康 旭， 战东平， 杨永坤， 屈乐欣， 刘 越， 姜周华， 张慧书

(1. 东北大学 冶金学院，沈阳 110819；2. 辽宁科技学院 冶金工程学院，辽宁 本溪 117004)

伴随着铁路运输的高速化、重载化，对重轨钢的性能要求也愈来愈多，国内外关于重轨钢的生产工艺和设备也在不断改进和优化.国内重轨钢在冶炼装备上现已达到很高水平，但生产工艺与国外仍存在较大差距.而其中最主要的问题就在于重轨钢中非金属夹杂物的控制[1].重轨钢中非金属夹杂物的存在会对重轨钢的性能产生重要的影响，对于这一点科研工作者们已经有了统一的共识[2-3].

重轨钢中非金属夹杂物按其来源可分为外来夹杂物和内生夹杂物[4]，外来夹杂物主要来自于从冶炼到连铸的整个过程中的二次氧化产物、卷渣(炉渣和保护渣等)和耐火材料的侵蚀[5]，这类夹杂物大多尺寸较大，对钢材危害较大，应在精炼过程中采用合适精炼渣尽量促进大颗粒夹杂物上浮排除[6].内生夹杂物主要是来自于钢液脱氧、凝固和冷却过程中析出的夹杂物，尺寸一般较小，研究表明显微夹杂主要是脱氧产物，其主要与钢中所含氧的质量分数有关，会对高强钢的疲劳性能和断裂性能产生极大影响，因此应尽量控制钢中全氧质量分数[7-8].研究者们[9-10]发现氧化铝较高的夹杂物对成品重轨钢产生较大的危害，在重轨钢冶炼过程中对氧化铝类夹杂的控制尤为重要.

阮小江等[11]对轴承钢的研究表明，通过改变精炼渣成分可以降低钢中全氧质量分数，减小夹杂物尺寸，且对夹杂物成分产生一定的影响.本文以某厂生产的重轨钢U71Mn为例，在实验室条件下进行不同质量分数Al2O3精炼渣成分实验，探究了高氧化铝精炼渣对重轨钢中夹杂物的影响.

1 实验材料及方法

本文以国内某钢厂生产的重轨钢U71Mn为原料，精炼渣-钢液平衡实验在MoSi2管式电阻炉开展，实验装置如图1所示.

首先，将400 g钢样和40 g精炼渣一同放入氧化镁坩埚中，将坩埚置于石墨坩埚并一同放入MoSi2电阻炉中，在氩气气氛下升至1 873 K，保温 90 min，在氩气恒温过程中分别于0 、 5、 10、 20、 30、 90 min 时和终点时取钢锭样进行氮氧分析，并对终点钢锭加工后进行金相定量、扫描电镜及EDS能谱分析.

2 实验结果与分析

2.1 精炼渣成分设计

实验室实验采用的精炼渣系为CaO-Al2O3-SiO2三元渣系，同时加入少量的氧化镁和氟化钙.为了研究不同Al2O3质量分数对重轨钢冶炼的影响，同时结合所查阅文献[12-15]，精炼渣兼顾脱氧和脱硫能力的同时，能够对夹杂物起到一定的改善作用.具体的精炼渣成分设计方案如表1所示，其中1#精炼渣成分为该厂用精炼渣近似成分， 2～6#精炼渣为不同Al2O3质量分数下对照实验.

2.2 实验结果与分析

采用TCH600型氧氮分析仪，对精炼渣-钢液平衡实验冶炼过程中各炉次不同时刻所取的试样进行全氧质量分数检测，结果如图2所示.从图2可以看出重轨钢精炼过程全氧质量分数下降并最终趋于平衡.钢中全氧质量分数的降低主要原因是钢液中氧化物类夹杂上浮进入渣中.同时，从图中也能够看出随着精炼渣二元碱度CaO/SiO2逐渐增加，平衡时钢中全氧质量分数逐渐减小，这说明高碱度精炼渣，有利于钢液脱氧，对于钢中氧化物类夹杂的吸附排出更为有利.因此从精炼渣对钢中氧质量分数影响考虑，精炼渣中CaO/SiO2为6.38，Al2O3在30%左右效果较好.

表1 精炼渣成分表

图2 全氧质量分数变化Fig.2 Change of total oxygen mass fraction

利用OLYMOUS金相显微镜对打磨和抛光后每个试样49个视场(放大500倍)进行观察并拍照，并用图象处理系统统计视场中夹杂物最大直径和面积等参数，将数据整理后结果如图3所示.

图3 夹杂物平均直径与渣中氧化铝质量分数的关系Fig.3 The relationship between inclusion average diameter and alumina mass fraction in slag

从图3可以看出钢中夹杂物的平均直径随着渣中Al2O3质量分数的增加呈现出先减小后增加的趋势.当精炼渣中Al2O3质量分数约为30%时，钢中夹杂物的平均尺寸达到最小值 1.31 μm.此时精炼渣中CaO/Al2O3值约为1.65，精炼渣CaO和Al2O3的质量分数接近12CaO·7Al2O3，二元碱度CaO/SiO2为6.38，渣熔点较低，熔化较快，对氧化铝类夹杂物的吸附效果更好，促进了夹杂物的吸附排除，根据斯托克斯上浮公式，大颗粒夹杂物上浮较快，其到达渣-钢界面，被精炼渣吸附排除，钢中大颗粒夹杂物数量减少，夹杂物平均尺寸降低.如果从钢中夹杂物平均尺寸角度考虑时，Al2O3质量分数处于30%左右效果较好.

因为含有较高质量分数氧化铝的夹杂物对成品重轨钢产生的危害较大，因此对六炉试样中夹杂物氧化铝质量分数进行统计.对于不同Al2O3质量分数的精炼渣成分，夹杂物中氧化铝质量分数存在一定的差异，夹杂物中氧化铝质量分数与渣中氧化铝质量分数的变化关系如图4所示，可以看出夹杂物中氧化铝质量分数随着精炼渣中Al2O3的质量分数减少而逐渐减少，因为精炼渣中Al2O3质量分数减少，渣中Al2O3活度降低，渣-钢反应进入钢液中的铝减少，因此生成的夹杂物中氧化铝质量分数逐渐降低.1#和6#渣中Al2O3质量分数相差较多，但夹杂物中氧化铝质量分数基本相同，因此认为当渣中Al2O3质量分数在不超过30%时，渣中Al2O3活度较低，精炼渣中Al2O3质量分数对夹杂物中氧化铝质量分数影响较小.

图4 夹杂物中氧化铝质量分数与渣中氧化铝质量分数的关系Fig.4 The relationship between the mass fraction of alumina in the inclusions and the mass fraction of alumina in the slag

采用扫描电镜和EDS能谱分析对较大尺寸夹杂物的二维形貌和成分进行统计分析，不同精炼渣成分，重轨钢终点样中较大尺寸夹杂物形貌和成分分布如图5所示.从图中可以看出不同炉次夹杂物均是以氧化物为核心的包裹型夹杂物.氧化物核心最主要成分为Al2O3·MgO，因为实验使用MgO坩埚，因此有较多的Al2O3·MgO形成；部分炉次在Al2O3-MgO外侧包有少量的SiO2，且随着渣中CaO/SiO2值增加夹杂物中SiO2质量分数逐渐减少，当CaO/SiO2超过3.6时，基本消失，因为随着渣中CaO/SiO2值增加，渣中SiO2活度降低，所以夹杂物中SiO2质量分数减少.氧化物核心最外侧为硫化物包裹层，且随着CaO/SiO2增加，硫化物包裹层包裹范围逐渐变小.因为硫化物一般在凝固前沿析出，且在析出时易以其它夹杂物为核心，在其表面包裹析出，而钢液中氧化物类夹杂物较多，为其提供了较多的形核核心；同时随着渣中二元碱度CaO/SiO2增加，渣中CaO活度增加，脱硫效果逐渐增强，钢中硫质量分数减少[16]，生成的硫化物夹杂物逐渐减少，包裹范围变小.且随着渣中CaO/SiO2增加硫化物包裹层逐渐由MnS转变为CaS，可以看出6#炉次外侧硫化物包裹层不再为MnS，而是转变为CaS.

3 结 论

本文以某厂生产的重轨钢U71Mn为例，通过利用不同Al2O3质量分数精炼渣在实验室二硅化钼电阻炉中进行渣-金平衡实验，研究了高氧化铝精炼渣对重轨钢中夹杂物的影响.得到以下结论：

(1)随着高铝精炼渣中CaO/SiO2的增加，钢中全氧质量分数逐渐降低，说明含有一定量Al2O3的高碱度精炼渣有利于钢液脱氧，对于钢中氧化物类夹杂的吸附排出更为有利.

(2)钢中夹杂物的平均直径随渣中Al2O3质量分数的增加先减小后增加.当精炼渣中Al2O3质量分数约为30%，精炼渣中CaO/Al2O3值约为1.65时，渣熔点较低，熔化较快，对氧化铝类夹杂物的吸附效果较好，钢中夹杂物的平均直径为6炉次最小值1.31 μm.

(3)6炉次夹杂物中氧化铝质量分数随着渣中Al2O3减少逐渐减少，且当渣中Al2O3质量分数低于30%时，精炼渣中氧化铝质量分数对钢中夹杂物氧化铝质量分数影响不大.

(4)实验室6炉次较大尺寸夹杂物均是以Al2O3·MgO为核心的包裹型夹杂，部分炉次在Al2O3·MgO外侧包有少量的SiO2，并随着渣中CaO/SiO2值增加而逐渐减少.夹杂物最外侧为硫化物包裹层，随着CaO/SiO2增加包裹范围逐渐变小，且硫化物包裹层逐渐由MnS转变为CaS.