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重軌鋼中氧、硫含量、夾雜物形核率、聚集與界面張力的關(guān)系(二)
來(lái)源:中國(guó)冶金 瀏覽 187 次 發(fā)布時(shí)間:2025-07-08
研究鋼液中硫含量對(duì)夾雜物去除的影響時(shí),待試驗(yàn)鋼熔清后向鋼液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.98%FeS以提高鋼中硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所加試劑熔化且均勻后(反應(yīng)10 min),立即抽取石英管樣1并水冷。隨后向鋼中加入提前預(yù)熔粉碎好的渣料(渣量為鋼液質(zhì)量的15%),成分見(jiàn)表2。鋼渣反應(yīng)30 min后取石英管樣2并水冷。
表2預(yù)熔渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和堿度(R)
研究鋼液中氧含量對(duì)夾雜物去除的影響時(shí),需待試驗(yàn)鋼熔清后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的Fe2O3以提高鋼中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所加試劑熔化且均勻后(反應(yīng)10 min),立即抽取石英管樣1并水冷,隨后向鋼中加入提前預(yù)熔粉碎好的渣料(渣量為鋼液質(zhì)量的15%),成分見(jiàn)表2。鋼渣反應(yīng)30 min后取石英管樣2并水冷。
1.2試樣加工與檢測(cè)
每個(gè)石英管樣長(zhǎng)度約為85 mm,直徑約為6 mm,試樣加工如圖2所示。取中間位置制備金相樣;取兩頭中光潔度較好、致密度較高的一頭進(jìn)行表面磨光,車(chē)取直徑為4 mm的氧氮?dú)怏w棒;最終余料取屑用于分析鋼中剩余主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。金相樣經(jīng)過(guò)線切割、精細(xì)磨拋后,用ASPEX掃描電鏡檢測(cè)試樣,并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)每個(gè)試樣中氧化物夾雜的數(shù)量密度和平均尺寸。
圖2石英管樣加工示意
2試驗(yàn)結(jié)果
2.1鋼中氧、硫含量對(duì)脫硫的影響
檢測(cè)每爐試樣1和試樣2的硫和全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出,固定鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù),隨著初始硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,鋼渣反應(yīng)30 min后,脫硫率逐漸增大,且穩(wěn)定在74%以上,終點(diǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低到0.002 6%以下;固定鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù),隨著初始全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,終點(diǎn)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低到0.001 4%以下,終點(diǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低到0.001 8%以下,皆滿足重軌鋼的成分要求。鋼中初始硫、全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脫硫率的關(guān)系如圖3所示。
表3試驗(yàn)鋼元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和脫硫率
圖3初始全氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脫硫率的關(guān)系
2.2鋼中氧、硫含量對(duì)氧化物夾雜的影響
分析ASPEX全自動(dòng)夾雜物分析儀掃描結(jié)果,定義MnS質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%的夾雜物為氧化物夾雜。關(guān)注鋼渣反應(yīng)前后氧化物夾雜的數(shù)量密度和平均尺寸,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4、表5和圖4~圖7。可以看出,鋼中氧、硫含量的提高對(duì)鋼渣反應(yīng)過(guò)程中氧化物夾雜去除有顯著的效果。隨著氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,氧化物夾雜的去除率呈升高趨勢(shì),平均尺寸呈減小趨勢(shì)。在氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為約0.001 2%的前提下,鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.007%上升到0.016%時(shí),氧化物夾雜的去除率從10%上升到60%左右;在鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007%的前提下,鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.001 2%上升到0.004 4%,氧化物夾雜的去除率從10%上升到70%左右,氧化物夾雜的平均尺寸也呈減小趨勢(shì)。
表4鋼中硫含量對(duì)氧化物夾雜的影響
表5鋼中氧含量對(duì)夾雜物的影響
圖4鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與夾雜物數(shù)量密度的關(guān)系
圖5鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與夾雜物平均尺寸的關(guān)系
圖6鋼中T.O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與夾雜物數(shù)量密度的關(guān)系
圖7鋼中T.O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與夾雜物平均尺寸的關(guān)系
分析鋼渣反應(yīng)前后夾雜物的成分可知,重軌鋼中氧化物夾雜分為SiO2-MnO系和CaO-Al2O3-SiO2系兩類(lèi)夾雜,圖8所示為兩類(lèi)典型夾雜二維形貌。各類(lèi)氧化物夾雜在鋼渣反應(yīng)前后數(shù)量密度變化見(jiàn)表6。可以看出,鋼中主要夾雜為鈣鋁硅酸鹽,因此鋼渣反應(yīng)30 min后,鈣鋁酸鹽的去除率同總氧化物夾雜的去除率相近,隨著氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高,鈣鋁酸鹽的去除率呈升高的趨勢(shì)。由于鋼中硅錳夾雜數(shù)量較少,且掃描面積有限,僅從以上表格統(tǒng)計(jì)的數(shù)量密度不具代表性,因此其去除率未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。
圖8重軌鋼中的典型夾雜物二維形貌
(a)SiO2-MnO;(b)MgO-CaO-Al2O3-SiO2
表6鋼渣反應(yīng)前后氧化物夾雜數(shù)量密度
3討論與分析
3.1鋼中氧、硫含量對(duì)界面張力的影響
在鋼液中,氧、硫是最常見(jiàn)的表面活性元素。當(dāng)這些元素在熔融鋼液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí),鋼-渣的界面張力和夾雜物與鋼液之間的界面張力會(huì)迅速減小。鋼渣反應(yīng)前期,由于鋼中初始氧、硫含量高,活度也高,夾雜物與鋼液的界面張力較低,隨著脫硫、脫氧反應(yīng)的進(jìn)行,界面張力增大。因此在30 min的鋼渣反應(yīng)過(guò)程中,界面張力、接觸角等一直在動(dòng)態(tài)變化。本試驗(yàn)將鋼液初始氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整到一定值后,隨著鋼渣反應(yīng)發(fā)生和脫氧產(chǎn)物在鋼液中運(yùn)動(dòng)上浮,鋼中硫含量、溶解氧含量是變化的,因此選取相同時(shí)間段的2個(gè)固定時(shí)刻,即同批鑄坯溶清鋼液在增氧/硫10 min和鋼渣反應(yīng)30 min,可以對(duì)比整個(gè)反應(yīng)過(guò)程不同初始氧、硫元素對(duì)重軌鋼中氧化物夾雜去除的影響。
3.2界面張力對(duì)夾雜物形核的影響
實(shí)際煉鋼脫氧的過(guò)程中,新相形核是以均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核2種方式進(jìn)行的。脫氧生成1個(gè)半徑為r的球形夾雜時(shí),總自由能的變化為ΔG,在數(shù)值上為生成新相產(chǎn)生的表面能和引起體積變化的自由能之和[20],見(jiàn)式(1)。生成夾雜的體積自由能變化ΔGV見(jiàn)式(2)。
式中:r為脫氧夾雜的半徑;γsl為夾雜物與鋼液間的界面張力,N/m;ΔGV為生成夾雜的體積自由能變化,J/m3;R為理想氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為絕對(duì)溫度,K;S0為形核率為1時(shí)的臨界過(guò)飽和度S*[20];V0為脫氧夾雜的摩爾體積,m3/mol。
均質(zhì)形核產(chǎn)生穩(wěn)定核心的臨界半徑r*以及相關(guān)的臨界自由能變化ΔGhomo*分別見(jiàn)式(3)和式(4)。