尺寸夹杂物完全上浮去除。实验过程中向钢液中加 Fe2O3粉末 和高纯铝粒（99.999 wt%），使钢中新生成 Al2O3夹杂物，进而研究硅铁合金中金属钙元素对铝脱氧钢中 夹杂物成分和尺寸的影响。具体实验步骤如下：1）将装有 340 g 铝脱氧钢连铸坯的 Al2O3坩埚放置在硅钼 电阻炉中，坩埚的内径为 32 mm，高度为 100 mm；在氩气保护气氛下以 5 K·min-1升温速率加热至 1873 K，通入氩气流量为 5 L·min-1；使用 Al2O3坩埚是为了排除坩埚中 MgO 对实验结果的影响；2）当温度升 至 1873 K 时，保温 20 min 后将 0.025 g 用铁皮包裹着的高纯 Fe2O3粉末插入钢液，用石英管搅拌 10 s； 3）接着，将 0.11 g 用铁皮包裹着的高纯铝粒插入钢液，用石英管搅拌 10 s；4）再将用铁皮包裹着 1.5 g 硅铁插入钢液，用石英管搅拌 10 s，此刻作为实验起始时间。为防止钢液凝固、冷却过程钢中夹杂物发生 转变[23]，在 1873 K 下保温 5 min 后将坩埚从炉管中取出并快速水冷。另外进行一炉不加硅铁的实验作为 空白实验进行对比研究。 将钢锭沿直径对称切开，在钢锭的纵截面上取宽度为 10 mm 钢样，从钢锭顶部到底部用自动扫描电 镜[24-28]扫描截面上＞1 μm 的夹杂物。在距离钢锭底部 10 mm 处取直径为 5 mm 圆棒，用于分析钢中 T.O 含 量，样品分析示意图如图 2 所示。表 2 为用直读光谱检测的钢成分。此外，利用场发射电镜对铝脱氧钢工 业生产过程中浸入式水口结瘤物的形貌和成分进行分析，对比研究加入硅铁合金后钢中夹杂物和浸入式 水口结瘤物之间的关系。 3 录用稿件，非最终出版稿
Top Top >1 um inclusion 10 mm T.O content mm Steel composition Bottom Bottom 圆2实验室实验后得到的钢锭样品分析示意 图 Fig.2 Analysis schematic diagram of the ingot sample aft 表2实脸后铜成分/wt% Table 2 Steel compositions after experiments/w% Ferrosilicon C Cr Si Mn T.S T.Ca T.0 Fe No addition 0.99 1.57 0.31 0.38 0.06 0.030 0.0001 0.0010 balanced Type A 0.97 1.57 0.63 0.38 00L 0.033 0.0003 0.0011 balanced Type B 0.96 1.57 0.62 0.38 0.001 0.036 0.0004 0.0013 balanced Type C 1.00 1.57 0.65 0.38 0.037 0.0010 0.0015 balanced 2.夹杂物成分和尺寸的变化 2.1夹杂物成分变化 图3为加入不同类型硅铁合金条件下钢中夹杂物三元相图分布。钢液中不加硅铁时，钢中夹杂物主 要为形状不规则Al2O,和块状MgO ALO3y以及少量位于1873K低熔点区的球形CaO-Al2O3类夹杂物。图 4为不加硅铁时钢液中典型夹杂物的形貌。不加硅铁条件下，钢中夹杂物数密度为7.0个m2,夹杂物的 最大尺寸为15.8m。随着合金央钙含量增加，钢液中CaO-AlO3类夹杂物数量增加，夹杂物平均成分向 液相区移动：当合金中钙条罩为①22wt%时，夹杂物数密度为32.8个mm2,夹杂物的最大尺寸为11.3 um,夹杂物平均成分位乐1873K低熔点区。图5为加入含钙1.22wt%硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌， 夹杂物中CaO含量明显增加生成了较多球形低熔点夹杂物。 0100 Scanning area:496.41 mm? 1873 K liquidus Number:3469 (b)Average composition 100 Scanning area:527.954 mm2 1873 K liquidus Number:6975 Maximum Dx:15.8 um 75 Maximum Dx:16.5 jm Average Dx:2.6 um Average Dx:2.0 um 50. 50 50 75 75 100 0 100 0 25 50 75 100 0 25 50 100 Al,O,/wt% Al,O,/wt% 4
图 2 实验室实验后得到的钢锭样品分析示意图 Fig.2 Analysis schematic diagram of the ingot sample after experiments 表 2 实验后钢成分 / wt% Table 2 Steel compositions after experiments / wt% Ferrosilicon C Cr Si Mn T.S T.Al T.Ca T.O Fe No addition 0.99 1.57 0.31 0.38 0.001 0.030 0.0001 0.0010 balanced Type A 0.97 1.57 0.63 0.38 0.001 0.033 0.0003 0.0011 balanced Type B 0.96 1.57 0.62 0.38 0.001 0.036 0.0004 0.0013 balanced Type C 1.00 1.57 0.65 0.38 0.001 0.037 0.0010 0.0015 balanced 2. 夹杂物成分和尺寸的变化 2.1 夹杂物成分变化 图 3 为加入不同类型硅铁合金条件下钢中夹杂物三元相图分布。钢液中不加硅铁时，钢中夹杂物主 要为形状不规则 Al2O3和块状 MgO·Al2O3，以及少量位于 1873 K 低熔点区的球形 CaO-Al2O3类夹杂物。图 4 为不加硅铁时钢液中典型夹杂物的形貌。不加硅铁条件下，钢中夹杂物数密度为 7.0 个·mm-2，夹杂物的 最大尺寸为 15.8 μm。随着合金中钙含量增加，钢液中 CaO-Al2O3类夹杂物数量增加，夹杂物平均成分向 液相区移动；当合金中钙含量为 1.22 wt%时，夹杂物数密度为 32.8 个·mm-2，夹杂物的最大尺寸为 11.3 μm，夹杂物平均成分位于 1873 K 低熔点区。图 5 为加入含钙 1.22 wt%硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌， 夹杂物中 CaO 含量明显增加，生成了较多球形低熔点夹杂物。 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 MgO / wt% Average composition 1873 K liquidus CaO / wt% Al2O3 / wt% Scanning area: 496.41 mm2 Number: 3469 Maximum DMAX: 15.8 μm Average DMAX: 2.6 μm (a) 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 MgO / wt% Average composition 1873 K liquidus CaO / wt% Al2O3 / wt% Scanning area: 527.954 mm2 Number: 6975 Maximum DMAX: 16.5 μm Average DMAX: 2.0 μm (b) 4 录用稿件，非最终出版稿
100 Scanning area:506.371 mm 0x100 Average composition Scanning area:518.824 mm" -1873 K liquidus Number:8200 -1873 K liquidus Number:17033 25、 Maximum Dx:15.7 um Maximum Dx:11.3 jm 75 25 Average D:1.9 um Average D:1.6 um Cao Cao 75、 100 -0 100 25 50 75 100 25 50 75 100 Al,O,/wt% AL,O,/wt% 圆3加不同钙含量的硅铁条件下钢中夹杂物成分分布.(a)未加硅铁：(b)0.68wt%I .92wt%TCa:(d1.22 wt%T.Ca Fig.3 Composition distribution of inclusions in the steel with the addition of diffe types of ferrosilicon alloys:(a)no addition of ferrosilicon alloy,(b)0.68 wt%T.Ca;(c)0.92 wt%Ca(d)1.2 w%T.Ca (a) 6.001m (b) 6.00m (e)3.8 8.004m AO90.3wt9% 59t9% MgO:2.2 wt% MgO:7.5 wt9 A1O:959wt96 Al2O,:100.0wt9% A山O:925yt9% Ca0:1.9wt% 圆4不加硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌.(a)Al2O,(b)Mg0Al,O,(C)AlO-(MgO-CaO) Fig.4 Morphologies of typical inclusions in the steel without the addition of ferrosilicon alloy:(a)Al2O;(b)MgO.Al2O; (c)Al2O,-(MgO-CaO) (a) 6.00 (b) 6.001m (c) 6.00m MgO:2.0 19 MgO:2.3 wt MgO:21.1 wt% Al0:56.8wt9% AO:73.2wt% CaO:40.9t% Ca0:5.7wt% 图5加X惩22wt%的硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌(a)Ca0-Al,O-MgO(b)Ca0-Al,O,(MgO,(Mg0- Al2O;-(CaO) Fig.5 Morphologies of typical inclusions in the steel with the addition of ferrosilicon alloy containing 1.22 wt%T.Ca:(a) CaO-Al2O3-(MgO);(b)CaO-Al2O3-(MgO);(c)MgO-Al2O3-(CaO) 图6为钢中钙含量和夹杂物成分随着加入含钙不同的硅铁合金的变化。当钢中加入硅铁时，钢液中 钙含量增加：在硅铁合金加入量相同条件下，随着硅铁合金中钙含量增加，钢液中钙含量增加，夹杂物 中Ca0含量增加而AlO3含量降低。不加硅铁合金时，夹杂物平均成分为4.7wt%CaO-91.6wt%AlO3-3.7 wt%Mg0:当加入含钙1.22wt%的硅铁合金时，夹杂物中Ca0含量从4.7wt%增加到37.4wt%,Al2O3含 量从91.6wt%降低为60.0wt%。 5
0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 MgO / wt% Average composition 1873 K liquidus CaO / wt% Al2O3 / wt% Scanning area: 506.371 mm2 Number: 8200 Maximum DMAX: 15.7 μm Average DMAX: 1.9 μm (c) 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 MgO / wt% Average composition 1873 K liquidus CaO / wt% Al2O3 / wt% Scanning area: 518.824 mm2 Number: 17033 Maximum DMAX: 11.3 μm Average DMAX: 1.6 μm (d) 图 3 加不同钙含量的硅铁条件下钢中夹杂物成分分布. (a) 未加硅铁; (b) 0.68 wt% T.Ca; (c) 0.92 wt% T.Ca; (d) 1.22 wt% T.Ca Fig.3 Composition distribution of inclusions in the steel with the addition of different types of ferrosilicon alloys: (a) no addition of ferrosilicon alloy; (b) 0.68 wt% T.Ca; (c) 0.92 wt% T.Ca; (d) 1.22 wt% T.Ca 图 4 不加硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌. (a) Al2O3; (b) MgO·Al2O3; (c) Al2O3-(MgO-CaO) Fig.4 Morphologies of typical inclusions in the steel without the addition of ferrosilicon alloy: (a) Al2O3; (b) MgO·Al2O3; (c) Al2O3-(MgO-CaO) 图 5 加入含钙 1.22 wt%的硅铁条件下钢中典型夹杂物形貌. (a) CaO-Al2O3-(MgO); (b) CaO-Al2O3-(MgO); (c) MgOAl2O3-(CaO) Fig.5 Morphologies of typical inclusions in the steel with the addition of ferrosilicon alloy containing 1.22 wt% T.Ca: (a) CaO-Al2O3-(MgO); (b) CaO-Al2O3-(MgO); (c) MgO-Al2O3-(CaO) 图 6 为钢中钙含量和夹杂物成分随着加入含钙不同的硅铁合金的变化。当钢中加入硅铁时，钢液中 钙含量增加；在硅铁合金加入量相同条件下，随着硅铁合金中钙含量增加，钢液中钙含量增加，夹杂物 中 CaO 含量增加而 Al2O3含量降低。不加硅铁合金时，夹杂物平均成分为 4.7 wt% CaO-91.6 wt% Al2O3-3.7 wt% MgO；当加入含钙 1.22 wt%的硅铁合金时，夹杂物中 CaO 含量从 4.7 wt%增加到 37.4 wt%，Al2O3含 量从 91.6 wt%降低为 60.0 wt%。 5 录用稿件，非最终出版稿