SiCa和SiCaBa合金对304N不锈钢脱氧和夹杂物变性的影响.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEELSiCa和SiCaBa合金对304N不锈钢脱氧和夹杂物变性的影响陈漳1，丁航2，仇兵利1，王丽君1（1 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083；2 北京科技大学冶金国家重点实验室，北京 100083）摘 要：通过实验研究SiCa（Si71%-Ca28%）和SiCaBa（Si52%-Ca14%-Ba14%-Al1.82%）合金对304N不锈钢脱氧和夹杂物改性及总氧含量的影响。加入SiCa或SiCaBa合金后，夹杂物中MnO消失，并改性为CaO-Al2O3-SiO2-MgO-（BaO）体系，塑性增强。SiCa 处理相比于无脱氧剂处理，夹杂物数密度由 350 个/mm2降低至 170 个/mm2，尺寸由 0.8 m增加至2.7 m，面积占比为0.05%，但全氧含量并未明显降低。SiCaBa合金处理后夹杂物熔点进一步降低，塑性进一步增强。夹杂物数密度降低至155个/mm2，尺寸增加至3 m，面积占比为0.049%。全氧含量进一步降低，由11110-6降至3610-6。此外，在加入精炼渣15 min后加入SiCaBa合金，对比30 min后加入的试验结果表明：夹杂物的数量密度进一步下降到70个/mm2，直径3.4 m，在几种脱氧处理中夹杂物数量最少、改性最优。全氧含量降至最低为原钢样的73%，使冶炼后的304N不锈钢洁净度达到最高。关键词：SiCa合金；SiCaBa合金；304N不锈钢；夹杂物DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00025 中图分类号：TF746Effect of SiCa and SiCaBa Alloys on Deoxidation and Inclusions Denaturation of 304N Stainless SteelChen Zhang1，Ding Hang2，Qiu Bingli1，Wang Lijun1（1 University of Science and Technology Beijing，Collaborative Innovation Center of Steel Technology，Beijing 100083，China；2 University of Science and Technology Beijing，State Key Laboratory of Metallurgy，Beijing 100083，China）Abstract：The effects of deoxidation of SiCa（71%Si-28%Ca）and SiCaBa（52%Si-14%Ca-14%Ba-1.82%Al）alloys on the inclusions denaturation and total oxygen content of 304N stainless steel were studied experimentally.With the addition of SiCa or SiCaBa alloy，the MnO in the inclusions disappeared and was modified to CaO-Al2O3-SiO2-MgO-（BaO）system，and the plasticity of the inclusions was enhanced.The number density of inclusions decreased from 350 to 170 number/mm2，the size increased from 0.8 to 2.7 m，and the area percentage was 0.05%for SiCa treatment comparing to no deoxidizer treatment，but the total oxygen content did not decrease significantly.After SiCaBa alloy treatment，the melting point of the inclusion was further reduced，and the plasticity was further enhanced.The number density of inclusions was reduced to 155 number/mm2 and the size was increased to 3 m with an area ratio of 0.049%.And the total oxygen content was further reduced from 11110-6 to 3610-6.Moreover，SiCaBa alloy was added at 15 min after the addition of refined slag，compared with the test results after 30 min，the results showed that the number density of inclusions further decreased to 70number/mm2，the diameter decreased to 3.4 m，with the least number of inclusions and optimal denaturation among several deoxidtation treatments.The total oxygen content was reduced to a minimum of 73%of the original steel sample，resulting in the highest cleanliness of 304N stainless steel after smelting.Key Words：SiCa Alloy；SiCaBa alloy；304N Stainless Steel；Inclusions高品质钢对炼钢后的过氧化状态钢液往往需要进行脱氧处理。常用的脱氧剂有Al、Si-Mn和碱性金属等1-3。采用 Al脱氧时脱氧能力强，但容易产生大颗粒难溶的Al2O3类夹杂物。在生产过程中会引起水口结瘤、浇注中断的问题，同时对后续钢材的质量造成不良影响3-5。Si-Mn脱氧不会产生难熔的Al2O3类夹杂物，但其脱氧能力较弱，钢的洁净度较低6。为解决Al脱氧和Si-Mn脱氧的不足，含有碱性元素的复合脱氧剂被广泛用来脱氧。复合脱氧剂会降低脱氧产物的活度，有效改善去除脱氧产物的热力学和动力学条件7-10。因此，可以很好地促进夹杂物的聚集、长大、上浮和去除。SiCa及基金项目：国家自然科学基金资助项目(52274406)；中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-19-004C1)作者简介：陈漳（1998-），男，硕士研究生；Email：；收稿日期：2023-02-27通讯作者：王丽君（1979-），女，博士，教授；Email：43第 44 卷 特殊钢SiCaBa合金是常用的碱性脱氧剂。与SiCa合金相比，SiCaBa合金脱氧具有很多优势，也有许多学者做过相关研究。V.P.Kirilenko等人11实验中用SiCa和SiBa脱氧，证明SiBa处理钢与SiCa处理钢质量相当，夹杂物数量没有升高；研究还表明，Ba是熔融金属的活性脱氧剂，它通过使非金属夹杂物球化并改善其沉降性能来发挥其改性作用，从而使夹杂物易于被覆盖的炉渣所吸收。王厚昕等12-14研究了 SiCa 包芯线和 SiCaBa 包芯线喂入钢液中后对钢中夹杂物的影响。SiCaBa处理钢液全氧含量达到平衡所需时间低于SiCa，且SiCaBa处理取得较好的夹杂物上浮清除和变性效果，由单一Al2O3变为复合夹杂物mCaO nAl2O3或者Ca-Si-Al系夹杂物，夹杂物形态几乎完全球化。刘锦文等人15试验结果表明，在弹簧钢中加入SiCaBa合金使T O 和 S 分别降至 1110-6和 810-6。Shi 等人16研究发现Ba脱氧剂比Al脱氧剂能更快地使钢液中的氧含量迅速下降，而且夹杂物的去除也比Al脱氧剂处理快。Yang等人17研究了Ba合金脱氧行为，最终的总氧含量非常低，在2010-6到2210-6之间，脱氧产物上浮。Miyamoto18研究了1673K下NiTi合金熔体的Ba脱氧，Ba的加入使氧含量在120 s内从1 10010-6降到 35010-6，脱氧后的 Ba 含量低于1010-6。基于Miyamoto的研究，Ito19研究了低初始氧的NiTi合金在Ba脱氧后的氧含量和非金属夹杂物的变化情况，氧含量在低氧合金中从33010-6下降到13010-6，在第二次Ba处理后低至64 10-6，同时非金属夹杂物从Ti4Ni2OX转变为Ti（C，N，O）X，面积比也有下降。304N奥氏体不锈钢因其高强度、优良耐腐蚀性和低温韧性作为304代替材料得到广泛应用，氧化物夹杂对钢材的性能影响显著，高氧含量导致钢中氧化物夹杂增多，钢的冲击值降低，脆性转变温度升高，韧性恶化20-22。但在304N不锈钢精炼脱氧过程中，SiCaBa合金对304N不锈钢夹杂物及洁净度有何影响还未有学者进行研究。故本文研究了 SiCa合金和 SiCaBa 合金脱氧剂加入量和加入时间对304N不锈钢中氧含量和夹杂物的影响。1实验方案对304N奥氏体不锈钢进行高温熔炼脱氧研究，采用钢渣平衡+脱氧合金处理的方法，探究脱氧合金（SiCa合金和SiCaBa合金）加入量和加入时间对氧化物夹杂和全氧含量的影响。1.1实验原料制备304N不锈钢原料取自某钢厂铸坯样品，化学成分 见 表 1。实 验 过 程 所 用 渣 成 分 为 10%MgO-48%CaO-5%Al2O3-32%SiO2-5%CaF2，所用原料为分析纯粉末。其中CaO为CaCO3在1 100 下焙烧6 h得到，并将 MgO在 1 000 下干燥 4 h，然后将原料合并充分搅拌均匀。实验所用脱氧剂为 SiCa 粉（Si 71%，Ca 28%），SiCaBa 粉（Si 52%，Ca 14%，Ba 14%，Al 1.82%）。1.2实验流程高温熔炼试验所用设备为Si-Mo棒高温电阻竖炉，炉体结构如图1所示。将500 g钢样放入套有石墨坩埚的氧化镁坩埚中，通入Ar气升温至1 600。此时开始计时，保温40 min后用石英管抽取钢样标记0号，随后向钢液中加入80 g精炼渣进行平衡试验，分别在 15、30、45、60、90 min抽取钢样并水淬。脱氧合金的处理则在精炼渣处理30 min后进行，在坩埚中分别加入1.5 g的SiCa合金和3 g的SiCaBa合金，加入3 min后取样水淬，其他实验条件不变。为探究脱氧合金加入时间对实验结果的影响，另外设计一组实验，在精炼渣处理15 min后加入3 g脱氧剂SiCaBa合金。实验在加入精炼渣90 min后结束，从坩埚取出进行冷却。对实验过程所取钢样进行切割、镶样、抛光。表1304N钢样的化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of 304N steel samples%C0.045Si0.548Mn1.206S0.001P0.026Cr20.706Ni8.743Al0.009N0.120图1高温实验装置图Fig.1Diagram of high temperature experimental setup44第 4 期陈漳等：SiCa和SiCaBa合金对304N不锈钢脱氧和夹杂物变性的影响利用场发射扫描式电镜和能谱仪分析钢中非金属夹杂物形貌、尺寸和成分，采用TCH600氧氮分析仪检测熔清样与钢样中T.O.的质量分数。2实验结果与讨论2.1SiC