炼钢过程中夹杂物控制技术的重要性及镁处理技术的应用前景

炼钢过程中夹杂物控制技术的重要性及镁处理技术的应用前景

1 研究背景及问题

夹杂物是炼钢过程中不可避免的产物，是影响钢材质量的重要因素。几乎所有的钢材缺陷都与夹杂物密切相关。夹杂物控制技术已成为炼钢领域发展的重要方向，也是一个国家清洁钢铁制造水平的重要标志。随着炼钢技术的不断进步，钢中夹杂物问题严重制约了高端钢材的生产。因此，迫切需要提高夹杂物控制水平，寻找有效的解决方案来减少夹杂物的危害。

国内外人们早已认识到镁在钢铁中的良好作用。钢中添加镁可以减小氧化铝夹杂物的尺寸，减少II型硫化物的数量；镁能提高钢的低温冲击功、冷脆转变温度和断裂韧性；镁还具有净化晶界、改善碳化物分布、提高钢等轴晶率的良好效果。尽管如此，镁处理技术却迟迟未能在工业上推广应用。主要原因是：①金属镁的熔点、沸点低，蒸气压高（1873K时蒸气压为）。添加钢水会很快汽化，成品率极低； ②一些钢铁企业对钢水中添加镁存在误解，认为生成的尖晶石对钢有害，却没有考虑到夹杂物尺寸减小带来的巨大冶金优势； ③钢铁的镁加工技术被日本等少数国家垄断，如新日铁HTUFF技术、日本爱知炼钢开发的镁处理无铅易切削钢新产品等。

为此，开发具有自主知识产权的液态镁加工新技术，开发高效、清洁、低成本的洁净钢新产品，显着提高产品性能和附加值，为绿色可持续发展提供技术支撑促进我国钢铁制造业的发展，助力提高我国钢铁清洁制造水平。

2、解决问题的思路和方案

为解决钢水镁处理技术的工程应用问题，苏州大学王德勇教授团队深入探讨了镁在洁净钢中的作用机理及影响因素，明确了镁处理技术对不同钢种的适用性；研发出炼钢专用缓释镁合金包芯线，优化了钢包镁丝喂线工艺，解决了钢水添加镁金属收率低的行业难题；提出镁钛协同夹杂物控制新理论，形成了以镁代钙、镁减钛、镁减锰的低成本清洁钢生产新路线。开发了一系列新型镁处理洁净钢产品；该系统集成了镁合金包芯焊丝送丝工艺、镁产量预测系统和钢中微量镁在线检测技术，在我国首次实现了钢水镁处理技术的工程化应用，并取得了显着成果在提高产品质量和降低生产成本方面。主要技术路线如图1所示。

图1“镁处理洁净钢关键技术及新产品开发”技术路线图

三、主要创新成果

1、开发出具有自主知识产权的缓释镁合金包芯线，首次实现了钢水镁处理技术的工程化应用，克服了钢水镁收率低的技术瓶颈。金属镁成品率近30%，填补国内空白。

项目组借鉴喷射冶金和钝化镁技术原理，通过联合攻关，利用镁中间合金廉价易得的特点，成功研制出炼钢专用缓释镁合金包芯线。满足不同钢种的冶炼需求。 。该系列包芯线的主要特点是：①优化了芯粉成分、包芯线配重等关键参数，提高了钢水吸镁效果； ②镁含量范围宽，添加量易于控制和调节； ③ 杂质 硫、磷等元素含量低（

为了确保镁能够安全、稳定、高效地添加到钢水中，项目组开展了大量的热工试验和模拟工作，对送丝量、送丝时机、送丝位置、送丝位置等进行了系统研究。基于该方法对吸镁率的影响，系统优化了钢包送丝和送丝参数，确保镁回收率达到30%以上。图2为钢水喂入镁丝工业试验的现场效果。其中，图2a所示为250吨钢包送入镁丝的流程。试验钢种为低碳微合金钢。工艺流程为：转炉→LF→RH→板坯连铸。 LF合金化完成后，送入镁丝；图2b为100吨钢包微细镁丝工艺，试验钢种为高碳合金钢，工艺流程为：EAF→LF→VD→大方坯连铸，VD打破真空然后送镁丝。

工业试验表明，在钢包送镁丝过程中，金属镁平均收率约为30%，测得钢中镁含量约为10~30ppm（ICP分析）。目前应用最广泛的钙处理工艺中纯钙的收率仅为15%左右。综合起来，镁处理不仅具有较好的夹杂物控制效果（夹杂物尺寸小、分布分散），而且合金消耗较少，处理成本较低。

图2 钢水喂入镁丝工业试验

2、提出TiN外延生长控制理论，开发了Mg-Ti复合处理中夹杂物协同控制新技术，克服了含钛包晶钢在常规冷却速率下TiN尺寸异常大的行业难题，提高了高温热塑性和凝固结构显着降低了板坯裂纹的发生率。

理论和实践证明，促进钢中TiN外延生长的前提是：①钢中作为成核颗粒的氧化物颗粒的数密度足够，尺寸足够小； ②钢中Mg/Ti比控制在合理范围内。

项目组对430铁素体不锈钢进行了镁处理试验。典型夹杂物对比如图3所示。镁处理前，钢中形成的TiN颗粒尺寸较大，成分均匀；镁处理前，钢中形成的TiN颗粒尺寸较大，成分均匀；经过镁处理后，TiN在细小的镁铝尖晶石表面成核，其尺寸显着减小。这种“外延生长”形成的TiN在细化高温铁素体方面具有极好的效果。另外，对钢中纳米级TiN析出行为的分析表明，镁处理前，钢中纳米级TiN少量沿晶界分布；镁处理前，钢中纳米级TiN沿晶界分布，少量分布。经过镁处理后，TiN的平均尺寸变化不大，但数密度增加了近一倍。 ，且分布较为弥散，在晶界和晶内均匀析出，解决了常规冷却速率下含钛钢中TiN尺寸异常大的行业难题。

图3 镁处理对钢中微米级和纳米级TiN析出行为的影响（a-未处理，b-镁处理）

根据二维晶格失配度关系，MgO与TiN的晶格失配度分别为0.068%和5.02%，TiN与δ-Fe的晶格失配度为4.41%，均为有效形核。范围内，因此细小的含镁夹杂物可以促进TiN的异质形核。 TiN还可以作为δ-Fe的形核粒子，促进高温铁素体的形核，对细化钢的凝固组织起到重要作用。这种依靠镁、钛夹杂物促进第二相和高温铁素体组织“渐进形核”的思路，即镁钛复合加工夹杂物协同控制技术，在国内尚属首创。这个项目。

基于镁钛复合处理夹杂物协同控制理论，项目组提出了镁处理提高含钛包晶钢高温热塑性的技术思路：利用镁处理技术形成大量、小尺寸、以及钢中分散的 MgO 或尖峰。晶石，促进凝固前沿氧化物颗粒表面 TiN 的外延生长。当温度降至液相线以下时，δ-Fe 优先在 TiN 表面形核。随着成核率的增加，δ-Fe 的尺寸减小。当达到包晶转变温度时，发生包晶转变δ+L→γ，原始奥氏体组织减少，钢的高温热塑性显着提高，从而抑制包晶钢裂纹的发生，显着提高钢的性能。铸坯的质量，如图4所示。

图4 镁处理提高包晶钢高温热塑性的机理示意图

3、基于镁处理新技术，实现了高效、低成本的清洁钢生产，开发了低碳微合金钢、含钛包晶钢、热作模具钢、硫磺清洁钢5大类-含非调质钢、铁素体不锈钢。钢材新品种。

以RH60车轮钢为例，传统钙处理条件下，主要夹杂物为：Ca-Al-O+(Ca,Mn)S，占98%以上，尺寸在2～4μm之间；经镁处理后，夹杂物转变为+MnS，其核心尺寸大多小于1μm，占80%以上。与钙处理相比，镁处理钢中的夹杂物尺寸减小，但数量增加。与传统钙处理工艺相比，镁处理车轮钢轧制产品屈服强度提高20~30MPa，抗拉强度提高30~40MPa。从疲劳曲线（图5）来看，在相同应力幅条件下，镁处理新工艺下的钢材疲劳寿命优于钙处理工艺下的钢材。由于夹杂物平均尺寸的减小，采用镁处理代替钙处理。处理对于提高低碳微合金钢的疲劳寿命具有重要作用。

图5 镁处理钢夹杂物与轧材疲劳性能对比

包晶钢坯裂纹是长期困扰冶金行业的问题。采用传统的钙处理工艺时，含钛包晶钢坯在780℃时的最小面积收缩率小于40%，低于60%临界值的温度“口袋区”维持在710℃～ 830°C。显着降低连铸矫直区板坯的表面质量。利用热模拟试验机测量了坯料的高温拉伸性能，结果如图6所示。采用新型镁处理技术后，无需外部强制冷却，第三脆性区面积收缩率最小比临界值高出60%以上，接近日本住友金属开发的SSC（）工艺的面积收缩率。采用钙处理工艺后，拉伸断裂为典型的沿晶断裂；采用新的镁处理工艺，拉伸断裂为韧性断裂，证明镁处理对于提高含钛包晶钢的高温热塑性有良好的效果。

从梅钢现场生产统计来看，与传统的钙处理工艺相比，采用镁处理新技术后，含钛包晶钢角部裂纹率降低至0.01%，取消了对铸坯离线和铸坯四个角的目视检查。清洗不仅减少了能源消耗，还大大减轻了工人的劳动强度。

图6 镁处理含钛包晶钢的高温热塑性比较

图7 镁处理前后铁素体不锈钢钢锭的低倍组织对比

项目组基于镁钛复合处理夹杂物协同控制理论，与宝钢股份合作开发了镁处理新技术，提高铁素体不锈钢的等轴晶率。由于铁素体不锈钢凝固过程中不存在相变，镁处理可以促进TiN外延生长，形成大量细小、弥散的TiN颗粒，从而诱导铁素体在凝固过程中形核，细化其尺寸。 ，如图7所示。Ta为实际温度分布，TL为平衡液相线温度曲线，Ta与TL相交于凝固界面前的液相中，在由于固液界面前的溶质重新分布，以及较宽的组分过冷条件，在凝固过程中，当固液界面前液相中的组分的最大过冷度大于液相中异相成核所需的过冷度，形成等轴晶体。

感应炉中试表明，镁处理后，铁素体不锈钢钢锭中等轴晶的比例明显增加，晶粒细化。在不进行电磁搅拌的情况下，409L铁素体不锈钢等轴晶率由常规工艺的10%提高到80%，4003不锈钢等轴晶率由20%提高到90%以上，439不锈钢等轴晶率由传统工艺的10%提高到80%以上。不锈钢率由15%提高到90%。

四、应用及效果

自2017年起，该技术已在、、、等公司使用。基于镁加工新技术开发的高端轮毂钢材料疲劳性能可与国际同类先进产品相媲美；无需强制冷却，大大降低中碳包晶钢板坯角部裂纹率；无需电磁搅拌，铁素体不锈钢等轴结晶率达到85%以上；高端模具钢总氧含量稳定控制在12ppm以下，含硫非调质钢横向冲击功提高25%。三年来，新技术应用累计新增产值2亿多元。高端车轮钢、含钛包晶钢、热作模具钢、非调质钢等产品已出口韩国、印度、越南、马来西亚、伊朗、意大利、西班牙、台湾、中国等国家和地区。其他国家和地区。

项目实施期间，共申请国家发明专利26项，其中授权发明专利9项，实用新型授权2项，软件著作权登记1项。发表论文38篇，多次受邀在国内外重要学术会议上做学术报告。经中国金属学会组织专家评审，认为钢水镁处理新技术总体指标达到国际先进水平。

镁处理新技术技术成熟，应用效果好，具有良好的可移植性和适应性，在国内钢铁企业具有极高的推广应用价值。经过镁处理后，钢中夹杂物控制效果好，镁含量低，缩短了新产品的开发周期，具有显着的社会效益和经济效益。