爐渣成分對氣霧化高速鋼粉末材料中夾雜物的影響

摘 要：試驗采用電渣加熱、電磁攪拌和中間包冶金等冶煉工藝，并結(jié)合國際第三代氣霧化制粉技術(shù)制備高速鋼粉末，主要研究了電渣加熱過程中爐渣成分對高速鋼粉末中夾雜物的數(shù)量、種類和尺寸的影響。試驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提高爐渣堿度，能夠顯著提升爐渣的脫硫能力并實現(xiàn)對夾雜物質(zhì)量的有效控制，最終獲得了潔凈度較好的粉末材料。

關(guān)鍵詞：第三代氣霧化制粉技術(shù)；電渣加熱；爐渣成分；夾雜物控制

EFFECT OF SLAG COMPOSITION ON INCLUSIONS IN AEROSOLIZED HIGH SPEED STEEL POWDER MATERIALS

Liao Jun

（Tiangong International Corp Ltd? ? Danyang? ? 212300，China）

Abstract：In this experiment， electroslag heating， electromagnetic stirring and tint metallurgy were used to prepare high speed steel powder， combined with the international third generation of aerosol powder making technology. The influence of slag composition on the number， type and size of inclusions in high speed steel powder during electroslag heating was mainly studied. The results show that by increasing the basicity of slag in a certain range， the desulfurization ability of slag can be significantly improved and the quality of inclusions can be effectively controlled， and the powder material with better cleanliness can be obtained.

Keywords： the third generation gas atomization powder making technology; electroslag heating; slag composition; control of inclusions

0? ? 引? ? 言

近年來，高端裝備和制造技術(shù)向著高速、高效、復(fù)合、智能和環(huán)保的方向發(fā)展[1-4]。國際第三代氣霧化制粉技術(shù)作為其中的典型代表，其結(jié)合電渣加熱、電磁攪拌和中間包冶金技術(shù)，利用惰性氣體（氮氣或氬氣）霧化高速鋼鋼水，從而得到的細(xì)小的高速鋼粉末[5-8]。作為增材制造的關(guān)鍵原料，高速鋼粉末的潔凈度極大地影響了特種材料的抗彎強度、沖擊性能和硬度等重要性能[9-13]。

天工國際高速鋼鋼水加熱生產(chǎn)裝置采用電渣加熱（ESH）工藝控制中間包溫度。作為一種應(yīng)用極為靈活的冶煉工藝，電渣加熱（ESH）具有熱效率高、成本低和操作簡單等優(yōu)點，這使該工藝顯著優(yōu)于其他加熱工藝[14-16]。此工藝的原理基于眾所周知的電渣精煉工藝，如電渣重熔（ESR）和電渣坩堝熔煉（ESCM），在該過程中，爐渣的成分對冶煉過程中的升溫、保溫及粉末質(zhì)量有著極其重要的影響。本文主要研究不同爐渣成分對夾雜物的數(shù)量、種類和尺寸的影響規(guī)律和作用機理。

1? ? 試驗材料和方法

本試驗采用中間包電渣加熱及氣霧化制粉技術(shù)制備粉末材料，設(shè)備工作原理如圖1所示。在電渣加熱過程中，電極浸入覆蓋在鋼水表面的熔渣層中，電流通過爐渣產(chǎn)生的熱量被用來制備成高速鋼粉末。

試驗制備的高速鋼粉末的牌號為TPM330，鋼水的實測化學(xué)成分如表1所示。采用兩種不同堿度的合成渣（各350 kg）進行電渣加熱，合成渣的成分如表2所示。為確保鋼水的成分一致性，首先將15 t的TPM330鋼水，分兩批進行氣霧化制粉（每批7.5 t），同時為保證后期的粉末材料檢測具有對比性，試驗全程除了改變氣霧化制粉過程中的中間包渣料成分，其余各試驗環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)和原料成分均控制相同。

對于兩批前期霧化出的粉末，各取1.2 t進行灌裝并振實，經(jīng)真空和封剪處理后，轉(zhuǎn)至同一批爐次進行熱等靜壓得到兩根尺寸和密度相近的粉末鋼，分別編號為1號和2號，試驗冶煉兩種粉末鋼的具體信息見表２。首先.在兩種粉末鋼的相同位置各切取一塊50 mm×50 mm×20 mm的試樣，依次經(jīng)過240目、800目和2 000目砂紙磨亮；然后用粒度為1.5 μm的金剛石研磨膏進行拋光，后續(xù)利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試樣中的夾雜物進行觀察、統(tǒng)計和分析。

在后續(xù)的工作中，從兩種粉末鋼的相同位置（1/2半徑處）切取了硬度試樣和沖擊試樣，各試樣的熱處理路線如圖2所示，首先將試樣在

1 180 ℃的溫度下保溫0.5 h進行固溶處理，淬火方式采用油淬，隨后在560 ℃的溫度下保溫2 h重復(fù)回火三次，最終風(fēng)冷得到待測的硬度試樣和沖擊試樣，為避免熱處理過程中試樣表面發(fā)生脫碳和氧化，在熱處理前需要對試樣涂刷耐火材料進行保護。硬度試樣的加工尺寸為10 mm×10 mm×50 mm，無缺口沖擊試樣的精加工尺寸為7 mm×10 mm×55 mm，后續(xù)我們利用布氏硬度計和JBS-500B沖擊試驗機分別測試了試樣的硬度和沖擊功。

2? ? 試驗結(jié)果

兩種粉末鋼中的夾雜物分布如圖3所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，1號粉末鋼中的夾雜物數(shù)量較少，基本呈彌散分布，視場內(nèi)基本未見大尺寸夾雜物。相較于1號粉末鋼，2號粉末鋼中的夾雜物數(shù)量密度明顯提升，大多呈聚集性分布，局部區(qū)域可見5 μm以上的大尺寸夾雜物聚集。掃描電鏡的實驗結(jié)果初步表明，鋼水經(jīng)高堿度渣處理后，后續(xù)氣霧化制備的高速鋼粉末的質(zhì)量顯著提升，粉末鋼中的夾雜物數(shù)量及分布情況得到了有效控制，有助于提升高速鋼的服役性能。

1號和2號粉末鋼中的典型夾雜物形貌及面掃結(jié)果如圖4所示，兩試驗用鋼中的夾雜物主要為C類夾雜物（硅酸鹽類），其尺寸范圍較寬，整體呈深灰色，端部伴有典型的銳角形態(tài)。同時在2號粉末鋼的樣品中我們還發(fā)現(xiàn)了一定量的A類夾雜物（主要是MnS）、B類夾雜物（AlO）和少量的其他類型夾雜物，其夾雜物的種類較多，對鋼材性能的惡化作用也更大。對夾雜物進行成分分析的試驗結(jié)果表明，鋼水經(jīng)高堿度渣處理后，粉末鋼中的夾雜物種類得到了有效控制，尤其抑制了惡化鋼材性能的AlO和MnS夾雜物生成，這與高堿度渣系具有較強的脫氧和脫硫能力有關(guān)，符合相關(guān)文獻中的報道[17-21]。

為進一步明晰夾雜物的種類、數(shù)量和尺寸分布，我們在更大的視場下利用分析軟件對夾雜物進行了定量統(tǒng)計，試驗結(jié)果如圖5所示。1號粉末鋼中主要的夾雜物為硅酸鹽類夾雜和氧化物夾雜，2號粉末鋼中主要的夾雜物為硅酸鹽夾雜、氧化物夾雜 （主要是氧化鋁）和鋁酸鹽夾雜，同時其夾雜物種類更多，數(shù)量密度更大（圖5a）。在1～2 μm的尺寸范圍內(nèi)，1號粉末鋼中的夾雜物數(shù)量略高于2號粉末鋼，而在大于2 μm以上的尺寸范圍，尤其是5～10 μm的尺寸范圍內(nèi)，二號粉末鋼中的夾雜物數(shù)量顯著提升，在大于10 μm的尺寸范圍內(nèi)，1號粉末鋼中的見雜物已不可見，但在2號粉末鋼中仍能發(fā)現(xiàn)一定量的夾雜物（圖5b）。這表明經(jīng)高堿度渣系（0.55CaO-0.41SiO2）處理后，1號粉末鋼得到了更好的夾雜物控制，潔凈度也較高，符合前述夾雜物的分布規(guī)律及面掃實驗結(jié)果。

考慮到不同堿度的渣系直接影響著粉末鋼中夾雜物的種類、尺寸和分布情況，而鋼中的夾雜物對鋼的強韌化行為有著重要影響，為明晰經(jīng)不同渣系處理的兩種粉末鋼力學(xué)性能的差異，在回火結(jié)束后對兩種粉末鋼進行了硬度及沖擊功測試。測試結(jié)果表明，由于1號粉末鋼具有較高的潔凈度，同時其夾雜物的尺寸較小、分布情況較好，在相同的熱處理制度下，經(jīng)高堿度渣系處理的1號粉末鋼表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能，相較于2號粉末鋼，其具有更高的硬度和更好的韌性。兩種粉末鋼回火態(tài)試樣的力學(xué)性能如圖6a和圖6b所示。

３? ? 分析與討論

1號粉末鋼和2號粉末鋼的夾雜物三元相圖計算結(jié)果如圖7a-圖7f所示，計算結(jié)果基本符合前述的掃描電鏡表征的試驗結(jié)果，鋼水經(jīng)高堿度渣系處理后，夾雜物的數(shù)量明顯下降，尺寸也較小，基本集中分布在2 μm以內(nèi)區(qū)間，同時可以發(fā)現(xiàn)，相較于2號粉末鋼，1號粉末鋼中的MnS和AlO夾雜顯著減少。

鋼液中MnS和Al2O3生成的化學(xué)方程式和脫硫反應(yīng)的化學(xué)方程式見公式1和2，根據(jù)二元堿度的基本定義，可知1號粉末鋼和2號粉末鋼的堿度分別為R1=1.16和R2=0.86，結(jié)合硫的分配比（Ls）和熔渣的關(guān)系，可知隨熔渣堿度提高，Ls呈增加趨勢，同時當(dāng)鋼液中的氧含量（氧勢）降低時，也有利于脫硫反應(yīng)正向進行。因此，適當(dāng)提升爐渣堿度，并利用氧鋁平衡降低鋼液氧勢可有效促進鋼液中的脫硫反應(yīng)進行，這也解釋了1號粉末鋼中的夾雜物得到較好控制的試驗結(jié)果。

3[Al] + 2[O] + [S] + [Mn] = [MnS] + [Al2O3]? ? ? ? ?（1）

3（CaO） + 3[S] + 2[Al] = 3（CaS） + （Al2O3）? ? ? ? ? ? ?（2）

4? ? 結(jié)? ? 論

1）高堿度渣系在粉末鋼生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出了較強的脫氧及脫硫能力，有利于粉末鋼的潔凈化冶煉。

2）鋼水經(jīng)高堿度渣處理后，粉末鋼中的夾雜物數(shù)量密度顯著降低，夾雜物種類得到了有效控制，夾雜物尺寸分布基本在5 μm以內(nèi)。

3）根據(jù)設(shè)計的0.55CaO-0.41SiO2渣系，結(jié)合電渣加熱工藝和第三代氣霧化制粉技術(shù)，高速粉末鋼獲得了優(yōu)異的性能，具有良好的工業(yè)化生產(chǎn)前景。

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作者：廖俊，男，57歲，碩士研究生，高級工程師

收稿日期：2023-12-01