含钛超纯铁素体不锈钢的脱氧精炼与夹杂物控制

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超纯铁素体不锈钢为[C+N]≤150ppm,铬含量为11%30%,使用状态下组织结构以铁素体为主的Fe-Cr或Fe-Cr-Mo合金。超纯铁素体不锈钢具有优良的抗高温氧化和局部侵蚀的性能,并且价格低廉,在很多领域逐渐取代价格较高的奥氏体不锈钢。超纯铁素体不锈钢脱氧精炼主要采用硅铝复合脱氧,通过随后的钛合金化抑制钢中聚集在晶界处的碳和氮形成的铬的碳氮化物,从而避免晶界处Cr的贫化。超纯铁素体不锈钢中的夹杂物主要是Al2O3、TiOx、TiN、MgO·Al2O3及其复合夹杂物。这些夹杂物的存在对产品的表面质量、性能等都有较大的不利影响。本文对超纯铁素体不锈钢的硅铝复合脱氧以及钢中典型夹杂物形成的条件进行了热力学分析。同时,在硅钼棒高温管式电阻炉中对含钛超纯铁素体不锈钢精炼过程中的脱氧、钛合金化和钙处理过程进行了实验研究。研究了不同Si/Al比的复合脱氧剂对含钛超纯铁素体不锈钢的脱氧效果和脱氧产物的行为,以及Ti合金化和Ca处理对夹杂物的形貌、成分、数量和大小的影响。同时考察了不同精炼渣组成对含钛超纯铁素体不锈钢脱氧精炼过程中夹杂物的形貌、成分、数量和大小的影响。具体研究结果如下:脱氧后钢中的全氧含量表明采用全铝脱氧时钢中全氧含量较低,随着硅铝复合脱氧剂中Si/Al的比值增加,钢中全氧含量略微增加。虽然从脱氧水平上看,采用硅铝复合脱氧与采用纯铝脱氧效果相当,但是采用硅铝复合脱氧所形成的脱氧产物的数量少、尺寸小,而且当复合脱氧剂中含有适量的Al时,可以形成低熔点的钙长石类夹杂物,有利于上浮被渣吸收,另外,采用硅铝复合脱氧可以达到节约铝资源的目的。通过考察脱氧后钢中全氧含量水平以及脱氧产物的形貌、成分、数量和尺寸,综合分析后推荐采用Si/Al为2.5的硅铝复合脱氧剂。钛合金化后的试样中夹杂物的类型主要为Al2O3-MgO或Al2O3-MgO-SiO2(-CaO)与少量TiOx共存的复合夹杂物,以及尺寸细小的以前期脱氧产物为核心析出的TiN夹杂物。与脱氧终点试样相比,喂钛后钢中夹杂物总数增加,然而夹杂物的平均粒径明显减小。钙处理后的夹杂物类型主要为球形的Al2O3-CaO-MgO-SiO2-TiOx类复合氧化物,多为CaO含量高、熔点低的钙长石夹杂物,钢中夹杂物的数量相比Ti合金化后有所减少,钙处理形成的低熔点夹杂物容易被渣所吸收,从钢液中去除。实验结果表明复合脱氧剂加入到钢中时,会立即形成纯的Al2O3夹杂物,与硅铝复合脱氧热力学计算结果相符合。随着时间的推移,钢液中Al含量降低、Mg含量增加,所形成的镁铝尖晶石夹杂物中MgO的含量逐渐增加,钢液中存在少量的Mg就会形成镁铝尖晶石夹杂物,很难避免。通过研究精炼渣组成对脱氧效果和夹杂物行为的影响发现,采用高碱度精炼渣,有利于降低钢中全氧含量。随着精炼渣碱度的提高,钢中夹杂物的总数量、总面积和平均粒径减小,尺寸在2μm以下的夹杂物所占比例提高,因此,提高精炼渣的碱度有利于减小钢中夹杂物的尺寸,对去除较大颗粒的夹杂物有益,同时减轻对耐材的侵蚀。
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