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超纯铁素体不锈钢夹杂物演变与浸入式水口结瘤机理研究

白雪峰  
【摘要】:通过降低钢中碳氮含量和添加稳定化元素钛,超纯铁素体不锈钢获得了比传统铁素体不锈钢更好的机械性能和耐腐蚀性能。超纯铁素体不锈钢精炼过程中易生成复杂的铝钛系氧化物夹杂,影响钛的收得率和钢水可浇性。为了提高钛的收得率和减少水口结瘤问题,本论文以20wt%Cr超纯铁素体不锈钢中铝钛系氧化物为研究对象,围绕精炼工序夹杂物的行为演变机理和连铸工序水口结瘤机理两个关键点开展实验室基础研究和理论分析,主要工作和成果概括如下:借助ASPEX扫描电镜分析技术和无水有机溶液电解技术,研究了超纯铁素体不锈钢铝钛复合脱氧过程夹杂物的行为演变机制。结果表明,钛线加入钢液后的短时间内,TiOx在Al2O3夹杂物的表面生成,并随着反应进行逐渐消失。瞬态产物TiOx并非钢液成分体系中的平衡产物,而是钢液与Al2O3夹杂物之间界面行为的结果。溶质元素钛的不均匀性、钢液与Al2O3夹杂物间的界面反应、含钛钢液在Al2O3夹杂物表面的润湿性则是引发该界面行为的主要因素。钢中既有夹杂物的形态对瞬态产物TiOx的形成作用明显。为了降低因TiOx的形成而造成的钛的损失,在加钛之前应当尽量去除聚合状、簇状以及花瓣状等大尺寸夹杂物。分析了钛稳定化不锈钢钙处理过程钢中夹杂物行为演变规律和Al2O3和MgO·Al2O3尖晶石夹杂物的改性机理。结果表明,在铝含量为0.02wt%~0.05wt%范围内,钙处理工艺可将Al2O3夹杂物改性为高液相的CaO-Al2O3-TiOx系夹杂物,而MgO·Al2O3尖晶石夹杂物被改性为液态夹杂物和由MgO·Al2O3相和CaO-Al2O3-TiOx相组成的高液相球状夹杂物。在先钙处理后加钛线的工艺流程中,加入钢液中的钛会把CaO-Al2O3系夹杂物中的铝部分地还原回钢液中,而钛以TiOx的形式进入到CaO-Al2O3系夹杂物中从而形成CaO-Al2O3-TiOx系夹杂物。适当提高钢中铝含量,并结合钢种成分优化钙的加入量,这样不仅可以保证夹杂物中的液相含量和降低CaO-Al2O3-TiOx夹杂物中的TiOx含量,而且有助于提高MgO·Al2O3尖晶石夹杂物的改性程度。超纯铁素体不锈钢浸入式水口解剖结果表明,水口结瘤物可分为受损耐材层、初始附着层和疏松的多相结瘤层。受损耐材层的主要组成为ZrO2、冷钢和Al2O3。初始附着层由Al2O3-ZrO2复合层和致密Al2O3层组成,其中靠近耐材侧的Al2O3-ZrO2复合层主要组成为纤维状Al2O3、ZrO2和凝钢;靠近钢液侧的致密A12O3层主要组成为致密板块状Al2O3、冷钢和CaO·TiO2。高铬钢水流经水口壁面时的温降显著影响受损耐材层和初始附着层中的Al2O3夹杂物的形成。疏松的多相结瘤层主要由MgO·Al2O3、CaO·Al2O3和CaO·TiO2组成。MgO·Al2O3尖晶石夹杂物并非直接黏附在水口内壁上,而是在初始附着层上生长的。在疏松的多相结瘤层中,沉积物的来源为钢中既有粒子。基于腔体理论提出了钢液-水口界面处夹杂物所受黏附力与分离力的计算模型。利用该模型分析了夹杂物行为、水口材质和钢液的流动特性对钢液-水口界面处夹杂物黏附和分离过程的影响,完善了水口结瘤的形成机理,提出了优化措施。结果表明,在较小的颗粒尺寸、与钢液间接触角较高的水口材质和较低的拉速条件下,高熔点的Al2O3和MgO·Al2O3尖晶石夹杂物易黏附在水口壁面,且钢液流动很难将其与水口耐材分离。在超纯铁素体不锈钢水口结瘤过程中,钢液-水口界面处新生的少量Al2O3夹杂物在水口内壁的黏附烧结导致了初始附着层的形成;钢中改性不佳的MgO·Al2O3尖晶石夹杂物在初始附着层表面的黏附烧结则是形成多相结瘤层的主要原因,MgO·Al2O3尖晶石夹杂物所受的黏附力为结瘤物长大提供了内在驱动力。根据精炼过程夹杂物的演变机理和连铸过程浸入式水口结瘤机理,提出将钢中铝含量控制在0.05wt%以上,并结合钢种成分优化钙含量的技术措施。


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