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

每個(gè)石英管樣長度約為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)過線切割、精細(xì)磨拋后，用ASPEX掃描電鏡檢測試樣，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

檢測每爐試樣1和試樣2的硫和全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表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，平均尺寸呈減小趨勢。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。

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系兩類夾雜，圖8所示為兩類典型夾雜二維形貌。各類氧化物夾雜在鋼渣反應(yīng)前后數(shù)量密度變化見表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。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]，見式(1)。生成夾雜的體積自由能變化ΔGV見式(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*分別見式(3)和式(4)。