2205双相不锈钢冶炼过程全氧及夹杂物分析
时间：2019-06-13
作者：无锡不锈钢板
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2205双相不锈钢约占双相钢总产量的80%左右，由于其双相组织的特点而具有较高的强度、较好的焊接性能和抗腐蚀性能，广泛应用于船舶、石油、化工和建筑等领域。2205双相不锈钢好的冶金质量是保证其力学性能和表面质量的前提。据报道，夹杂物是2205热轧生产过程中边裂缺陷产生的一个重要的影响因素，因此通过分析研究2205双相不锈钢冶炼过程全氧含量和夹杂物，找出钢水中全氧含量的变化规律及夹杂物的产生原因，对于合理控制钢中的全氧含量和夹杂物、提高2205双相不锈钢的冶金质量及使用性能，具有十分重要的意义。
1、冶炼条件和研究方法
2205双相不锈钢冶炼以合金和废钢为原料，在电炉经过融化处理后，直接兑入AOD炉进行冶炼。AOD转炉采用FeSi合金进行还原操作，AOD脱硫阶段加入铝块和石灰来脱硫。AOD工序处理完毕后，到LF炉进行精炼。由于2205双相不锈钢合金量大，钢水中溶解氧含量高，因此在LF精炼过程中喂铝线进行深脱氧，然后加入硅钙线进行钙处理。LF精炼过程加入一定量的CaO和CaF2造渣，精炼渣二元碱度控制在2.3～2.5左右；底吹氩气量控制在0.15～0.20 m3/min之间，当成分和温度达到要求后，将钢液运至连铸平台进行浇铸。本次试验，2205双相不锈钢的化学成分见表1所示。
表1 2205双相不锈钢化学成分%
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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Ni
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Cr
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Mo
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N
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≤0.02
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0.4～0.5
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1.1～1.3
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≤0.03
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≤0.001
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5.1～5.3
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22.2～22.4
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3.0～3.1
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0.16～0.17
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对1个浇次的连续2炉钢进行工业实验，本次试验在AOD还原后、AOD脱硫后、LF精炼末期以及中包浇铸末期进行取样，在每个工位取球拍样。所取球拍样用来进行夹杂物观察和全氧含量检测，用扫描电镜观察夹杂物形貌，用电子探针确定夹杂物成分。同时在AOD还原后、AOD脱硫后、LF精炼末期取渣样，通过渣样结果分析各个工序夹杂物的成因。
2、结果及分析
2.1 冶炼过程全氧含量的变化
通常，钢的总氧含量反映了钢中总体氧化物洁净度水平。总氧含量低，表明钢中氧化物夹杂较少，洁净度较高。在AOD-LF-CCM过程，全氧含量的变化如图1所示。从图1中可以看出，随着AOD冶炼、LF精炼和连铸过程的进行，钢水中全氧含量呈逐渐减小的趋势。2205双相不锈钢在AOD的冶炼过程中有相当数量的铬被氧化进入炉渣。因此AOD还原阶段采用硅铁进行还原操作，目的是还原渣中被氧化的铬以及降低钢水中的氧含量，还原后钢水的全氧含量降低到182 ppm；AOD脱硫阶段通过加入铝块和石灰来脱硫。铝块的加入使钢水中全氧含量又有所降低，为97 ppm；LF精炼过程中喂铝线进行深脱氧，然后加入硅钙线进行钙处理；随着吹氩搅拌的进行，钢水中的大型夹杂物不断上浮被炉渣吸附，小型夹杂物不断碰撞、长大、上浮，被炉渣吸附，钢水中全氧含量降低明显，到LF精炼末期为36 ppm；到连铸中包，中包覆盖剂也起到吸附夹杂物的作用，全氧含量有少量下降，到中包浇铸末期为32 ppm。
2.2 冶炼过程夹杂物尺寸和数量的变化
随着AOD冶炼、LF精炼和连铸过程的进行，夹杂物尺寸和数量的变化如图2所示。从图中看出，随着冶炼过程的进行，钢水中夹杂物总数和尺寸都是不断减小的。AOD还原后和脱硫后，钢水中存在大于50 μm的夹杂物，这说明LF精炼处理对去除较大颗粒夹杂物是十分有利的。到连铸中包浇铸末期钢水中夹杂物数量进一步减少，尺寸都小于20 μm。
2.3 冶炼过程夹杂物的类型
根据AOD还原后、AOD脱硫后、LF精炼末期和连铸中间包浇铸末期取样，分析试样中典型夹杂物形貌和类型可以得出，AOD还原后和脱硫后这两个阶段的夹杂物类型主要为CaO-SiO2-Al2O3-MgO，LF精炼末期和连铸中包浇铸末期夹杂物类型主要为CaO -Al2O3-MgO-SiO2。
2.4 冶炼过程不同工序夹杂物成因分析
图3为AOD-LF冶炼过程夹杂物成分变化（质量分数）。从图中看出，AOD还原后和AOD脱硫后钢水中的夹杂物类型为CaO-SiO2-Al2O3，而且颗粒较大、成分趋近于炉渣成分，并含有一定量的MgO。这些现象出现在强烈搅拌的AOD还原和脱硫期，很可能与卷渣现象有关。从图3（c）可以看出，LF精炼后钢水中的夹杂物成分和LF精炼过程中的炉渣成分完全不同。跟AOD处理过程相比，LF精炼后夹杂物成分中Al2O3和MgO含量明显上升，夹杂物的类型变化为CaO-Al2O3-MgO-SiO2，分析跟LF精炼阶段铝深脱氧和钙处理工艺有关。LF精炼过程中喂入铝线后，Al和钢水中的溶解O形成Al2O3夹杂物，Al2O3夹杂物和MgO很容易形成Al2O3-MgO尖晶石类夹杂物，夹杂物尺寸较小。随着钙处理的进行，钢水会发生以下反映：
y（MgO－Al2O3）＋（x＝（xCaO－yAl2O3）＋y （1）
＋＝（MgO） （2）
＋＝（SiO2） （3）
因此LF精炼末期，钢水中夹杂物的类型为CaO-Al2O3-MgO-SiO2。到连铸中包后，上述反应继续进行。随着置换反应的不断进行，内部MgO-Al2O3越来越小，外面的xCaO-yAl2O3变的越来越厚。由于液态相（xCaO-yAl2O3）低的表面张力夹杂物就会变成球形。在更高的倍数下观察连铸中包浇铸末期典型夹杂物形貌，可以看出连铸中包浇铸末期的夹杂物由两层组成，外层为CaO-Al2O3-SiO2，内部为Al2O3-MgO。
从以上分析得出，2205双相不锈钢冶炼过程中不同工序的夹杂物成因主要有两个方面：（1）强烈搅拌的AOD还原和脱硫期，钢水中的夹杂物与卷渣现象有关，这些夹杂物尺寸较大；（2）LF精炼阶段产生的内生夹杂物，这些夹杂物尺寸较小。因此可以采取有效措施，控制钢水中夹杂物的危害。
（1）增加LF弱吹时间，保证钢水中的大型夹杂物不断上浮被炉渣吸附，小型夹杂物不断碰撞、长大、上浮，被炉渣吸附。
（2）增加LF炉喂入钢水中的硅钙线数量，使MgO-Al2O3夹杂物完全变性。
3、结论
（1）随着AOD冶炼、LF精炼和连铸过程的进行，2205双相不锈钢钢水中全氧含量呈逐渐减小的趋势，到中包浇铸末期为32 ppm。
（2）随着冶炼过程的进行，钢水中夹杂物总数和尺寸都是不断减小的。AOD还原后和脱硫后，钢水中存在大于50 μm的夹杂物，夹杂物数量也较多；LF精炼末期，钢水中夹杂物以小于50 μm的夹杂物为主；到连铸中包浇铸末期钢水中夹杂物数量进一步减少，尺寸都小于20 μm。
（3）AOD还原后和AOD脱硫后钢水中的夹杂物类型为CaO-SiO2-Al2O3-MgO，跟炉渣成分基本一致；随着LF精炼过程的进行，夹杂物的类型变化为CaO-Al2O3-MgO-SiO2，与铝脱氧和钙处理工艺有关；连铸中包浇铸末期的夹杂物有两层组成，外层为CaO-Al2O3- SiO2，内部为Al2O3-MgO。