稀土抑制废钢资源循环利用中残余元素铜砷危害钢热塑性和热加工性研究

During the recycling process of steel scrap, eliminating the detrimental effect caused by residual elements is a difficult scientific problem had to be faced. In this project, the adverse influence of copper and arsenic on hot ductility and hot workability of steels and the suppression effect of adding rare earth will be systematically studied.. Through the influence mechanism investigation of copper and arsenic content on hot ductility of steels, the relationship between grain boundary segregation of Cu+As and hot ductility will be acquired. Thermal cracking sensitivity will be evaluated by high temperature oxidation under different level of Cu+As and rolling experiment. From it, the effect mechanism of As on Cu-rich liquid infiltrating boundary and induced hot crack including its content, melting point, wettability, etc., which provides theoretical basis and technical support for the operation of continuous casting, subsequent heating and avoiding crack sensitive region in rolling process. Meanwhile, the project will declare the scientific relationship improved Cu+As induced hot ductility detriment between competing segregation and interaction of rare earth and residual elements. Revealing the effect and mechanism of Cu+As caused surface crack will lay a theoretical foundation for the practical application of the above method.

未来大量废钢资源循环利用中必将面临如何有效消除残余元素有害影响这一科学难题。本项目着眼于残余元素铜砷对钢铁生产过程中钢热塑性、热加工性的危害及稀土改善这两方面的综合效果、机制等基础科学问题。.通过研究铜砷含量对钢热塑性的影响规律，掌握铜砷晶界偏聚与钢热塑性恶化的关系；通过不同铜砷含量水平下钢的高温氧化性及模拟轧制实验评估其对热裂敏感性的研究，掌握砷影响富铜液相浸润晶界而诱发热裂的机制，如富铜液相成分、熔点、润湿性等，为连铸矫直和后续加热、轧制过程避开裂纹敏感区操作提供理论依据和技术支撑。同时，通过本项目研究，揭示稀土与残余元素晶界竞争偏聚、稀土与残余元素相互作用两者改善铜砷恶化钢热塑性的科学关系；掌握稀土抑制铜砷引发钢表面开裂的作用及机制，为该方法的实际应用奠定理论基础。

针对废钢资源循环过程中残余元素恶化钢铁冶金生产过程热塑性和热加工性问题，首先开展铜砷危害两个方面作用及机理研究。结果表明，0.17和0.22%Cu时，热塑性均随砷含量增加变差；但0.17%Cu时，开始危害热塑性严重的砷含量为0.10%，而0.22%Cu时降为0.04%。分析认为，砷含量增加抑制沿晶铁素体形成和动态再结晶、铜砷晶界偏聚导致热塑性变差。0.17和0.22%Cu时，砷含量增加钢氧化增重量、降低氧化激活能；同时0.22%Cu钢增重量高于0.17%Cu。1050℃下铜砷富集最严重，而1100℃以上未分辨出铜砷富集；另外随砷含量增加1050℃下含砷富铜液相浸润晶界现象更为明显。Cu-As相图分析，砷含量增加降低富铜相熔点促使更多含砷富铜液相析出而浸润晶界。1050℃下0.17%Cu钢开始形成富铜砷液相的砷含量为0.10%，而0.22%Cu钢则为0.04%。模拟热压缩结果表明，1050℃下热裂最为严重，并随砷含量增加热裂加剧，与高温氧化富集规律结果一致。.以危害热塑性、热加工性严重的含0.17%Cu+0.10%As钢为对象，开展稀土改善两方面的综合效果研究。结果表明，0.0022~0.029%Ce逐渐改善含铜砷钢热塑性。0.0022和0.0058%Ce时，热塑性改善主要在950~1100℃；0.01%Ce时，700~1100℃内热塑性恢复到不含砷的含铜钢水平；0.029%Ce时，热塑性继续提升且高于不含砷的含铜钢。分析认为，Ce完全抑制沿晶铁素体生成、促进动态再结晶为热塑性提高原因。另外，0.0022%Ce时Ce与As未相互作用，两者晶界竞争偏聚为热塑性提高原因；而0.029%Ce，除晶界竞争偏聚外，含砷稀土夹杂物生成减大幅提高热塑性。因此，稀土与砷相互作用改善热塑性效果优于单一稀土晶界竞争偏聚作用。0.0022~0.029%Ce降低氧化增重量，提高氧化激活能。1000和1050℃下铜砷富集明显时，Ce含量增加抑制界面处铜砷富集，0.01%Ce以上时，甚至消除浸润晶界含砷富铜液相。同样，Ce含量增加含铜砷钢热裂减轻甚至消除。分析认为，Ce奥氏体晶粒尺寸细化、氧化层致密、促进Fe2SiO4层形成及高Ce下含砷稀土夹杂物生成共同作用减少铜砷富集改善热裂。综合考虑改善热塑性、抑制表面热裂，含0.17%Cu+0.10%As钢中适宜Ce量为0.01~0.029%。