摘要：高强度低合金钢为了控制钢中硫含量，生产过程中采用高碱度、低氧化性精炼渣，致使钢中生成尺寸较大的塑性夹杂物，严重影响钢材质量。炉渣组成对钢中夹杂物有很大影响，文章介绍了采用钢－渣平衡的方法对五种渣系（不同CaO/SiO2和Al2O3%）钢中总氧和非金属夹杂物影响的研究。结果表明，钢－渣反应平衡后，顶渣中CaO/SiO2在1.93~4.54，Al2O3%在21%~30%；钢中T.O在7×10-6~19×10-6；钢中夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物中含有少量MnO。当顶渣中Al2O3含量一定时，随着顶渣中(CaO+MgO)/SiO2提高，T.O下降；夹杂物中MnO含量降低，CaO/Al2O3增加。当顶渣CaO/SiO2一定时，随着渣中Al2O3含量的提高，T.O增加；夹杂物中Al2O3含量增加，CaO含量也相应增加，CaO/Al2O3变化不大，约在1，夹杂物中MgO含量和MgO/Al2O3下降。随着钢中T.O含量的增加，夹杂物的数量呈上升的趋势；钢中出现大尺寸夹杂物的几率增加。
关键词：高强度低合金钢；顶渣；总氧含量；夹杂物
钢中非金属夹杂物的存在是影响钢制品性能的重要因素，有时甚至是决定性的因素。夹杂物对钢力学性能和工艺性能的影响，主要是降低材料的塑性、韧性、疲劳性能和耐腐蚀性能，尤其当夹杂物以不利的形状及分布特征存在时，对材料的机械性能影响更为严重。钢中非金属夹杂物，如氧化物、硫化物等危害性能就在于都呈独立相存在，破坏了钢基体的均匀连续性，造成了应力集中，促进了疲劳裂纹的产生，并在一定条件下加速了裂纹的扩展，从而加速了疲劳破坏的过程，在加工过程中会产生裂纹，使成材率大大降低，产品质量下降[1]。氧化物和硫化物夹杂对容器壁是最危险的，产生裂纹的临界尺寸是十分之几微米。
为了脱硫的需要，高强度低合金钢生产过程中采用铝脱氧，炉外精炼采用高碱度、强还原性炉渣。在这样的条件下，炉渣和包衬中的CaO、MgO部分被钢中的[Al]还原进入钢液，钢中生成很多低熔点CaO-Al2O3系夹杂物，轧制后延伸为条状夹杂物，导致钢板非轧制方向韧塑性降低和超声波探伤不合等缺陷[3]。所以通过采用与目前精炼渣系不同的较低碱度的CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，通过钢－渣平衡实验，研究顶渣碱度、Al2O3含量等对钢中总氧及夹杂物的影响规律，以期通过调整顶渣成分来控制钢中生成的夹杂物，从而解决生产过程中出现的大尺寸低熔点夹杂物所造成的质量缺陷问题。
以高强度低合金钢为研究对象，所研究钢样的化学成分如表1所示，采用钢－渣平衡的方法，研究中低碱度条件下顶渣成分对钢中夹杂物的影响[3]。研究内容：（1）顶渣碱度对钢中非金属夹杂物的影响：碱度CaO/SiO2为2、3.5、5，渣中Al2O3含量为25%，渣成分为Xz1、Xz2、Xz3。实验前顶渣成分见表2。（2）顶渣中Al2O3含量对钢中非金属夹杂物的影响：Al2O3含量分别为20%、25%、30%，碱度CaO/SiO2=3. 5，渣成分为Xz4、Xz2、Xz5。试验在Ar保护气氛下的Si-Mo电阻炉中进行。
表1 钢样的基本化学成分%
C Si Mn P S Als T.O [N] 0.046 0.15 1.78 0.0094 0.0012 0.033 0.0011 0.0033
表2 实验前炉渣组成%
?? A l2O3CaO%/ SiO2% MgO Xz1 25 2.00 ??? Xz2 25 3.50 ??? Xz3 25 5.00 ??? Xz4 20 3.50 ??? Xz5 30 3.50 ???
实验方法：将钢样（成分见表1）和渣样（见表2）按5：1比例装入MgO坩埚，放入Si-Mo电阻炉中；通Ar一段时间后升温至1873K，保温一段时间后取出水冷。其中，顶渣采用CaO-Al2O3-SiO2-MgO系，各物质采用纯的分析试剂，MgO含量按饱和配置。实验所得的钢样、炉渣样化学元素分析见表3，表4。
表3 实验后钢样成分%
?????% ???? X 10-6C Si Mn P S Ca Mg A ls Alt T.O N Xg1 0.048 0.19 1.72 70 10 8.8 7.4 41 52 19 69 Xg2 0.041 0.18 1.78 80 3 9.2 7.4 66 83 14 35 Xg3 0.044 0.17 1.78 70 3 9.9 4.8 78 92 7 38 Xg4 0.044 0.17 1.77 70 4 9.8 5.4 60 74 10 47 Xg5 0.048 0.17 1.76 80 6 10 10 64 84 16 66
表4 实验后顶渣成分%
?? CaO MgO SiO2Al2O3MnO FeO S CaO/SiO2Xz1 40.13 13.65 20.75 24.48 0.34 <0.1 0.011="" 1.93="" xz2="" 50.21="" 8.66="" 15.39="" 25="" 0.18=""><0.1 0.016="" 3.26="" xz3="" 51.94="" 9.56="" 11.44="" 26.12="" 0.16=""><0.1 0.017="" 4.54="" xz4="" 51.81="" 9.76="" 15.82="" 21.22="" 0.2=""><0.1 0.017="" 3.27="" xz5="" 45.58="" 10.19="" 13.76="" 30.04="" 0.17=""><0.1 0.014="">
钢中非金属夹杂物检测：把切割好的试样在扫描电镜（SEM）下对每个试样随机选取约20个夹杂物，对其形貌、尺寸进行观察统计；并采用能谱仪（EDS）对夹杂物成分进行定量分析。在金相显微镜下对试样中夹杂物的数量和尺寸分布进行统计。观察倍数为500倍，每个试样统计200个视场。
钢中非金属夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性，常常对管线钢的塑性、韧性、抗氢致开裂(HIC)和应力腐蚀开裂(SCC)等性能造成不利影响。而炉渣的组成对改善钢水洁净度又起着非常重要的作用[1,4]。为此，通过本实验初步探讨中低碱度、低氧化性顶渣对钢中总氧及夹杂物的影响。
3.1 钢渣平衡试验顶渣对T.O的影响
3.1.1 顶渣碱度对T.O的影响
当渣中Al2O3含量一定时，T.O与顶渣中(CaO+MgO)/SiO2呈很好的反比关系，即随着顶渣碱度的增加，钢中T.O含量降低[5]。
3.1.2 顶渣CaO/Al2O3对T.O的影响
对于X80管线钢的生产，炉外精炼过程炉渣CaO/Al2O3的比值在1.3~3.5。实验中，当CaO/Al2O3在1.5~3时，T.O与顶渣中CaO/Al2O3呈很好的反比关系，即顶渣CaO/Al2O3的值增加，钢中T.O含量降低。
3.2 T.O与夹杂物的关系讨论
将试样在光学显微镜500倍下统计200个视场，观察总面积S=5.1807mm2，夹杂物数量及尺寸分布见表5。
表5 各炉次夹杂物的数量及尺寸分布
注：平衡试验5炉夹杂物中3微米的夹杂物较多，但大部分还是1～3μm；电镜下，Xg3，Xg4中的夹杂物特别少，尤其是Xg4，且Xg4中夹杂物成分很不均匀.其它试样夹杂物大都呈黑色的球形。
????????????/mm2???? ?? T.O??10-61?3?m 3?5?m 5?10?m ?10?m R=5 R=3 ??? 11 22.39 3.09 0.19 0.00 5.99 16.65 Xg1 19 14.28 4.44 1.35 0.19 9.90 27.51 Xg2 14 10.42 3.09 0.58 0.00 4.95 13.74 Xg3 7 12.35 2.32 0.39 0.00 4.33 12.02 Xg4 10 8.11 3.28 0.39 0.00 4.27 11.85 Xg5 16 12.93 2.51 0.58 0.00 4.98 13.83
图1 夹杂物数量尺寸分布与钢中T.O的关系
由图1可知钢中夹杂物主要类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含有少量MnO，即夹杂物主要为氧化物。随着钢中T.O含量的增加，夹杂物的数量呈上升的趋势；T.O含量与所占比例较大的尺寸级别的夹杂物的数量关系较大，而与所占比例较小的尺寸级别的夹杂物的数量关系不大；当T.O含量X约在10×10-6或更低时，夹杂物数量与T.O含量的正比关系不明显；随着T.O含量的增加，钢中出现大尺寸夹杂物的几率增加，如T.O含量为10×10-6时，3~5μm和5~10μm夹杂物的数量分别为3.28个/mm2和0.39个/mm2，当T. O含量为19×10-6时，3-5μm和5-10μm夹杂物的数量分别为4.44个/mm2和1.35个/mm2，发现了尺寸大于10μm的夹杂物，数量为0.19个/mm2。
3.3 钢渣反应平衡时顶渣对夹杂物的影响
3.3.1 碱度的影响
（1）图2-1可知钢样中的夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaOMgO-MnO系。
图2-1 平衡后碱度为2.59时钢样中的夹杂物
图2-2 平衡后碱度为2.59时钢样中夹杂物的成分分布
图2-2为钢中夹杂物在Al2O3-SiO2-CaO-10% MgO相图中的分布，图2-2中（图中炉次所代表意义均与此相同“●”代表单个夹杂物的化学成分，“★”为所观察的夹杂物的平均成分，“▲”为实验后顶渣的成分）。夹杂物成分比较集中，夹杂物的平均成分，Al2O3为33.68%,SiO2为21.5%,CaO为28.75%,MgO为8.38%,MnO为7.45%。
（2）图3-1可见，夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含少量MnO。图3-2为钢中夹杂物在Al2O3-SiO2-CaO-10%MgO相图中的分布，夹杂物成分比较集中，夹杂物的平均成分，Al2O3为39.05%, SiO2为9.22%,CaO为40.8%,MgO为8.72%,MnO为2.2%。
图3-1 平衡后碱度为3.83时钢样中的夹杂物
图3-2 平衡后碱度为3.83时钢样中夹杂物的成分分布
（3）图4-1为夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含少量MnO。
图4-1 平衡后碱度为5.38时钢样中的夹杂物
图4-2 平衡后碱度为5.38时钢样中夹杂物的成分分布
图4-2为钢中夹杂物在Al2O3-SiO2-CaO-10% MgO相图中的分布可以看到，夹杂物成分比较集中。夹杂物的平均成分：Al2O3为34.06%,SiO2为7.86%,CaO为46.16%,MgO为10.9%,MnO为1.01%。
图5 顶渣碱度对夹杂物成分的影响
图6 夹杂物中CaO/Al2O3、MgO/Al2O3与顶渣碱度的关系
（4）图5为渣中Al2O3含量一定时随顶渣中(CaO+MgO)/SiO2的提高，夹杂物中CaO含量显著增加，MgO含量增加，SiO2含量降低。而且，随着碱度的提高，夹杂物中MnO含量降低，当顶渣碱度分别为2.59、3.83、5.38时，夹杂物中MnO含量分别为7.45、2.20、1.01。
（5）图6为渣中Al2O3含量一定时随顶渣中(CaO+MgO)/SiO2提高，夹杂物中CaO/Al2O3显著增加；MgO/Al2O3变化没有明显的规律。
（6）图7为渣中Al2O3含量一定时，夹杂物的数量尺寸与顶渣碱度的关系。3~5μm和5~10μm夹杂物的数量的数量呈下降趋势,而所占比例较大的夹杂物1～3μm的变化规律不明显。随着碱度增加大于10μm的夹杂物出现的几率变小。
图7 碱度与夹杂物数量尺寸分布的关系
3.3.2 Al2O3对夹杂物的影响
（1）图8-1钢样中的夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含有少量MnO。
图8-1 平衡后Al2O3为21.22时钢样中的夹杂物
图8-2 平衡后Al2O3为21.22时钢样中夹杂物的成分分布
图8-2看到，夹杂物成分比较集中。夹杂物的平均成分，Al2O30为31.3%,SiO2为10.06%,CaO为33.32%,MgO为23.33%,MnO为1.93%。
（2）图9-1夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含有少量MnO。图9-2为钢中夹杂物在Al2O3-SiO2-CaO-10%MgO相图中的分布，夹杂物成分比较集中。夹杂物的平均成分，Al2O3为40.02%, SiO2为11.69%,CaO为41.43%,MgO为5.45%,MnO为1.19%。
图9-1 平衡后Al2O3为30.04时钢样中的夹杂物图
图9-2 平衡后Al2O3为30.04时钢样中夹杂物的成分分布
（3）图10-1，夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物含少量MnO。图10-2为钢中夹杂物在Al2O3-SiO2-CaO-10%MgO相图中的分布，夹杂物成分比较集中夹杂物的平均成分，Al2O3为39.05%,SiO2为9.22%,CaO为40.8%,MgO为8.72%,MnO为2.2%。
图10-1 平衡后Al2O3为25时钢样中的夹杂物
图10-2 平衡后Al2O3为25时钢样中夹杂物的成分分布
（4）图11为顶渣碱度一定时随着渣中Al2O3含量的增加，夹杂物中Al2O3含量增加，CaO含量也相应增加，MgO含量显著下降，SiO2和MnO含量变化不明显。
图11 夹杂物组分与顶渣Al2O3的关系
图12 夹杂物中CaO/Al2O3、MgO/Al2O3与顶渣Al2O3的关系
（5）图12为顶渣碱度一定时，随渣中Al2O3含量的增加，夹杂物中MgO/Al2O3显著下降，CaO/Al2O3变化不大，均在1左右。
（6）图13中随着顶渣中Al2O3含量的增加，夹杂物总的数量呈上升的趋势；Al2O3含量与所占比例较大的尺寸级别的夹杂物的数量关系较大，而与所占比例较小的尺寸级别的夹杂物的数量关系不大。如：Al2O3含量为30.04%时，3~5μm和5μm~10μm夹杂物的数量分别为2.51个/mm2和0.58个/mm2，没有发现尺寸大于10μm的夹杂物；当Al2O3含量为21.22%时，3~5μm和5~10μm夹杂物的数量分别为3.28个/mm2和0.39个/mm2，没有发现尺寸大于10μm的夹杂物。
图13 Al2O3与夹杂物数量尺寸分布的关系
（1）钢－渣反应平衡后，顶渣中(FeO+MnO)%<>
（2）钢－渣反应平衡后，钢样中T.O在7× 10-6~19×10-6，顶渣中CaO%/SiO2%在1.93~4.54，Al2O3%在21%~30%；当顶渣中Al2O3含量一定时，T. O与顶渣中(CaO+MgO)/SiO2呈很好的反比关系；当顶渣CaO%/SiO2%一定时，T.O与顶渣中CaO/Al2O3呈很好的反比关系。
（3）钢－渣反应平衡后，钢中夹杂物呈球形，绝大多数尺寸在5μm以下，类型为Al2O3-SiO2-CaO-MgO系，部分夹杂物中含有少量MnO。
（4）当渣中Al2O3含量一定时，随着顶渣碱度的提高，夹杂物中MnO含量降低；夹杂物中CaO/Al2O3显著增加。当顶渣碱度一定时，随着渣中Al2O3含量的增加，夹杂物中Al2O3含量增加，CaO含量也相应增加，CaO/Al2O3变化不大，在1左右；夹杂物中MgO含量和MgO/Al2O3显著下降。
（5）随着钢中T.O含量的增加，夹杂物的数量呈上升的趋势；T.O含量与所占比例较大的尺寸级别的夹杂物的数量关系较大，而与所占比例较小的尺寸级别的夹杂物的数量关系不大；随着T.O含量的增加，钢中出现大尺寸夹杂物的几率增加。
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Effect of Slag Reaction Balance on Total Oxygen and Non-metallic Inclusions in High Strength Low Alloy Steel
ZHANGHao
（Xingjiang Bayi Iron&SteelCo.,Ltd）
Abstract：High strength low alloy steelhasa strictcontrolon sulfur content,so top slagwith high basicity(CaO/SiO2)and low oxidizing refining slag.Asa result,the formation of larger size plastic inclusions in steel,seriously affecting the quality of steel.Slag composition has a great influence on inclusions in steel.In this paper,the effects of five slag systems(CaO% /SiO2%and Al2O3%)on totaloxygen and non-metallic inclusions in steelwere investigated bymeansofsteelslag balance. The results showed thatequilibrium was reached,(%CaO)/(%SiO2)of five top slagswas from 1.93 to 4.54,Al2O3content was from 21%to 33%;total oxygen contentwas from 7×10-6to 19×10-6,Non-metallic inclusions in steelweremainly sphericalCaO-MgO-Al2O3-SiO2system with size smaller than 5μm,with(CaO+MgO)%/SiO2%in top slag increasing and Al2O3content constant,totaloxygen content in steel decreases;mass percentofMnO in non-metallic inclusions decreases and CaO%/Al2O3%increases,with Al2O3content in top slag increasing and CaO%/SiO2%constant,totaloxygen content in steel increases,mass percentof Al2O3and CaO in non-metallic inclusions increases,CaO%/Al2O3%changes little and the value keeps about 1,mass percent of MgO and MgO%/Al2O3%in non-metallic inclusions decreases.With total oxygen contentincreasing,thenumberof inclusionsand probabilityof forming largesize inclusionsshow a rising trend.
Key words：high strength low alloy steel;top slag;totaloxygen content;inclusion
中图分类号：TF703.6
文献标识码：A
文章编号：1672—4224（2017）01—0006—06
联系人：张浩，男，30岁，本科，工程师，乌鲁木齐（830022）新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂
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