低碳铝镇静钢钙处理中的钙铝酸盐夹杂

低碳铝镇静钢钙处理中的钙铝酸盐夹杂

低碳铝镇静钢广泛应用于汽车、化工、建筑、家具等行业。由于对加工性能的高要求，对钢的耐酒耗也有很高的要求。由于铝镇静钢中会存在大量Al2O3夹杂,此类夹杂在炼钢温度下呈固态且棱角分明,对钢的危害极大,一般在精炼过程中要对Al2O3进行球化变性。本文主要研究铝镇静钢中如何通过控铝、控钙使钢液在整个生产流程中尽可能地生成液态的钙铝酸盐而避免固相夹杂对钢的危害,研究钢种主要成分(质量分数,%)C0.05,Si0.21,Mn1.56,P0.01,S0.0028,Al0.03,O0.0002。许多学者对CaO-Al2O3系统进行了研究,Bjorkvall等人在评估了已有的试验数据的基础上,利用类似正规溶液模型拟合了CaO-Al2O3的活度,但Bjorkvall的模型只是对二元渣系的回归。Vasilij等考虑了Fe-Al-Ca-O-S的平衡,通过试验和理论回归得出CaO-Al2O3系统中间相的氧化物活度如表1,本文活度参数依照表1选取。1调温时间对s12a7的氧化钢中[Al]-[Ca]平衡关系由式(1)决定。2[Al]+3(CaΟ)s=3[Ca]+(Al2Ο3)slgΚAl-Ca=-15661/Τ+2.58(1)lgfi=j∑0e(i,j)⋅w([j])(2)2[Al]+3(CaO)s=3[Ca]+(Al2O3)slgKAl−Ca=−15661/T+2.58(1)lgfi=∑0je(i,j)⋅w([j])(2)由式(2)及相互作用系数e(i,j)得fAl=1.04,fCa=0.63,fS=0.85。对式(1)做图,见图1。由图1可以看出,随着温度降低,相同[Al]形成C12A7所需的[Ca]在降低,如w([Al])为0.03%时,温度从1873K降低到1723K,形成C12A7所需的w([Ca])从15.8×10-6降低到9×10-6。由图2可知,w([Al])为0.03%,T=1873K时,w([Ca])控制在(2.5～15.8)×10-6之间可分别生成C12A7、CA、CA/CA2。在这些化合物中,C12A7的变性效果最好。所以1873K下,w([Al])为0.03%时,w([Ca])控制在(4.3～15.8)×10-6之间可生成CA、C12A7的混合物。结合图1可以看出,随着温度降低[Ca]-[Al]平衡线向下移动,同样[Al]生成C12A7所需的[Ca]在减少,所以在钙处理过程中[Ca]应控制在凝固温度和炼钢温度下生成C12A7所需溶解钙的下限之间。如w([Al])为0.03%时,w([Ca])控制在(9～15.8)×10-6之间。2[al]-[s]平衡线钢中[Ca]和[S]可以通过反应(3)生成CaS。[Ca]+[S]=(CaS)lgΚCaS=28300/Τ-10.11(3)[Ca]+[S]=(CaS)lgKCaS=28300/T−10.11(3)通过式(3)做图3,可以看出不同温度下钢液中直接析出CaS所需的溶解钙和硫的含量。由图3可以看出,w([S])为30×10-6时,钢中要直接析出CaS,在1873K、1723K时溶解钙分别需达到62×10-6和9×10-6。所以CaS更容易在温度降低过程中析出,1873K时低于30×10-6的硫很难在钢液中直接析出CaS。钢中[Al]-[S]平衡由式(4)控制。2[Al]+3[S]+3(CaΟ)s=3(CaS)+(Al2Ο3)slgΚAl-S=-27.75+69239/Τ(4)对于CaS饱和的CaO-Al2O3夹杂,aCaS=1,通过式(4)做图4、图5,可以看出[Al]、[S]的关系。由图4可以看出1873K下,当钢中w([Al])为0.03%时,钢液中w([S])达到0.012%时才能在C12A7表面析出CaS,而在CA和CA/CA2中析出CaS时所需的w([S])分别为0.044%和0.075%。所以对于溶解硫含量低于30×10-6的钢,在1873K下几乎不可能在夹杂物相表面析出CaS。图5表明,随着温度降低,[Al]-[S]平衡线大幅度向下移动,在凝固前沿夹杂物上会有CaS析出。当w([Al])为0.03%,温度从1773K降低到1673K时,C12A7表面析出CaS所需的最小溶解硫的质量分数从151×10-6降低到25×10-6。如以钢中含硫30×10-6计算,w([Al])=0.03%～0.04%时,当温度降低到1723K以下,C12A7上就会有CaS析出。3多步充填的钢液中[s]浓度检测对同一流程不同喂钙量取2炉(编号27、29)相关成分见表2。用SEM、EDS对每块铸坯试样夹杂物形貌、成分进行分析,结果如表3。由表2可以看出,27炉次喂钙前后钢液中w([S])只降低了1×10-6,说明喂入钙线主要形成氧化物,29炉次喂钙前后钢液中[S]含量降低了19×10-6,说明喂入钙线有相当一部分形成了硫化物。一般认为溶解钙含量是总钙的十分之一,结合图2可以看出27炉次中主要生成CA和CA2的混合物,29炉次中主要生成CA和C12A7的混合物。由表3可以看出27炉次中夹杂物主要为球形或类球形,尺寸在2～10μm之间,夹杂物中钙铝比接近1,主要为CA和CA2夹杂的混合物,这一点和理论分析一致。29炉次中典型夹杂物有两种,尺寸均小于5μm,一种是CaS-MnS复合夹杂,这种夹杂是由于钢中硫和钙直接反应生成的,一般较小呈球形带小尾巴;另一种则是CA和C12A7与CaS的复合夹杂,这种夹杂是由于钙处理后生成的钙铝酸盐在温度降低时夹杂物表面析出CaS造成的,这一点也和理论分析一致。4温度对[ca]的影响(1)w([Al])为0.03%时,要使钢中生成低熔点钙铝酸盐,w([Ca])应控制在(9～15.8)×10-6,不超过此条件下生成C12A7所需[Ca]的上限。(2)温度对CaS夹杂的析出影响较大,随着温度降低,[Al]-[S]平衡