帘线钢中酸溶铝含量的变化及其对夹杂物的影响_陈书浩

1、 第 46卷 第 10期 2 0 11年 10月 钢 铁I r o n a n d S t e e l Vo l . 46, N o . 10O c t o b e r 2011帘线钢中酸溶铝含量的变化及其对夹杂物的影响陈书浩 , 王新华 , 何肖飞 , 姜 敏 , 黄福祥(北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 100083摘 要 :研究了采用 L D-R H-L F -C C 工艺流程生产帘线钢时 , 钢中酸溶铝含量的变化情况 。 研究发现 , 精炼过 程中酸溶铝含量略有下降 , 但连铸过程中酸溶铝含量急剧下降 。 夹杂物中 A l 2O 3含量随着酸溶铝含量的上升而逐 渐增大 。 S

2、i O 2含量降低时夹杂物熔点提高 。 采用低碱度 、 低 A l 2O 3含量的顶渣精炼工艺 , 严格控制钢中 w (A l s 在 0. 000 5%0. 001%范围内 , 促进夹杂物上浮 , 有利于钢中氧化物夹杂的数量减少 、 尺寸细小和塑性化 。 关键词 :帘线钢 ; 酸溶铝 ; 顶渣精炼 ; 低熔点区文献标志码 :A 文章编号 :0449-749X (2011 10-0042-06E f f e c t o f A c i d -S o l u b l e A l u m i n u m o n I n c l u s i o n s i n T yr e C o r d S t

3、e e l C H E N S h u -h a o , WA N G X i n -h u a , H E X i a o -f e i , J I A N G M i n , HU A N G F u -x i a n g(S c h o o l o f M e t a l l u r g i c a l a n d E c o l o g i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g , B e i j i n g

4、100083, C h i n a A b s t r a c t :E f f e c t o f a c i d -s o l u b l e a l u m i n u m o n t h e p r o p e r t y o f t h e i n c l u s i o n s d u r i n g t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f L D-R H-L F -C C o f t y r e c o r d s t e e l w a s i n v e s t i g a t e d . I t i s f o u n d t

5、 h a t A c i d -s o l u b l e a l u m i n u m h a s a s l i g h t d e c r e a s e t r e n d d u r i n g t h e r e f i n i n g p r o c e s s b u t d r o p s r a p i d l y d u r i n g t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g p r o c e s s .W i t h t h e i n c r e a s e o f A c i d -s o l u -b l e a l u

6、 m i n u m c o n t e n t , t h e A l 2O 3c o n t e n t i n t h e i n c l u s i o n s i n c r e a s e s w h i l e t h e S i O 2c o n t e n t d e c r e a s e , m e a n w h i l e t h e m e l t i n g o f i n c l u s i o n s i n c r e a s e s .U s i n g t o p s l a g w i t h l o w b a s i c i t y a n d l

7、 o w A l 2O 3c o n t e n t i n t h e r e f i n i n g p r o c e s s , s t r i c t l y c o n t r o l l i n g t h e A c i d -s o l u b l e a l u m i n u m w i t h i n a r a n g e o f 0. 000 5%-0. 001%, a s w e l l a s p r o m o t i n g f l o a t i n g u pw a r d o f i n c l u s i o n s , w i l l b e b

8、e n e f i t f o r l o w n u m b e r a n d l i t t l e s i z e a n d p l a s t i f i c a t i o n o f t h e i n c l u s i o n s i n s t e e l . K e y w o r d s :t y r e c o r d s t e e l ; a c i d -s o l u b l e a l u m i n u m ; t o p s l a g r e f i n i n g ; l o w m e l t i n g p o i n t a r e a -

9、钢帘线是汽车子午线轮胎的骨架 ,对钢中夹杂物 塑性要求很高 , 以避免拉拔 、 合股过程中的断丝 1-2。 因而只能采用 S i -M n 脱氧并将钢中铝含量控制在极 低水平 , 以避免生成大尺寸 、 不变形夹杂物 。实际工艺过程中 , 各种原料 、 过程 钢 渣 反 应 、 连 铸过程二次氧化这些因素都会造成钢液中铝含量的 波动 。 近年来 , 国内外尤其是国内在帘线钢 中夹杂 物塑性化方面有了更深认识 。 但在更高牌号的帘线钢生产方面 , 与国外仍差距明显 3-4。 以往研究中较 多分析探讨了酸溶铝含量对帘线钢中夹杂物塑性化 控制的重要性及合理的酸溶铝含量控制范围 , 但较 少系统地 、

10、具体地分 析其含量波动对钢中夹 杂物成 分的具体影响 。因此 , 本文分析了精炼 、 连铸过程中钢水样和成 品 (铸坯和初轧方坯 中酸溶铝含量的变化规律和影 响因素 , 并就酸溶铝含量变化对夹杂物的影 响进行了较深入的讨论 。1 试验方案及试样制备以某 厂 生 产 的 72级 别 帘 线 钢 为 例 , 研 究 了 L D R H L F (顶 渣 精 炼 软 吹 氩 搅 拌 连 铸 初轧 轧制盘条工艺过程中酸溶铝含量变化与钢中 非金属夹杂物的变化 。 试验过程 采用 S i -M n 脱氧 , 在转炉出钢时进行合金化和专用精炼渣合成渣洗 , 经 R H 真空处理 , 在 L F 炉 分 批加

11、入专 用 渣 进 行精 炼 , 并加入 S i C 粉进行扩散脱氧 。 L F 炉处理后进行 软吹氩处理 ,处理时钢 包 加 入 低碳碳化 稻 壳 进 行保 温 。 连铸过程中采 用 保 护 浇注 , 钢 包覆盖剂采用专 用精炼渣 。 本次试验共进行 4个 炉次 ,冶炼过程中 在 R H 、 L F 、 软 吹 氩 和 中 间 包 工 位 不 同 时 间 点 分 别 用提桶取样器取钢水样 ,并取渣样 , 冶炼结束后在铸 坯和小方坯中取样 。 帘线钢专用精炼渣采用低碱度第 10期陈书浩等 :帘线钢中酸溶铝含量的变化及其对夹杂物的影响和低 A l 2O 3含量的顶渣 。将取得的试样进行线切割加工

12、, 得到 5m m 的 圆棒 , 分析钢 中 w (T O 和 w (N , 切 取 块 样 分 析钢样成分 。 其中 , 碳 、 硫 、 氧采用红外吸收法 , 硅 、 锰 、 钙采用 I C P -A E S 法 , 酸溶铝采用 I C P -M S 法 , 氮 采取热导法进行定量精确检测 。 所切取的 15m m×15m m×15m m 试 样 经 过 打 磨 、 抛 光 后 , 采 用 S E M 观察钢中夹杂物形貌 , 并利用 E D S 对夹杂物的化学 组成进行定量分析 。2 试验结果与讨论2. 1 试验钢和炉渣的成分表 1为 4炉中具有代表性的一炉钢样的主要化

13、学成分 (质量分数 及对应工艺段的炉渣主要成分 。 其中 R H 、 L F 、 R F 、 Z B 、 Z P 和 S P 分别代表 R H 、 L F 、 软吹 、 中包 、 铸坯和小方坯试样 。 可以看出 , 铸坯中w (T O 控 制 在 20×10-6以 下 , 纯 净 度 较 高 。 精 炼 过 程 中 有 轻 微 的 回 磷 回 硫 , w (P 和 w (S 表 1 试验钢生产过程中钢和渣的化学成分T a b l e 1 C o m p o s i t i o n s o f s t e e l a n d s l a g d u r i n g p r o d u

14、c t i o n p r o c e s s o f e x p e r i m e n t a l s t e e l /m a s s %取样点 C S i M n P S A l s T O C a O S i O 2A l 2O 3M g O R H 到站 0. 51 0. 08 0. 44 0. 0070 0. 0090 0. 0011 0. 0094 46. 26 29. 56 8. 49 7. 59R H 出站 0. 54 0. 09 0. 45 0. 0065 0. 0085 0. 0010 0. 0018 45. 44 29. 93 8. 69 8. 64L F 出站 0.

15、 72 0. 25 0. 51 0. 0079 0. 0096 0. 0011 0. 0018 46. 38 33. 33 6. 57 7. 00R F 结束 0. 71 0. 24 0. 49 0. 0080 0. 0096 0. 0013 0. 0015 43. 99 31. 92 9. 75 9. 13Z B 0. 71 0. 25 0. 50 0. 0083 0. 0093 0. 0010 0. 0017 38. 78 35. 49 7. 02 7. 05Z P 0. 72 0. 24 0. 49 0. 0081 0. 0092 0. 0005 0. 0018 S P 0. 720.

16、240. 490. 00820. 00940. 00050. 0019 都控制在 0. 01%以下 , 达到了目标要求 。 精炼过程 中顶渣 碱 度 呈 下 降 的 趋 势 , 中 包 覆 盖 渣 碱 度 不 到 1. 1; 过程渣中 w (A l 2O 3为 7%10%, 实现了低 碱度低 A l 2O 3顶渣精炼的工艺路线 。 从表 1可以看出 , R H 过程钢中 w (A l s 有所 降低 , L F 顶 渣 精 炼 过 程 直 到 连 铸 中 间 包 , 钢 中 w (A l s 在 0. 001%左 右 , 变 化 幅 度 不 大 。 在 钢 液 凝固过程中 , w (A l s

17、 急剧下降 , 铸坯中 w (A l s 已经降低到 5×10-6。 2. 2 钢中酸溶铝含量对钢中夹杂物的影响2. 2. 1 酸溶铝含量对钢中夹杂物数量的影响图 1所示为试验钢中夹 杂 物 数 量 与 w (A l s 的关 系 。 试 验 过 程 中 w (A l s 处 在 0. 000 4%0. 0019%区间 。 总体趋势上 , 钢中单位面 积夹杂物 数量 随 着 w (A l s 的 上 升 迅 速 增 大 , 在 极 小 范 围 内 , 夹杂物数量振荡变化 。w (A l s 过高或者过低 , 都会使钢中夹杂物增 多 。 w (A l s 过 低 时 , 会 使 钢 中

18、 溶 解 的 氧 含 量 增 大 , 不但会使钢中夹杂物数量增多 , 还会影响钢的组 织性能 ; w (A l s 过高 , 在降低钢中溶解氧 、 细化晶 粒的同时 , 也会增加浇铸时钢液的二次氧化 , 产生滞 留在钢中的 A l 2O 3夹 杂 物 ,在 凝 固 时 析 出 A l N , 使得表面产生裂纹 。 试验钢中 w (A l s 大 部 分 处 在 0中 图 1 夹杂物数量和 w (A l s 的关系 F i g . 1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n c l u s i o n n u m b e r a n d a

19、 c i d -s o l u b l e a l u m i n u m c o n t e n t w (A l s , 同时 钢 中 w (T O 比 铝 脱 氧 钢 要 高 。 酸溶铝会与氧和氮反应 , 生成 A l 2O 3和 A l N 。 随着 w (A l s 的提高 , 夹杂物数量增加 。 2. 2. 2 酸溶铝含量对氧化物夹杂中 A l 2O 3含量的 影响试样 中 非 金 属 夹 杂 物 主 要 有 3类 , 即 M n S 、 M n O -S i O 2-A l 2O 3和 C a O -S i O 2-A l 2O 3复 合 氧 化 物 夹杂 。 M n S 是软

20、性 夹 杂 物 , 纯 M n S 或 者 包 裹 在 氧 化物上的 M n S 都具有良好的变形能力 ,因此本文中 s ·34·钢 铁第 46卷研究发现 , 高碳硬线钢中夹杂物低熔点化的限 制性因素是夹杂物中 A l 2O 3的含量 。 图 2所示为试 验钢样中夹杂物 w (A l 2O 3 与 w (A l s 的关系 。 图 2 夹杂物中 w (A l 2O 3 与 w (A l s 的关系 F i g . 2 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n A l 2O 3c o n t e n t o f i n c l u s i o

21、 n s a n d a c i d -s o l u b l e a l u m i n u m c o n t e n t 从图 2可 知 , 随 着 w (A l s 升 高 , 夹 杂 物 A l 2O 3含量增 大 。 但 是 铸 坯 试 样 在 w (A l s 很 低 的情况下 , 仍含有较多 A l 2O 3夹杂 物 。 个 别软吹氩 过程试样中夹杂物的 w (A l 2O 3在 35%以上 。 钢中铝与氧反应生成 A l 2O 3。 在平衡状态下 , 夹 杂物中 w (A l 2O 3 与 w (A l s 之间存在如下关系 :w (A l 2O 3 =e -G 1/R T

22、·w (A l s 2·f 2A l ·w (O 3·f 3O ·f -1A l 2O 3(1 钢中化学成分很稳定 , 铝 、 氧的活度系数 f A l 和 f O 以 及 w (O 基 本 不 变 , w (A l 2O 3 随 着 w (A l s 提高而上升 。 在钢液凝固过程中 , 随着温 度降低 , w (A l s 急剧下降 , 析出细小的 A l 2O 3。 新 生成的夹杂物中来不及上浮的就留在固相钢中 。 铸 坯冷却过程中 , 钢中细小的 A l 2O 3会发生一定量的 聚集 , 这样在 铸 坯 试 样 中 观 察 到 的 夹

23、杂 物 中 A l 2O 3含量仍然较高 。2. 2. 3 酸溶铝含量对钢中氧化物夹杂成分和塑性 的影响研究表明 , 夹杂物的塑性变形能力和熔点与温 度有很大的关系 ,而氧 化 物 夹 杂的熔点 和 其 成 分有 很 大 关 系 。 将 钢 中 2种 主 要 复 合 夹 杂 物 M n O -A l 2O 3-S i O 2和 C a O -A l 2O 3-S i O 2的成分用 o r i g i n 作 图并 合 并 到 对 应 的 三 元 相 图 中 , 如 图 3所 示 。 w (A l s 极低时以 M n O -A l 2O 3-S i O 2类夹 杂 为 主 ,绝大部分在低熔点

24、区内 。 随着 w (A l s 的上升 , 夹 杂物成分偏离 低 熔 点 区的趋势 增 大 。 当 w (A l s 上升到 0. 001 5%以上时 , 大部分夹杂物成分偏离了 低熔 点 区 。 C a O -A l 2O 3-S i O 2类 夹 杂 的 偏 离 尤 为 明 显 ,且成分点比较分散 。 图 l s F i g . 3 C o m po s i t i o n t r a n s f o r m a t i o n o f o x i d e i n c l u s i s w i t h a c i d -s o l e a l u m i n u m c o n t e

25、 n ·44· 从图 3可估计出夹杂物的熔点 。 对夹杂物熔点随 w (A l s 变化 情况进行统计并作 图 。 图 4所 示 是试验过程中夹杂物的熔点分布和 w (A l s 的 关 系。 图 4 夹杂物熔点与 w (A l s 的关系 F i g e . 4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e l t i n g p o i n t o f i n c l u s i o n s a n d a c i d -s o l u b l e a l u m i n u m c o n t e n t 试 验 钢 中 w (A

26、 l s 处 在 0. 000 4%0. 001 9%范 围 内 。 从 图 4可 看 到 , 当 钢 中 w (A l s 极低时 , 绝大多 数 夹 杂 物 熔 点 较 低 , 个 别 夹杂 物 熔 点 在 1 500 以 上 。 随 着 w (A l s 的 上 升 , 夹 杂 物 的 熔 点 升 高 。 当 w (A l s 上 升 至 0. 001 6%0. 001 9%时 , 钢 中 大 部 分 夹 杂 物 的 熔 点高于 1 500 甚至超过 1 600 。 从图 4的结果进 一步分析可 发 现 , w (A l s 在 0. 0004%0. 0006%及 0. 0016%0.

27、0019%时 , M n O -A l 2O 3-S i O 2类 夹 杂物的熔点整体 来 说比 C a O -A l 2O 3-S i O 2类 夹 杂 物 要低 。精炼过程中 , 随着 钢 中 w (A l s 的 升 高 , 夹 杂 物成分逐渐偏离低 熔点区 。 夹杂物熔点提高 , 夹杂 物塑性恶化 。 因此要深入研究帘线钢生产工艺中影 响酸溶铝含 量 的 因 素 , 严 格 控 制 酸 溶 铝 含 量 水 平 。 即使在工业生产条件下 , 冶炼过程 中也应 严格控制 w (A l s 在 0. 000 5%0. 001%范 围 内 , 同 时 努 力 使钢中夹杂物如 A l 2O 3等

28、尽量上浮去除 , 实 现夹杂 物的低数量 、 微尺寸及成分稳定性 。2. 3 酸溶铝含量的影响因素高温条件下 , 铝容易跟钢中氧结合发生如下反应 5:2A l +3O =A l 2O 3(2G 1=-1 218 799+394. 13T , K 1=a A l 2O 3a 2A l ·a 3O =a A l 2O 3f 2A l ·w (A l 2·f 3O ·w (O 3O 26:+2=23+G 2=658 200-107. 1T , K 2=a 2A l 2O 3·a 3S i a 4A l ·a 3S i O 2=a 2A l

29、2O 3·f 3S i ·w (S i 3f 4A l ·w (A l 4·a 3S i O 2 从以上反应式 可 知 ,影 响 钢中酸溶 铝 含 量 的主 要因素有顶渣 中 A l 2O 3含 量 、 S i O 2的 活 度 、各 种 加 入料带入的铝和钢水容器内衬的铝含量 。 同时 , 温 度的变化也会引起 w (A l s 的变化 。 2. 3. 1 炉渣中 A l 2O 3含量对酸溶铝含量的影响在精炼过程 中 , 钢 渣 间 反 应 按 照 方 程 式 (3 进 行 。 由于钢中硅含 量 较 高 ,微弱的变化对其活度影 响不大 , 平衡 及 钢

30、 中 酸 溶 铝 将 主 要 由 炉 渣 中 A l 2O 3和 S i O 2的活度来控制 。 本次试验所加初 始 渣 料 成 分一样 , 只是在不同工位加入的量不一样 , 使得过程 渣样组成变化不是 很 大 。 图 5(a 、 (b 、 (c 分 别 为 R H 、 L F 和 软 吹 氩 阶 段 顶 渣 的 w (A l 2O 3对 w (A l s 的影响 , 图 5(d 为热力学计算结果 7。 从图 5中看到 :在 R H 、 软吹氩和 L F 工位中 , 随 着渣中 w (A l 2O 3 的 上 升 , w (A l s 略 呈 线 性 升 高 , 但幅度不大 。 从热力学来说

31、, 顶渣精炼过程中 , 存在由方程式 (3 控制的 w (A l s -w (A l 2O 3 平 衡 :w (A l s =(e G 2/R T ·a 2A l 2O 3·f 3S i ×w (S i 3·a -3S i O 2·f -4A l 1/4(4 因钢中硅含量 较 高 ,精 炼 过程中的 轻 微 变 化可 以不 计 。 精 炼 过 程 中 温 度 在 1 823K 左 右 波 动 , 硅 、 铝的活度系 数 可 以 取 一 固 定 值 。 精 炼 顶 渣 中 S i O 2A l 2O 3活 (a R H 炉渣 ; (b L F 炉

32、渣 ; (c 软吹氩炉渣 ; (d 热力学计算结果 。 图 5 w (A l s 与顶渣中 w (A l 2O 3的关系 F i g . 5 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a c i d -s o l u b l e a l u m i n u m c o n t e n t a n d A l 2O 3c o n t e n t o f t o p s l a g 们 之 间 存 在 如 图 5(d 所 示 关 系 。 随 着 渣 中 w (A l 2O 3 提 高 , A l 2O 3的 活 度 迅 速 增 大 , w (A l s 升 高 。

33、 本 次 试 验 w (A l 2O 3在 5%11%之间 ,变化幅度不大 。 加上现场试验中其它因 素的综合作用 , 酸溶铝随渣中 A l 2O 3含 量 变化的特 征没有理论计算那么明显 。2. 3. 2 炉渣碱度对酸溶铝含量的影响炉渣影响酸溶铝含量的另一个重要因素是炉渣二元碱度 8。 图 6所示为试验全过程中顶渣碱度对 酸溶铝含量影响趋势 。 随着碱度的增大 , w (A l s 呈线性增长 , 但 是变化的幅度不大 。 查 阅 热力学数 据可知 , 随着 顶 渣 碱 度 的 增 大 , S i O 2的 活 度 快 速 下 降 。 这样在相同 A l 2O 3含量情况下 , w (A

34、l s 迅速 上升 。 顶渣碱 度 从 1. 5到 2. 0时 这 种 趋 势 更 为 强 烈 , 如图 5(d 中 所 示 。 本 次 试 验 中 , 初 始 渣 碱 度 为 1. 31,试 验 过 程 中 各 工 位 顶 渣 碱 度 逐 渐 降 低 , w (A l s 也逐渐 降 低 。 由 于 R H 工 位 顶 渣 碱 度 较 高 , 其试样中 w (A l s 也较其他工位试样高 。 2. 3. 3 温度对酸溶铝含量的影响, , 23图 6 w (A l s 和顶渣碱度的关系 F i g . 6 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a c i

35、 d -s o l u b l e a l u m i n u m c o n t e n t a n d b a s i c i t y o f t o p s l a g 对于反应式 (2 , 由 G 和 K 可以推算出平衡状态 下铝氧积与温度的关系 :w (A l 2·w (O 3=e G 1/R T ·f -3O ·f -2A l (5 1 873K 时 钢 液 中 各 元 素 对 铝 、 氧 的 相 互 作 用 系数见表 29。 由 于 w (A l 和 w (O 很 低 , 其 含量和温 度 对 活 度 系 数 的 影 响 可 以 忽 略 , 计 算 出 试验钢中铝 、 氧