DOL:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.018 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 张 静四 于会香王新华王万军王茂 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhangjingzi666@163.com 摘要采用渣钢平衡的实验方法研究了1600℃下不同碱度和不同A,0,含量的强还原性精炼渣对高强度低合金钢中非金 属夹杂物的影响.结果表明：渣钢反应平衡后，炉渣中Ca0和Si02的质量比为1.9-4.5、Al,03质量分数为21%-33%，钢中 夹杂物主要为球状的C0一Mg0一A山，0Si02系，尺寸在5μum以下，炉渣成分对夹杂物的成分影响很大.夹杂物主要分布在 Si02含量一定的C0-Mg0-AL,03-Si02伪三元相图中1400-1500℃的低熔点区，随着炉渣碱度的提高和AL,0,含量的降 低，部分夹杂物逐渐偏离低熔点区域，夹杂物的总数量逐渐减小.当渣中A1203质量分数为21.22%、碱度为3.27时，有大量 夹杂物分布在高熔点区域，夹杂物的总数量最小. 关键词高强钢：低合金钢；精炼渣：夹杂物；氧化铝 分类号TF769.2 Effect of refining slag composition on non-metallic inclusions in high-strength low-alloy steel ZHANG Jing,YU Hui-xiang,WANG Xin-hua,WANG Wan-jun,WANG Mao School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhangjingzi666@163.com ABSTRACT The effect of strongly reduced refining slag with different basicities and Al2O,contents on non-metallic inclusions in molten steel was investigated through the slag-metal equilibrium at 1600C.When the slag-metal equilibrium is reached,the mass ratio of CaO to SiO2 in refining slag is from 1.9 to 4.5,and the mass fraction of Al2O,is from 21%to 33%.Non-metallic inclusions in steel are mainly the spherical Cao-MgO-Al,OSiO,system with size smaller than 5 pm.The composition of refining slag has a great effect on inclusions.Inclusions mainly distribute in the low melting point region of the Cao-MgO-Al2O,SiO quasi-ternary phase diagram with stable content of SiO2 between 1400C and 1 500C.With the basicity of refining slag increasing and the Al2O,content decreasing,part of inclusions gradually deviate from the low melting point region and the total number of inclusions decreases.When the mass fraction of Al2O,is 21.22%and the basicity of refining slag is 3.27,lots of inclusions distribute in the high melting point region and the total number of inclusions is the smallest. KEY WORDS high strength steel;low alloy steel:refining slag:inclusions;alumina 高强度低合金钢热轧中厚板广泛用于造船、桥 性能显著降低：(2)钢板由于氢致开裂(HⅢC)和硫化 梁、油气管线、高层建筑和海洋设施等，对强度、延 物应力腐蚀(SSC)产生的裂纹大多在条状或串状夹 性、低温韧性、焊接、抗氢致开裂和抗层状撕裂等性 杂物中形成.近年来，随着超低硫精炼、钢液钙 能等有很高要求回.非金属夹杂物尤其是条状 处理和洁净钢生产技术的进步，由条状MnS和串状 MnS、串状A山203或mCa0·nA山，03类夹杂物对此类 A山，0，夹杂物造成的钢板缺陷显著减少，而沿轧制 钢性能的影响很大.这主要是因为：(1)沿轧制方向 方向延伸的较低熔点mCa0·nAl,O3类夹杂物 延伸的条状或串状夹杂物造成钢板非轧制方向力学 (12Ca0·7Al,03、5Ca0·3Al,03和Ca0·Al,03)造成 收稿日期：201007-13 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2010CB630806)
第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 张 静 于会香 王新华 王万军 王 茂 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhangjingzi666@ 163． com 摘 要 采用渣钢平衡的实验方法研究了 1 600 ℃下不同碱度和不同 Al2O3 含量的强还原性精炼渣对高强度低合金钢中非金 属夹杂物的影响． 结果表明: 渣钢反应平衡后，炉渣中 CaO 和 SiO2 的质量比为 1. 9 ～ 4. 5、Al2O3 质量分数为 21% ～ 33% ，钢中 夹杂物主要为球状的 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 系，尺寸在 5 μm 以下，炉渣成分对夹杂物的成分影响很大． 夹杂物主要分布在 SiO2 含量一定的 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 伪三元相图中 1 400 ～ 1 500 ℃ 的低熔点区，随着炉渣碱度的提高和 Al2O3 含量的降 低，部分夹杂物逐渐偏离低熔点区域，夹杂物的总数量逐渐减小． 当渣中 Al2O3 质量分数为 21. 22% 、碱度为 3. 27 时，有大量 夹杂物分布在高熔点区域，夹杂物的总数量最小． 关键词 高强钢; 低合金钢; 精炼渣; 夹杂物; 氧化铝 分类号 TF769. 2 Effect of refining slag composition on non-metallic inclusions in high-strength low-alloy steel ZHANG Jing ，YU Hui-xiang，WANG Xin-hua，WANG Wan-jun，WANG Mao School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhangjingzi666@ 163． com ABSTRACT The effect of strongly reduced refining slag with different basicities and Al2O3 contents on non-metallic inclusions in molten steel was investigated through the slag-metal equilibrium at 1600 ℃ ． When the slag-metal equilibrium is reached，the mass ratio of CaO to SiO2 in refining slag is from 1. 9 to 4. 5，and the mass fraction of Al2O3 is from 21% to 33% ． Non-metallic inclusions in steel are mainly the spherical CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system with size smaller than 5 μm． The composition of refining slag has a great effect on inclusions． Inclusions mainly distribute in the low melting point region of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 quasi-ternary phase diagram with stable content of SiO2 between 1 400 ℃ and 1 500 ℃ ． With the basicity of refining slag increasing and the Al2O3 content decreasing，part of inclusions gradually deviate from the low melting point region and the total number of inclusions decreases． When the mass fraction of Al2O3 is 21. 22% and the basicity of refining slag is 3. 27，lots of inclusions distribute in the high melting point region and the total number of inclusions is the smallest． KEY WORDS high strength steel; low alloy steel; refining slag; inclusions; alumina 收稿日期: 2010--07--13 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( No． 2010CB630806) 高强度低合金钢热轧中厚板广泛用于造船、桥 梁、油气管线、高层建筑和海洋设施等，对强度、延 性、低温韧性、焊接、抗氢致开裂和抗层状撕裂等性 能等有很高要求［1--2］． 非金属夹杂物 尤 其 是 条 状 MnS、串状 Al2O3 或 mCaO·nAl2O3 类夹杂物对此类 钢性能的影响很大． 这主要是因为: ( 1) 沿轧制方向 延伸的条状或串状夹杂物造成钢板非轧制方向力学 性能显著降低; ( 2) 钢板由于氢致开裂( HIC) 和硫化 物应力腐蚀( SSC) 产生的裂纹大多在条状或串状夹 杂物中形成［3--5］． 近年来，随着超低硫精炼、钢液钙 处理和洁净钢生产技术的进步，由条状 MnS 和串状 Al2O3 夹杂物造成的钢板缺陷显著减少，而沿轧制 方向 延 伸 的 较 低 熔 点 mCaO·nAl2O3 类 夹 杂 物 ( 12CaO·7Al2O3、5CaO·3Al2O3 和 CaO·Al2O3 ) 造成 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.018
第7期 张静等：精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 ·829 的缺陷比率却有较大增长 90min,然后将坩埚快速取出并淬水冷却.对实验后 由于夹杂物组成与钢水炉外精炼渣密切相 的钢样和渣样进行化学成分分析，并采用电子显微 关6-，本研究采用渣一钢反应平衡的方法，研究了 镜、能谱和金相显微镜对钢中非金属夹杂物进行分 不同碱度和A!,03含量的精炼渣对高强度低合金钢 析检验 中非金属夹杂物的影响，探索采用较低碱度炉渣抑 2结果分析讨论 制钢中生成低熔点mCaO·nA山O,类夹杂物的可能. 为了研究炉渣对钢中非金属夹杂物的影响，实 1 研究方法 验前配置不同碱度(w(Ca0)/w(Si02))和AL,03含 渣-钢平衡实验在高温管式Si一Mo炉中进行， 量的炉渣（其化学成分见表1），渣钢反应90min后 炉内刚玉质反应管的恒温带（±5℃）长度为20cm. 钢水和炉渣化学成分分别见表2和表3，炉渣碱度 温度采用PD自动控制，控制精度为±1℃，反应的 为1.9~4.5，Al,03质量分数为21%~33%. 实际温度由坩锅底部的测温热电偶获得.实验时由 表1实验前渣样的化学成分 炉管底部通入高纯的氩气进行气氛保护，上部用高 Table 1 Chemical composition of slags before experiment 温橡胶密封 质量分数/% (CaO)/ 渣系 实验采用内径30mm的Mg0坩埚，钢样和炉渣 Cao Si02 Al203 Mgo w(Si02) 样质量分别为200g和40g,其中渣料由分析纯 43.00 21.50 25 饱和 2.0 AL,03、Ca0、SiO2和Mg0化学试剂配制，对Ca0进 2 54.25 15.50 25 饱和 3.5 行了预脱水处理.实验时先将钢样放入坩埚底部， 55.00 11.00 25 饱和 5.0 再将搅拌均匀的渣料装入坩埚，随后将坩埚放入炉 56.78 16.22 20 饱和 3.5 内后将炉管密闭，底部通入高纯氩气20min后按设 5 48.23 13.77 30 饱和 3.5 定升温速度升温至1600℃，在此温度下保温 表2实验结束后钢水成分（质量分数） Table 2 Composition of molten steel after experiment 号 渣系 C Si Mn Ca Mg Als T.0 1 0.048 0.19 1.72 0.0070 0.0010 0.00088 0.00074 0.0041 0.0019 2 0.041 0.18 1.78 0.0080 0.0003 0.00092 0.00074 0.0066 0.0014 3 0.044 0.17 1.78 0.0070 0.0003 0.00099 0.00048 0.0078 0.0007 4 0.044 0.17 1.77 0.0065 0.0004 0.00098 0.00054 0.0060 0.0010 5 0.048 0.17 1.76 0.0082 0.0006 0.00100 0.00100 0.0064 0.0016 表3实验结束后炉渣的化学成分 Table 3 Chemical composition of slags after experiment L=0(S) w(S]) (1) i (Ca0)/ 质量分数/% 式中，Ls为硫分配系数，w((S))为炉渣中硫的质量 渣系 (Si02) AL203 Mgo TFe MnO 分数，(S])为钢液中硫的质量分数. 1 1.93 24.48 13.650.011 0.44 由于反应前钢样中S含量很低(1.2×10-5)， 2 3.26 25.00 8.660.016 0.28 因此五个渣系的脱硫率分别是17%、75%、75%、 3 4.54 26.12 9.56 0.017 0.26 67%和50%，可得渣系2、3、4的脱硫能力比较好. 4 3.27 21.22 9.760.017 0.30 2.2非金属夹杂物的形貌和成分 5 3.31 30.04 10.190.014 0.27 将实验所得钢样（高约3cm)的上表面（与炉 渣接触的表面)和中间面（试样高度12处的表 2.1钢中硫含量对比 面)制成金相表面，用扫描电镜对该表面上的非金 炉渣和钢液反应90min后钢中S的质量分数为 属夹杂物进行观察，并用能谱仪分析其成分，每个 (3~10)×10-6,渣中S的质量分数为0.011%~ 表面随机观察20个夹杂物，每个试样共观察统计 0.017%,根据下式o计算得到五个渣系的硫分配 40个夹杂物.通过研究发现各渣系绝大多数夹杂 系数L分别是11、53、57、43和23. 物都呈球状或类球状，尺寸在5μm以下；夹杂物
第 7 期 张 静等: 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 的缺陷比率却有较大增长． 由于夹杂物组 成 与 钢 水 炉 外 精 炼 渣 密 切 相 关［6--9］，本研究采用渣--钢反应平衡的方法，研究了 不同碱度和 Al2O3 含量的精炼渣对高强度低合金钢 中非金属夹杂物的影响，探索采用较低碱度炉渣抑 制钢中生成低熔点 mCaO·nAl2O3 类夹杂物的可能． 1 研究方法 渣--钢平衡实验在高温管式 Si--Mo 炉中进行， 炉内刚玉质反应管的恒温带( ± 5 ℃ ) 长度为 20 cm． 温度采用 PID 自动控制，控制精度为 ± 1 ℃，反应的 实际温度由坩锅底部的测温热电偶获得． 实验时由 炉管底部通入高纯的氩气进行气氛保护，上部用高 温橡胶密封． 实验采用内径 30 mm 的 MgO 坩埚，钢样和炉渣 样质量 分 别 为 200 g 和 40 g，其 中 渣 料 由 分 析 纯 Al2O3、CaO、SiO2 和 MgO 化学试剂配制，对 CaO 进 行了预脱水处理． 实验时先将钢样放入坩埚底部， 再将搅拌均匀的渣料装入坩埚，随后将坩埚放入炉 内后将炉管密闭，底部通入高纯氩气 20 min 后按设 定升 温 速 度 升 温 至 1 600 ℃，在此温度下保温 90 min，然后将坩埚快速取出并淬水冷却． 对实验后 的钢样和渣样进行化学成分分析，并采用电子显微 镜、能谱和金相显微镜对钢中非金属夹杂物进行分 析检验． 2 结果分析讨论 为了研究炉渣对钢中非金属夹杂物的影响，实 验前配置不同碱度( w( CaO) /w( SiO2 ) ) 和 Al2O3 含 量的炉渣( 其化学成分见表 1) ，渣钢反应 90 min 后 钢水和炉渣化学成分分别见表 2 和表 3，炉渣碱度 为 1. 9 ～ 4. 5，Al2O3 质量分数为 21% ～ 33% ． 表 1 实验前渣样的化学成分 Table 1 Chemical composition of slags before experiment 渣系 质量分数/% CaO SiO2 Al2O3 MgO w( CaO) / w( SiO2 ) 1 43. 00 21. 50 25 饱和 2. 0 2 54. 25 15. 50 25 饱和 3. 5 3 55. 00 11. 00 25 饱和 5. 0 4 56. 78 16. 22 20 饱和 3. 5 5 48. 23 13. 77 30 饱和 3. 5 表 2 实验结束后钢水成分( 质量分数) Table 2 Composition of molten steel after experiment % 渣系 C Si Mn P S Ca Mg Als T． O 1 0. 048 0. 19 1. 72 0. 007 0 0. 001 0 0. 000 88 0. 000 74 0. 004 1 0. 001 9 2 0. 041 0. 18 1. 78 0. 008 0 0. 000 3 0. 000 92 0. 000 74 0. 006 6 0. 001 4 3 0. 044 0. 17 1. 78 0. 007 0 0. 000 3 0. 000 99 0. 000 48 0. 007 8 0. 000 7 4 0. 044 0. 17 1. 77 0. 006 5 0. 000 4 0. 000 98 0. 000 54 0. 006 0 0. 001 0 5 0. 048 0. 17 1. 76 0. 008 2 0. 000 6 0. 001 00 0. 001 00 0. 006 4 0. 001 6 表 3 实验结束后炉渣的化学成分 Table 3 Chemical composition of slags after experiment 渣系 w( CaO) / w( SiO2 ) 质量分数/% Al2O3 MgO S TFe + MnO 1 1. 93 24. 48 13. 65 0. 011 0. 44 2 3. 26 25. 00 8. 66 0. 016 0. 28 3 4. 54 26. 12 9. 56 0. 017 0. 26 4 3. 27 21. 22 9. 76 0. 017 0. 30 5 3. 31 30. 04 10. 19 0. 014 0. 27 2. 1 钢中硫含量对比 炉渣和钢液反应90 min 后钢中 S 的质量分数为 ( 3 ～ 10) × 10 － 6 ，渣中 S 的质量分数为 0. 011% ～ 0. 017% ，根据下式［10］计算得到五个渣系的硫分配 系数 LS分别是 11、53、57、43 和 23． LS = w( ( S) ) w( ［S］) ( 1) 式中，LS为硫分配系数，w( ( S) ) 为炉渣中硫的质量 分数，w( ［S］) 为钢液中硫的质量分数． 由于反应前钢样中 S 含量很低( 1. 2 × 10 － 5 ) ， 因此五个渣系的脱硫率分别是 17% 、75% 、75% 、 67% 和 50% ，可得渣系 2、3、4 的脱硫能力比较好． 2. 2 非金属夹杂物的形貌和成分 将实验所得钢样( 高约 3 cm) 的上表面( 与炉 渣接触的表面) 和中间面( 试样高度 1 /2 处 的 表 面) 制成金相表面，用扫描电镜对该表面上的非金 属夹杂物进行观察，并用能谱仪分析其成分，每个 表面随机观察 20 个夹杂物，每个试样共观察统计 40 个夹杂物． 通过研究发现各渣系绝大多数夹杂 物都呈球状或类球状，尺寸在 5 μm 以下; 夹杂物 ·829·
·830 北京科技大学学报 第33卷 成分大部分为Ca0-Mg0-A山，03-SiO2系夹杂（简 的MnO含量较高，因为该渣系的碱度较低，渣中 称钙镁铝硅酸盐夹杂)，部分含有少量的MO,没 SiO,与钢液中的Mn]反应生成Mn0夹杂.渣系4 有发现硫化物夹杂.图1和表4分别为各渣系典 中钢样上表面和中间面的夹杂物中Mg0、CaO含 型的钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌照片和上中表 量相差较大，其他渣系上中表面夹杂物的成分没 面夹杂物的平均成分.可以看到，渣系1中夹杂物 有明显差别 2 um 2四 2四 2 um 2 um 图1典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌 Fig.I Morphology of typical calcium-magnesium-aluminium silicate inclusions 表4典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的化学成分（质量分数） 碱度的变化不明显 Table 4 Chemical composition of typical calcium-magnesium-aluminium 60m silicate inclusions % ☐Ca0 ☑AL,0 渣系位置Mg0 A203 Si0, Ca0 MnO 50 Si0 M20 上 8.38 33.68 21.50 28.75 7.45 1 40叶 8222 Mn( 中 7.48 31.91 22.39 32.56 5.43 ☑ 上8.72 39.05 9.22 40.80 2.20 2 中 7.34 37.88 12.02 42.14 0.62 上10.90 34.06 7.86 46.16 1.01 3 中7.20 33.40 8.81 50.02 0.58 1.93 3.26 4.54 上 23.33 31.30 10.06 33.32 1.93 渣碱度，a(CaOWw(SiO,) 4 12.04 33.12 12.93 40.26 1.66 图2夹杂物中各组元成分与渣中c(Ca0)/e(Si0,)的关系 k 5.45 40.02 11.69 41.43 1.19 5 Fig.2 Relation between inclusion composition and w(CaO)/ 中 6.54 39.32 11.68 41.46 0.94 (Si02) 2.3炉渣碱度对非金属夹杂物的影响 由于绝大多数夹杂物为Ca0-Mg0-Al,03Si02 2.3.1对夹杂物成分和分布的影响 系，夹杂物中Si02含量比较稳定，因此固定Si02含 本研究渣-钢反应平衡后，渣系1、2和3中的 量，用Factsage V5.5绘出不同温度下(1400~ A山，03质量分数在25%左右，碱度（w(Ca0)/ 2000℃)Ca0-Mg0-Al203-Si02系的液相区域. 0(Si02))分别为1.93、3.26和4.54.图2是夹杂物 图3为三个渣系的夹杂物在伪三元相图中的成分 中各组元的平均成分与渣中w(Ca0)/w(SiO,)的关 分布.可以看出，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成 系.可以看到，当渣中A山，0含量一定时，随着渣中 分逐渐向Ca0含量增加和A山，03含量减少的方向 Ca0/Si02的增加，夹杂物中Ca0含量显著增加，移动.夹杂物主要分布在低熔点区1400~1500 SiO2和Mn0含量显著降低.当渣中w(Ca0)/ ℃，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐偏离低熔点 w(Si02)由1.93增加到3.26时，夹杂物中的 区域.其中，当碱度由3.26增加到4.54时，夹杂 o(CaO)/w(Si02)和Mn0含量变化较大，w(Ca0)/ 物中出现了一些Mg0含量较高的夹杂物，高熔点 w(Si02)由1.39增加到3.89，Mn0质量分数由 (大于1600℃)夹杂物所占的比率由6.45%增加 6.52%降低到1.39%；当渣中w(Ca0)/w(Si02)由 到29.4%. 3.26增加到4.54时，夹杂物中w(Ca0)/w(Si02)和 2.3.2对夹杂物数量和尺寸的影响 Mn0含量变化较小，w(Ca0)/w(Si02)由3.89增加 将实验所得钢样的上表面和中间面制成金相 到5.77，Mn0质量分数由1.39%降低到0.81%.随 表面在光学显微镜下观察.避开试样边部，随机选 着渣中w(Ca0)/w（SiO2)的增加，夹杂物中 取一个位置对试样中夹杂物的数量和尺寸分布进 w(CaO)/e(AL,03)逐渐增大，AL,O3和Mg0含量随 行统计，每个试样统计200个视场，总面积为
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 成分大部分为 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 系夹杂( 简 称钙镁铝硅酸盐夹杂) ，部分含有少量的 MnO，没 有发现硫化物夹杂． 图 1 和表 4 分别为各渣系典 型的钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌照片和上中表 面夹杂物的平均成分． 可以看到，渣系 1 中夹杂物 的 MnO 含量较高，因为该渣系的碱度较低，渣中 SiO2 与钢液中的［Mn］反应生成 MnO 夹杂． 渣系 4 中钢样上表面和中间面的夹杂物中 MgO、CaO 含 量相差较大，其他渣系上中表面夹杂物的成分没 有明显差别． 图 1 典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的形貌 Fig． 1 Morphology of typical calcium-magnesium-aluminium silicate inclusions 表 4 典型钙镁铝硅酸盐类夹杂物的化学成分( 质量分数) Table 4 Chemical composition of typical calcium-magnesium-aluminium silicate inclusions % 渣系 位置 MgO Al2O3 SiO2 CaO MnO 1 上 8. 38 33. 68 21. 50 28. 75 7. 45 中 7. 48 31. 91 22. 39 32. 56 5. 43 2 上 8. 72 39. 05 9. 22 40. 80 2. 20 中 7. 34 37. 88 12. 02 42. 14 0. 62 3 上 10. 90 34. 06 7. 86 46. 16 1. 01 中 7. 20 33. 40 8. 81 50. 02 0. 58 4 上 23. 33 31. 30 10. 06 33. 32 1. 93 中 12. 04 33. 12 12. 93 40. 26 1. 66 5 上 5. 45 40. 02 11. 69 41. 43 1. 19 中 6. 54 39. 32 11. 68 41. 46 0. 94 2. 3 炉渣碱度对非金属夹杂物的影响 2. 3. 1 对夹杂物成分和分布的影响 本研究渣 － 钢反应平衡后，渣系 1、2 和 3 中的 Al2O3 质 量 分 数 在 25% 左 右，碱 度 ( w ( CaO) / w( SiO2 ) ) 分别为 1. 93、3. 26 和 4. 54． 图 2 是夹杂物 中各组元的平均成分与渣中 w( CaO) /w( SiO2 ) 的关 系． 可以看到，当渣中 Al2O3 含量一定时，随着渣中 CaO/SiO2 的增加，夹杂 物 中 CaO 含 量 显 著 增 加， SiO2 和 MnO 含 量 显 著 降 低． 当 渣 中 w ( CaO) / w( SiO2 ) 由 1. 93 增 加 到 3. 26 时，夹 杂 物 中 的 w( CaO) /w( SiO2 ) 和 MnO 含量变化较大，w( CaO) / w( SiO2 ) 由 1. 39 增 加 到 3. 89，MnO 质 量 分 数 由 6. 52% 降低到 1. 39% ; 当渣中 w( CaO) /w( SiO2 ) 由 3. 26 增加到 4. 54 时，夹杂物中 w( CaO) /w( SiO2 ) 和 MnO 含量变化较小，w( CaO) /w( SiO2 ) 由 3. 89 增加 到 5. 77，MnO 质量分数由 1. 39% 降低到 0. 81% ． 随 着 渣 中 w ( CaO) /w ( SiO2 ) 的 增 加，夹 杂 物 中 w( CaO) /w( Al2O3 ) 逐渐增大，Al2O3 和 MgO 含量随 碱度的变化不明显． 图 2 夹杂物中各组元成分与渣中 w( CaO) /w( SiO2 ) 的关系 Fig． 2 Relation between inclusion composition and w ( CaO ) / w( SiO2 ) 由于绝大多数夹杂物为 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 系，夹杂物中 SiO2 含量比较稳定，因此固定 SiO2 含 量，用 Factsage V5. 5 绘 出 不 同 温 度 下 ( 1 400 ～ 2 000 ℃ ) CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 系 的 液 相 区 域． 图 3为三个渣系的夹杂物在伪三元相图中的成分 分布． 可以看出，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成 分逐渐向 CaO 含量增加和 Al2O3 含量减少的方向 移动． 夹杂物主要分布在低熔点区 1 400 ～ 1 500 ℃ ，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐偏离低熔点 区域． 其中，当碱度由 3. 26 增加到 4. 54 时，夹杂 物中出现了一些 MgO 含量较高的夹杂物，高熔点 ( 大于 1 600 ℃ ) 夹杂物所占的比率由 6. 45% 增加 到 29. 4% ． 2. 3. 2 对夹杂物数量和尺寸的影响 将实验所得钢样的上表面和中间面制成金相 表面在光学显微镜下观察． 避开试样边部，随机选 取一个位置对试样中夹杂物的数量和尺寸分布进 行统 计，每 个 试 样 统 计 200 个 视 场，总 面 积 为 ·830·
第7期 张静等：精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 ·831 5.1807mm2.各渣系与钢液反应后所得钢样上表 式中：I为单位面积上直径相当于B的夹杂物的个 面和中间面的夹杂物数量及尺寸分布见表5.其 数(mm2);N为视场个数，本计算中为200：S为视 中，当量直径下夹杂物数量的计算方法为： 场面积：B为夹杂物当量直径，本计算中取B= ∑(sn,) 3m;S:为不同直径夹杂物的平均面积；n:为各级夹 I= N·S·T·B2/4 杂个数. Mgo Mgo Mgo 0.940.1 0.90.1 0.90.1 0.8 A0.2 0.8 0.2 (e) 0.8 0.2 0.7 0.3 0.7 0.3 0.7 2 0.3 0.6 0.6 0.6 0.5 0.54 0.54 0.5 0.4 .4/ 0.6会 0.4 0.34 0.3 0.7 0.34 200 06 7 0.7 02 0.8 0.2 0.8 0.2 0.8 0.1 0.9 0.1 0.9 0.1 0.9 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1A1,0 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1A1,0, Ca00.90.80.70.60.50.40.3020.1A1,0, 图3不同炉渣碱度钢中夹杂物的组成分布.(a)w(Ca0)/w(Si02)=1.93:(b)(Ca0)/e(Si02)=3.26:(c)w(Ca0)/w(Si02)=4.54 Fig.3 Distribution of inclusions in steel with different basicities of slags:(a)w(Ca0)/w(Si0,)=1.93:(b)(Ca0)/(SiO2)=3.26:(c) w(Ca0)/w(Si02）=4.54 表5不同炉渣碱度的钢中夹杂物数量及尺寸分布 Table 5 Inclusion number and size distribution in steel with different basicities of slags 碱度， 夹杂物个数/mm2 渣系 位置 w(CaO）1w(SiO2) 1~3μm 3~5μm 5-10μm >10um 当量直径B=3μm 上 1.93 14.28 4.44 1.35 0.19 27.51 中 1.93 17.37 4.05 0.58 0 18.55 上 3.26 10.42 3.09 0.58 0 13.74 2 3.26 13.70 2.90 0.39 0 13.65 上 4.54 12.35 2.32 0.39 0 12.02 名 4.54 13.51 2.32 0.19 0 11.33 从表5可以看出，各渣系试样中绝大多数的夹 ☐Ca0 Z☑AL0, 杂物尺寸分布在1~3m,所占比例70%以上，其中 50 四Si0, m Mgo 888Mn0 2~3um左右的夹杂物居多，并且上表面1~3μm 40 夹杂物的数量比中间表面少，而大尺寸夹杂物的数 低 量比中间表面多，这是由钢液中小尺寸的夹杂物聚 30 集上浮造成的.针对渣系1、2和3，随着炉渣碱度的 30 增加，夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数量减 少，当量直径B=3um的夹杂物数量也明显减少. 从夹杂物的尺寸来看，随着炉渣碱度的降低，半径大 2122 25.00 304 于3um的夹杂物数量明显增加，说明随着炉渣碱度 渣中A山，0，质量分数% 的降低，钢中生成大尺寸夹杂物的可能性增大 图4夹杂物中各组元成分与渣中A山203的关系 2.4炉渣A山，03含量对非金属夹杂物的影响 Fig.4 Relation between the composition of inclusions and Al,O 2.4.1对非金属夹杂物成分和分布的影响 本研究渣-钢反应平衡后，渣系4、2和5的碱度 A山20，含量的增加，夹杂物成分中的Al,03和Ca0 在3.3左右，Al203质量分数分别为21.22%、25% 含量相应增加，w(Ca0)/o(A山03)变化不大，在1 和30.04%，图4是三个渣系的夹杂物中各组元成 左右，Mg0含量显著下降，SiO2和Mn0含量没有明 分与渣中A2O3含量的关系.可以看到：随着渣中 显变化.渣中A山203质量分数由21.22%增加到
第 7 期 张 静等: 精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响 5. 180 7 mm2 ． 各渣系与钢液反应后所得钢样上表 面和中间面的夹杂物数量及尺寸分布见表 5． 其 中，当量直径下夹杂物数量的计算方法为: I = ∑( Si·ni ) N·S·π·B2 /4 ． 式中: I 为单位面积上直径相当于 B 的夹杂物的个 数( mm － 2 ) ; N 为视场个数，本计算中为 200; S 为视 场面积; B 为夹杂物当量直径，本 计 算 中 取 B = 3 μm; Si为不同直径夹杂物的平均面积; ni为各级夹 杂个数． 图 3 不同炉渣碱度钢中夹杂物的组成分布． ( a) w( CaO) /w( SiO2 ) = 1. 93; ( b) w( CaO) /w( SiO2 ) = 3. 26; ( c) w( CaO) /w( SiO2 ) = 4. 54 Fig． 3 Distribution of inclusions in steel with different basicities of slags: ( a) w( CaO) /w( SiO2 ) = 1. 93; ( b) w( CaO) /w( SiO2 ) = 3. 26; ( c) w( CaO) /w( SiO2 ) = 4. 54 表 5 不同炉渣碱度的钢中夹杂物数量及尺寸分布 Table 5 Inclusion number and size distribution in steel with different basicities of slags 渣系 位置 碱度， w( CaO) /w( SiO2 ) 夹杂物个数/mm － 2 1 ～ 3 μm 3 ～ 5 μm 5 ～ 10 μm ＞ 10 μm 当量直径 B = 3 μm 1 上 1. 93 14. 28 4. 44 1. 35 0. 19 27. 51 中 1. 93 17. 37 4. 05 0. 58 0 18. 55 2 上 3. 26 10. 42 3. 09 0. 58 0 13. 74 中 3. 26 13. 70 2. 90 0. 39 0 13. 65 3 上 4. 54 12. 35 2. 32 0. 39 0 12. 02 中 4. 54 13. 51 2. 32 0. 19 0 11. 33 从表 5 可以看出，各渣系试样中绝大多数的夹 杂物尺寸分布在 1 ～ 3 μm，所占比例 70% 以上，其中 2 ～ 3 μm 左右的夹杂物居多，并且上表面 1 ～ 3 μm 夹杂物的数量比中间表面少，而大尺寸夹杂物的数 量比中间表面多，这是由钢液中小尺寸的夹杂物聚 集上浮造成的． 针对渣系 1、2 和 3，随着炉渣碱度的 增加，夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数量减 少，当量直径 B = 3 μm 的夹杂物数量也明显减少． 从夹杂物的尺寸来看，随着炉渣碱度的降低，半径大 于 3 μm 的夹杂物数量明显增加，说明随着炉渣碱度 的降低，钢中生成大尺寸夹杂物的可能性增大． 2. 4 炉渣 Al2O3 含量对非金属夹杂物的影响 2. 4. 1 对非金属夹杂物成分和分布的影响 本研究渣--钢反应平衡后，渣系 4、2 和 5 的碱度 在 3. 3 左右，Al2O3 质量分数分别为 21. 22% 、25% 和 30. 04% ，图 4 是三个渣系的夹杂物中各组元成 分与渣中Al2 O3 含量的关系． 可以看到: 随着渣中 图 4 夹杂物中各组元成分与渣中 Al2O3 的关系 Fig． 4 Relation between the composition of inclusions and Al2O3 Al2O3 含量的增加，夹杂物成分中的 Al2O3 和 CaO 含量相应增加，w( CaO) /w( Al2O3 ) 变化不大，在 1 左右，MgO 含量显著下降，SiO2 和 MnO 含量没有明 显变化． 渣 中 Al2O3 质 量 分 数 由 21. 22% 增 加 到 ·831·
·832· 北京科技大学学报 第33卷 25%时，夹杂物中的Al,03、Ca0和Mg0含量变化较 增加，夹杂物的分布逐渐趋于集中，大部分夹杂物分 大，当由25%增加到30.04%时，夹杂物中的A山203、 布在1400~1500℃的低熔点区.当渣中A山203质 Ca0和Mg0含量变化较小. 量分数为21.22%时，夹杂物分布比较分散，出现了 图5是炉渣碱度在3.3左右，A山203含量变化时 许多Mg0含量较高的夹杂物，约50%的夹杂物进入 钢中夹杂物在Ca0-Mg0-Al,03-Si02伪三元相图 了1600℃以上的高熔点区域.可见，低A山203含量 中的成分分布.可以看到，随着渣中A山，O3含量的 的炉渣有利于生成Mg0含量较高的高熔点夹杂物 Mgo MgO (a) (b) c 0940.1 0.9 0.1 0.9 0.1 0.8 0.2 0.8 02 0.8 02 7 03 0.7 03 07 03 0.6 0.4 0.6 .4 0.6 .4 0.5 0.5 0.5 0.5 05 0.4 0.6 .4 06 4 0.6 0.3 0.7 03 03 07 0.2 0.8 0.2 0.2 0.8 0.1 09 0.1 0.9 09 Ca00.90.80.70.60.50.40.3020.1AL,0 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1101 Ga00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Al,0 图5钢中夹杂物的组成分布.(a)m(A1201)=21.22%:(b)e(A202)=25.00%:(c)w(A203)=30.04% Fig.5 Distribution of inclusions in steel:(a)(AL20:)=21.22%:(b)(Al2 03)=25.00%:(c)(Al20)=30.04% 2.4.2对夹杂物数量和尺寸的影响 面多.当炉渣碱度一定时，随着渣中A山，03含量的 表6为渣中A山，03含量对钢中夹杂物数量和尺 增加（对于渣系4、2和5），钢中夹杂物的数量和当 寸的影响.可以看出，各渣系试样中夹杂物的尺寸 量直径B=3um时的夹杂物总数量呈增加的趋势. 主要分布在1~3μm,并且上表面小尺寸的夹杂物 当A山203质量分数为21.22%时，夹杂物的总数量和 数量比中间表面少，大尺寸夹杂物的数量比中间表 当量直径B=3um时的夹杂物数量最小. 表6夹杂物数量及尺寸分布 Table 6 Inclusion number and size distribution 夹杂物个数/mm2 渣系 位置 w(AL203)/% 1-3μm 3~5μm 5~10μm >10μm 当量直径B=3μm < 21.22 8.11 3.28 0.39 0 11.85 中 21.22 10.81 2.32 0.19 0 10.13 < 25.00 10.42 3.09 0.58 0 13.74 2 8 25.00 13.70 2.90 0.39 13.65 上 30.04 12.93 2.51 0.58 0 13.83 中 30.04 19.69 3.28 0.58 0 18.20 中的w(Ca0)/w(Si02)、w(Ca0)/u(Al203)逐渐增 3结论 大，MnO含量显著降低，MgO含量变化不明显.夹 (1)对于本实验，渣一钢反应平衡后，钢中S质 杂物主要分布在SiO2含量一定的伪三元Ca0- 量分数为(3~10)×10-6，渣系2、3和4的脱硫能力 Mg0-Al203-Si02相图中1400~1500℃的低熔点 比较好，脱硫率可达到67%~75%.炉渣(Ca0)/ 区，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐向高熔点区域 0(Si02)为1.9~4.5，A山03质量分数为21%~ 移动：钢中夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数 33%.钢中夹杂物基本为Ca0-Mg0-Al,03一Si02 量随着炉渣碱度的增加而减少 系，部分含少量MnO.绝大部分夹杂物为黑色球状 (3)渣-钢反应平衡后，当渣碱度在3.3左右 或类球状，尺寸在5μm以下，夹杂物的成分受炉渣 时，随着渣中A山，03含量的增加，夹杂物成分中的 成分的影响很大 Al203和Ca0含量增加，但w(Ca0)/w(Al203)变化 (2)渣-钢反应平衡后，当渣中A山，03质量分数 不大，Mg0含量显著下降，SiO2和MnO含量没有明 在25%左右时，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成分 显变化.钢中夹杂物主要分布在Si02含量一定的
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 25% 时，夹杂物中的 Al2O3、CaO 和 MgO 含量变化较 大，当由 25% 增加到 30. 04% 时，夹杂物中的 Al2O3、 CaO 和 MgO 含量变化较小． 图 5 是炉渣碱度在 3. 3 左右，Al2O3 含量变化时 钢中夹杂物在 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 伪三元相图 中的成分分布． 可以看到，随着渣中 Al2O3 含量的 增加，夹杂物的分布逐渐趋于集中，大部分夹杂物分 布在 1 400 ～ 1 500 ℃ 的低熔点区． 当渣中 Al2O3 质 量分数为 21. 22% 时，夹杂物分布比较分散，出现了 许多 MgO 含量较高的夹杂物，约50% 的夹杂物进入 了 1 600 ℃以上的高熔点区域． 可见，低 Al2O3 含量 的炉渣有利于生成 MgO 含量较高的高熔点夹杂物． 图 5 钢中夹杂物的组成分布． ( a) w( Al2O3 ) = 21. 22% ; ( b) w( Al2O3 ) = 25. 00% ; ( c) w( Al2O3 ) = 30. 04% Fig． 5 Distribution of inclusions in steel: ( a) w( Al2O3 ) = 21. 22% ; ( b) w( Al2O3 ) = 25. 00% ; ( c) w( Al2O3 ) = 30. 04% 2. 4. 2 对夹杂物数量和尺寸的影响 表 6 为渣中 Al2O3 含量对钢中夹杂物数量和尺 寸的影响． 可以看出，各渣系试样中夹杂物的尺寸 主要分布在 1 ～ 3 μm，并且上表面小尺寸的夹杂物 数量比中间表面少，大尺寸夹杂物的数量比中间表 面多． 当炉渣碱度一定时，随着渣中 Al2O3 含量的 增加( 对于渣系 4、2 和 5) ，钢中夹杂物的数量和当 量直径 B = 3 μm 时的夹杂物总数量呈增加的趋势． 当 Al2O3 质量分数为 21. 22% 时，夹杂物的总数量和 当量直径 B = 3 μm 时的夹杂物数量最小． 表 6 夹杂物数量及尺寸分布 Table 6 Inclusion number and size distribution 渣系 位置 w( Al2O3 ) /% 夹杂物个数/mm － 2 1 ～ 3 μm 3 ～ 5 μm 5 ～ 10 μm ＞ 10 μm 当量直径 B = 3 μm 4 上 21. 22 8. 11 3. 28 0. 39 0 11. 85 中 21. 22 10. 81 2. 32 0. 19 0 10. 13 2 上 25. 00 10. 42 3. 09 0. 58 0 13. 74 中 25. 00 13. 70 2. 90 0. 39 0 13. 65 5 上 30. 04 12. 93 2. 51 0. 58 0 13. 83 中 30. 04 19. 69 3. 28 0. 58 0 18. 20 3 结论 ( 1) 对于本实验，渣--钢反应平衡后，钢中 S 质 量分数为( 3 ～ 10) × 10 － 6 ，渣系 2、3 和 4 的脱硫能力 比较好，脱硫率可达到 67% ～ 75% ． 炉渣 w( CaO) / w( SiO2 ) 为 1. 9 ～ 4. 5，Al2O3 质 量 分 数 为 21% ～ 33% ． 钢中夹杂物基本为 CaO--MgO--Al2O3 --SiO2 系，部分含少量 MnO． 绝大部分夹杂物为黑色球状 或类球状，尺寸在 5 μm 以下，夹杂物的成分受炉渣 成分的影响很大． ( 2) 渣--钢反应平衡后，当渣中 Al2O3 质量分数 在 25% 左右时，随着炉渣碱度的增加，夹杂物成分 中的 w( CaO) /w( SiO2 ) 、w( CaO) /w( Al2O3 ) 逐渐增 大，MnO 含量显著降低，MgO 含量变化不明显． 夹 杂物 主 要 分 布 在 SiO2 含量一定的伪三元 CaO-- MgO--Al2O3 --SiO2 相图中 1 400 ～ 1 500 ℃ 的低熔点 区，随着碱度的增加，部分夹杂物逐渐向高熔点区域 移动; 钢中夹杂物的总数量尤其是大尺寸夹杂的数 量随着炉渣碱度的增加而减少． ( 3) 渣--钢反应平衡后，当渣碱度在 3. 3 左右 时，随着渣中 Al2O3 含量的增加，夹杂物成分中的 Al2O3 和 CaO 含量增加，但 w( CaO) /w( Al2O3 ) 变化 不大，MgO 含量显著下降，SiO2 和 MnO 含量没有明 显变化． 钢中夹杂物主要分布在 SiO2 含量一定的 ·832·