电渣重熔钢中夹杂物的研究
通王钢材网 钢材资讯 2026-01-03 18:45:41 8
随着现代化工业技术迅速发展，对各种钢材纯度的要求日趋严格，势必对钢材的强度、塑性及疲劳等性能指标提出更高的要求。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，将导致应力集中，引起疲劳断裂，严重影响了钢的使用性能。同时，非金属夹杂物的尺寸、形态及在钢中的数量和分布，严重破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，必然造成钢的使用寿命降低等系列问题。因此，非金属夹杂物在钢中的尺寸、形态、数量及分布是评定钢材质量的一个重要指标。鉴于此，提高合金母材的质量和纯度，生产出洁净钢，或有效控制非金属夹杂物性质、形态及分布，是冶炼和铸锭过程中的一个重要环节。
电渣重熔的显著优点之一就是可以显著降低电渣钢中非金属夹杂物的数量，并改变其在钢中的分布。但电渣重熔在去除原生夹杂物的同时将产生新的夹杂物，这些夹杂物会对钢材质量产生影响。为此，本文以1Cr13 钢为研究对象，采用蔡司金相显微镜、J-3000N 电镜和能谱分析等测试手段对其锻件内的夹杂物进行定性分析，进而分析1Cr13 钢锻件夹杂物的形成机制。
将电渣重熔后的 1Cr13 钢锻件（锻压工艺参数为镦粗比4，拔长比1.7，始锻温度1180 ℃）升温到650℃保温6 h，升温到960℃保温5 h 后雾冷到室温，再升温到770℃保温8h 后空冷到室温，其热处理工艺如图1 所示。
试样取自钢锭热处理后锻坯，取样位置如图2 所示。制成尺寸为30mm×30mm×50 mm 的长方形试样，经磨制、抛光、浸蚀（4%硝酸酒精）后，进行金相显微组织观察。采用蔡司Zeiss 金相显微镜观察夹杂物形态，利用日立公司的S-3000N 电镜进行显微组织观察和能谱分析，确定夹杂物的元素组成。
2.1 显微组织分析
图3 所显示的是1Cr13 钢电渣重熔显微组织中夹杂物的形貌。图(a)和(b)中黑褐色粒状物经锻压后无变形只是破碎，初步确定为脆性夹杂。图(c)和(d)中浅灰色似纺锤体的物质经锻压后沿变形方向延伸成带状，具有良好的塑性，初步确定为塑性夹杂。 本实验采用金相法与微观区域成分分析相结合，用金相显微镜和能谱分析测试仪对1Cr13 钢锻件成分进行分析，如图4 所示。测定尺寸大于1 μm夹杂物的元素组成，并对个别元素进行面扫描分析，如图5 所示。通过能谱仪对其进行成分分析，得出各元素的质量分数谱线。在本测试中Fe、Cr是1Cr13 钢的主要成分，在进行夹杂物成分分析时不予考虑。 对图 3（b）中夹杂物中的Fe、Cr、F、O、Si和Ca 元素进行能谱分析可以看出，F（wt%）=14.68%、Si（wt%）=3.3%、O（wt%）=11.61%、Ca（wt%）=0.33%，对比1Cr13 锻件用钢的化学成分（如表1 所示），O、F、Si 和Ca 都超出标准。 根据图 4 的成分分析和图5 的面扫描结果，结合图3（b）的金相组织分析可以看出，1Cr13 钢夹杂物中块状的脆性夹杂物中含有的主要元素有O和 Si，且分布较为集中，而F元素含量居高，由此可以推断1Cr13 钢锻件中的块状脆性夹杂物为SiO2，但只占小部分，而CaF2 夹渣占大部分。 对图3（d）中夹杂物中进行Mn 元素和Mn、S元素的面扫分析可以看出，图3（d）中浅灰色似纺锤体的夹杂物主要以MnS 形式存在，如图6 所示。并对夹杂物中的Mn 元素进行能谱分析得出，图6（a）中Mn（wt%）=0.23%，图6（b）中Mn（wt%）=0.18%，对比1Cr13 锻件用钢的化学成分（如表1所示），均未超出标准。
结合电渣锭夹渣的形式和所采用的电渣重熔的渣系组成（CaF2 和Al2O3）可知，1Cr13 钢中的夹渣主要产生在距离钢锭大头300 mm 范围内，是亚表层夹渣。文献指出，在电渣重熔过程中，由于工艺参数设定不合理（电压和电流值设定过低），导致渣池的过热度不足，熔池温度偏低，势必造成钢液和熔渣粘度大、流动性变差，严重影响钢液中的夹杂物及固体渣块的上浮，这是电渣重熔钢锭形成夹杂物和夹渣的主要原因。重熔过程中的固态渣块进入渣池后，未熔化的固体渣块易随金属液滴的流动被带进熔池，由于钢液的流动性差，造成固体渣块未能及时上浮，与纯净的钢液一起凝固在铸锭中，形成亚表层夹渣。且这种夹杂在后续冷热加工过程中不易被发现，在成品钢材中形成铸造缺陷，危害很大。因此，炼钢生产中必须严格注意电渣重熔工艺参数的选择，防止亚表层夹渣的出现，从根本上减少夹渣锭的产生。 （1）电渣重熔1Cr13 钢存在块状SiO2 和条状MnS 两类夹杂物，而CaF2 是以夹渣形式出现。
（2）夹杂物和夹渣的主要元素有Mn、F、S、Si、O 和Ca，其中F、Si、Ca 含量严重超标，S 和O 含量轻微超标，Mn 含量在标准范围之内。（3）由于电渣重熔的工艺参数设定不合理，造成钢液和熔渣粘度大、流动性差，阻碍了钢液中的夹杂物及固体渣块的上浮，这是电渣重熔钢锭形成夹杂物和夹渣的主要原因。
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