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321不锈钢中含钛夹杂物的析出行为及控制研究

潘超  
【摘要】:321不锈钢属于铬镍奥氏体不锈钢,是一种常见且经济的结构材料,其主要应用于化工、石化和核工业等领域。321不锈钢中由于有Ti元素的加入,在高温条件下有效抑制了晶界处碳化铬的析出,减少了贫铬区的产生,从而使得321不锈钢在高温下具有了较强的耐晶间腐蚀能力。但是,由于加入的Ti对钢中的O和N都具有很强的亲和力,极易形成TiN和TiOx等含钛夹杂物,这些夹杂物容易导致321不锈钢在生产过程中出现水口结瘤和连铸坯质量缺陷等问题,尤其是对于321不锈钢小方坯的连铸生产。因此,研究321不锈钢小方坯生产过程中含钛夹杂物的析出机理及控制措施,对于提高321不锈钢小方坯生产的连续性及产品质量都具有重要意义。在本课题的研究中,首先通过对某生产企业的中间包水口结瘤物、存在缺陷小方坯以及生产过程中Al、Ti和N元素含量的变化进行了分析,发现导致321不锈钢小方坯连铸生产过程中出现水口结瘤和连铸坯质量缺陷的主要原因是钢中存在着数量较多且尺寸较大的TiN和各类含钛氧化物,然后采用了工业生产现场取样与实验室高温实验相结合的研究方法,通过合理的实验方案设计,利用扫描电子显微镜、能谱分析仪、氧氮氢分析仪、电感耦合等离子体光谱仪、夹杂物自动分析系统、Factsage热力学计算软件、Matlab计算软件等实验设备及软件,对321不锈钢中TiN以及各类含钛氧化物的析出机理、影响因素及控制措施进行了分析研究。主要研究内容及成果如下:结合实验室实验和夹杂物自动分析系统检测数据,对钢液中TiN夹杂物的析出行为进行了量化评估。研究发现,对于Ti和N含量分别为0.23 wt%和0.0170 wt%的321不锈钢,在1600℃的温度条件下,钢液中TiN夹杂物数量随时间的变化趋势并不明显,其平均尺寸维持在2 μm左右,尺寸在3μm以下的TiN夹杂物数量占了总数的90%以上;在钢液温度从1600℃降低至1500℃的过程中,钢中TiN夹杂物的数量出现下降,而平均尺寸增加了3 μm,达到了 5 μm左右,同时,尺寸在5 μm以上TiN夹杂物数量比例从原来的不足1%增加到了 50%;相较于水淬冷却方式,空冷方式使得钢中TiN夹杂物的尺寸有所增加,但平均尺寸的增幅不超过1μm,而在随炉冷(5℃/min)条件下,钢中TiN夹杂物尺寸的增幅非常明显,其平均尺寸的增幅达到了 7 μm,此外,尺寸在5 μm以上的TiN夹杂物数量比例从1600℃条件下水淬样品中的不足1%增加到了 80%以上。探讨了 321不锈钢的钢液体系条件下Al、Ti含量及添加顺序对夹杂物演变的影响,研究发现在Al或Ti加入之前,钢液中主要的夹杂物为呈液相的CrOy-MnO-SiO2复合氧化物,热力学计算表明当钢液中的Al含量超过0.0085 wt%或Ti含量超过0.0360 wt%时,钢液中原有的液相夹杂物能够被完全还原为固相的Al2O3或TiOx夹杂物。由于Ti和N的浓度较高,钢液中原有氧化物的表面能够析出TiN夹杂物,在氧化物被TiN完全包裹后,氧化物表面的TiN层阻止了氧化物进一步被Al或Ti还原。结合机理分析结果,在Ti合金化之前加入Al能够有效提高Ti的收得率。研究了 Ca和Ce对321不锈钢中含钛夹杂物改性的影响,对于Ca处理,发现Ca含量变化对钢中氧化物的组成和形貌有重要影响,热力学计算结果表明在钢中Ti含量为0.20 wt%的前提条件下,Al和Ca的含量分别小于0.100 wt%和0.0005 wt%时,对于钢液中产生液相氧化物更为有利;对于Ce处理,发现Ce加入后能够非常有效的将Al2O3夹杂物改性为含Ce氧化物,在Ce含量为0.0012 wt%时,钢中的氧化物能够被完全改性为含Ce氧化物。随着钢液中Ce含量的不断增加,钢液中的氧化物逐渐转化为富含Ce的氧化物,氧化物的演变顺序依次为:Al2O3→CeAl11O18→CeAlO3→Ce2O3,但是在氧化物的外层被TiN完全包裹后,添加Ce对氧化物的影响不大,因为氧化物外层的TiN能够阻止钢液中Ce对氧化物的改性作用。分析了钢液从钢包进入到中间包发生二次氧化后对含钛夹杂物的影响,研究发现在二次氧化过程中,钢液中T.O含量的平均增幅在0.0020 wt%左右,T.N含量的平均增幅在0.0015 wt%左右,对于进入到钢液中的[O],由于[Al]含量较高,其并不会与钢液中的Ti反应,而是与钢液中[Ca]和[Al]等发生反应,导致出现了大量富含CaO和Al2O3的(Ca-Al)rich-Ti-Mg-O类夹杂物。对于进入到钢液中[N],由于其浓度已经达到了与钢液中的Ti形成TiN的热力学条件,同时由于中间包中具有良好的动力学条件,所以新析出的TiN夹杂物可以自形核形成均质相的TiN夹杂物,也能够以原有的氧化物为形核核心析出,形成含有氧化物核心的非均质相TiN夹杂物。


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