化学体系对硅钢夹杂物影响论文
无取向硅钢的磁性能主要取决于铁素体的晶粒尺寸、晶体织构和钢中的夹杂物[1]。工业化生产过程中,一般形成不了明显的织构。因此,铁素体的晶粒尺寸、钢中的夹杂物,成为影响无取向硅钢磁性能的主要因素。尤其是钢中的夹杂物,它们的存在不仅抑制晶粒长大,促使晶格畸变,还会阻碍磁畴运动,进而劣化无取向硅钢的磁性能[2]。因此,生产过程中,希望尽可能的将其去除或使其无害化。降低C、S、O、N有害元素含量[3-5],或者采用稀土[6]、钙处理[7]方法,可以去除钢中的夹杂物;锰元素含量升高,夹杂物尺寸比例分布得到改善,小颗粒MnS夹杂物粗化[2,8];向钢中添加Sn、Sb元素,可以促进夹杂物聚合、上浮、去除[9-10]。笔者结合工业化生产的无取向硅钢,探讨了不同Si、Al含量化学成分体系对夹杂物控制的影响,以期对工业生产有所裨益。
1研究方法
试验用钢的主要生产工艺流程为:铁水预处理→300t转炉冶炼→RH精炼→连续铸钢→板坯加热、轧制→酸洗、冷轧→退火、精整→包装、出厂等。研究对象为试验用钢对应的成品试样,其主要化学成分见表1(质量分数)。采用非水溶液电解+扫描电镜观察方法,研究不同硅、铝含量化学成分体系对应的成品试样夹杂物。夹杂物提取时,采用TEA非水电解液,在SPEED电解装置中,对经过预处理的成品试样,分两次进行电解、清洗;然后,采用电磁铁对电解后的溶液进行充分磁选,磁选后的溶液在PTFE滤膜上进行过滤,滤膜孔径为50nm;将过滤后的夹杂物进行收集、制样,借助HITACHIS4200扫描电镜,观察试样的夹杂物形貌、尺寸,借助设备自带的能谱仪确定夹杂物的种类、组成。每个试样在扫描电镜下连续观察20个视场,观测倍率分别为1000、5000倍。借助图像分析软件,统计夹杂物的尺寸、种类、数量、分布。
2不同硅、铝含量化学成分体系的夹杂物
2.1夹杂物的显微组织借助HITACHIS4200扫描电镜,观察不同硅、铝含量化学成分体系对应的成品试样夹杂物形貌、尺寸,借助设备自带的能谱仪确定夹杂物的种类、组成。图1所示为1000、5000倍率下,不同硅、铝含量化学成分体系对应的.成品试样夹杂物形貌。从图1可以看出,对于不同硅、铝含量化学成分体系,1000倍下观察,较大颗粒的夹杂物数量均不多,视场相对比较“干净”。硅、铝含量化学成分体系不同,夹杂物的组成、类型差异很大。尺寸相对较大的夹杂物,均大于1.0μm、小于5.0μm;5000倍率下观察,中硅低铝系列钢、高硅低铝系列钢夹杂物的数量最多,低硅无铝系列次之,高硅高铝系列最少。5000倍下观察夹杂物数量明显偏多的原因是:含铝钢中氧含量较低,更有利于MnS夹杂物生成[2],铝含量升高,还会和氮元素结合,生成大量AlN夹杂物[11]。此外,提高Si、Al元素含量,在钢质纯净度得到改善的同时,夹杂物尺寸开始出现两极分化现象,即大颗粒夹杂物的尺寸越来越大,小颗粒夹杂物的尺寸越来越小。
2.2夹杂物的构成、尺寸分布1000、5000倍下观察,不同硅、铝含量的化学成分体系对应的成品试样夹杂物构成、尺寸分布见表2。从表2可以看出,对于不同硅、铝含量化学成分体系,1000倍下观察,均有少量氧化物夹杂存在。硅、铝元素含量升高,开始出现一些尺寸相对较大的MnS、AlN夹杂物,并且AlN夹杂物的尺寸、比例逐渐增大,CuxS夹杂物仅出现在中硅、低铝系列钢中;5000倍率下观察,低硅、无铝系列钢的微细夹杂物主要是MnS、CuxS复合夹杂,没有发现AlN夹杂存在。含铝钢中,MnS、CuxS夹杂物比例逐渐减少,单个MnS夹杂物逐渐由与CuxS复合析出,转化为与AlN复合析出;CuxS夹杂物均与MnS夹杂物复合析出,而在高硅高铝系列钢中完全消失。高硅高铝系列钢中开始出现单个AlN夹杂物,平均尺寸有所增大。
2.3夹杂物的种类、尺寸分布利用S4200型扫描电镜连续观测20个视场,观测倍率分别为1000和5000倍。利用图像分析软件,统计不同硅、铝含量化学成分体系对应的成品试样夹杂物种类及尺寸分布,分别见表3~表6。
2.4夹杂物的数量、尺寸分布利用图像分析软件,统计不同硅、铝含量化学成分体系对应成品试样的夹杂物数量及尺寸分布,如图2所示。从图2可以看出,高硅高铝系列成品试样的夹杂物数量最少,高硅低铝系列试样的夹杂物数量最多。中硅低铝系列成品试样的夹杂物数量,要多于低硅无铝系列。此外,高硅低铝系列,高硅高铝系列,0.5μm以下的夹杂物尺寸似乎更小,分别约为200、150nm,这些微细夹杂物的存在,会强烈阻碍成品晶粒尺寸长大,对磁性能最为有害。因此,高级别无取向硅钢夹杂物的控制重点是,如何有效减少、消除这类微细夹杂物。
2.5夹杂物的数量、构成分布不同硅、铝含量化学成分体系对应的成品试样夹杂物类型分布列于表7。从表7可以看出,低硅无铝系列成品试样的氧化物夹杂数量相对较多。主要原因是,该系列成品试样不含铝,液态钢中的脱氧产物SiO2无法有效去除。其他系列的成品试样,氧化物夹杂主要来自钢包、顶渣、RH精炼、CC连铸耐材。与硫化物、氮化物夹杂数量相比,氧化物夹杂数量相对较少,不会对钢质洁净度产生较大影响。此外,从表7还可以看出,低硅无铝系列钢不含铝,成品试样中没有发现氮化物夹杂;中硅低铝系列钢含有少量铝,氮化物夹杂数量急剧升高,并与硫化物夹杂复合析出,尺寸绝大多数小于0.5μm,这是造成这类低铝系列夹杂物总量显着升高的重要原因;高硅低铝系列钢在连铸浇铸过程中,硫化物夹杂数量减少,板坯温降速度较快,不利于氮化物夹杂析出。板坯再加热过程中,高硅系列钢均热温度较低,也不利于氮化物夹杂析出。高铝系列钢铝含量较高,氮化物开始析出温度升高,同样不利于氮化物夹杂析出,而且少量析出的氮化物夹杂尺寸相对较大。这种变化还影响硫化物夹杂。低硅无铝系列钢、中硅低铝系列钢和高硅低铝系列钢中,大多数硫化物复合析出,主要是MnS和CuxS。由于板坯再加热过程中均热温度偏低,高硅高铝系列钢硫化物夹杂物数量明显减少,少量的MnS夹杂,与部分AlN夹杂复合析出,没有发现CuxS夹杂存在。提高硅、铝元素含量,不同化学成分体系对应的成品试样夹杂物平均尺寸有所增加,如图3所示。
3结论
1)硅、铝元素含量升高,氧化物夹杂数量明显减少,氮化物夹杂数量先是急剧增加,而后逐渐减少,并且夹杂物平均尺寸逐渐变大。
2)低铝状态下,硫化物夹杂数量很多。高铝状态下,硫化物夹杂数量明显减少,CuxS夹杂消失。3)高硅低铝系列钢、中硅低铝系列钢、低硅无铝系列钢和高硅高铝系列钢,成品试样的夹杂物数量依次减少。
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