ML08Al钢中夹杂物控制研究
摘要：ML08Al钢铸坯中主要夹杂物为复杂硅铝酸盐夹杂物和硅铝酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，占夹杂物总量约80%，其中Al2O3成分含量约占50.5%，通过对ML08Al钢中w（Als）与夹杂总量的关系进行了研究，确定了当w（Als）在0.015％～0.030％的范围时，可以有效控制夹杂总量，提高钢的纯净度。
关键词：ML08Al钢；夹杂物；酸溶铝；夹杂总量 l 前 言
ML08Al冷镦钢属于低碳低硅铆螺钢，采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高，质量好，而且用料省，成本低。冷镦工艺对原材料的质量要求较高，在ML08Al冷镦钢的标准中对于工艺性能的要求，除对化学成分要求十分严格外，同时对钢的塑性、表面质量、冷顶锻性能、夹杂物含量等要求也十分严格。
炼钢生产中，在无真空处理的条件下铝是最好的脱氧元素，用铝脱氧不但可以有效降低钢中的氧，还有细化晶粒，改善韧性，防止时效的作用。对ML08AL钢铸坯中的夹杂物深入研究，采用合理的铝脱氧工艺，具有重要意义。ML08Al钢的化学成分为 w(C)(0.05～0.10)％，w(Si)(≤0.10)％，w (Mn)(0.30～0.60)％，w（S）（≤0.025)%、w(P)（≤0.030）％，w（Als）（0.020～0.050）%，w（Alt）（0.020～0.060）%。钢中夹杂物采用ASTM标准评级。为了保证ML08Al钢的质量，控制Al脱氧用量，掌握Als含量与夹杂总量的关系，对工业生产中实现的数据进行了分析研究后，确定用铝的工艺参数。
2 LF精炼工艺
精炼采用70tLF钢包炉，具有加热、造还原渣、成分微调、喂线处理、吹Ar搅拌等功能。其工艺流程如下：初炼钢水 → 出钢过程渣洗 → LF工位（升温、造渣、脱氧、微调）→ 喂线钙处理 → 净化搅拌 → 浇注。
3 ML08Al钢铸坯中的非金属夹杂物分析
大型夹杂物是影响ML08Al钢拉拔深加工的主要危害之一，尤其是钢中大于50μm的大型夹杂含量要低。用大样电解法制取钢中非金属夹杂物，将取得的较大夹杂物用电镜进行能谱分析。分别对6个连铸坯试样进行大样电解，分析结果见表1。
表1 ML08Al钢电解夹杂物分析
由于6号试样含氧量高其夹杂物类型更复杂，故以6号试样为例，体视显微镜下的电解的夹杂物如图1。由照1可见到3种主要夹杂物，金相法观测并分别作能谱分析表明：第1种透明球状夹杂物，颜色逐渐由无色透明到淡黄色或淡紫色。无色透明者为较纯的SiO2相，颜色较淡者为铁锰硅酸盐相；第2种不透明深灰色到黑色有光泽球状夹杂物，是复杂玻璃相。第3种灰白色不透明无光泽球状夹杂物，为复杂硅酸盐相，主要成分为Al2O3；有以硅酸盐相为基体附着硫化物的复相夹杂物，见图2，也有以硫化物相为基体附着硅酸盐的双相夹杂物，见图3。
图1 图2 图3 在横断面上垂直内外弧方向上的铸坯中心取样，以避开内弧侧夹杂物聚集的影响。显微镜下每处观测100个视场，用网格记点法测定夹杂物所占体积率，根据观测将夹杂物分为上述3种类型和3种粒径范围，在Φ10μm以下、Φ10～20μm和Φ20μm以上（观测到Φ30μm以上的大型夹杂物很少）。
通过夹杂物观测结果及分析，可以确定ML08Al冷镦钢连铸坯中主要夹杂物有3种，第1种为二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物，第2种为复杂硅酸盐夹杂物，第3种为硅铝酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，占夹杂物总量约80%，其中Al2O3含量约占50.5%。第1种夹杂物主要是钢水氧化产物；第2种夹杂物主要是钢水氧化产物和脱氧产物的融合物；第3种夹杂物的形成是脱氧产物的融合物以及由于氧含量较高，使S在铁中的溶解度降低，在凝固过程的较高温度下就开始凝固沉淀。
另外，第1种和第2种两种夹杂在3个粒径范围都有分布。第3种夹杂主要以Φ10μm以下的状态存在，且大多小于3μm，它的各尺寸平均体积率之和最高，即夹杂中它的含量最高。但大型夹杂以第1种最多，第2种次之。
4 ML08Al钢中Al2O3夹杂的控制
通过对ML08Al钢中夹杂物的研究可知，硅铝酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，占夹杂物总量约80%，其中Al2O3含量约占50.5%，说明控制好ML08Al钢的Al脱氧用量，掌握Als含量与夹杂总量的关系，能有效控制其钢中夹杂物含量。
对ML08Al成品钢样作检化验，分析T[O]、夹杂总量、夹杂分量及Als的含量，结果见表2。
表2 检化验结果
4.1 全氧（T[O]）与夹杂总量的关系
根据表2成品钢的检化验结果，全氧与夹杂总量的关系如图4，二者成一种线性递增关系，经回归：
y=0.458x + 8.644 R2=0.149 式中：x——T[O]含量／10-6 y——夹杂总量／10-6
因此，要降低钢中夹杂总量，最主要的是降低T[O]的含量。
根据理论计算，用Al脱氧，当（AIs）超过0.015％时，溶解氧含量均小于5×10-6，根据成品的化验数据，用全氧检测值减去氧化物的结合氧的分析值，得出的溶解氧大部分也在5ppm以内（图5）。
图4 T[O]与夹杂总量的关系 图5 Als与溶解氧的关系
因此，当钢中w（Als）超过0.015％时，钢中溶解氧相当低，要降低钢中全氧，主要是去除氧化物夹杂，而氧化夹杂中Al2O3夹杂占到夹杂总量的50.5％，当Al2O3增加时，全氧含量也明显增加（图6）。由此看来，控制钢中w（Als），去除Al2O3夹杂是降低夹杂总量的关键。
图6 Al2O3含量与T[O]的关系
4.2 钢中Als含量对夹杂总量的影响 通过对Als和夹杂总量的分析（图7），可以看出，Als的控制对夹杂总量有明显的影响，根据检化验的数据利用最小二乘法拟合有：y = 79739x2 - 3336.2x + 48.1 R2 = 0.784
试中:y——夹杂总量 /ppm X——w（Als） /%
图7 Als和夹T[O]的关系
拟合曲线的偏差最大值为4.79，拟合较好。说明Als的控制对夹杂总量的影响有一个最佳值，通过拟和的曲线可得到，w（Als）＝0.021％，夹杂总量对应的最小值为13.22ppm，从图4可看出，Als的较佳控制范围为：0.015％～0.030％，
Als控制过低或过高，都会引起夹杂总量的增加。根据实践分析，当Als超过0.030％时，钢中的Als很容易与渣中的氧结合，也会还原渣中SiO2、MnO等化合物，使钢液中聚集的Al2O3增加；还有过高的Als会大大增加钢液在浇注时的二次氧化，产生停留在成品中的Al2O3。Als控制过低时，会增加溶解氧的含量，不但会造成钢中氧化物的增加，还会影响钢的组织性能。因此，控制好Als含量，是降低ML08Al钢中夹杂含量的一个关键工艺。
用Al脱氧虽然有较好的效果，如果不能最大限度的去除Al2O3产物，T[O]和夹杂总量均不会有效降低，生产中发现，造好还原精炼渣，软吹氩净化搅拌是去除Al2O3夹杂的有效措施。对冶炼ML08Al钢来说，高碱度（R＞7.0）的渣可以充分吸收上浮的Al2O3夹杂，根据钢包底吹情况，调整合适的底吹氩气流量，使软吹氩时间持续8～10min，可以有效上浮去除钢中夹杂。
5 结论
（1）ML08Al钢铸坯中主要夹杂物有3种，即二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；复杂硅铝酸盐夹杂物和硅铝酸盐与硫化物复相或双相夹杂物，这种夹杂主要以10μm以下的状态存在，它在铸坯中的含氧量高时大量出现。
（2）ML08Al钢用Al脱氧，降低夹杂的关键是去除Al2O3，高碱度的LF炉精炼渣，合理的净化搅拌工艺，能有效去除Al2O3，ML08Al钢用Al脱氧时，w（Als）控制在0.015％～0.030％范围内，可以有效降低钢中的夹杂物总量。
（3）要使ML08Al钢中（Al2O3）夹杂＜l级，必须严格按规程操作，浇注过程采取全保护浇注，稳定Als含量，防止二次氧化产生夹杂。
参考文献
1.梁福斌《冷镦钢连铸坯中夹杂物的研究》..中国科学院上海冶金研究所.2000年
2.张家芸等.《冶金物理化学》.北京冶金工业出版社.2007