电流对钢液中气泡及夹杂物的影响

2015-12-05 06:39供稿李春诚

金属世界 2015年2期

供稿|李春诚

电流对钢液中气泡及夹杂物的影响

供稿|李春诚

本文采用钢液上下通电的方式，考察了通电、电压强度和电流波形等因素对钢液中气泡和夹杂物的影响情况，同时进行了简单的分析。实验研究结果表明，对钢液施加直流电流处理，钢液中的气泡受到电场力的作用，向负极方向移动。增大电压，对于钢液中气泡的去除影响较小。对钢液施加脉冲电流，钢样中夹杂物的尺寸变小，在边缘区域只观察到了尺寸小于5 μm的MnS夹杂物。同时脉冲电流能细化钢液中的气泡，具有更高的气泡去除效率。

随着经济社会的不断发展和技术的进步，人们对钢材性能的要求日益苛刻。提高钢产品质量、生产纯净钢的关键在于控制夹杂物[1]。钢液中的夹杂物大部分是通过浮力自然上浮去除的，可以说这种情况在整个冶金过程中一直在进行。但是，炼钢是大规模连续生产，仅靠自然上浮效率很低，无法满足生产要求，因此常常采用专门的手段[2]，如炉外精炼、过滤等强化夹杂物的去除。近年来，洁净钢技术的研究越来越成为重要的研究课题。洁净钢是大幅度提高钢材强度、韧性和使用寿命的基础，使产品具备更好的深冲性、拉拔性、冷变形性、低温韧性以及更好的抗疲劳、抗氢致裂纹和应力腐蚀裂纹等耐久性能[3]。生产洁净钢的重点是提高钢液的洁净度，对钢中夹杂物进行严格的控制[4]。利用外加电场去除和控制钢液中的气泡和夹杂物是一项冶金领域潜在的新技术[5]，近年来受到国内外冶金工作者的广泛关注。

本文为了研究电流对钢液的作用行为，采用钢液上下通电的方式，考察了通电、电压强度和电流波形等因素对钢液中气泡和夹杂物的影响，同时通过对试样组织以及夹杂物尺寸形貌等进行了简单的分析。

试验材料及方法

试验材料

试验用钢为高碳钢，其化学成分如表1所示。钢液上下通电试验采用镁质坩埚，插入钢液上部的电极选用石墨电极，下部电极选用强度高且导电能力好的镁碳质电极。

实验设备主要由高温管式MoSi2电阻炉，双铂铑热电偶测温控温系统、外加电源系统、氩气保护系统和冷却水系统等部分组成。外加电源设备包括：直流电源（输出电压0～30 V），多功能脉冲电源（输出电压0～36 V，输出频率0.3～500 kHz），示波器，实验装置如图1所示。

表1 高碳钢的化学成分（质量分数） %

试验方法

钢液上下通电是将两根电极分别安置在管式炉的顶部和底部，上部电极直接与钢液接触，下部电极穿过底部的镁质坩埚与钢液接触，电流沿着垂直方向从钢液的上部流向底部。试验中钢块在氩气保护条件下的升温熔化，至1550 ℃开始恒温。恒温阶段引入外加电源进行通电处理的实验，通电60 min。钢液上下通电共进行了4组实验，实验方案如表2所示。

图1 实验装置示意图

表2 实验方案

将试验钢块打磨除锈，用超声波清洗除油，并将洗净干燥后的钢块放入坩埚，入炉。将通电电极固定好位置，随炉升温。用真空泵抽真空，然后向炉内通入氩气进行气氛保护，同时打开加热炉的水冷却系统，连接好外加电源电路。在1600 ℃时将电极放入坩埚内，与钢液恰好接触，并接通外加电源通电处理120 min，之后将电极提出钢液，切断电源。当温度降至1100 ℃时，将坩埚和钢锭从炉内取出，空冷。将得到的钢锭制备金相试样，利用光学显微镜和扫描电镜观察钢样的微观形貌，分析气泡和夹杂物的尺寸分布情况。为了保证试验的可比性，在不同条件下各个钢锭中的同一部位取样。

试验结果与分析

金相组织与分析

1#试样没有插入电极，未进行通电处理，保温120 min。2#试样在恒温阶段用电极引入外加电源进行通电试验，通入恒压5 V的直流电，通电时间为120 min，试验过程中平均电流为0.30 A，其余试验条件均与未通电试验相同。两组试验的正极均插入钢液的圆心处，负极为镁碳质坩埚的内壁，电流从钢液的中心沿直径向四周流动。3#试样同样施加直流电，设置电压参数为恒压10 V，试验过程中平均电流为0.56 A，通电时间均为120 min。4#钢样施加脉冲电流(Pulse Current，PC)，设置电压参数为峰值电压10 V，频率为500 Hz，试验过程中平均电流为0.53 A，通电处理时间为120 min。

4组试样的气孔分布情况如图2所示，图2（a）～（d）分别为未通电、通5V直流、通10V直流、通峰值电压10V脉冲电流PC状态下钢样中气孔的分布，黑色区域正是钢样中的凹坑和气孔。从图（a）和图(b)中可以看出，未通电钢样中存在着大量的大气孔，特别是在部分区域分布着许多的条形状气孔，有些大气孔聚集并包裹着一些夹杂物。通电钢样的边缘区域存在着较小尺寸的气孔，且数量较少。通过对比得出，对钢液进行通电处理后，钢样的大部分区域基本不存在大尺寸的气孔，说明通电处理能显著去除和细化钢液中的大气泡。从图（b）和图(c)中可以看出，对钢液施加恒压5 V和10 V直流电场下，钢样的大部分区域都比较洁净，几乎观察不到大尺寸气孔的存在，只是在负极附近的边缘区域还有少量未来得及排除的气孔。说明增大电压对于钢液中气泡的去除影响较小，无论恒压5 V还是10 V都能够使钢液中的气泡在电场力的作用下向负极移动。可以推断，钢液中的气泡具有极性电荷，只需微弱的电流，便可在很小的电场力作用下发生定向迁移现象。从图（c）和图(d)中可以看出，与未通电的钢样相比，这两组试验钢样的洁净度明显提高，气孔的数量显著减少。在通直流电钢样的边缘区域还存在着少量的大气孔，而在其他区域只存在一些小气孔。与通直流电相比，对钢液施加脉冲电流后，钢样表面的洁净度进一步提高，小气孔的数量减少。气孔的尺寸均小于10 μm，几乎没有观察到大尺寸的气孔。微小气孔在钢样各部分区域分布比较均匀，没有明显的偏聚现象。

夹杂物的微观形貌和成分

对金相显微镜下观察到的典型夹杂物在扫描电镜下进行检测如图3所示，图3为未通电钢样在扫描电镜下观察到的典型夹杂物的形貌。在图中可以看到被暗灰色物质包裹的灰色夹杂物A，该夹杂物是未通电钢样中十分常见的一种夹杂物相，广泛分布在钢样的各部分区域。同时，还检测到另一种圆形的黑色夹杂物B。钢样中典型夹杂物A点和B点的成分如图4所示。能谱分析表明，夹杂物A的主要成分是Mn和S，为MnS系夹杂物。夹杂物B的主要成分是Mn、Si、S、O，因此为MnS和SiO2的复合夹杂物。

图2 未通电与通电钢样的气孔分布图

对钢液通电处理后，在扫描电镜2000倍下观察到试样边缘区域存在一些细小的夹杂物，而在钢样的中心区域和圆心区域几乎没有观察到该类型的夹杂物。边缘区域中典型夹杂物如图5所示，该夹杂物的形状为细长条状，宽度为2～5 μm，长度约10 μm，与电流的流动方向平行。该夹杂物中A点和B点的能谱分析如图6所示。经过能谱分析可知，夹杂物中暗灰色区域A的主要成分是Mg、O，还存在少量的P、Mn和Cl等元素，夹杂物A部分主要是MgO系夹杂。夹杂物外围灰色区域B的主要成分是金属元素Fe、Mn和Mg，该区域为Fe-Mn-Mg系的金属夹杂物。