文章编号：1004-0609(2007)04-0657-06
镁合金对16MnR钢液的脱氧作用
李尚兵，王 谦，何生平
(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044)
摘 要：用镁合金脱氧剂在内衬为MgO质坩锅的真空感应炉中对16MnR钢液的脱氧行为进行研究；选取FeAl、AlMg、SiCa和SiCaMg合金，对比考察脱氧后钢水的总氧和硫含量以及脱氧后夹杂物的变化。研究结果表明：镁合金在对钢水脱氧的同时具有较强的脱硫能力；残余在钢中的镁含量为0.000 7%~0.005 0%时，微量镁对钢材的强度没有明显的影响，但钢材塑性明显提高；钢水脱氧后夹杂物大多转化为复合夹杂物，其中Al2O3夹杂物主要转变为MgO?Al2O3等，FeS和MnS等硫化物夹杂转变成MnS、CaS和MgS等复合硫化物夹杂。
关键词：镁合金；16MnR钢；脱氧；脱硫；夹杂物
中图分类号：TF 769 文献标识码：A
Influence of magnesium alloy on deoxidation of 16MnR molten steel
LI Shang-bing, WANG Qian, HE Sheng-ping
(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: Deoxidation behavior of magnesium alloy in 16MnR steel was investigated in a vacuum induction furnace with MgO crucible. The total oxygen and sulphur content in 16MnR steel during the course of deoxidization, as well as the deoxidized products were researched, in which Al, AlMg, SiCa and SiCaMg were used as deoxidizers. Effect of deoxidation and desulfurization in the steel with magnesium alloy were studied, and the change of inclusions was discussed. The results show that the effect of deoxidation with magnesium alloy is obvious, and the ratio of desulfurization is high. The mechanical properties of steel are not obviously changed when the content of Mg is 0.000 7%-0.005 0%. The deoxidized products are changed. Especially the inclusion of Al2O3, FeS and MnS are respectively changed into compound inclusion such as MgO?Al2O3, MnS, CaS and MgS.
Key words: magnesium alloy; 16MnR steel; deoxidation; desulfurization; inclusion
对钢水脱氧、脱硫及合金化是炼钢生产的重要环节。在过去的炼钢生产中，铝常用作脱氧剂，即在生产16MnR钢时，铝常用作终脱氧剂，并使用高碱度精炼渣对钢水脱硫。但是，大量使用铝脱氧存在一些问题，如铝脱氧后生成高熔点的A12O3夹杂物易引起连铸水口结瘤导致连铸断浇，夹杂残留在钢中将降低钢材横向力学性能。使用钙脱氧可以生成低熔点铝酸钙夹杂，避免水口堵塞，减小脆性A12O3夹杂物的危害；但是，钙在钢水中的饱和溶解度低，若钢水中Al2O3夹杂较多，则无法充分转化为液态铝酸钙，这种情况若发生在钢水凝固过程中，会严重影响产品质量。
碱士金属与钢液中[O]和[S]有极强的亲和力，其中钡和钙在钢水精炼过程中具有脱氧以及对夹杂物变性处理的功效[1-4]。而镁在冶金行业主要用作铁水脱硫剂、铸铁球化剂，目前，人们对钢水脱氧、脱硫以及夹杂物变性、微量镁对钢性能的影响等还缺乏统一的认识[5-10]。为了扩大镁在炼钢生产中的使用范围，必需对镁在钢液脱氧中的作用进行进一步研究。镁在钢液中经历Mg(s)→Mg(l)→Mg(g)→[Mg]的转变过程，发生溶解、脱氧、脱硫反应，部分镁在加入到钢液的过程中被烧损[11]。镁的沸点低，蒸气压高，在1 873 K的钢液中溶解度为0.1％，蒸气压为1.95 MPa，单独以金属镁的形式加入到钢液中很难发挥其有效作用[12]。一般将其以合金形式加入到钢包深处，促进钢水对镁的吸收，以提高镁的利用率。在此，本文作者采用镁合金对16MnR钢液进行脱氧、脱硫，并对脱氧后钢样中的夹杂物进行研究。
1 实验
1.1 实验方法
实验在ZG型10 kg真空感应炉内进行，坩锅内衬为MgO质。以16MnR钢为原料，加入量约9 kg，渣量为200 g左右。实验开始时先加入钢料，待熔化后加入渣料，关闭炉盖，抽真空，通入氩气保护，待渣料熔化后加入镁合金脱氧剂脱氧，然后，浇铸成钢锭，空冷后对加热轧制后的钢进行化学成分和气体分析、金相分析、扫描电镜配加能谱分析，研究镁合金对16MnR钢液的脱氧作用。
1.2 实验原料
向16MnR钢成品料中添加FeO和FeS以调整钢中的氧、硫含量，将该钢作为实验用钢，其初始成分为：w(C)=0.16％；w(Si)=0.42%；w(Mn)≤1.46%；w(P)=0.015%；w(S)=0.010%；w(Al(s))=0.042％；w(Mg)<0.001％。增氧和硫后，w(T[O])=0.008％，w(S)=0.035%。模拟工业原料配制精炼渣组分与含量见表1。
表1 精炼渣成分含量
Table 1 Components of refining slag (mass fraction, %)
1.3 镁合金脱氧剂的选取
由于碱土金属在铁中的溶解度很低，钙和镁等元素的利用率低，故合金中最好含有钡。研究结果表明[13]，钙、镁和钡在高温下互溶，钡能降低钙和镁的蒸气压，明显减少钙和镁的氧化和蒸发，提高钙和镁的利用率；另外，碱土金属与硅和铝结合力大，在高温下互溶，可大幅度提高它们在钢中的溶解度[14-16]。
本实验主要选择含镁合金脱氧剂和不含镁合金脱氧剂进行对比，研究镁合金在16MnR钢液脱氧中的作用。实验用终脱氧剂成分如表2所示。
表2 终脱氧剂用量
Table 2 Composition of terminal deoxidizers(g)
2 结果及讨论
2.1 全氧的变化情况
采用O-N900气体分析仪分析钢中T[O]和[N]含量，结果见表3。可以看出，T[O]含量(初始T[O]质量分数约0.008 0％)有不同程度的降低，[N]含量在实验过程中不同程度地增加(初始[N]质量分数约为0.005 0％)。
表3 钢中T[O]和[N]含量
Table 3 Contents of T[O] and [N] in steel (mass fraction, %)
采用含镁合金脱氧剂与采用不含镁脱氧剂相比，钢样T[O]含量明显降低。合金中适量的镁含量为反应提供了良好的动力学条件。从表3中T[O]含量可以看出，合金中的镁含量越高，反应越剧烈，镁将以蒸气形式挥发，钢液脱氧效果明显较低，而且金属的收得率降低。
2.2 16MnR钢样中硫的成分分析
实验中16MnR钢样的化学成分采用元素光谱分析仪，分析结果见表4，脱硫率见表5。表4中，Als和Alt分别为钢液中的酸溶铝和金属铝。
表4 16MnR钢中化学成分析结果
Table 4 Chemical component in 16MnR steel (mass fraction, %)
表5 16MnR钢样中[S]的含量
Table 5 Content of [S] of each 16MnR steel (mass fraction, %)
从表4可看出，钢液脱氧精炼后钢中各元素的含量基本满足16MnR钢的要求。从表5可看出，初始钢样中硫含量为0.035％，脱氧后硫含量有不同程度的降低，铝脱氧剂的脱硫效果较差，而SiCa和SiCaMg都具有一定的脱硫效果。将含镁合金脱氧剂与不含镁合金脱氧剂进行对比，发现SiCa和SiCaMg的脱硫率均在50％左右，SiCaMg合金中的镁对脱硫率影响不大。
2.3 钢掉中夹杂物的形貌与显微评定结果
在金相显微镜下观察实验中各组钢样(放大倍数为100)，对夹杂物进行显微评定，同时观察夹杂物的形貌。取钢样纵截面进行夹杂物检验(未腐蚀)，其中：4号试样纵截面存在裂缝；硅酸盐夹杂长为0.75 mm，宽为0.022 mm。夹杂物评定采用GB10561—89《钢中非金属夹杂物显微评定方法》标准，评定结果见表6。从表6可以看出，钢样中A类硫化物夹杂物较多，这主要是脱氧后钢液终点硫含量相对偏高所致。16MnR钢采用铝脱氧后夹杂物中B类氧化物夹杂较多，而采用AlMg脱氧后B类夹杂物的级别降低；采用SiCa脱氧后钢样中有大量的C类硅酸盐夹杂物；采用SiCaMg脱氧后C类夹杂物明显减少。
表6 夹杂物显微评定结果
Table 6 Evaluation results of microscopic structure of inclusion
FeAl、AlMg、SiCa和SiCalMg脱氧后典型夹杂物的形貌如图1所示。从图1可以看出，FeAl脱氧后有大量的B类夹杂物，呈棱角状；AlMg脱氧后簇状夹杂物明显减少；SiCa脱氧后有C类硅酸盐夹杂物；SiCaMg脱氧后有D类夹杂物。可见，使用含镁合金脱氧后棱角状Al2O3相对减少，簇状、棱角状夹杂物的形貌有一定改变，这与夹杂物的显微评定结果基本一致。
图1 脱氧后夹杂物形貌
Fig.1 Images of inclusion after deoxidation with: (a) FeAl; (b) AlMg; (c) SiCa; (d) SiCaMg
2.4 16MnR钢样的力学性能分析
对在钢渣混出、空冷条件下凝固成型，再锻造成所需的16MnR钢样做力学性能实验。这种工艺方式与钢厂液态钢水经过连铸机水冷凝固成型的工艺方式有所不同，故凝固后的组织有所不同，但在相同的条件下得到的结果还是具有可比性。试样力学性能检测结果见表7。
表7 16MnR钢样力学性能检测结果
Table 7 Mechanical properties of 16MnR steel
采用原子吸收光谱仪测定16MnR钢样中微量镁的含量。从表7可以发现实验16MnR钢样中镁含量在0.000 7%~0.005 0%之间。由表7可知，经含镁合金脱氧剂脱氧的终点16MnR钢样中，镁含量总体上较高；经不含镁合金脱氧剂脱氧的终点16MnR钢样中，镁主要来源于感应炉的内衬(MgO质)。
从表7还可以看出，所有钢样的屈服应力在315~360 MPa之间，与16MnR要求的屈服应力不低于343 MPa的标准相比，力学性能相差不大；经SiCaMg合金(镁含量中7%)脱氧的钢样屈服应力最大，为360 MPa；随着镁含量的升高，钢样屈服应力又降低；伸长率在24％~33％之间，均大于16MnR要求的21％，即实验中各组16MnR钢样的塑性指标完全满足钢种的要求。总体趋势是，镁含量提高时塑性提高。对化学成分进行分析可知，经本实验中的脱氧剂脱氧后，16MnR钢中的镁含量在0.000 7％~0.005 0％之间，对16MnR钢的性能没有明显影响。
2.5 钢样夹杂物成分分析
由于通过金相观察不能准确确定夹杂物成分，为此，对FeAl、AlMg和SiCaMg脱氧后的3组钢样中的典型夹杂物进行扫描电镜配加能谱分析，结果如图2~4所示。
图2 FeAl脱氧夹杂物的形貌和成分
Fig.2 Morphology and content of inclusion deoxidized with FeAl: (a) Morphology; (b): EDS result
图3 AlMg脱氧夹杂物的形貌和成分
Fig.3 Morphology and content of inclusion deoxidized with AlMg: (a) Morphology; (b) EDS result
图4 SiCaMg脱氧夹杂物的形貌和成分
Fig.4 Morphology and content of inclusion deoxidized with SiCaMg: (a) Morphology; (b) EDS result
如图2所示，当放大倍数为1 000时，16MnR钢中有大量夹杂物为簇状、串状夹杂物；能谱分析结果表明，夹杂物中主要以Al2O3为主，同时还有少量CaO和MgO等。如图3所示，当放大倍数为1 250时，夹杂物形貌近似球形，边界有细棱角；能谱分析结果表明，夹杂物中主要以Al2O3和MgO为主，同时还有少量FeO等夹杂物。如图4所示，当放大倍数为2 500时，夹杂物形貌近似纺锤状；能谱分析结果表明，夹杂物主要以MnS、CaS和MgS等硫化物夹杂为主，几乎没有发现氧化物夹杂，这说明此类脱氧剂脱氧效
果明显。对比图2~4可以发现，含镁合金脱氧剂对Al2O3夹杂物具有一定的变性能力，夹杂物由单一型转变成复合型。
3 结论
1) 16MnR钢中镁含量在0.000 7%~0.005 0%之间时，钢中的镁对钢材的强度指标没有明显的影响，塑性提高。
2) 含镁合金脱氧剂可以明显降低16MnR钢液中的T[O]含量，并在脱氧的同时具有较强的脱硫能力；经SiCaMg合金脱氧后钢液中T[O]含量最低，为0.000 8％。
3) 含镁合金脱氧剂对氧化物和硫化物夹杂具有一定的变性功能。实验中Al2O3夹杂物主要转变为MgO?Al2O3等，FeS和MnS等硫化物夹杂转变成MnS、CaS和MgS等复合硫化物夹杂。
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基金项目：国家“十一?五”科技支撑计划资助资助项目(2006BAE04B03)
收稿日期：2006-11-08；修订日期：2007-01-10
通讯作者：王 谦，教授；电话：023-65102469；E-mail: wangqian66@ vip.sina.com
(编辑 陈灿华)
