CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系生产高强合金结构钢MgO·Al2O3夹杂物的形成研究.doc
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1、CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系生产高强合金结构钢时MgOAl2O3夹杂物的形成研究Min JIANG, Xinhua WANG, Bin CHEN and Wanjun WANG 本文研究了CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系生产高强合金结构钢42CrMol时MgOAl2O3夹杂物的形成;当钢/渣达到平衡时,钢水中Al含量小于0.01%。在预平衡试验中,在1873K,90分钟足够达到钢/渣平衡。2-4m的尖晶石夹杂物弥散分布在钢水中,钢水中镁的含量极大程度上影响了夹杂物达到形态。随着钢水中镁含量的增加,球状的夹杂物转变成角状;然而,钢水中痕量的Ca能有效的使角状尖晶石夹杂物转变成
2、球状。渣中的MgO也进行了讨论,夹杂物中log(XMgO/XAl2O3)随着钢水logaMg/(a2Ala2O) 及渣中 log(aMgO/aAl2O3) 的增加而增加,并呈一定的线性关系。画出了MgO-MgOAl2O3-Al2O3平衡相图,发现钢水中Al和Mg主要存在于MgOAl2O3形成区域,它是形成MgOAl2O3先决条件。渣中的SiO2由于跟钢水中Ca和Al反应,有利于稳定MgOAl2O3。在可溶Al的范围内镁含量极大影响了MgO-MgOAl2O3-Al2O3三元相的转变,这也是矩形MgO夹杂物形成的原因。关键词:MgOAl2O3尖晶石,渣,夹杂物,平衡,高强合金结构钢1 简介MgOA
3、l2O3尖晶石夹杂物通常出现在Al镇静钢中,它是由钢中溶解的Al和钢包耐材反应产生的物质。 MgOAl2O3夹杂物形状不规则,且不易变形。以此,它对钢材的最终性能有相当不利影响。如:作为微裂纹源,从而使钢产生疲劳断裂。参考1,2认为内生夹杂物有利于高强钢产生超长的疲劳周期。此外,文献3-6认为,细小、球形及分布均匀的 MgOAl2O3夹杂物实际上是对钢的疲劳性及其他性能是无害的。实际上,近年来对MgOAl2O3尖晶石夹杂进行了广泛讨论。大部分报道聚集在不锈钢中 MgOAl2O3夹杂物的形成及控制技术,这是因为它们对不锈钢的表面性能影响较大;而高强结构钢中就鲜有报道。高强结构钢中控制 MgOAl
4、2O3的目的是进一步改善疲劳性能(跟不锈钢中目的相差很大),这是国家973基础研究中的项目。本文在实验室范围内进行了研究,在冶炼42CrMo钢达到钢/渣(CaO-SiO2-Al2O3-MgO)平衡时,对MgOAl2O3夹杂形成进行了讨论。当钢水中可溶Al小于0.01%时,有 MgOAl2O3生成已被阐明。2 实验Si-Mo棒加热的电阻炉用作实验钢水的加工。钢样150g(成分见表1),渣30g,在1873K,Ar2保护下,在坩埚内进行了熔炼。除非特别声明本文采用的单位是百分质量数。在1873K保持一定时间后(平衡时间已通过预平衡实验证实),从坩埚中取出进行快速水冷。2.1 预平衡实验在平衡实验之
5、前进行了预平衡实验,以找出达到钢/渣平衡所需时间。在1873K,坩埚中钢渣保持不同的时间,然后对试样进行水冷,再分别对钢渣试样进行制备,进行化学成分分析。2.2 平衡实验在找出钢/渣平衡时间之后,在1873K进行了平衡实验,实验过程中在静态状态下进行,使得钢中氧化物自然上浮。试样后的试样进行了快速水冷。钢、渣试样分别制备并进行了化学分析;在试样截面上随机选择了30个夹杂物进行了SEM-EDS分析,并统计夹杂物的形貌、尺寸、化学成分等信息。在当前实验中,把0.5g金属试样、10cm3水和5cm3HNO3放入到200cm3的烧杯中,然后加热直到没有气泡逸出。然后烧杯中加入5cm3HCL,并继续加热
6、以熔化试样。实验中使用的水和酸都是高纯度的。试样熔化之后,过滤到100cm3的烧瓶中,滤纸上保留了残留物。试样中的Al含量(冷却到室温)看做是酸溶铝,进行了ICP发射光谱分析。并采用此法分析了钢中酸溶Ca和Mg含量。但必须指出,酸中也溶解了部分MgOAl2O3夹杂,溶解量取决于夹杂物自身的尺寸、数量。因此,分析的酸溶Al和Mg同实际钢样中有一定差别。试样中全氧量采用熔化及红外吸收的方法测定,渣子的成分采取x射线荧光光谱分析仪进行分析。3 结果和讨论 3.1 达到平衡所需时间预平衡试验中钢水及渣子的成分见表2。 实验发现,在保持90分钟后钢水中全氧的含量基本稳定。这表明对于钢水中夹杂物的上浮90
7、分钟已足够。保持60分钟后,钢水中的Al基本稳定,如图1 所示。可以说90分钟,钢/渣之间足以达到平衡。3.2 钢样中MgOAl2O3夹杂的测定平衡实验后,钢样及渣子的成分见表3。SEM-EDS结果表明MgOAl2O3夹杂弥散分布在钢样中。尤其是,除了No.4实验中角状颗粒外(见图2-8)它们比较细小(2-4m),球状、均匀分布的颗粒。尖晶石夹杂物中MgO的含量随着钢水中Mg的增加而升高。尤其是所有钢样中含Mg最高的试样No.6(10ppm)中MgO颗粒多呈矩形。这种现象后面将进行详细讨论。显而易见,钢水中Mg含量的增加将会改变尖晶石夹杂的形态,从球状变成尖角状,而夹杂物中痕量的Ca有利于夹杂
8、物呈球状,见图2-8。3.3 铝脱氧平衡 当在钢/渣之间建立起平衡时,钢水中的Al和Mg也同渣建立起平衡,可以用如下反应表示。 (Al2O3)=2Al+3O .(1) 式中: Ki是平衡常数;ai是钢中i组分的活度,它以无限稀溶液为标态进行计算; aj是渣中j组分的活度,它的标态是纯固态。Al、O活度可以通过以下方程计算:式中: eji是元素i、j之间的一级相互作用系数,见表4;参考12的作者推导出在1873k计算Al在CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系中的活度。其表达式如下:根据表3中渣子的成分,用等式(5)估算出Al2O3活度,并带入等式(2)(3)和(4)就能够计算出溶解氧的含量。
9、从而得到在1873K,钢水中氧与渣中Al2O3达到平衡时的值,见表3。3.4 渣中饱和态MgO行为文献12画出了MgO在(CaO+MgO)-SiO2-Al2O3准三元系中的等溶线,见图9.。粗线代表了不同相的边界,细线代表了MgO的等溶线。从图上可以看出在SiO2值一定时,随着Al2O3含量的增加,含MgO饱和相中MgO的溶解量增加,一直到达MgO-MgOAl2O3双饱和相边界,其后在MgOAl2O3饱和相中开始递减。图9中三角形表示了表2中所列渣子的成分,实验No.1和No.3中渣子的成分分别靠近图中MgOAl2O3饱和相的MgO和C2S边界。这里MgO的溶解度约5-10%。由于MgO在No
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