高应力弹簧钢精炼体系中元素迁移行为及夹杂物控制研究

The theoretical study and the metallurgical process of high stress spring steel are weak links in the special steel field in China, and some relative products mainly depend on import. The improvement of anti-fatigue performance is the key of process. The cleanness and the inclusion control have a crucial influence on the performance of high quality spring steel, and the reasonable composition and proportion of the refined slag is the key to the precise control of the inclusions in steel. However, the research on the thermodynamics and kinetics of the reaction between the refining slag, the molten steel and the inclusions are not enough to realize the accurate prediction and reasonable control of the inclusions in steel. The current project takes 55SiCr steel as the research object, and constructs the thermodynamic model and dynamic model of the refractory-slag-steel-inclusions system, based on the practical refining process of silicon-manganese pre-deoxidation and aluminum final complex deoxidation spring steel. By means of high-temperature thermal simulation experiment and field experiment, the migration behavior of all elements in the phase of refractory phase-refining slag phase-steel phase-inclusion phase were investigated. And the influence of the parameters such as the composition of slag, the proportion of slag, the initial composition of molten steel and the refining time on the inclusions in spring steel were clarified. During the whole process of refining, the dynamic evolution of the inclusions in spring steel, the composition of the steel and the refining slag, and the continuous law of the reduction ability of the refining slag are revealed. It is expected that the research results will provide theoretical basis for optimizing the refining process of high quality spring steel and improving product quality, which has important theoretical guiding value, and significant social and economic benefits.

高应力弹簧钢冶炼工艺与理论研究是我国特钢行业的薄弱环节，产品至今主要依赖进口。钢液洁净度以及夹杂物控制对弹簧钢性能有着至关重要的影响，精炼渣合理成分及配比是钢中夹杂物精确控制的关键。弹簧钢精炼过程中界面反应的热力学、动力学研究目前不够系统深入，仍无法实现钢中夹杂物的准确预判和合理调控。本项目拟以55SiCr钢为研究对象，参考硅锰预脱氧-铝终脱氧弹簧钢精炼工艺，在构建耐材-精炼渣-钢液-夹杂物体系热力学、动力学模型的基础上，通过高温模拟实验和现场工业实验，考察各元素在耐材相-精炼渣相-钢液相-夹杂物相间的迁移行为，阐明精炼渣成分、渣钢比例、钢液初始成分、精炼时间等参数对夹杂物影响规律，揭示在精炼过程中，弹簧钢中夹杂物改质轨迹、钢液与精炼渣成分动态演变规律以及对精炼渣还原能力的作用机制。研究结果对于优化高品质弹簧钢的精炼工艺及提高产品质量提供理论基础，具有重要的理论指导价值，社会经济效益显著。

项目负责人获得的基金项目与2020年1月1日正式开始，围绕当时项目申请时提出的研究目标，经过3年的努力，取得了一些重要成果。喜获2020年度TMS最佳论文、2021年度冶金科学技术二等奖等众多奖励。该基金目前资助发表学术论文11篇，其中发表在冶金领域顶级期刊MMTB、Ceramic International上7篇，申请并公开的国家发明专利2项，取得软件著作权1项。同时，申请人在国际重要学术会议上发表主题或特邀报告6次；培养硕士生3人（毕业2人）。.本课题针对55SiCr系高应力弹簧钢在精炼过程中的元素迁移行为及夹杂物控制进行了深入研究，主要涉及了弹簧钢中夹杂物的改性、夹杂物在钢渣界面的润湿性、夹杂物在精炼渣中的溶解和钢液-精炼渣-夹杂物-耐火材料的四相反应模拟。采用场发射扫描电镜和能谱仪对夹杂物进行了形貌、成分和尺寸分布的表征，结合钢液元素的相互作用系数，阐明了该钢液体系下夹杂物的演变机理。夹杂物在钢渣界面的润湿性研究中，采用卧滴法对钢液在氧化铝基板上的润湿角进行表征，得到了钢液中不同的O、S、Ti、Ca含量对氧化铝夹杂物润湿性的影响。随后，针对夹杂物在精炼中的溶解，主要采用单丝热电偶技术（SHTT）和高温共聚焦（CLSM）对氧化铝颗粒的溶解行为进行了研究。结果表明，氧化铝颗粒的溶解动力学是由液膜扩散控制（外扩散），溶解速率取决于精炼渣的特性。在钢液-精炼渣-夹杂物-耐火材料四相高温模拟实验中，运用电感耦合等离子发射光谱仪、氧氮氢分析仪和FE-SEM＆EDS对实验样品进行了成分、形貌和尺寸分布进行了表征，得到了钢液元素的成分变化和夹杂物的演变规律。采用钢液相互作用系数计算了钢液元素的变化，阐释了钢液-精炼渣的元素迁移机理。除此之外，通过对夹杂物的演变规律的分析，发现元素迁移行为与夹杂物的形貌、成分和尺寸分布基本上一致，很好地解释了该体系下夹杂物的去除机理。采用搭建的四相反应动力学模型，得出的夹杂物演变规律与平均成分和工厂实际生产情况基本一致，具有很大的应用前景。