硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物的影響

劉 南，成 功，任 英，張立峰

1) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083 2) 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司煉鋼廠，包頭 014010 3) 中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223 4) 北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144

軸承鋼是典型的鋁脫氧鋼，其接觸疲勞開(kāi)裂是軸承失效的主要方式之一，鋼中非金屬夾雜物對(duì)軸承的疲勞壽命影響很大[1-2].國(guó)內(nèi)外鋁脫氧鋼生產(chǎn)企業(yè)主要從降低鋼中T.O 含量[3-4]、減小夾雜物尺寸[4-5]和控制夾雜物成分[3,6-8]等方面提高鋁脫氧鋼潔凈度.生產(chǎn)的高端鋁脫氧軸承鋼中T.O 含量普遍控制在5×10-6以下.當(dāng)鋼中T.O 含量極低時(shí)，鋼中依然存在數(shù)十微米甚至更大尺寸的CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物，大尺寸CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物成為了影響軸承等鋼產(chǎn)品穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[4].Kawakami[9]基于工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果提出鋼液和精煉渣反應(yīng)可以生成CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物.Ohta 等[10]發(fā)現(xiàn)鋁脫氧鋼中70%的＞5 μm 的CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物來(lái)源于精煉渣卷入鋼液，鋼液中鈣元素和夾雜物反應(yīng)形成的CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物比例很小.Chi等[11]研究發(fā)現(xiàn)，鋼包釉的剝落會(huì)導(dǎo)致鋁脫氧鋼中生成CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物.Ma 等[12]通過(guò)鈣處理將鋁脫氧鋼中Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物改性為球形CaO-Al2O3-MgO 夾雜物，夾雜物平均尺寸減小，但是鋼中會(huì)生成大尺寸的CaO 夾雜物.朱守欣等[13]研究發(fā)現(xiàn)，水口內(nèi)壁結(jié)瘤物是由＜10 μm 的MgO·Al2O3和CaO-Al2O3-(MgO)高熔點(diǎn)夾雜物堆積而成，結(jié)瘤物的脫落是鋁脫氧軸承鋼棒材上大尺寸長(zhǎng)條狀CaO-Al2O3-(MgO)夾雜物的主要來(lái)源.Riyahimalayeri 等[14]對(duì)鋁脫氧鋼工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程鋼中夾雜物成分和尺寸之間關(guān)系進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著夾雜物中鈣含量增加，夾雜物尺寸增加.影響鋁脫氧鋼中大尺寸CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物的因素非常復(fù)雜，包括冶煉工藝、耐火材料、合金、輔料等.目前已報(bào)道的鋁脫氧軸承鋼中夾雜物的控制研究主要集中在鈣[12]、鎂[15-17]和稀土[18-20]等活潑金屬合金以及精煉渣對(duì)鋼中夾雜物的改性[21-22].鋁脫氧鋼冶煉普遍使用的硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋼中夾雜物的影響還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道.基于此，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)控制單一變量研究了硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物特別是大尺寸CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物的影響，探討了鋁脫氧鋼中內(nèi)生夾雜物尺寸和成分之間的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 硅鐵合金中的雜質(zhì)元素

鋁脫氧鋼中硅元素提高了淬火和抗回火軟化性從而增加了鋁脫氧鋼硬度，鋁脫氧軸承鋼中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.15%以上.在鋁脫氧鋼生產(chǎn)實(shí)踐中，通常需要在LF 精煉時(shí)加入硅鐵以調(diào)整鋼液成分.盡管高端鋁脫氧鋼的生產(chǎn)普遍對(duì)硅鐵合金中的雜質(zhì)元素含量有嚴(yán)格的要求，但是關(guān)于硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋁脫氧軸承鋼中夾雜物的定量影響的研究還鮮有報(bào)道.表1 為鋁脫氧軸承鋼生產(chǎn)實(shí)踐中常使用的硅鐵合金中鈣和鋁的含量.圖1 為不同鈣含量的硅鐵合金的元素面掃描結(jié)果.硅鐵合金基體主要由深色的高硅相和淺色的硅鐵相組成，在高硅相和硅鐵相的界面處存在鈣和鋁的金屬元素雜質(zhì)相.

1.2 實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)方法

鋁脫氧鋼連鑄坯中大尺寸夾雜物數(shù)量相對(duì)較少，本研究采用國(guó)內(nèi)某廠鋁脫氧鋼連鑄坯作為實(shí)驗(yàn)原料.為了消除連鑄坯中已有大尺寸夾雜物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，首先將鋁脫氧鋼連鑄坯升溫到1873 K 熔化.在1873 K 下保溫一定時(shí)間使鋼中可能存在的大尺寸夾雜物完全上浮去除.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向鋼液中加Fe2O3粉末和高純鋁粒（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.999%），使鋼中新生成Al2O3夾雜物，進(jìn)而研究硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物成分和尺寸的影響.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）將裝有340 g鋁脫氧鋼連鑄坯的Al2O3坩堝放置在硅鉬電阻爐中，坩堝的內(nèi)徑為32 mm，高度為100 mm；在氬氣保護(hù)氣氛下以5 K·min-1升溫速率加熱至1873 K，通入氬氣流量為5 L·min-1；使用Al2O3坩堝是為了排除坩堝中MgO 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；2）當(dāng)溫度升至1873 K 時(shí)，保溫20 min 后將0.025 g 用鐵皮包裹著的高純Fe2O3粉末插入鋼液，用石英管攪拌10 s；3）接著，將0.11 g 用鐵皮包裹著的高純鋁粒插入鋼液，用石英管攪拌10 s；4）再將用鐵皮包裹著1.5 g硅鐵插入鋼液，用石英管攪拌10 s，此刻作為實(shí)驗(yàn)起始時(shí)間.為防止鋼液凝固、冷卻過(guò)程鋼中夾雜物發(fā)生轉(zhuǎn)變[23]，在1873 K 下保溫5 min 后將坩堝從爐管中取出并快速水冷.另外進(jìn)行一爐不加硅鐵的實(shí)驗(yàn)作為空白實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究.

將鋼錠沿直徑對(duì)稱切開(kāi)，在鋼錠的縱截面上取寬度為10 mm 鋼樣，從鋼錠頂部到底部用自動(dòng)掃描電鏡[24-28]掃描截面上≥1 μm 的夾雜物.在距離鋼錠底部10 mm 處取直徑為5 mm 圓棒，用于分析鋼中T.O 含量，樣品分析示意圖如圖2 所示.表2為用直讀光譜檢測(cè)的鋼成分.此外，利用場(chǎng)發(fā)射電鏡對(duì)鋁脫氧鋼工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中浸入式水口結(jié)瘤物的形貌和成分進(jìn)行分析，對(duì)比研究加入硅鐵合金后鋼中夾雜物和浸入式水口結(jié)瘤物之間的關(guān)系.

表2 實(shí)驗(yàn)后鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Steel compositions after experiments %

圖2 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)后得到的鋼錠樣品分析示意圖Fig.2 Schematic diagram analysis of the ingot sample after experiments

2 夾雜物成分和尺寸的變化

2.1 夾雜物成分變化

圖3 為加入不同類(lèi)型硅鐵合金條件下鋼中夾雜物三元相圖分布.鋼液中不加硅鐵時(shí)，鋼中夾雜物主要為形狀不規(guī)則Al2O3和塊狀MgO·Al2O3，以及少量位于1873 K 低熔點(diǎn)區(qū)的球形CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物.圖4 為不加硅鐵時(shí)鋼液中典型夾雜物的形貌.不加硅鐵條件下，鋼中夾雜物數(shù)密度為7.0 mm-2，夾雜物的最大尺寸為15.8 μm.隨著合金中鈣含量增加，鋼液中CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物數(shù)量增加，夾雜物平均成分向液相區(qū)移動(dòng)；當(dāng)合金中鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.22%時(shí)，夾雜物數(shù)密度為32.8 mm-2，夾雜物的最大尺寸為11.3 μm，夾雜物平均成分位于1873 K 低熔點(diǎn)區(qū).圖5 為加入含鈣1.22%硅鐵條件下鋼中典型夾雜物形貌，夾雜物中CaO 含量明顯增加，生成了較多球形低熔點(diǎn)夾雜物.

圖3 加不同鈣含量的硅鐵條件下鋼中夾雜物成分分布.(a) 未加硅鐵;(b) 0.68% T.Ca;(c) 0.92% T.Ca;(d) 1.22% T.CaFig.3 Composition distribution of inclusions in the steel on adding various types of ferrosilicon alloys: (a) not adding a ferrosilicon alloy;(b) 0.68%T.Ca;(c) 0.92% T.Ca;(d) 1.22% T.Ca

圖4 不加硅鐵條件下鋼中典型夾雜物形貌.(a) Al2O3;(b) MgO·Al2O3;(c) Al2O3-(MgO-CaO)Fig.4 Morphologies of typical inclusions in the steel without adding a ferrosilicon alloy: (a) Al2O3;(b) MgO·Al2O3;(c) Al2O3-(MgO-CaO)

圖5 加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.22%的硅鐵條件下鋼中典型夾雜物形貌.(a) CaO-Al2O3-(MgO);(b) CaO-Al2O3-(MgO);(c) MgO-Al2O3-(CaO)Fig.5 Morphologies of typical inclusions in the steel after adding the ferrosilicon alloy containing 1.22% T.Ca: (a) CaO -Al2O3-(MgO);(b) CaO-Al2O3-(MgO);(c) MgO-Al2O3-(CaO)

圖6 為鋼中鈣含量和夾雜物成分隨著加入含鈣不同的硅鐵合金的變化.當(dāng)鋼中加入硅鐵時(shí)，鋼液中鈣含量增加；在硅鐵合金加入量相同條件下，隨著硅鐵合金中鈣含量增加，鋼液中鈣含量增加，夾雜物中CaO 含量增加而Al2O3含量降低.不加硅鐵合金時(shí)，夾雜物平均成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.7%CaO-91.6% Al2O3-3.7% MgO；當(dāng)加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.22%的硅鐵合金時(shí)，夾雜物中CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4.7%增加到37.4%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從91.6%降低為60.0%.

圖6 鋼中鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和夾雜物成分隨著加入含鈣不同的硅鐵合金的變化Fig.6 Variation in the calcium content and the composition of steel inclusions after adding ferrosilicon alloy containing different calcium contents

2.2 夾雜物尺寸的變化

圖7 為硅鐵合金的加入對(duì)鋼中不同尺寸和不同成分夾雜物數(shù)量的影響.由圖7（a）可知，當(dāng)鋼中加入硅鐵合金后，鋼中生成大量＜3 μm 的夾雜物，＞4 μm 的夾雜物數(shù)量降低.圖7（b）中的點(diǎn)和線分別代表實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和高斯函數(shù)擬合結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為夾雜物中CaO 含量，縱坐標(biāo)為相應(yīng)夾雜物數(shù)密度.根據(jù)圖7（b）可得，不同CaO 含量的夾雜物的數(shù)密度分布符合正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系；此外，由圖6 和圖7（b）可知，當(dāng)鋼液中加入某種硅鐵合金時(shí)，高斯函數(shù)擬合曲線峰值位置對(duì)應(yīng)的CaO 含量和所有實(shí)際檢測(cè)的夾雜物中平均CaO 含量接近，這進(jìn)一步說(shuō)明不同CaO 含量的夾雜物的數(shù)密度呈正態(tài)函數(shù)分布.當(dāng)鋼中加入硅鐵合金后，鋼中含CaO 含量夾雜物數(shù)量明顯增加.當(dāng)加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.68%和0.92%硅鐵合金時(shí)，鋼中主要生成尺寸＜3 μm 的CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～20%的夾雜物；當(dāng)加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.22%硅鐵合金時(shí)，鋼中主要生成尺寸＜3 μm 的CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～60%的夾雜物.

圖7 硅鐵合金的加入對(duì)鋼中夾雜物數(shù)量的影響.(a) 不同尺寸;(b) 不同成分Fig.7 Effect of adding ferrosilicon alloy on the number of inclusions in the steel: (a) various sizes;(b) various compositions

圖8 為采用高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察到的浸入式水口結(jié)瘤物三維形貌.水口結(jié)瘤物主要呈珊瑚狀，而在高放大倍數(shù)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)瘤物是由＜5 μm 的高熔點(diǎn)固相MgO·Al2O3和CaO-Al2O3-(MgO)小顆粒粘結(jié)在一起形成，呈簇狀.對(duì)于在浸入式水口出鋼口上方110、190 和520 mm 處內(nèi)側(cè)取的結(jié)瘤物樣品，每個(gè)樣品隨機(jī)選擇50 個(gè)夾雜物進(jìn)行成分統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9 所示，浸入式水口不同位置處結(jié)瘤物成分幾乎一致，結(jié)瘤物平均成分為64.40% Al2O3-24.58% MgO-11.02% CaO.

圖8 浸入式水口結(jié)瘤物三維形貌.(a) MgO-Al2O3-(CaO);(b) MgO-Al2O3-CaO;(c) CaO-Al2O3-(MgO)Fig.8 Three-dimensional morphologies of clogging materials on the submerged entry nozzle: (a) MgO-Al2O3-(CaO);(b) MgO-Al2O3-CaO;(c)CaO-Al2O3-(MgO)

圖9 浸入式水口不同位置處結(jié)瘤物成分Fig.9 Composition of clogging materials at various locations of the submerged entry nozzle

圖10 為加入不同類(lèi)型硅鐵條件下鋼中夾雜物成分和水口結(jié)瘤物成分對(duì)比.浸入式水口結(jié)瘤物主要由＜5 μm 的固相MgO·Al2O3和CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物組成，結(jié)瘤物中粘結(jié)顆粒的尺寸、成分和鋼液中加入硅鐵后形成的夾雜物都相似，說(shuō)明鋼中加入硅鐵合金生成的小尺寸固相CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物會(huì)粘附于浸入式水口壁面而引起水口結(jié)瘤.

圖10 加入不同含鈣量的硅鐵條件下鋼中夾雜物和水口結(jié)瘤物的成分對(duì)比.(a) 未加硅鐵;(b) 0.68% T.Ca;(c) 0.92% T.Ca;(d) 1.22% T.CaFig.10 Composition comparison of clogging materials on the submerged entry nozzle and inclusions in the steel by adding ferrosilicon alloy containing different T.Ca contents: (a) not adding ferrosilicon alloy;(b) 0.68% T.Ca;(c) 0.92% T.Ca;(d) 1.22% T.Ca

圖11～14 為加入不同含鈣量的硅鐵條件下夾雜物成分和尺寸的關(guān)系，鋼中＞10 μm 夾雜物數(shù)量很少且CaO 含量很低，隨著硅鐵合金的加入，鋼中并未生成大尺寸CaO-Al2O3夾雜物.隨著夾雜物中CaO 含量增加，夾雜物尺寸呈減小的趨勢(shì).將圖11～14 中夾雜物尺寸和夾雜物中CaO 含量進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖15 所示.當(dāng)夾雜物為Al2O3和MgO·Al2O3，即夾雜物中不含有CaO 時(shí)，夾雜物尺寸最大；隨著加入硅鐵合金中T.Ca 含量的增加，夾雜物中CaO 含量增加，夾雜物尺寸降低.

圖11 不加硅鐵條件下鋼中夾雜物成分和尺寸的關(guān)系.(a) CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù);(b) MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.11 Relationship between the size and composition of steel inclusions without adding ferrosilicon alloy: (a) CaO content and Al2O3 content;(b) MgO content

圖12 加入含鈣0.68%的硅鐵條件下鋼中夾雜物成分和尺寸的關(guān)系.(a) CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù);(b) MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.12 Relationship between the size and composition of steel inclusions after adding ferrosilicon alloy containing 0.68% T.Ca: (a) CaO content and Al2O3 content;(b) MgO content

圖13 加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.92%的硅鐵條件下鋼中夾雜物成分和尺寸的關(guān)系.(a) CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù);(b) MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.13 Relationship between the size and composition of steel inclusions after adding ferrosilicon alloy containing 0.9% T.Ca: (a) CaO content and Al2O3 content;(b) MgO content

圖14 加入鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.22%的硅鐵條件下鋼中夾雜物成分和尺寸的關(guān)系.(a) CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù);(b) MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.14 Relationship between the size and composition of steel inclusions after adding ferrosilicon alloy containing 1.22% T.Ca: (a) CaO content and Al2O3 content;(b) MgO content

圖15 實(shí)驗(yàn)室加硅鐵實(shí)驗(yàn)鋁脫氧鋼中夾雜物尺寸隨著夾雜物中CaO 含量的變化Fig.15 Relationship between the CaO content and the diameter of inclusions in the Al-killed steel after adding ferrosilicon alloy containing different T.Ca contents

圖16 為鋼液中T.Ca 含量對(duì)夾雜物平均尺寸和鋼中T.O 含量的影響.隨著鋼液中T.Ca 含量增加，夾雜物中CaO 含量增加，夾雜物平均尺寸降低，說(shuō)明硅鐵合金中金屬態(tài)的鈣元素不會(huì)直接引起鋼中大尺寸CaO-Al2O3夾雜物的生成.同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了隨著鋼中T.Ca 含量的增加鋼中T.O 含量增加.

圖16 鋼中T.Ca 含量對(duì)夾雜物平均尺寸和T.O 含量的影響.(a) 夾雜物平均尺寸;(b) T.O 含量Fig.16 Effect of the T.Ca content on the average diameter of inclusions and the T.O content in the steel: (a) average diameter of inclusions;(b) T.O content

3 硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋼中夾雜物影響的機(jī)理

利用熱力學(xué)軟件FactSage7.1 預(yù)測(cè)了加入硅鐵合金引起的鈣含量增加對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物成分的影響，計(jì)算時(shí)選取FactPS，F(xiàn)Toxide 和FSmisc 數(shù)據(jù)庫(kù).鋼液初始成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99% C-1.57%Cr-0.31% Si-0.38% Mn-0.001% T.S-0.037% T.Al，計(jì)算結(jié)果如圖17 所示.當(dāng)鋼液中T.O 含量不同時(shí)，隨著鋼液中鈣含量增加，夾雜物演變路徑不同.在鋼液中T.O=15×10-6的條件下，隨著鋼液中鈣含量的增加，夾雜物演變路徑為：Al2O3+MgO·Al2O3→2CaO·2MgO·14Al2O3→CaO·2MgO·8Al2O3→CaO·2Al2O3→液態(tài)CaO-Al2O3.當(dāng)鋼液中T.O=8×10-6時(shí)，隨著鋼液中鈣含量增加，夾雜物演變路徑為：MgO·Al2O3→CaO·2MgO·8Al2O3+CaO·2Al2O3→液態(tài)CaO-Al2O3→CaS+CaO.

根據(jù)圖17（a）中各類(lèi)夾雜物的含量可以轉(zhuǎn)換得到夾雜物平均成分，同時(shí)和圖3 中實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相對(duì)比得到圖18.由圖18 可知，隨著鋼中鈣含量增加，夾雜物中CaO 含量增加，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相吻合，由此可知，硅鐵合金中金屬鈣元素能將鋼中Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物改性成CaO-Al2O3夾雜物.

圖17 1873 K 下向鋼中加入硅鐵合金引起的鈣含量增加對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物的影響.(a) T.O 為 15×10-6;(b) T.O 為8×10-6Fig.17 Effect of the T.Ca content in the steel from ferrosilicon addition on the number of inclusions in the Al-killed steel at 1873 K: (a) T.O of 15×10-6;(b) T.O of 8×10-6

圖18 1873 K 下硅鐵合金加入引起的鈣含量增加對(duì)鋁脫氧鋼中夾雜物成分的影響Fig.18 Effect of the T.Ca content in the steel from ferrosilicon addition on the inclusion composition in the Al-killed steel at 1873 K

夾雜物之間的凝聚系數(shù)可以用來(lái)解釋硅鐵合金中金屬鈣元素對(duì)鋼中夾雜物尺寸的影響.鋼液中存在夾雜物碰撞和聚集現(xiàn)象，夾雜物凝聚系數(shù)代表著鋼中夾雜物聚集能力，夾雜物凝聚系數(shù)由式（1）[29-30]和式（2）[31]計(jì)算.鋼液和夾雜物之間的界面張力為γMI，用γMIs和γMIl分別表示鋼液與固相夾雜物和液相夾雜物之間的界面張力，可分別根據(jù)式（3）和式（4）[32]計(jì)算，鋼液和固相夾雜物之間的界面張力用接觸角θ進(jìn)行計(jì)算，而鋼液和液相夾雜物之間的界面張力用表觀接觸角α進(jìn)行計(jì)算；本文γMG值采用Bretonnet 等[33]在1873 K 下測(cè)得的Fe-1.02% C 鐵液和空氣之間界面張力，1.696 J·m-2.夾雜物的成分對(duì)鋼液中夾雜物的去除也有重要影響[34-35].鋼液和夾雜物之間的接觸角和粘附功可以用來(lái)解釋鋼中不同類(lèi)型夾雜物去除的難易程度.夾雜物從鋼液中分離需要的粘附功為Wad，固相和液相夾雜物從鋼液中分離需要的粘附功用Wads和Wadl表示，分別根據(jù)等式（5）和等式（6）計(jì)算[36-37].

式中：c為湍流碰撞下夾雜物凝聚系數(shù)；μM為鋼液黏度,6.7×10-3Pa·s[38]；dinc夾雜物直徑，本計(jì)算過(guò)程取值為6.0×10-6m；ρM為鋼液密度，7070 kg·m-3[38]；ε為湍動(dòng)能耗散率，0.01 m2·s-3[39]；AIMI為夾雜物-鋼液-夾雜物之間的Hamaker 常數(shù)，J；L為夾雜物中陰離子和陽(yáng)離子之間距離，對(duì)于氧化物夾雜物其值 為2.8×10-10m[40]；γMIs和γMIl分別為固相夾雜物、液相夾雜物與鋼液之間的界面張力，J·m-2；γIG和γMG分別是夾雜物、鋼液和空氣之間界面張力，J·m-2；θ和α分別為接觸角、表觀接觸角，°.

表3 為文獻(xiàn)報(bào)道的1873 K 下γIG，θ，α和計(jì)算的對(duì)應(yīng)c，Wad.在夾雜物直徑為定值條件下，MgO·Al2O3和Al2O3夾雜物凝聚系數(shù)大于CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物，CaO-Al2O3夾雜之間的凝聚系數(shù)隨著CaO-Al2O3夾雜物中CaO 含量增加而降低.因此，MgO·Al2O3和Al2O3夾雜物更容易碰撞聚集長(zhǎng)大，這與圖15 中實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果一致.CaO-Al2O3夾雜物中CaO 含量對(duì)夾雜物和鋼液之間的界面性質(zhì)有重要影響.隨著CaO-Al2O3夾雜物中CaO 含量增加，CaO-Al2O3夾雜物和鋼液之間的接觸角降低而粘附功增加.特別地，當(dāng)CaO-Al2O3夾雜物中CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜20%時(shí)，夾雜物和鋼液之間的接觸角＞90°.CaO-Al2O3夾雜物的粘附功，特別是液相CaO-Al2O3夾雜物，要遠(yuǎn)高于MgO·Al2O3和Al2O3夾雜物.因此，CaO-Al2O3夾雜物從鋼液中去除需要更多能量，意味著更難從鋼液中去除.圖16（b）結(jié)果也表明，隨著夾雜物中CaO 含量增加，鋼中T.O 含量增加.因此，鋁脫氧鋼中夾雜物的去除由易到難依次為：Al2O3＞MgO·Al2O3＞固相CaO-Al2O3＞液相CaO-Al2O3.

表3 文獻(xiàn)報(bào)道的 1873 K 下γIG，θ，α 和計(jì)算的對(duì)應(yīng)c，WadTable 3 Reported γIG,θ,α from literatures,and calculated c,Wad

在軸承鋼鋼包精煉過(guò)程中，鋼包底部吹氬攪拌鋼液，且鋼液中加入硅鐵合金后精煉的時(shí)間超過(guò)5 min，因此，實(shí)驗(yàn)室條件下鋼液中夾雜物的碰撞和上浮去除與實(shí)際生產(chǎn)情況有一定差異.本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物容易聚集形成大尺寸簇狀?yuàn)A雜物，如圖11～13 所示，鋼液中存在＞10 μm 的Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物；但是這兩類(lèi)夾雜物和鋼液接觸角遠(yuǎn)＞90°，在實(shí)際鋼包精煉過(guò)程中，由于鋼包底部吹氬氣攪拌和精煉時(shí)間較長(zhǎng)，聚集形成的大尺寸簇狀A(yù)l2O3和MgO·Al2O3夾雜物容易從鋼液中上浮去除，因而鋼包精煉結(jié)束后軸承鋼中觀察到的Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物尺寸一般都較小.雖然固體CaOAl2O3夾雜物和鋼液不潤(rùn)濕，但是其和鋼液的接觸角接近90°，同時(shí)固體CaO-Al2O3夾雜物尺寸較小，上浮去除速度慢，不易去除，可以造成水口結(jié)瘤.液態(tài)CaO-Al2O3夾雜物不易聚合長(zhǎng)大，和鋼液潤(rùn)濕，不易去除，在鋼液中停留時(shí)間長(zhǎng)，最終可以長(zhǎng)大為10 μm 左右的夾雜物，雖然不會(huì)造成產(chǎn)品缺陷，但是不利于鋼中T.O 含量控制.

4 結(jié)論

(1) 向鋁脫氧鋼中加入硅鐵合金不會(huì)引起鋼中生成大尺寸CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物，而會(huì)生成大量的＜5 μm 的固態(tài)CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物，這部分夾雜物會(huì)粘附于水口造成水口結(jié)瘤，此類(lèi)結(jié)瘤物可能會(huì)脫落進(jìn)入鋼液被凝固前沿捕捉形成嚴(yán)重的大尺寸CaO-Al2O3類(lèi)夾雜物缺陷.

(2) 加入硅鐵合金后，鋼中T.Ca 含量增加，夾雜物中CaO 含量增加；隨著鋼中T.Ca 含量增加，鋼中夾雜物數(shù)量和T.O 含量增加，而夾雜物平均尺寸減小.

(3) 隨著夾雜物中CaO 含量增加，夾雜物之間凝聚系數(shù)減小，夾雜物不容易聚集長(zhǎng)大；Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物的凝聚系數(shù)大，Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物比CaO-Al2O3夾雜物更容易碰撞、聚集長(zhǎng)大.

(4) 鋁脫氧鋼中夾雜物去除由易到難依次為：Al2O3＞MgO·Al2O3＞固相CaO-Al2O3＞液相CaOAl2O3.Al2O3和MgO·Al2O3夾雜物容易聚集形成大尺寸簇狀?yuàn)A雜物，但是容易從鋼液中上浮去除；內(nèi)生CaO-Al2O3夾雜物尺寸小，但是不易上浮去除，不利于鋼中T.O 含量控制.