硅锰镇静钢中非金属夹杂物三维

作者：郑晓敏  

    钢中非金属夹杂物对于钢材性能有着诸多的不利影响，如何实现对非金属夹杂物的有效控制成为洁净钢生产的关键，而对夹杂物进行系统分析以获得与夹杂物相关的全部信息则是实现有效控制的重要前提口。钢中非金属夹杂物的研究分析方法较多，Zhang和Thomas总结了近30种方法，而最常见的方法有金相法、大样电解法和全尺寸原位分析法。

    传统的金相法是利用金相显微镜在不同视场下测定金相样中夹杂物的光学性质、显微硬度及化学性质。但是钢中夹杂物分布具有随机性，其在任一剖面的分布也同样具有随机性，因此存在漏检的问题。并且夹杂物的空间分布状态存在较大差异，同一夹杂物在不同剖面上会表现出不同形态，无法观察到夹杂物的三维形貌，因此难以表征夹杂物的真实情况。传统的大样电解法主要是利用扫描电镜和能谱仪对大型夹杂物的成分进行分析。首先大样电解法电解液为酸性，酸碱中和反应会损失大部分碱性氧化物；其次实验周期较长（一般为15 d）、

操作复杂，在电解和淘洗过程中还会损失部分硫化物，小颗粒夹杂物等。钢中夹杂物在电解过程中受到溶液的化学侵蚀和电解电位两个方面的影响，绝大多数非金属夹杂物的真实形貌已经被破坏，因此大样电解法对非金属夹杂物三维形貌、结构判别的参考性不强。

    全尺寸分析法综合了金相法和大样电解法的优点，其基本原理是利用有机溶剂做电解液，小电流对试样表面进行电解侵蚀，通过控制电解电流和时间精度控制电解深度，使得夹杂物凸显于电解试样表面，在体式显微镜或者扫描电镜下观察夹杂物的完整三维形貌。夹杂物全尺寸分析法可以清晰直观地观察到夹杂物的形貌和分布状况，为探索夹杂物形成机理及形貌演变规律，为实现对夹杂物的形态控制提供有效手段。

本文针对Si-Mn镇静钢中夹杂物的特点，开发了相应的全尺寸电解实验系统，并对该类钢中夹杂物的存在进行了研究，以期利用全尺寸分析法更直观地观察钢中夹杂物的三维形貌，同时结合扫描电镜结果，为钢中夹杂物的去除提供更有力的理论基础。

1  实验方案

    本实验通过构造实验装置，在确定电解时间的基础上确定最优电解液和最佳电解电流；再通过确定的最优电解参数对Si-Mn镇静钢进行实验从而得出夹杂物的三维形貌及成分。

1.1  电解实验装置

    电解实验装置如图l所示，电解电源采用KXN-305D型直流稳压电源，设备电压控制精度达到0. 01 V，通过调节螺旋按钮实现对电解电压的精度控制；选取有机溶剂作为电解液，以降低电解液对夹杂物的破坏，最大限度地保留其三维形貌的真实性。电解阴极板选用不锈钢材质，电解过程中阴极材料对电解液的较少污染，使得电解液始终保持澄清，便于电解完毕后对试样表面夹杂物进行观察。

1.2  金相试样的制备

    首先制备待观察面为10 mm×10 mm×10 mm金相试样，将待观察面用240目、320目、500目、600目、700目、800目、1000目、1200目砂纸按顺序依次打磨，然后再利用抛光机抛成镜面后待用。对制作好的金相试样利用提前配置好的电解液进行电解侵蚀。注意所制备出来的金相试样要即做即电解，尤其是金相样上镜面的抛制。镜面抛制出来以后用酒精浸泡，然后用酒精棉球擦拭、烘干，烘干以后要尽快放入电解液中进行电解，防止搁置时间过久试样表面再次氧化。

1.3  金相试样的电解

    将金相试样在配置好的电解液中进行电解，电解参数与电解液配比以所电解金相试样的表面平整光滑、夹杂物特征明显为宜。

    电解侵蚀结束后将金相试样浸泡在酒精中，防止电解面发生氧化。

1.4夹杂物形貌观察

    电解完成后，对金相试样首先进行烘干。利用SMZ-T4型连续变倍体视显微镜（重庆奥特光学仪器有限公司）在45倍视场下观察不同夹杂物的基本形貌，并利用扫描电镜确定夹杂物成分。

2  电解参数优化

2.1  电解时间

    通过控制电解时间实现所需要的侵蚀厚度的精确控制，能够达到夹杂物理想裸露程度，理论侵蚀厚度能够通过公式(1)(2)(3)来确定。式中：Q为电解过程转移电量，C;I为电解电流，A;t为电解时间，s；nFe2-为铁氧化为二价铁离子的物质的量，mol;h为理论侵蚀深度，m; MFe为铁的摩尔质量，kg/mol; PFe为钢基体的密度，kg／m3；S为电解面积，m2。

    经过上述3个公式即可计算出金相试样的理论侵蚀厚度。鉴于本研究主要涉及夹杂物的基本尺寸范围，电解时间确定为20～40 min。

2.2  电解液配比

2.2.1  电解液配比方案

    实验用电解液由缓冲剂和电解质组成，缓冲剂的作用主要是为了保持电解液pH值的稳定性，减少对夹杂物的腐蚀，同时防止Fe2+的析出；电解质的作用是能够控制电解液的导电能力，其同样对电解结束后试样表面的平整程度有一定的作用。由于本实验采用有机溶液作为电解液且电解时间短、电流小、钢中的非金属夹杂物基本能够保持其原有形貌而不被破坏。

    电解液的配比可以有多种方法，而且方法不同则电解出来的效果自然不同。通过查阅、整理相关文献，本研究制定的不同电解液配置比例如表1所示。其中溴水、丙酮、甲醇和乙醇为缓冲溶液,NaCl为电解质。在基本电解参数一致的情况下，分别选用5种电解液对Si-Mn镇静钢钢样表面进行电解侵蚀实验。

2.2.2不同配比电解液的电解效果分析

    不同电解液电解效果如图2所示。图2(a)(b)(c)(d)(e)分别为钢样用表1中的1～5号电解液电解30 min后的表面形貌。从图2可以发现：用1～4号电解液，试样表面电解的较不均匀，表面都出现了凹凸不平的情况，这可能是因为NaCl溶液浓度太低导致导电性不好，引起试样表面形成一层氧化铁造成的，此类表面不利于对夹杂物三维形貌的观察。图2(e)为5号电解液电解30 min后试样表面的形貌图，与前4种电解液相比，采用5号电解液的试样表面较为平整光滑，未出现明显的凹凸不平现象，有利于对夹杂物三维形态的比对。

    为了确定电解效果并非偶然，本研究采用5号电解液又进行了多次的重复电解实验，结果发现实验重现性好，试样表面电解均匀，能够达到预期的实验效果。

2.3不同电流的电解效果分析

    电流对钢样的电解效果影响较大，为了考察梯度电流下电解后钢样的电解效果，本研究分别采用0. 05、0.10、0.15 A共3种电解电流对钢样在5号电解液中进行电解，电解30 min后试样表面形貌分别如图3(a)(b)(c)所示。

    由图3(a)(b)(c)可见：随着电解电流的增大，试样电解均匀性不断增强。其中电解电流小于0.10 A时，试样表面凹凸不平，电解均匀性较差，这是因为此时电解液的化学侵蚀作用大于电解侵蚀作用，由于钢基体晶界与晶体的溶解侵蚀电位的不同，晶界处优先被侵蚀溶解形成凹痕。为提高电解的均匀性．需使得电解侵蚀作用大于化学侵蚀作用，当电解电流大于0.10 A时，试样表面基本上能够被均匀电解，此时电解侵蚀起主要作用。多次实验结果表明，电解电流大于0．15 A时，电解速率较快，实现对电解过程的精度控制存在一定难度。因此，最佳电解电流应控制在0.10～0.15 A之间。

3  应用结果分析

    通过全尺寸电解实验系统的开发，本研究首先对Q235钢中夹杂物的尺寸进行了统计。结果表明，夹杂物尺寸主要分布在0～200 μm，夹杂物数量随其尺寸增大而呈逐渐减少的趋势。相比于尺寸较大的夹杂物，小型夹杂物需要在光学显微镜或扫描电镜下才能观察到。而基于对Si-Mn镇静钢中夹杂物原貌分析的出发点，在此本文将重点分析尺寸较大夹杂物的形貌及相关特征。

3.1  夹杂物形貌分析

    图4为体视显微镜下观察到的夹杂物典型形貌。统计结果表明，Q235钢中夹杂物以球形为主，球形夹杂分透明和不透明两种，图4(a)为其中典型的透明夹杂物，直径为200 μm左右，图4(b)为其中典型的不透明夹杂物，直径近100 μm。

    同时还有少量的立方体形、棒状、椭球型和不规则形状夹杂物，分别如图4(c)(d)(e)(f)所示。图4(c)中夹杂物呈立方体形，其大小约80 μm;图4(d)棒状形夹杂物长度达到了100 μm;图4(e)椭球形夹杂物大小在100 μm左右；图4(f)不规则夹杂物大小甚至超过了200 μm。

3.2夹杂物成分分析

    在得到不同夹杂物形貌的基础上，利用扫描电镜结合能谱仪对不同类型夹杂物进行了成分分析，结果如图5～8所示。

图5所示夹杂物为球形夹杂，其大小为90μm左右，夹杂物类型为Si02 -Al2 03 -MnO-TixOy复合夹杂。夹杂物中Si、Mn含量较高，这是因为Si-Mn镇静钢通常采用硅铁、锰铁作为脱氧剂进行脱氧合金化，因此夹杂物中含有大量的Si和Mn;与此同时，硅铁、锰铁中含有少量的Al，加之炉渣中部分Al2 03被还原进入钢液，二者共同构成了夹杂物中Al的来源。

    图6所示夹杂物为棒状夹杂，其横向长为50μm，纵向长为l50μm，夹杂物类型为Si02-Al203-Ca0复合夹杂，夹杂物中Ca含量同样很高。同时发现了少量Na元素，这可能来自于保护渣中。

    图7所示夹杂物为球形夹杂，夹杂物类型为SiO2-Al2O3-MnO-CaO-TixOy复合夹杂。夹杂物中SiO2 -Al2O3 -Mn0含量较高的原因是Q235钢为典型的Si-Mn镇静钢，通常采用硅铁、锰铁作为脱氧剂进行脱氧合金化，因此夹杂物中含有大量的Si和Mn;与此同时，硅铁、锰铁中含有少量的Al，加之炉渣中部分Al2O3被还原进入钢液，二者共同构成了夹杂物中Al的来源。

    图8所示夹杂物为不规则夹杂，夹杂物类型为SiO2 -Al2 O3 -CaO复合夹杂,并发现少量的Cl元素。夹杂物中Ca含量较高，这是由于后期的夹杂物变形处理过程中加入了大量的Ca，部分处理产物未能上浮，滞留在钢液中形成夹杂物所致。

4  结语

    针对Si-Mn镇静钢中夹杂物的特点，开发了全尺寸电解实验系统，确定了最佳的电解液配比，并在合理的电解参数下对Si-Mn镇静钢中夹杂物的基本形貌和成分进行了系统的分析，得到以下结论：

    (1) Si-Mn镇静钢中夹杂物类型以透明和不透明的球形为主，同时还有少量的立方体形、棒状、椭球型和不规则形，实验得到夹杂物的尺寸最大超过了200 μm。

(2)夹杂物的种类主要为SiO2-Al2 O3 -MnO-TirOy复合夹杂，其中部分夹杂物还含有少量钙酸盐、氧化锰以及钛氧化物。

5摘  要：

结合Si-Mn镇静钢中非金属夹杂物的组成及相关化学特性，构建了以有机电解液为

核心、辅以直流稳压电源的夹杂物三维原貌电解装置，并以Q235钢为代表，利用体视显微镜和扫描电镜对其内部夹杂物的基本形貌和成分进行了系统的分析研究。结果表明实验方法能有效得到Si-Mn镇静钢中夹杂物的真实三维形貌。对于Si-Mn镇静钢的全尺寸电解，其最佳电解液配比为体积比为1:1的溴水、乙醇混合溶液作为缓冲溶液，200 g／ L NaCl溶液作为电解质，且NaCl溶液占电解液的10%（体积分数）；电解电流控制在0.10～0.15 A之间，电解时间控制在20～40  min。与此同时，Q235钢的电解分析结果表明，其夹杂物种类主要为SiO2Al2O。-MnO-TirOy复合夹杂，夹杂物类型以透明和不透明的球形为主，同时还有少量的立方体形、棒状、椭球型和不规则形，部分夹杂物尺寸超过200 μm。