彭其春，邱 雷，邹 健

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

汽车大梁钢LG510是汽车承载部位的主要材料，要求具有良好的机械性能、焊接性和冷弯成型性。钢中的夹杂物直接影响其机械性能，尤其是塑性、韧性和疲劳极限[1-2]。钙处理是将钙线或硅钙线喂入钢液中，利用钙与氧的亲和力大于铝和氧的亲和力，使夹杂物的形态和成分控制在合适的范围内，最终形成低熔点的钙铝酸盐夹杂，改善浇铸时水口结瘤并提高钢的机械性能[3-4]。钙处理作为炉外精炼常用的手段，有关学者对其进行了大量的研究，而有关钙处理对汽车大梁钢夹杂物的影响方面研究较少，为此，本文对某钢厂生产的汽车大梁钢LG510钙处理后夹杂物的变性及其热力学过程进行分析，并对钙处理的效果进行评价，以期为实际生产过程中钙处理提供参考。

1 实验

1.1 钢成分及热力学计算基本数据

某钢厂生产汽车大梁钢LG510的化学成分如表1所示。夹杂物中CaO和Al2O3的活度值如表2所示。

表1 LG510钢化学成分(wB/%)Table 1 Chemical compositions of LG510 steel

表2 1873 K下CaO-Al2O3夹杂物aCaO和aAl2O3值[5]Table 2 Activities of CaO and Al2O3 in CaO-Al2O3 inclusion at 1873 K

由文献[6-7]中提供的元素相互作用系数计算公式和相互作用系数，计算出LG510钢中元素Al、S和Ca在1873K温度下的活度系数，fAl=1.01，fCa=0.002 33，fS=0.62，fO=0.194。

1.2 实验方法

在生产LG510钢炉外精炼过程中喂入钙线，w[Ca]/w[Al]控制在0.08～0.10之间，喂钙线时氩气流量控制在500 L/min左右，喂入钙线后，保证净吹时间大于6 min。在同一浇次中同一炉钙处理前后进行取样，将试样加工成金相样，在光学显微镜下放大100倍，连续观察20个视场，统计其夹杂物的个数和尺寸，并采用扫描电镜和能谱分析仪分析金相样中夹杂物的组成，再根据钢中元素的含量进行钙处理时的热力学分析。

2 结果与分析

2.1 钙处理前后夹杂物对比

金相统计结果显示，钢中单位面积夹杂物数量由钙处理前的28.15个/mm2减少到钙处理后的21.11个/mm2，单位面积夹杂物个数降幅达25%。

钙处理前后钢中夹杂物尺寸分布情况如图1所示。从图1可以看出，钢中夹杂物的尺寸大部分小于5 μm，且钙处理后此类夹杂物占比有所增加。经过钙处理后，钢中大于5 μm的夹杂物占比相对钙处理前均有所下降，由此表明，钙处理不仅有效地减少了LG510钢中夹杂物的数量，而且使部分较大尺寸的夹杂物得到有效去除。

图1 钙处理前后夹杂物的尺寸分布

Fig.1Sizedistributionofinclusionsaftercalciumtreatment

图2为钙处理前钢中夹杂物的形貌和能谱图，由图2可看出，钙处理前钢中夹杂物的主要成分为：(1)Al2O3，在钢中单个分布，形状不规则，尺寸在5～10 μm范围内；(2)MnS，数量较少，尺寸大多集中在6～10 μm范围内。图3为钙处理后钢中夹杂物的形貌和能谱图，由图3可看出，钙处理后钢中的夹杂物主要为球形的钙铝酸盐，尺寸主要集中在5 μm以下；同时还发现了少量的MnS、CaS、Al2O3夹杂和MgO、TiO2等复合夹杂，尺寸都在5 μm以下。比较图2和图3可以看出，与钙处理前相比，钙处理后的钢中Al2O3夹杂物得到有效变性，数量明显减少，夹杂物的尺寸也明显减小，形状更加规则，钢中的夹杂物被球化，以钙铝酸盐为核心，外面包裹一层CaS或MnS聚合，上浮到钢水液面。

图2钙处理前钢中典型夹杂物的形貌及能谱图

Fig.2MorphologicalandEDSimagesoftypicalinclusionsbeforecalciumtreatment

图3 钙处理后钢中典型夹杂物的形貌及能谱图Fig.3 Morphological and EDS images of typical inclusions after calcium treatment

2.2 钙处理的热力学分析

2.2.1 Al-O系统的热力学分析

钙处理过程中，根据CaO-Al2O3二元相图，随着钙含量的增加，夹杂物逐渐发生Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3→CaO的转变。12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3在炼钢温度下为液态，CaO·Al2O3的熔点为1605 ℃，在炼钢温度较高时为液态，温度较低时为固态。钢中12CaO·7Al2O3的熔点(1455 ℃)最低，为最佳的变性产物。钢中的[Al]和[O]存在如下反应[8]：

(1)

(2)

将表2中的数据和fAl、fO的值代入式(2)中计算，作出1873 K下不同夹杂物中Al-O平衡曲线，如图4所示。由图4可知，当钢中的w[Al]为0.028%时，w[O]控制在2.8×10-6～11.5×10-6范围内，钢中夹杂物变性效果较好，钢中w[O]控制在5.4×10-6时，Al2O3夹杂变性为12CaO·7Al2O3，此时达到理想的处理结果。

图4 1873 K下不同夹杂物中Al-O平衡曲线

Fig.4Al-Oequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

2.2.2 Al-Ca系统的热力学分析

钙处理时钙与钢液中Al2O3主要发生如下反应[9]：

(3)

(4)

将表2中的数据和fCa、fAl的值代入式(4)中计算，作出1873 K下不同夹杂物中Al-Ca平衡曲线，如图5所示。由图5可知，钢中只需要微量的钙就可以将Al2O3夹杂变性，为了达到较好的钙处理效果，钢中w[Ca]应控制在0.14×10-6～7×10-6之间。实际生产中钢中w[Al]=0.028%时，一般控制w[Ca]=2×10-6，刚好位于12CaO·7Al2O3曲线附近，得到理想的变性产物，同时可以提高钢水的流动性，减少水口结瘤。

图5 1873 K下不同夹杂物中Al-Ca平衡曲线

Fig.5Al-Caequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

2.2.3 Al-S系统的热力学分析

在钙处理过程中Al2O3夹杂变性的过程可以简单地理解成钢中[O]和[S]争夺钢中[Ca]的过程，当w[S]较高时，[Ca]先与[S]反应生成CaS，再与Al2O3反应。CaS夹杂容易在水口处聚集，导致结瘤造成断浇，因此不仅要将Al2O3夹杂变性为液态铝酸钙，而且还要避免CaS夹杂的生成。钢中CaS的生成可以由下式表示[10]：

(5)

(6)

将表2中的数据和fAl、fS的值代入式(6)计算，并取aCaS=0.75[11]，作出1873 K下不同夹杂物的Al-S平衡曲线，如图6所示。由图6可以看出，钢中w[Al]一定时，为了使钙处理生成低熔点的12CaO·7Al2O3，钢中w[S]必须处于12CaO·7Al2O3曲线和3CaO·Al2O3曲线之间。w[S]越高，生成液态钙铝酸盐的难度越大，而相对容易变性为CaO·Al2O3。钢中w[Al]在0.03%左右时，只要钢中硫含量大于0.011%，钢中的Al2O3夹杂很难变性为12CaO·7Al2O3，所以钙处理时控制钢中w[S]在合理的范围内，既能使钢中Al2O3夹杂得到较好变性，同时又可以减少CaS生成。

图6 1873 K下不同夹杂物中Al-S平衡曲线

Fig.6Al-Sequilibriumcurvesindifferentinclusionsat1873K

3 结论

(1)钙处理后钢中单位面积夹杂物的数量明显减少，大颗粒夹杂物所占的百分比下降；大部分夹杂物的尺寸控制在5 μm以下，形状更加规则。

(2)钙处理前钢中的夹杂物主要为Al2O3和MnS，钙处理后钢中的夹杂物主要为钙铝酸盐，钙处理使夹杂物得到有效变性。

(3)要使Al2O3夹杂物变性为液态钙铝酸盐，必须把钢中w[Al]和w[O]控制在合理的区域内，最好位于低熔点的12CaO·7Al2O3曲线附近。1873K钢液中w[Al]为0.028%时，钢中w[O]、w[Ca]分别控制在2.8×10-6～11.5×10-6、0.14×10-6～7×10-6范围内，Al2O3夹杂变性效果良好。

(4)在1873K温度下，钢中w[Al]=0.028%时，需控制钢中w[S]在0.011%以下，既可生成液态铝酸钙夹杂物，同时减少CaS夹杂生成和水口结瘤。

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