不锈钢冶炼过程中夹杂物形成与变化

张海峰

摘要：文章以321不绣钢为例，对不锈钢在冶炼加工中，夹杂物的形成以及变化进行研究，对二次氧化、Ti、Al与Ca在夹杂物方面产生的影响进行分析。结果表明该型号钢冶炼时主要存在了iN与CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃两种类型夹杂物。在喂钛线之前存在CaO-TiO₂与CaO-SiO₂-Al₂O₃以及其他夹杂物。完成喂钛线处理之后，主要含有CaO-TiO₂-MgO·Al₂O₃。若是沒有借助Ca-Si与Al进行脱氧，或借助Ca-Si进行脱氧之后，在喂钛线前进行吹氩弱搅拌处理，能够有效排出CaO夹杂物。

关键词：不锈钢;冶炼;夹杂物;形成和变化

中图分类号：TF764⁺.1文献识别码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0129-04

321不锈钢为钛稳定化奥氏体不锈钢，在工业生产中一般存在两方面问题，①开展连铸工作时，浸入式水口容易出现结瘤问题，对浇铸作业造成一定影响。②板坯修磨有着较大损失，同时，薄板、中板等产品的表面存在较为严重的缺陷问题。此种问题产生的主要原因在于，该型号钢在冶炼过程中出现夹杂物。分析321不锈钢冶炼中，夹杂物形成规律与变化规律，可以使连铸作业中水口结瘤现象得到有效解决，并使产品表面质量得到提升。

1冶炼条件以及研究方法

321不锈钢生产流程如下：①电弧炉;②AOD炉;③钢包底吹氩;④板坯连铸。基于两种冶炼环境进行不锈钢取样（炉号为243与301，见表1，为其化学成分）。

243炉开展冶炼工作时，借助Ca-Si与Al进行脱氧处理，未使用氩封处理浸入式水口。301炉开展冶炼工作时，为采用Ca-Si与Al进行脱氧处理，使用氩封处理浸入式水口，同时AOD出钢之后，将铝酸钙渣料加入钢包渣面中。见表2，243炉与301炉钢包渣成分。

开展冶炼工作时，在AOD炉中、出钢之后的钢包中以及吹氩喂线钢包中与铸坯处等位置进行去氧。同时对钢样进行金相样绘制，借助金相显微镜，对夹杂物尺寸、形状以及数量进行观察。由单位面积中φ5um夹杂物个数代表氧化物夹杂物。之后，对试样中各个类型夹杂物进行标记，并借助电镜能谱进行分析，以确定夹杂物具体成分。

2结果和分析

研究结果显示，可以将321不锈钢显微夹杂物分为氧化物与TiN两种类型夹杂物。

2.1TiN夹杂物

完成喂钛线处理之后，在钢液中形成TiN夹杂物。该夹杂物主要有不含MgO·Al₂O₃芯与含MgO.Al₂O₃芯不同形式。

随着钢中氮、钛含量增加，TiN析出数量也会有所增加。301炉与243炉氮、钛质量分数基本相同，然而在含MgO·Al₂O₃芯中TiN数量存在加大差异，如图1所示。

通过图3能够发现，与243炉相比，301炉钢中含芯TiN数量更少。MgO'Al₂O₃存在于钢液中时，可以通过这些质点将TiN析出。另外，301炉中铝含量低于0.005%，在243炉中则为0.018%，由此确定301炉中MgO'Al₂O₃含量较少，进而确定含芯TiN含量同样较少。

若是在浇铸过程出现二次氧化现象，则TiN会变为Ti₃O₅或是TiO₂，如公式（1）所示。

通过公式（2）计算基结果显示，在温度达到1600℃与氮含量为0.02%情况下，氧活度达到7.2x10^-6以上，则会产生TiO₂。若是产生Ti₃O₅，则TiN被氧化时的氧活度使4.2x10^-6。243炉为借助氩封对浸入式水口进行处理，因此会存在一定空气，将钢液中TiN氧化为TiO_x，因此，水口结瘤物并无TiN。

通过相关实验研究表明，若是钢中氧含量低于10x10^-6，TiN具有良好的稳定性，仅仅存在少量TiN会与SiO₂发生反应，产生TiO_x，。在氧含量高于10x10^-6时，Ti与TiN均会发生氧化放映，生成TiO_x。

2.2氧化物夹杂物

2.2.1氧化物夹杂物类型和变化

如表3所示，列出301炉和243炉开展冶炼连铸工作时，在各个阶段中氧化物类型。

通过表3能够发现：

1）在出钢前，AOD炉中，301炉和243炉氧化物类型并无明显差异;

2）301炉没有通过铝进行脱氧，钢中铝含量低于0.005%，没有形成Al₂O₃，出钢过程中没有添加Ca-Si，然而因为出钢时，存在钢渣反应以及钢渣混充等，致使出钢之后，出现一些Al₂O₃、MCO、CaO的复合夹杂物。243炉借助铝进行脱氧，铝质量分数是0.018%，在出钢之后有Al₂O₃，在出钢前添加Ca-Si，因此，钢中形成CaO-SiO₂、MnO、CaO夹杂物;

3）喂钛线之后，301炉和243炉氧化物并无明显差异，主要为CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃，其属于由MgO·Al₂O₃与CaO·TiO₂构成的夹杂物。

对243炉进行喂钛线处理之后，CaO-SiO₂以及其他夹杂物中SiO₂被钛还原，形成CaO.TiO₂，其熔点在1970℃左右。

[Ti]+CaO-SiO₂=[Si]+CaO·TiO₂（s） （3）

因为243炉质量分数达到0.018%，在钢中铝含量超出0.001%的情况下，铝可以和包衬中MRO或是钢渣发生反应，同时MgO也可以被钛还原：

2[Al]+3（MgO）=3[Mg]+Al₂O₃（4）

[Ti]+2（MgO）=2[Mg]+TiO₂（5）

之后根據以下反应产生MgO·Al₂O₃，其熔点为2135℃。

2SiO₂+2[Al]+[Mg]=2[Si]+MgO·Al₂O₃（6）

SiO₂+2Al₂O3₃+2[Mg]=2[Si]+2MgO·Al₂O₃（7）

式（6）与式（7）中SiO₂主要存在CaO-SiO₂-Al₂O₃与CaO·SiO₂中，钢中Mg、Ti与Al会与两种夹杂物同时发生反应，产生CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃的夹杂物。

301炉中，铝质量分数不足0.005%，在喂钛线之后出现的Al₂O₃，主要是由钛线中铝在氧化过程中产生的。完成喂钛线操作后，MnO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO被钛还原，产生CaO·TiO₂。并且，由于发生式（5）与式（7）反应，产生MgO·Al₂O₃，同时和CaO·TiO₂相结合新的夹杂物，通过能谱分析发现，其中仅含有少量Al₂O₃、MgO与TiO₂。

4）在301炉与243炉铸坯中，发现存在夹杂物，主要是由于钛将保护渣SiO₂还原产生单质硅之后，在结晶器钢液迅速冷却过程中，硅未及时熔解于钢液中，即在铸坯中冷凝。

2.2.2氧化物数量变化

如图2所示，是301炉与243炉在不同阶段中，钢中单位面积内ψ5um夹杂物数量变化。

通过图1能够发现：

1）243炉通过Ca-Si于Al进行脱氧处理，出钢之后含有少量氧，因此仅产生少量CaO-SiO₂-Al₂O₃与CaO·SiO₂夹杂物。然而因为在喂钛线之前，吹氩强度较大，导致钢液面裸露进行发生二次氧化反应，导致夹杂物数量明显上升。完成喂钛线处理之后，铝、钛等夹杂物发生反应，产生CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃。并且在完成喂钛线之后，并未降低吹氩强度，导致钢中夹杂物难以充分排除，出现二次氧化问题，导致钢中夹杂物含量不断上升，因此，中间包和铸坯中的夹杂物会随之增加。因为243炉连铸的侵入式水口没有进行氩封处理，因此连接位置密封性较差，在中间包到铸坯等环节的夹杂物有所上升。

通过本项研究，发现不采用铝进行脱氧处理，在出钢过程中添加Ca-Si，借助在喂钛线之前进行吹氩弱搅拌，将CaO夹杂物充分排出，使吹氩搅拌以及浇铸环节中二次氧化问题得到有效控制，并减少CaOTiO₂-MgO·Al₂O₃数量。

2）301炉通过Ca-Si于铝进行脱氧处理，在出钢之后，氧含量较少，MnO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO含量较多。然而因为在喂钛线之前进行吹氩弱搅拌处理，有效防止产生钢液面裸露问题，进而有效将部分夹杂物排出。完成喂钛线之后，钛将该复合夹杂物于炉渣以及包衬中MgO还原，产生TiO₂夹杂物。因为对钢包渣成分进行一定调整，因此，301炉的钢包渣可以对TiO₂夹杂物进行充分吸收，使钢中氧化物得到有效控制。浸入式水口进行氩封处理，可以进一步控制中间包与铸坯等环节的夹杂物含量。通过本项研究，通过对CaO·TiO₂-MgO·Al₂O₃进行有效控制，能够减少其在水口上的结瘤问题。

2.2.3夹杂物尺寸

如图3所示，呈现301炉与243炉在不同环节中的夹杂物直径。

通过图2能够发现，①因为243炉有着较大的吹氩强度，导致钢液出现卷渣以及二次氧化等问题，致使钢的夹杂物持续上升，夹杂物不断聚集，导致在吹氩之后夹杂物的均值不断上升。因为浸入式水口没有进行氩封处理，致使中间包和铸坯环节夹杂物尺寸变大。②对于301炉，在出钢后至铸坯环节，夹杂物尺寸上升，但是波动幅度较小。

3结语

1）321不锈钢存在含芯和不含芯TiN夹杂物，铝含量较低，产生含芯TiN夹杂物的数量较少。若是浇铸过程出现二次氧化现象，一些TiN会产生氧化放映，生成TiO_x。

2）将321不锈钢放人AOD炉中进行精炼，因为通过Ca-Si与Al进行脱氧处理，并且炉渣与钢液发生反应，因此，在出钢后会产生CaO-SiO₂-Al₂O₃以及CaO-SiO₂夹杂物。

3）借助Ca-Si进行脱氧处理时，借助吹氩弱搅拌处理，或是不采用Ca-Si与Al进行脱氧处理，将CaO-SiO₂-Al₂O₃以及CaO-SiO₂夹杂物有效排出，进而对喂钛线前的CaO夹杂物进行有效控制。

4）对吹氩强度进行充分控制，防止出现钢液面裸露问题以及其它问题，能够有效控制通过二次氧化形成的夹杂物。