无取向硅钢DG47A冶炼全流程夹杂物分析_曹建其.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：无取向硅钢 冶炼全流程夹杂物分析曹建其，陈超，薛利强，栗周，赵健，林万明，（太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 ；山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂，山西 太原 ；山东第一医科大学医学人工智能与大数据学院，山东 济南 ；哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，广东 深圳 ；山西电子科技学院新能源与材料工程学院，山西 临汾 ）摘要：在某企业生产的中高牌号 （）无取向硅钢热轧板中发现有长度达 左右的团簇状镁铝尖晶石夹杂物，这会影响后续加工过程的产品质量。通过对 中间包铸坯进行取样分析和热力学计算研究其冶炼流程中夹杂物的演变规律。采用扫描电子显微镜和能谱仪（）对夹杂物的形貌、尺寸和种类进行分析，通过热力学计算了镁铝尖晶石夹杂物的生成条件，使用热力学计算软件 计算了该钢种凝固过程析出相变化规律。结果表明，脱碳后，夹杂物为 ；加铝 后，有 和少量 夹杂物；在 加硅铁、纯锰合金化后，出现 和含 的复合夹杂物；在加入脱硫剂后，出现含 的复合夹杂物；破空后，不再有单相 夹杂，出现 夹杂物，并发现少量含 的夹杂物。中间包及铸坯中多为 和 复合夹杂物，随着浇注的进行，和 在复合夹杂物中的含量有增加的趋势，质量分数均保持为 左右。和 等夹杂物通常包裹在 夹杂物的外侧边缘。在铸坯中也有大量单独析出的 、类夹杂物。加铝阶段，夹杂物平均尺寸为 ，破空后下降至。中间包和铸坯中，随着钢液的冷却，第二相在夹杂物表面析出，夹杂物平均尺寸为，略有增大。热力学计算结果表明，下当钢液中 质量分数大于 时，则生成 夹杂物。钢液在冷却过程中，随着温度的降低，先后析出 和 夹杂物。关键词：无取向硅钢；冶炼全流程；夹杂物；镁铝尖晶石；热力学计算文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，；，）基金项目：山西省科技重大专项资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（）；山西省回国留学人员科研资助项目（）作者简介：曹建其（），男，硕士生；：；收稿日期：通讯作者：陈超（），男，博士，副教授；：（），（）钢铁第 卷 ，：；高牌号无取向硅钢是重要的军事、民用软磁材料，生活中主要用于新能源汽车的电机生产，新能源汽车的发展是中国的发展战略之一，对节能减排、实现双碳目标有着重要意义。其成分具有高硅、高铝的特点，高硅含量影响其脆性和冷加工性能，高铝含量影响其冶炼过程中夹杂物的形成。其磁性能主要受钢的成分、夹杂物种类、形态、数量和成品晶粒尺寸等影响，其中，夹杂物对无取向硅钢的磁性能影响较大。已有很多学者 对各类钢种冶炼流程夹杂物的演变规律进行了研究。对于硅钢冶炼全流程夹杂物的演变，近几年也有研究进行了报道，但研究较多的是某一个环节，如过程夹杂物的变化。吕学钧等 对无取向硅钢冶炼过程的夹杂物遗传变化进行了研究，研究发现，精炼开始时，试样中仅有 夹杂物，精炼脱氧、合金化之后，试样中的夹杂物以脱氧产物 、为主，存在少量的 等复合氧化物夹杂，精炼脱气过程中和结束时，试样中的夹杂物种类仍以 、为主。胡志远等 对 无取向电工钢全流程取样分析夹杂物的演变规律，试验结果表明，加铝合金化前，钢中的氧化物类型主要为球体或近球体的 和少量的 包裹 ；加铝 合 金 化 后，氧 化 物 转 变 为 和 。罗艳等 采用电解法和扫描电镜研究了无取向硅钢中的夹杂物种类、尺寸，并利用热力学软件计 算 了 、和 的 析 出 温 度，为 复合 夹 杂 物 的 形 成 机 理 提 供 了 依 据。罗 艳等 在之后的研究中发现氧化物主要是在二次精炼过程中形成的，在连铸和热轧过程中钢凝固冷却过程中形成氮化物、硫化物，并研究了夹杂物的演化过程。研究内容及方案在某厂生产的中高牌号无取向硅钢 的热轧板中发现长度达 左右的团簇状镁铝尖晶石夹杂物，如图所示，严重影响了后续生产过程的质量控制。因此，有必要对其全流程进行取样分析，探究夹杂物的形成和演变规律。本文对中高牌号无取向硅钢 （）冶炼全流程（中间包铸坯）各工位取样并分析其中夹杂物，探究在冶炼流程中夹杂物的演变规律。本研究采用扫描电镜（）分析（）和热力学计算两种分析方法对中高牌号无取向硅钢 生产过程中夹杂物的形貌、种类、尺寸、生成条件、成分变化，即演变规律进行研究。生产过程取样分析某厂 的生产工艺为 单流中间包板坯连铸。转炉采用沸腾出钢（不加脱氧剂），在 环节依次进行脱碳、加铝、加硅铁和纯锰、脱硫等工序，处理时间分别为：脱碳 ，吹氧加铝，循环 ，硅铁和纯锰合金化，脱硫，循环 ，真空处理时间总共为 。在各工位进行取样，方案如图所示。根据以上取样方案进行取样，和中间包中取出的样品均为桶样，取样器材质为铁质。铸坯上取出的样品均为块状。加工示意如图所示，用线切 割机在桶样靠近下表面的一侧取出一个厚度为第期曹建其，等：无取向硅钢 冶炼全流程夹杂物分析（）；（）。图 热轧板中的典型夹杂物 图 冶炼全流程取样方案 的半圆柱（红色虚线框表示），再从半圆柱中取出 的正方体（黄色边框）小试样。进行打磨、抛光标有的表面，制成金相试样用于电镜分析。每一块试样分析多个视场下 个夹杂物，测量尺寸后取平均得出平均尺寸。的成分变化见表。热力学计算分析在轧板中发现较大尺寸的 及 析出物，使用热力学计算了钢液中 的生成条件及凝固过程中夹杂物析出的热力学条件。分别取表中的真空出站成分和中间包成分进行上图试样加工示意（）表冶炼过程钢水成分变化（质量分数）取样位置 真空出站 中间包浇注 述计算。钢液中镁铝尖晶石稳定区的计算主要运用反应平衡关系结合活度、活度系数、一阶、二阶相互作用系数，列出温度、相互作用系数和成分之间的关 系 式，通 过 编 程，解 出 钢 液 中（）和（）的关系曲线，得到镁铝尖晶石的生成条件；铸坯中析出相的计算利用热力学计算软件 ，得出凝固过程中出现的析出相和其质量分数。钢铁第 卷夹杂物分析 过程典型夹杂物分析 出钢后，钢中实际氧含量高于平衡时的氧含量，加入合金后易生成大量的夹杂物。图图所示分别为过程各工序存在的典型夹杂物的 图。在 进站及脱碳 后夹杂物主要为较大尺寸的多边形 ；加铝 后发现 左右的大尺寸类球形 和长度为 左 右 的长 条形 ，且 仍有 左 右 的 夹杂物；加入硅铁、纯锰合金化后，夹杂物尺寸有所减小，大多为，除 外，出现了 和 ，且 在 表面析出形成 夹杂物，并有学者 指出了 在氧化物表面的析出机制；加入脱硫剂后，夹杂物主要为多边形 、夹杂 物，尺 寸 为 ；破 空 后，几 乎 不存在单相 夹杂物，存在 、等复 合 夹 杂 物，同 时 发 现 少 量 夹杂 物，呈 分 散 状，单 个 夹 杂 物 尺 寸 小 于，有学者指出，中的 容易被 所取代形成 ，所以该阶段原本可能存在的是 复合夹杂，由于局部耐火材料侵蚀导致钢液中 增加，从而取代了夹杂物中的。图 脱碳 后的典型 夹杂物 （）、（）；（）。图 加铝 后典型夹杂物 （）、（）；（）；（）。图 合金化后典型夹杂物 中间包及铸坯中夹杂物分析图所示为中间包中存在的夹杂物，主要为 、夹杂物，尺寸为，多为球形，且已经开始出现 、夹杂物，这两种夹杂物可自身形成复 合 夹 杂 物，也 可 与 、形成复合夹杂物，这类夹杂物尺寸较小，为，呈多边形形状。图 和图 所示分别为铸坯内弧和外弧处存在的夹杂物，整体来看，铸坯中的夹杂物较中间包中没有较大的变化，但第二相析出物 更 多，主 要 有 、，尺寸大多为，多为球形和多边形。第期曹建其，等：无取向硅钢 冶炼全流程夹杂物分析（）；（）；（）。图 脱硫后典型夹杂物 （）；（）；（）。图 破空后典型夹杂物 （）；（）；（）；（）；（）；（）。图中间包中典型夹杂物 由于本炉中间包和 铸坯 中 存在大 量 和 复合夹杂物，对其冶炼过程中的成分变化进行统计分析，其成分分布的三元相图如图 所示。图（）中，、分别表示中间包浇注、的结果。从图中可以看出，三元系夹杂物成分主要以 、为主，随着浇注过程的进行，有增加的趋势。由于本炉次前期硫含量较高，脱硫剂中 被还原进入钢液中的 与反应，生成大量的 在 表面包裹。同时，随着浇铸时间的加长，钢液与耐火材料反应加剧，夹 杂 物中 含量 有 所 增 加。三元系夹杂物成分主要以、为主。同样地，铸坯中 也有增加的趋势。两种三元系复合 夹 杂 物 的 的 质 量 分 数 均 保 持 为 左右。钢铁第 卷（）长度处 ；（）长度处 ；（）长度处 ；（）长度处 ；（）长度处 ；（）长度处 。图 铸坯内弧典型夹杂物 （）；（）；（）；（）。图 铸坯外弧长度处典型夹杂物 （）；（）。图 两种复合夹杂物的成分分布 复合夹杂物分析图 和图 所示分别为中间包、铸坯中存在较多的（类）球形 夹杂物的两种典型形态。形态一如图 所示，内部为 ，其余部分均含有 成分；形态二如图 所示，内部为 ，外部包裹着一层 ；图 所第期曹建其，等：无取向硅钢 冶炼全流程夹杂物分析图 形态一 图 形态二 图 复合夹杂物 钢铁第 卷示为 复合夹杂物，其形貌呈现“核桃仁”形，中心为 ，两侧为 ，外部为 包裹的外壳。但是在本炉次中发现，大部分 夹杂物形态为第二种形态，只有一小部分为第一种形态。以上分析可以看出，、先形成复合夹杂物，随后 析出包裹在其表面。夹杂物尺寸分析全过程夹杂物平均尺寸如图 所示。当 加铝后，生成大量易聚合长大的 ，且夹杂物的尺寸较大，达 。本炉 次 加 铝后循 环 ，给予大尺寸 较为充足的上浮去除时，在合金化阶段夹杂物的尺寸大幅下降至。脱硫剂加入后又循环 ，较大尺寸（左右）的夹杂物随着钢液的循环，上浮至渣中被去除，到 破空时夹杂物尺寸已降低到。在之后连铸过程和铸坯中夹杂物尺寸虽稍有增大，但仍然保持在的较小范围。这可能是由于在冷却过程中第二相粒子以原有的夹杂物为形核中心析出。图 全过程夹杂物平均尺寸 夹杂物生成热力学分析 镁铝尖晶石生成热力学计算活度与活度系数计算关系式见式（），活度系数与相互作用系数及组元质量分数之间的计算关系式见式（）。（）（）（）（）（，）（）（）（）式中：为 组 元 的 活 度；、为 组 元；（）、（）、（）分别为组元的质量分数，；为组元的活度系数；为组元之间一阶相互作用系数；、（，）为组元之间二阶相互作用系数。根据以上两个关系式，可以计算 、三相的两条边界线，计算方法如下。（）边界线。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）相边界线。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为平衡常数；、均视为；（）为 。根据式（）可得 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（，）（）（）（，）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（，）（）（）（，）（）（）（）查询文献 可得计算中需要的相互作用系数，具体见表和表。计算结果如图 所示。第期曹建其，等：无取向硅钢 冶炼全流程夹杂物分析表钢液中各组元的一阶相互作用系数 元素 表钢液中铝、镁、氧的二阶相互作用系数、（，），、（，）（，）（，）（，）（，）（，）根据图 可知，在（）时，温 度 下，只 要 钢 液 中 的（），即（）就可以生成 ，等 也得到了相近的结果。由于合金化过程中加入铁硅合金，硅会还原渣和耐火材料中的镁，使钢液中的（）增大。随着温度的降低，生成 夹杂物所需的（）会有所升高，但幅度不大。本炉的生产过程 中，出 站 温 度 为 ，当（）较高时，则生成 夹杂物。如前所述，在 加合金后已有一些 夹杂物。第二相析出物热力学计算图 所示为通过 计算中间包浇注图 不同温度 出站成分下 平衡图 的成分下得到的凝固过程中各相的质量分数变化。从图 中 可 以 看 出，的 凝 固 温 度 区 间 为 ，凝固后基体为铁素体相。随着温度的降低，当温度降至 时，开始析出 相；当温度降至 时，也开始析出。正如前所述，铸坯中出现含 和 的夹杂物，或以夹杂物为核心析出 等夹杂物。（）凝固过程各相质量分数；（）红色方框局部放大。图 凝固过程中析出相质量分数变化 尽管热力学计算结果表明，铸坯冷却过程中有 析出，但在上述取样分析的结果中并未发现单相 夹杂物，文献 也报道了冶炼过程中的动力学条件不能满足 自