管线钢精炼过程中大尺寸cao和cas复合夹杂物形成机理研究

管线钢精炼过程中大尺寸cao和cas复合夹杂物形成机理研究

在钢液脱氧过程中，会产生大量的混合材料，尤其是氧化锌混合材料和镁-石墨-烯酸盐，这严重危害了产品的性能，并堵塞了入口的内部环境。人们通常使用钙处理方法将镁铝尖晶石转化为低折射钙磺酸或钙磺酸盐，以减少镁铝尖晶石对木材的损害。然而，在钙处理中，添加的硅钙线越多，过度的硅钙线也会产生较大的体积的coo或cos组合，这也会影响木材的质量。这是有必要研究这种混合材料和钙处理的最佳方式。1大尺寸掺杂物试样的制备试验钢种的工艺路线为:铁水预处理→210t顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→钙处理→连铸→热轧.产品中钙含量(质量分数)约为20×10-6~30×10-6,硫含量(质量分数)为20×10-6.在轧板中发现了由大尺寸夹杂物引起的探伤不合.因此,对此处的试样进行制样、研磨和抛光,并在扫描电子显微镜-能量色散光谱下对此类大尺寸夹杂物进行观察和检测.2结果与分析2.1cas和cao产品的化学组成及成分分布对实验钢种产品进行探伤检测,发现引起探伤不合的主要原因是大尺寸夹杂物.在电镜下对这些夹杂物进行观察,结果如图1所示.发现引起探伤不合的夹杂物主要为大尺寸的条链状夹杂物,长度在100μm以上.其中,在条链状夹杂物细条相之间存在着许多10μm左右的大颗粒相.这些夹杂物容易导致抗氢致裂纹和应力腐蚀断裂,严重影响着钢材产品的性能.如图2所示,对条链状夹杂物中的大颗粒状夹杂物进行能量色散光谱成分分析,发现其化学成分(质量分数)主要为CaS(65%)和CaO(29%),同时还混合着少量的Al2O3(6%).由于夹杂物中Ca/Al的原子百分比比例已经达到了16.2%,远远超过了液态钙铝酸盐夹杂物7Al2O3·12CaO和Al2O3·3CaO的Ca/Al.钙最直接来源于钙处理时硅钙线的喂入,因此,这类CaO和CaS夹杂物的形成可能是因为钙处理硅钙线加入过量.为了进一步研究钢中条链状夹杂物的成分分布,对夹杂物中的大颗粒状相和细条相进行了面扫描检测,结果如图3和图4所示.图4为条链状夹杂物中细条相的面扫描结果,可以看出这类细条相夹杂物的主要成分为CaS,Al和O的含量很少且分布不明显.同时,此类CaS夹杂物在轧制后形成细长条相,这主要是因为硫化夹杂物的变形能力较强.图4为条链状夹杂物中大颗粒相的面扫描结果,Ca含量在整个大尺寸夹杂物中分布较为均匀,浅色相部分为CaS相,深色部分为CaO相,只存少量的Al2O3相.CaS相和CaO相均匀不规则的混合在一起,不存在明显的包裹分层现象,这说明这类CaS和CaO夹杂物可能是同时混合生成的,而不是明显的先后生成.同时,由于这类夹杂物在轧制过程中明显变形,因此,可以说这类CaO和CaS复合夹杂物不如纯CaS夹杂物的变形能力好.2.2cao和cas混杂物的生成为了进一步分析这一类CaO和CaS复合夹杂物的形成机理,对其进行了热力学讨论.式(1)和式(2)为1873K下CaO和CaS生成的吉布斯自由能,CaO生成的吉布斯自由能略小于CaS,可见,同样条件下,CaO夹杂物比CaS夹杂物稍容易生成,但相差不大.图5为1873K下钢液中Ca-O和Ca-S平衡曲线.由Ca-O平衡曲线可知,钢中O含量([O],质量分数)随Ca含量([Ca],质量分数)的增加而先增加后减小,O含量最低可达2×10-6左右.由Ca-S平衡曲线可知,钢中S含量([S],质量分数)同样随Ca含量的增加而先增加后减小,S含量最低能降到1×10-6.同时还能得出,当钢液中只有Ca和O或Ca和S,且成分位于平衡曲线上方时,钢中CaO和CaS能够分别生成.图6为1873K下钢液中CaO和CaS热力学稳定相图.当钢液中存在一定量的Ca、O和S元素,且反应达到足够平衡时,当成分位于平衡曲线以上时,钢中CaO夹杂物能够生成且稳定存在;当成分位于平衡曲线以下时,钢中的CaS夹杂物可以生成且稳定存在.当钢中元素成分位于平衡曲线附近时,开始钢中CaO和CaS夹杂物都可以生成,但是,由于现场的实际精炼条件下很难保证反应达到热力学平衡,因此,很有可能出现CaO和CaS同时生成的情况,从而生成此类CaO和CaS混合相大颗粒夹杂物.图7为1873K下铝脱氧钢钙处理时的CaO和CaS夹杂物的析出,钢中的初始S含量(质量分数)为30×10-6,Al含量(质量分数)为500×10-6,Al2O3夹杂物含量(质量分数)为100×10-6.随着向100t钢中加入硅钙线量的增加,当钢中硅钙线加入量超过70kg时,钢中的Al2O3夹杂物已经可以被成功变性为液态钙铝酸盐;当向钢中加入120~180kg的硅钙线时,钢中开始生成CaS夹杂物且生成量不断增加致40×10-6左右,CaO几乎不生成;当钢中加入的硅钙线量为180×10-6~300×10-6时,钢中的CaO和CaS夹杂物可以同时生成,且CaO夹杂物的生成量迅速超过CaS夹杂物的生成量,最终可生成160×10-6的CaO和70×10-6的CaS;之后,若继续向钢液中喂入硅钙线,钢中的CaO和CaS夹杂物生成量不变,只是增加钢中的溶解Ca含量.向钢液中加入的硅钙线并不是越多越好,如果过量,钢中会生成CaO和CaS夹杂物,图4中所示的大颗粒状CaO和CaS复合相很可能就是因为向钢喂入过量硅钙线时.首先同时生成了CaO和CaS复合相夹杂物,此类夹杂物在轧制过程中不易变形;同时,由于大量析出CaS的温度低于CaO夹杂物,因此,在开始形成了CaS和CaO复合夹杂物后,随着钢液冷却温度降低,复合相夹杂物表面又形成了一层CaS夹杂物,此类夹杂物在轧制过程中容易变形,形成了图3中所示的细条状CaS相.此类条链状CaO和CaS夹杂物的整个生成机理如图8所示.因此,通过进行实验与热力学计算,严格控制钢中的硅钙线加入量是抑制此类夹杂物生成的关键.3cao和cas复合混杂物(1)产品的探伤不合是由于存在100μm以上的条链状CaO和CaS复合夹杂物引起的.(2)此类条