使用全自動(dòng)掃描電子顯微鏡 (SEM) 評估液態(tài)金屬加工樣品

粗鋼生產(chǎn)在高溫環(huán)境下引入了高氧化性條件。無(wú)論是采用高爐/轉爐聯(lián)合工藝，還是在電弧爐中對廢鋼和替代鐵元素進(jìn)行重熔，鋼水都會(huì )吸收數百甚至數千 ppm 的溶解氧。為了降低鋼水中氧的活度，可以添加碳、錳、硅、鋁、鈦和鈣等多種元素，這些元素對氧的親和力各不相同。例如，在熔池中添加約 200 ppm 的鋁，可以將溶解氧降低至約 3 ppm，從而使微米級的 AlO 顆粒均勻分布在鋼水中。此外，鈣對氧的親和力更強，但由于其沸點(diǎn)低，因此它不用于初級脫氧，而是用于改性?shī)A雜物。

圖 1. 氧化鋁團簇（頂部）和 TiN 立方體（底部）在夾雜物頂部沉淀的掃描電鏡成像

Part.1方法與結果

本研究旨在揭示夾雜物群體在添加鋁作為主要脫氧劑、鈦作為氮清除劑以及鈣改性?shī)A雜物的過(guò)程中如何變化。本研究采用 Phenom ParticleX Steel 全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統，掃描電鏡（SEM）內置的背散射探測器可以輕松顯示夾雜物的尺寸和形狀，因為它們看起來(lái)比本體金屬顏色更深。

鋁脫氧可能會(huì )產(chǎn)生通常小于 10 微米的單個(gè)夾雜物，或形成更大的夾雜物簇，從而對表面質(zhì)量或疲勞壽命產(chǎn)生負面影響。添加鈦后，鈦通常以氮化鈦立方體的形式存在，從而阻止元素氮參與金屬結構。圖 1 顯示了機械拋光鋼樣品中現有氧化物頂部的 AlO 顆粒簇和 TiN 沉淀物。

Phenom ParticleX Steel 全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統還可以自動(dòng)表征夾雜物。設備掃描了這些鋁鎮靜鋼樣品 60 平方毫米區域內的任何直徑超過(guò)2微米的特征，在本例中大約需要 20 分鐘。同時(shí)，系統采集每個(gè)夾雜物的能譜（EDS）數據，然后可以根據其成分或形狀進(jìn)行分類(lèi)。

如圖 2 Ca-Al-Mg 三元相圖所示，氧化物幾乎是純氧化鋁，另外還含有 2% 的 Mg 和 0% 的 Ca。由于該鋼是在 RH 脫氣器中精煉的，夾帶的爐渣很少，因此幾乎沒(méi)有夾雜物污染。此外，圖 2 中還顯示了 Ti-Al-N 三元相圖，以反映鈦的添加。在 Ti 和 N 的頂點(diǎn)之間，存在著(zhù)純 TiN 夾雜物。從這里到 Al 的拐角處，存在一個(gè)連續的顆粒結構，我們可以推斷，每個(gè)顆粒中 AlO 的相對含量增加，而 TiN 的含量則向拐角處減少。氧化鋁類(lèi)特征的夾雜物指數（或面積分數）為 0.0024%。如果在熔體中添加鈣，這些 AlO 夾雜物就需要轉變。

圖2鋁鎮靜鈦處理鋼的自動(dòng)SEM成像。圖中顯示了單個(gè)樣品的 Ca-Al-Mg 三元系（左）和 Ti-Al-N 三元系（右）以及顆粒分類(lèi)表（下）

另一方面，鈣處理鋼會(huì )產(chǎn)生一組全新的夾雜物。它們可以進(jìn)一步將溶解氧含量降低至約 1 ppm，同時(shí)改性現有的氧化物并與元素硫發(fā)生反應。鈣處理的一個(gè)常見(jiàn)目的是改變形狀，將易團聚的固體氧化物轉變?yōu)榈腿埸c(diǎn)的鋁酸鈣。要形成熔點(diǎn)更低的 12CaO.7AlO (C12A7) 夾雜物成分，需要平衡鈣的添加量和鋼水中夾雜物的含量。如果鈣添加量過(guò)少，夾雜物仍然具有高熔點(diǎn)，容易團聚并堵塞澆注水口。如果鈣添加量過(guò)高，氧化物中可能會(huì )富含 CaO，并可能形成新的硫化鈣 (CaS)。 后者對于管材而言是理想的，因為它試圖最大限度地減少硫化錳夾雜物，但這對控制鋼水流動(dòng)的鋼包或中間包內的連鑄耐火材料有害。當硫化鈣夾雜物遇到鋼包板或中間包塞棒等氧化物耐火材料時(shí)，硫會(huì )從夾雜物中釋放出來(lái)，耐火材料會(huì )受到鈣元素的侵蝕。

圖3添加鈣后鋁鎮靜鋼包樣品的自動(dòng)掃描電鏡成像。Ca-Al-S 三元相圖（上）和分類(lèi)表（下）顯示，該爐鋼中的夾雜物富含鈣和硫，平均夾雜物中的硫含量（28%）高于鋁含量（19%）

圖4鋁鎮靜、鈣處理鋼中間包樣品的自動(dòng)掃描電鏡成像。Ca-Al-S 三元相圖（上）和分類(lèi)表（下）顯示了與圖 3 中的鋼包樣品相比，該爐鋼中的夾雜物如何吸收鋁并損失元素硫

圖 3 和圖 4 顯示了從鋁鎮靜、鈣處理鋼種中采集的一對樣品，每個(gè)分析時(shí)間均少于 40 分鐘。一個(gè)樣品在所有處理完成后于鋼包中采集，另一個(gè)樣品于連鑄爐中段于中間包中采集。雖然這些樣品來(lái)自同一種鋼種，但可以觀(guān)察到夾雜物種類(lèi)的變化。鋼包和中間包夾雜物的類(lèi)型從 CaS 到 C12A7 以及其他鈣鋁酸鹽，但可以觀(guān)察到細微的差別。鋼包和中間包夾雜物的平均硫含量分別為 28% 和 21%。這意味著(zhù)，鋼水從鋼包到中間包的運輸過(guò)程中，夾雜物中的硫或 CaS 會(huì )有所損失。為了平衡硫的損失，夾雜物中會(huì )相應地增加鋁（以 AlO 的形式）。分類(lèi)夾雜物強化了這一概念，因為 CaS 特征的數量減少了一半，而 C12A7 特征的數量增加了一倍。從某種意義上說(shuō)，中間包中總會(huì )存在再氧化，因此鋼包中一些 CaS 夾雜物的緩沖作用將有助于在中間包中保持所需的 C12A7 夾雜物類(lèi)型。在本例中，C12A7 類(lèi)型特征的夾雜物指數從鋼包中的 0.0011% 增加到中間包中的 0.0282%。對于任何類(lèi)型的夾雜物都可以進(jìn)行類(lèi)似的比較。

Phenom ParticleX Steel 全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統上的 Perception Reporter 軟件可輕松創(chuàng )建報告。只需點(diǎn)擊幾下，即可創(chuàng )建一個(gè)包含夾雜物分類(lèi)表、直方圖、三元圖等的新模板。每個(gè)部分都可以編輯，以?xún)H包含您需要的規則類(lèi)別。模板準備就緒后，每個(gè)掃描的樣品都可以自動(dòng)生成報告。

圖5報告生成器截圖展示了如何通過(guò)組合元素閾值、在每個(gè)頂點(diǎn)選擇最多三個(gè)元素以及編輯斑點(diǎn)大小、形狀和顏色來(lái)創(chuàng )建夾雜物三元圖

Part.2結論 

使用 Phenom ParticleX Steel 全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)夾雜物分析。結果表明，先用鋁進(jìn)行初步脫氧，然后添加鈦，會(huì )產(chǎn)生富含 AlO 的氧化物，而這些氧化物往往是 TiN 異質(zhì)沉淀的場(chǎng)所。而鈣處理則會(huì )產(chǎn)生 CaS 和鋁酸鈣夾雜物的分布。無(wú)論您是在研究新的精煉技術(shù)還是評估中間包的輸送實(shí)踐，快速夾雜物分析都是驗證工藝改進(jìn)的關(guān)鍵。