27 炉外精炼的理论基础（夹杂物变性处理）-本

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1、钢铁冶金研究所第二章炉外精炼的理论基础2.9非金属夹杂物的变性处理主要内容概述稀土元素的变性作用钙的变性作用3非金属夹杂物的变性处理是喷射冶金的具体应用之一。钢中的非金属夹杂物的数量、大小、形状和分布，以及它本身的物理化学性质与钢的差异，对钢的性质产生种种恶劣影响，也影响连铸机的正常运行。非金属夹杂的变性处理★：就是向钢液喷入某些固体熔剂，即变性剂，如硅钙、稀土合金等，改变存在于钢液中的非金属夹杂物的性质，达到消除或减小它们对钢性质的不利影响，以及改善钢液的可浇注性，保证连铸工艺操作顺利进行。9.1简介4众多的研究表明：钢中的氧化物、硫化物的性状和数量对钢的机械和物理化学性能产生很大的

2、影响，而钢液的氧与硫含量，脱氧剂的种类，以及脱氧脱硫工艺因素都将使最终残存在钢中的氧化物、硫化物发生变化。研究还表明：铝脱氧产物的数量和形状是使连铸中间包水口堵塞的主要原因。因此，通过选择合理的变性剂，有效地控制钢中的氧硫含量，以及氧化物硫化物的组成，即可以减少非金属夹杂物的含量，还可以改变它们的性质和形状，从而保证连铸机正常运转，同时改善钢的性能。56实际应用的非金属夹杂物的变性剂，一般应具有如下条件★：1）与氧、硫、氮有较强的相互作用能力2）在钢液中有一定的溶解度，炼钢温度下蒸汽压不大3）操作简便易行4）收得率高成本低变性剂：钛、镐、碱土金属(主要是钙合金和含钙的化合物)和稀土金属

3、等都可作为变性剂。生产中大量使用的是硅钙合金和稀土合金。7稀土元素位于元素周期表中的A组，原子序数57—71。自然界中稀土元素主要包括铈Ce、镧La、镨Pr和钕Nd，它们约占稀土元素总量的75％以上。稀土元素的性质都很类似，熔点低、沸点高、密度大，与氧硫氮等元素有很大的亲合力。与其它元素的氧化物硫化物比较，稀土氧化物硫化物的密度较大(5—6g/cm3)，在炼钢温度下都呈固态。9.2稀土元素的变性作用：8稀土元素加入钢液以后，产生如下反应：9钢液初始的氧硫含量决定了稀土元素加入后所能生成的产物。根据上述反应的反应常数KO、KS相及KOS在1600℃的值分别为10-5、10-10和10-(

4、13.3~15)。计算表明，生成的产物与钢液初始氧硫含量的关系如表2—34。10图2—28是Frueban计算的铈在不同硫氧活度时所生成的氧化物硫化物及硫氧化物的平衡图。11在实际生产中，稀土合金最常用于控制硫化物的形态。热力学计算表明，当钢中[％Mn]/[％S]＞2时，虽然脱氧良好，锰与硫的含量也正常，仍然会生成MnS夹杂物。它的熔点低，热轧时会在轧制方向形成带状夹杂物，并极大地降低钢的横向机械性能，如延展性和消除产生裂纹倾向的限度都大大降低。硫化锰也使钢对氢裂纹的敏感性增加。因此应该消除钢中的MnS夹杂物。12研究指出，加入适量的稀土合金在钢的凝固过程中生成稀土氧硫化物，如Re2O

5、2S，它们呈细小而分散的球状夹杂物，在热加工时不会变形，消除了硫化锰的有害作用。为了充分控制硫化物的形态，K．Sambongi等研究指出钢中稀土元素与硫的含量之比[％Re]/[％S]应该大于3。另一方面，由于稀土夹杂物的密度大约5—6g/cm3，接近于铁不易上浮。此外，稀土夹杂物熔点高，在炼钢温度下呈固态，很可能在中间包的水口处凝集使之堵塞。因此使用稀土合金的量应该适当，避免在钢锭底部倒锥偏析严重以及使连铸操作产生故障，其临界值KRe不应该超过4×l0-4。13为了控制硫化锰又避免产生倒锥偏析的硫和稀土元素的含量在一般情况下硫含量应该低于0.01%，并且尽量减少稀土元素的用量。工厂使用

6、稀土元素的实践证明，按照此含量关系就可以有效地用稀土元素控制硫化物的形态。14稀土元素夹杂物的性状随[％Re]/[%S]比值的变化大体如下表所示：15铝脱氧的钢中存在的氧化铝夹杂物多数熔点很高，在连铸温度下呈固态，很容易在中间包水口处聚积引起堵塞。而在钢中的Al2O3，在轧制过程会被破碎，沿轧制方向连续分布，造成严重的缺陷。如果控制铝脱氧产物在炼钢连铸温度下呈液态，可以大量上浮，不仅可以消除水口堵塞保证连铸顺利进行，而且有利于改善钢的质量。9.3钙的变性作用1617CaO-Al2O3相图从CaO—A12O3二元相图可以看出，在可能形成的5种钙铝化合物中12CaO·7A12O3(C12A

7、7)的熔点最低1415℃，而且密度也小2.83g/cm3，在连铸中间包中易于排除。据此，向铝脱氧的钢液加入钙并适当控制加入量，既能够改变铝氧化物夹杂的性状，因而改善钢液的浇注性能和钢的质量。18钙的沸点很低约1491℃，根据Schurmann的研究，钙蒸汽压pCa与温度的关系logpCa＝4.55-8026/T1600℃的pCa=0.187MPa。在炼钢温度下钙很难溶解在铁液内。但在含有其它元素，如硅、碳、铝等条件下，钙在铁中的溶解度大大提高。