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化學體系對硅鋼夾雜物影響論文
無取向硅鋼的磁性能主要取決于鐵素體的晶粒尺寸、晶體織構和鋼中的夾雜物[1]。工業化生產過程中,一般形成不了明顯的織構。因此,鐵素體的晶粒尺寸、鋼中的夾雜物,成為影響無取向硅鋼磁性能的主要因素。尤其是鋼中的夾雜物,它們的存在不僅抑制晶粒長大,促使晶格畸變,還會阻礙磁疇運動,進而劣化無取向硅鋼的磁性能[2]。因此,生產過程中,希望盡可能的將其去除或使其無害化。降低C、S、O、N有害元素含量[3-5],或者采用稀土[6]、鈣處理[7]方法,可以去除鋼中的夾雜物;錳元素含量升高,夾雜物尺寸比例分布得到改善,小顆粒MnS夾雜物粗化[2,8];向鋼中添加Sn、Sb元素,可以促進夾雜物聚合、上浮、去除[9-10]。筆者結合工業化生產的無取向硅鋼,探討了不同Si、Al含量化學成分體系對夾雜物控制的影響,以期對工業生產有所裨益。
1研究方法
試驗用鋼的主要生產工藝流程為:鐵水預處理→300t轉爐冶煉→RH精煉→連續鑄鋼→板坯加熱、軋制→酸洗、冷軋→退火、精整→包裝、出廠等。研究對象為試驗用鋼對應的成品試樣,其主要化學成分見表1(質量分數)。采用非水溶液電解+掃描電鏡觀察方法,研究不同硅、鋁含量化學成分體系對應的成品試樣夾雜物。夾雜物提取時,采用TEA非水電解液,在SPEED電解裝置中,對經過預處理的成品試樣,分兩次進行電解、清洗;然后,采用電磁鐵對電解后的溶液進行充分磁選,磁選后的溶液在PTFE濾膜上進行過濾,濾膜孔徑為50nm;將過濾后的夾雜物進行收集、制樣,借助HITACHIS4200掃描電鏡,觀察試樣的夾雜物形貌、尺寸,借助設備自帶的能譜儀確定夾雜物的種類、組成。每個試樣在掃描電鏡下連續觀察20個視場,觀測倍率分別為1000、5000倍。借助圖像分析軟件,統計夾雜物的尺寸、種類、數量、分布。
2不同硅、鋁含量化學成分體系的夾雜物
2.1夾雜物的顯微組織借助HITACHIS4200掃描電鏡,觀察不同硅、鋁含量化學成分體系對應的成品試樣夾雜物形貌、尺寸,借助設備自帶的能譜儀確定夾雜物的種類、組成。圖1所示為1000、5000倍率下,不同硅、鋁含量化學成分體系對應的成品試樣夾雜物形貌。從圖1可以看出,對于不同硅、鋁含量化學成分體系,1000倍下觀察,較大顆粒的夾雜物數量均不多,視場相對比較“干凈”。硅、鋁含量化學成分體系不同,夾雜物的組成、類型差異很大。尺寸相對較大的夾雜物,均大于1.0μm、小于5.0μm;5000倍率下觀察,中硅低鋁系列鋼、高硅低鋁系列鋼夾雜物的數量最多,低硅無鋁系列次之,高硅高鋁系列最少。5000倍下觀察夾雜物數量明顯偏多的原因是:含鋁鋼中氧含量較低,更有利于MnS夾雜物生成[2],鋁含量升高,還會和氮元素結合,生成大量AlN夾雜物[11]。此外,提高Si、Al元素含量,在鋼質純凈度得到改善的同時,夾雜物尺寸開始出現兩極分化現象,即大顆粒夾雜物的尺寸越來越大,小顆粒夾雜物的尺寸越來越小。
2.2夾雜物的構成、尺寸分布1000、5000倍下觀察,不同硅、鋁含量的化學成分體系對應的成品試樣夾雜物構成、尺寸分布見表2。從表2可以看出,對于不同硅、鋁含量化學成分體系,1000倍下觀察,均有少量氧化物夾雜存在。硅、鋁元素含量升高,開始出現一些尺寸相對較大的MnS、AlN夾雜物,并且AlN夾雜物的尺寸、比例逐漸增大,CuxS夾雜物僅出現在中硅、低鋁系列鋼中;5000倍率下觀察,低硅、無鋁系列鋼的微細夾雜物主要是MnS、CuxS復合夾雜,沒有發現AlN夾雜存在。含鋁鋼中,MnS、CuxS夾雜物比例逐漸減少,單個MnS夾雜物逐漸由與CuxS復合析出,轉化為與AlN復合析出;CuxS夾雜物均與MnS夾雜物復合析出,而在高硅高鋁系列鋼中完全消失。高硅高鋁系列鋼中開始出現單個AlN夾雜物,平均尺寸有所增大。
2.3夾雜物的種類、尺寸分布利用S4200型掃描電鏡連續觀測20個視場,觀測倍率分別為1000和5000倍。利用圖像分析軟件,統計不同硅、鋁含量化學成分體系對應的成品試樣夾雜物種類及尺寸分布,分別見表3~表6。
2.4夾雜物的數量、尺寸分布利用圖像分析軟件,統計不同硅、鋁含量化學成分體系對應成品試樣的夾雜物數量及尺寸分布,如圖2所示。從圖2可以看出,高硅高鋁系列成品試樣的夾雜物數量最少,高硅低鋁系列試樣的夾雜物數量最多。中硅低鋁系列成品試樣的夾雜物數量,要多于低硅無鋁系列。此外,高硅低鋁系列,高硅高鋁系列,0.5μm以下的夾雜物尺寸似乎更小,分別約為200、150nm,這些微細夾雜物的存在,會強烈阻礙成品晶粒尺寸長大,對磁性能最為有害。因此,高級別無取向硅鋼夾雜物的控制重點是,如何有效減少、消除這類微細夾雜物。
2.5夾雜物的數量、構成分布不同硅、鋁含量化學成分體系對應的成品試樣夾雜物類型分布列于表7。從表7可以看出,低硅無鋁系列成品試樣的氧化物夾雜數量相對較多。主要原因是,該系列成品試樣不含鋁,液態鋼中的脫氧產物SiO2無法有效去除。其他系列的成品試樣,氧化物夾雜主要來自鋼包、頂渣、RH精煉、CC連鑄耐材。與硫化物、氮化物夾雜數量相比,氧化物夾雜數量相對較少,不會對鋼質潔凈度產生較大影響。此外,從表7還可以看出,低硅無鋁系列鋼不含鋁,成品試樣中沒有發現氮化物夾雜;中硅低鋁系列鋼含有少量鋁,氮化物夾雜數量急劇升高,并與硫化物夾雜復合析出,尺寸絕大多數小于0.5μm,這是造成這類低鋁系列夾雜物總量顯著升高的重要原因;高硅低鋁系列鋼在連鑄澆鑄過程中,硫化物夾雜數量減少,板坯溫降速度較快,不利于氮化物夾雜析出。板坯再加熱過程中,高硅系列鋼均熱溫度較低,也不利于氮化物夾雜析出。高鋁系列鋼鋁含量較高,氮化物開始析出溫度升高,同樣不利于氮化物夾雜析出,而且少量析出的氮化物夾雜尺寸相對較大。這種變化還影響硫化物夾雜。低硅無鋁系列鋼、中硅低鋁系列鋼和高硅低鋁系列鋼中,大多數硫化物復合析出,主要是MnS和CuxS。由于板坯再加熱過程中均熱溫度偏低,高硅高鋁系列鋼硫化物夾雜物數量明顯減少,少量的MnS夾雜,與部分AlN夾雜復合析出,沒有發現CuxS夾雜存在。提高硅、鋁元素含量,不同化學成分體系對應的成品試樣夾雜物平均尺寸有所增加,如圖3所示。
3結論
1)硅、鋁元素含量升高,氧化物夾雜數量明顯減少,氮化物夾雜數量先是急劇增加,而后逐漸減少,并且夾雜物平均尺寸逐漸變大。
2)低鋁狀態下,硫化物夾雜數量很多。高鋁狀態下,硫化物夾雜數量明顯減少,CuxS夾雜消失。3)高硅低鋁系列鋼、中硅低鋁系列鋼、低硅無鋁系列鋼和高硅高鋁系列鋼,成品試樣的夾雜物數量依次減少。
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