CaO饱和渣对无取向硅钢脱硫及洁净度的影响机制研究

针对无取向硅钢生产过程中硫化物夹杂控制难题，研究人员系统探究了CaO饱和CaO-Al2O3-CaF2-MgO渣系的脱硫机理。通过1873K渣-钢反应实验，揭示了CaO/Al2O3比、CaF2含量及液相分数对硫分配比和MnS夹杂的影响规律，为高磁感硅钢超低硫控制提供了理论依据。

　　

在电力设备核心材料领域，无取向硅钢因其优异的低铁损和高磁导率特性，成为电机和电动汽车不可或缺的功能材料。然而，钢中硫元素与锰形成的MnS夹杂会显著恶化材料力学性能和磁学性能——这些非磁性硫化物不仅增加磁滞损耗，其钉扎效应导致的晶粒细化更会加剧铁损。当前RH精炼工艺虽能实现深度脱硫，但传统CaF₂含量超40wt%的渣系会严重侵蚀真空炉衬，而高熔点CaO饱和渣又面临粘度大、流动性差的困境。如何平衡脱硫效率与钢液洁净度，成为制约高牌号硅钢生产的卡脖子问题。

武汉科技大学冶金资源高效利用与钢铁冶金重点实验室的Jianzhen Zhai团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，通过设计六组CaO饱和渣系（S1-S6），采用渣-钢平衡实验结合多尺度表征技术，系统解析了渣组成对脱硫行为和夹杂物演变的调控机制。研究运用高温电阻炉模拟精炼过程，通过LECO-CS744测硫仪、SEM-EDS联用技术和EPMA面扫描分析，结合FactSage热力学计算和Einstein-Roscoe粘度模型，定量揭示了多相渣中硫的迁移规律。

3.1 渣组成对脱硫的影响

研究发现当液态渣CaO/Al₂O₃比达2.1时，硫分配比(L_s)趋于稳定（S1：116.78，S3：114.21）。CaF₂含量从10wt%增至24wt%可使渣粘度降低13.42%，同时硫分配比提升53.71%（S5）。但Zhang光学碱度模型会高估实际脱硫能力，因其未考虑固相CaO的持续溶解补给效应。

3.2 MnS夹杂的析出行为

通过Ohnaka方程计算发现，当钢中硫含量控制在10ppm时（S1、S3），MnS在凝固分数达0.92才开始析出，有效抑制氧化物夹杂粗化。而过低硫含量（5ppm）会导致MnS封装不足，使Al₂O₃夹杂尺寸增大至3μm以上（S2、S5），这与工业实践中10ppm硫含量可获得最佳磁性能的结论一致。

3.3 夹杂物特征分析

EPMA面扫描显示，CaO/Al₂O₃比为2.1的S3渣处理后，钢中夹杂物数量密度最低（<200个/mm²），83%夹杂物尺寸小于2μm。WDS分析证实，S3渣中硫的分布均匀性显著优于呈离散点状分布的S1渣，这归因于其更优的流动性（粘度0.16Pa·s vs S1的0.25Pa·s）。

3.4 多相渣元素分布

宏观实验显示固相CaO主要富集在渣层上部，随反应进行持续溶解补充液相。EPMA发现当液相分数低于60%（S1）时，硫在渣中呈孤立分布；而S3渣（液相分数63.8%）中硫呈现连续分布，这解释了其更高的脱硫效率。研究首次提出60%液相分数是脱硫效率的阈值——低于该值时粘度成为限制因素，高于该值时固相CaO补给不足。

该研究创新性地揭示了CaO饱和渣"固相持续补给"的脱硫机制：固态CaO通过动态溶解维持液相a_CaO=1，而液相分数约60%时能兼顾反应动力学与热力学。工程实践表明，控制CaO/Al₂O₃比≈2.1、CaF₂含量10-20wt%的渣系，可使钢中硫稳定≤15ppm，且MnS夹杂能有效细化氧化物。这一发现为开发环保型低氟渣系提供了理论支撑，对实现硅钢高效脱硫与洁净度协同控制具有重要指导意义。