精炼矿渣碱度对铝镇静含硫钢中夹杂物转变及去除的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Refining Slag Basicity on Transformation and Removal of Inclusions in Al-killed S-containing Steel

提高CaO/Al2O3比例至1.6并增加渣碱度（3→7），可有效减少Al-killed S-containing钢中夹杂物数量和尺寸，降低氧含量（T.O从0.00076降至0.00035 wt.%），并通过Ca-Mg-Al-O-SiO2相变抑制CaS生成。热力学与数学模型表明，高碱度渣促进夹杂物中SiO2消耗，增强夹杂物上浮和界面传递效率，最佳碱度范围为5-7。

　　本文探讨了在Al-killed S-containing钢（Cf53）与CaO-6 wt.% MgO-Al?O?-SiO?渣之间的化学平衡实验，重点分析了渣碱度对钢中夹杂物形成机制的影响。研究采用了管式电阻炉在1873 K条件下进行实验，以评估不同碱度渣对钢中夹杂物类型、数量和尺寸的转变过程。实验结果表明，随着渣碱度从3增加到5和7，同时保持渣中CaO/Al?O?质量比为1.6，钢中的总氧（T.O）和总硫（T.S）含量均有所下降，而溶解在液态钢中的[Ca]、[Al]和[Mg]含量则增加。此外，夹杂物的数量密度和平均尺寸也随着渣碱度的升高而减少，主要夹杂物类型由CaO-MgO-Al?O?-SiO?转变为CaO-MgO-Al?O?。这些变化主要归因于渣碱度的增加，促进了夹杂物中SiO?的溶解，同时增强了CaO和MgO的迁移能力，从而改变了夹杂物的组成和形态。

研究还通过热力学分析，揭示了渣碱度对夹杂物形成和转变的影响机制。在渣碱度为3的情况下，钢中的[Si]可以与CaO-MgO-Al?O?夹杂物中的Al?O?发生反应，形成CaO-MgO-Al?O?-SiO?夹杂物。然而，当渣碱度提升至5和7时，钢中增加的[Ca]和[Mg]含量进一步促进了SiO?在CaO-MgO-Al?O?-SiO?夹杂物中的溶解，使这些夹杂物逐步转变为CaO-MgO-Al?O?夹杂物。同时，随着[Mg]含量的增加，夹杂物中形成了MgO饱和，导致纯MgO相的析出。值得注意的是，CaS夹杂物仅在渣碱度为5和7的钢中出现，这可能是由于钢在凝固过程中，CaO与[S]发生反应或CaS在氧化夹杂物表面析出所致。

研究还建立了描述夹杂物在渣-钢界面迁移特性的数学模型，该模型有效解释了不同渣碱度条件下夹杂物数量密度和平均尺寸的变化。通过计算夹杂物在渣-钢界面的运动特性，可以预测其是否能够完全进入渣相，从而实现有效的去除。结果表明，随着渣碱度的增加，夹杂物在渣-钢界面的位移增加，且所需去除的临界尺寸减小。这一趋势说明，高碱度渣在夹杂物去除方面具有更高的效率，有助于提升钢的纯净度。

研究中还发现，不同碱度渣对钢中元素含量的影响具有显著差异。例如，在渣碱度为3的情况下，钢中的T.O含量较高，而渣中的S含量较低，这表明高碱度渣在脱硫方面表现出更强的能力。随着渣碱度的增加，渣中的CaO活性增强，促进了S的吸收，使得钢中的T.S含量降低。此外，钢中的[Al]含量也随着渣碱度的提升而减少，这可能是由于渣中的SiO?和MnO含量下降，从而降低了对[Al]的氧化作用。而[Mg]和[Ca]的含量则随着渣碱度的增加而升高，这与渣中MgO和CaO的溶解和迁移有关，同时也表明高碱度渣对[Al]和[Mg]的保护作用更强。

夹杂物的形成和转变过程受到多种因素的影响，包括渣的碱度、CaO/Al?O?质量比以及钢中元素的溶解度。通过实验数据和热力学分析，研究揭示了在不同渣碱度条件下，夹杂物的组成和形态如何发生变化。例如，渣碱度较低时，夹杂物中SiO?的含量较高，而随着渣碱度的增加，SiO?的溶解程度提高，夹杂物中SiO?的含量逐渐减少，最终转变为CaO-MgO-Al?O?夹杂物。此外，渣碱度的增加还促进了MgO的析出，导致夹杂物中出现纯MgO相。这些发现为优化渣组成、提高钢的纯净度提供了理论依据。

从夹杂物去除的角度来看，渣碱度对夹杂物在渣-钢界面的迁移行为具有重要影响。高碱度渣能够提供更强的驱动力，使夹杂物更容易进入渣相，从而减少其在钢中的残留。夹杂物的运动特性包括转移、保留和振荡三种模式，其中转移模式表示夹杂物能够完全进入渣相，而保留和振荡模式则可能导致夹杂物重新进入钢液，影响钢的纯净度。通过数学模型的模拟，研究发现高碱度渣条件下，夹杂物的位移更大，且所需去除的临界尺寸更小，这表明高碱度渣在夹杂物去除方面具有更高的效率。同时，夹杂物的类型也影响其去除效果，例如Al?O?和MgO-Al?O?夹杂物更容易被去除，而液态夹杂物和固液夹杂物则相对困难。

在实际应用中，控制夹杂物的类型和数量是提高Al-killed S-containing钢质量的关键。通过调整渣的碱度，可以在一定程度上实现夹杂物的优化，减少其对钢的性能影响。例如，高碱度渣能够降低夹杂物的形成率，同时提高其去除效率，从而改善钢的纯净度。然而，过高的渣碱度可能导致渣的熔融性能下降，影响其对夹杂物的吸收能力。因此，选择合适的渣碱度范围是优化钢渣反应过程的重要环节。

综上所述，研究通过实验和热力学分析，揭示了渣碱度对Al-killed S-containing钢中夹杂物形成和去除机制的影响。随着渣碱度的增加，夹杂物的组成和形态发生变化，其数量和尺寸减少，从而提升了钢的纯净度。同时，高碱度渣能够促进夹杂物的去除，减少其对钢的性能影响。这些发现为工业生产中优化渣组成、控制夹杂物提供了重要的理论支持，有助于提高Al-killed S-containing钢的质量和性能。