Northeastern University
第四章 精炼渣系的选择
主讲人：龚
伟
钢 铁 冶 金 研 究 所
钢铁冶金研究所&特殊钢冶金学术方向
对几种典型轴承钢精炼渣系的计算分析
轴承钢精炼渣系的成分
厂家 A B 山阳 东北大学 CaO 38.94 46.71 57.8 55.41 SiO2 19.46 21.01 13.3 8.72 Al2O3 14.50 15.01 15.8 29.47 MgO 20.19 10.10 4.3 4.51 CaF2 0 4.56 7.8 0 S 0.53 1.1 － P2O5 0.016 0.20 <0.1 － FeO 0.72 0.96 TFe=0.6 0.62 MnO
0.00002
a[Ca]=1.64*10
-5
0.00001
T=1873K T=1823K
T=1773K
0.00000 0.0
影响钢水中的碳还原炉渣中（CaO） 的主要因素是温度和炉渣中（CaO）的 活度，随着温度和炉渣中的（CaO）活 度的升高，钢水中钙含量增加，从而增 加了点状夹杂的生成可能性。
0.8
ln K a[Ca ] pCO / p 0 f C [%C ] a(CaO )
ln a[Ca ] pCO / p 0 f C [%C ] a(CaO )
≤
74622 22.84 T
在pCO=100Pa条件下，温度分别为1873K、1823K和1773K时，钢中a[Ca]和 a(CaO)之间的关系为：
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控制方案
为得到塑性的MnO- Al2O3- SiO2夹杂物，应采用纯度高的 Si-Mn合金进行脱氧，不用铝和含铝较高的合金进行脱氧， 将钢液中的酸溶铝含量控制在1×10-6~5×10-6范围内.
为得到塑性的CaO- Al2O3- SiO2夹杂物，LF精炼时钢液中 的酸溶铝含量应该在0.1×10-6~3.0×10-6之间，自由氧含量 [O]应该在60×10-6~120×10-6之间，精炼渣的碱度在1.0左 右。
<0.1 －
♣ 几个主要结构单元的作用浓度
结构单元 作用浓度 A B 山 阳 东北大学 CaO N1 0.1641 0.2348 0.3676 0.3495 SiO2 N2 0.0005 0.0005 0.0002 0.0001 Al2O3 N3 0.0102 0.0097 0.0084 0.0238 MgO N4 0.2162 0.1145 0.0468 0.0598 MgO· Al2O3 N10 － － － 0.0598
耐火材料 法兰 双Pt-Rh 热电偶 Ar
实验装置
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夹杂物扫描电镜及能谱分析
高碱度渣精炼夹杂物能谱分析:
O：13.76%
O：30.72% Al：56.10% Fe：13.18%
Al：30.91%
Fe：54.01%
O：25.26% Mg：13.23% Al：18.39% S：0.47% Ca：0.38%
1.0
1.0 0.5 0.5
0.5
0.5 0.5 0.5
0.5
0.5 0.5 0.5
0
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 0
GCr15
120
0.5
0.5
0.5
0.5
0
0
0
0
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钢帘线
钢帘线是橡胶骨架材料中发展最为广阔的产品， 也是在金属制品中生产难度最大的产品。国际 合成纤维标准化局在标准中对钢帘线的定义是： “由两根或两根以上钢丝组成的，或者由股与 股的组合或者由股与丝的组合所形成的结构。”
G G 0 RT ln
a(2Al2O3 ) a[3Si ] a(3SiO2 ) a[4Al ]
应用上式，在1823K条件下，分别将A厂、B厂、山阳以及东北大学 建议的炉渣组元作用浓度带入可得：
A ΔG，J/mol -86196 B -87719 山阳 -50418 实验 9445
钢中的酸溶铝[Al]S不会还原渣中的（SiO2），这时（SiO2）不会成为供氧源。
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各精炼渣系脱硫能力的比较
LF炉精炼过程的脱硫的热力学参数主要有钢水中的溶解氧 含量和渣中的 CaO 活度（即作用浓度）。脱硫的表达式为： (CaO) +[S] = (CaS) + [O]
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精炼渣系选择
东北大学建议某厂渣系使用结果
钢种 GCr15 规格 120 A粗 0.5 A细 1.0 B粗 0.5 B细 0.5 C粗 0 C细 0 D粗 0 D细 0
GCr15
GCr15 GCr15 GCr15
120
120 120 120
0.5
0.5 0.5 0.5
♣ 日本山阳渣系的Al2O3活度值最小，而东大渣系最大。因此，山阳渣系最 有利应注 意在满足其它要求的同时，似乎应尽量选择低（Al2O3）作用浓度的渣系。
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精炼渣对脱氧的影响比较
炉渣中的二氧化硅被钢中铝还原的反应为： 4[Al] + 3(SiO2) = 2(Al2O3) + 3[Si] ΔGº ＝-668590+113.469T，J/mol
a[Ca]
0.2
0.4
0.6
a(CaO)
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点状夹杂的控制能力
另外，钙在钢中的溶解度非常低，而蒸汽压很高，会出现如下的 反应： [Ca] = Ca(g)
反应平衡时有
p Ca / p 0 4751 ln 5.94 a [ Ca ] T
虽然本项目采用高碱度精炼渣，但真空精炼后，控 制钢中[Ca]<10ppm，则仍可有效控制钢中点状夹杂物。
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轮胎子午线——帘线钢
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帘线钢
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帘线钢加工成型工艺流程
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帘线钢的化学成分
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帘线钢中夹杂物目标区域
采用 Si- Mn 脱氧, 夹杂物主要是 MnO- Al2O3- SiO2系( 来自脱氧产物) 和 CaO- Al2O3- SiO2系 ( 来自炉渣)； 对于MnO-Al2O3- SiO2系, 理想的夹杂应该是锰铝榴石(3MnO- Al2O33SiO2) 及其周围的低熔点区域； 对于CaO- Al2O3- SiO2系, 理想的夹杂物是钙斜长石(CaO· Al2O3· 2SiO2) 与 假硅灰石(CaO· SiO2) 相邻的周边低熔点区域。
炉渣碱度为1.23-1.36时钢中的夹杂物成分分布图
夹杂物大部分分布在塑 性范围的周边区域内；
当炉渣中的Al2O3含量在 低于8.54%时，所得到的 夹杂物分布较为集中分 布在假硅灰石、钙斜长 石和钙黄长石三相的交 界的低熔点区.
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实际检测的钢中非金属夹杂物
a( CaS ) a[ O ]
a[ CaO ] a[ S ] 提高渣中CaO的作用浓度和降低钢中的溶解氧含量均有 利于脱氧反应的进行。
lg K lg
东北大学建议的高碱度渣系可以满足脱硫要求。
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点状夹杂的控制能力
钢水真空精炼过程中，炉渣中的CaO被钢中碳还原的反应为： (CaO) + [C] = [Ca] + CO(g) ΔG1 =ΔG10 + RTlnK≤0 其中，
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精炼渣对脱氧的影响比较
♣ 铝沉淀脱氧在还原性条件下，可将铝脱氧反应写成下式： 2[Al] + 3[O] = (Al2O3)
lg K lg
a( Al2O3 )
3 a[2Al ] aO
♣ 平衡常数K是温度的函数，当温度和钢水中酸溶铝含量确定时，反应平衡 时钢水中溶解氧含量还与渣中Al2O3活度有关，从热力学的角度讲，Al2O3 活度越小，越有利于降低钢水中的溶解氧含量。
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铸坯中观察到的非金属夹杂物
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帘线钢盘条试样中观察到的非金属夹杂物
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钢帘线
钢帘线是随子午线轮胎的发展而发展的，而子午 线轮胎又是汽车工业和高速公路的伴生物。 传统的斜交胎是用纤维（如聚酯帘线、尼龙帘线） 作为骨架材料的，而新型的子午线轮胎则选用钢 帘线作为骨架材料，按其结构可分为全钢子午线 轮胎和半钢子午线轮胎，前者的带束层和胎体全 部采用钢帘线作为骨架材料，后者的带束层用钢 帘线、胎体用纤维作为骨架材料。轿车、轻型卡 车一般采用半钢子午线轮胎，载重型卡车、工程 机械车采用全钢子午线轮胎。
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炉渣碱度为0.71~1.0时钢中的夹杂物成分分布
当炉渣中A12O3含量低 于15.06%时，夹杂物 分布主要集中在塑性 区周边； 当炉渣中Al2O3含量较 高时，夹杂物分布较 为分散。
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炉渣碱度为1.05~1.19时钢中的夹杂物成分分布图
与炉渣碱度为0.71-1.00 时的夹杂物分布相比， 当炉渣碱度为1.05-1.19 时，夹杂物分布更加分 散； 当炉渣中Al2O3为5.01% 和12.08%时所得到的夹 杂物几乎在塑性区； 随着渣中Al2O3含量的增 加，夹杂物逐渐由低 A12O3区向高A12O3区移 动。