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高純凈不銹鋼通常用于制造航空高強度結(jié)構(gòu)件，因使用環(huán)境嚴苛，對材料的潔凈度要求很高。1Cr10Co6MoVNbN 等采用“真空感應爐+真空電弧重熔”冶煉的不銹鋼，一直以來非金屬夾雜物（驗收標準見表1）合格率較低。對不合格試樣的夾雜物進行分析，在真空感應爐冶煉階段采取針對性措施，使夾雜物含量得到有效控制。

1Cr10Co6MoVNbN 化學成分見表2，因添加元素多，真空冶煉控制難度較大。

1. 非金屬夾雜物的控制 

1.1 非金屬夾雜物類型   由1Cr10Co6MoVNbN 棒材的非金屬夾雜檢驗數(shù)據(jù)來看（見表3），硫化物主夾雜及非硫化物主夾雜兩項易超標。

實踐表明，“雙真空”冶煉的12%Cr 型鋼種，重熔階段去除夾雜的能力有限，一次冶煉是控制成品材夾雜物含量的關鍵工序。

1.2 非硫化物主夾雜的控制

1.2.1 非硫化物主夾雜的組成分析   非硫化物夾雜一般包括氧化鋁類、硅酸鹽類、（復雜）球狀氧化物，氧均在其中發(fā)揮主導作用。上述鋼種屬于12%Cr 型熱強不銹鋼，含有Si、Mn等合金元素及Al、Ti（殘余）、Ca（脫氧劑）等殘余元素，易與O、S、N 等形成化合物。   

 結(jié)合鋼的成分分析，其中含有幾種氧化物：MnO、FeO、CaO、Al2O3和SiO2。圖1、圖2為1Cr10Co6MoVNbN 典型的非硫化物主夾（氧化物）雜物圖片。

因此，該類鋼中的非硫化物主夾雜含量取決于于真空感應爐脫氧脫氧制度。

1.2.2 脫氧制度確定    一直以來，該類鋼采用的脫氧制度為：(隨爐裝）部分Ca-Si/Fe-Si/ C塊/——（料平加）少量Al塊/部分C塊/部分Fe-Si——（終脫氧）J-Ca。因純鐵中氧高，在冶煉前期形成CaO、Al2O3、SiO2等夾雜，部分殘留在鋼中，造成成品鋼材氧化物夾雜物超標。   

 Ce、Al、Mg、Ca 等是真空感應爐冶煉中常用的脫氧劑，但前兩個的脫氧產(chǎn)物會污染鋼液；后二者易揮發(fā)，在高真空條件下加入比較困難。而在真空下C脫氧能力比Mn、Si、Al 的大得多。當pCO=0.76mmHg時，碳的脫氧能力已超過鋁。   

 因涉及鋼種碳含量范圍0.06%~0.20%，且硅含量在技術條件規(guī)定范圍內(nèi)對鋼力學性能影響不大，因此以碳塊作為主要脫氧劑；一定量Ca-Si 塊作為輔助脫氧劑（終脫氧）。脫氧制度調(diào)整為：（隨爐裝）全部碳塊——（工頻攪拌后）Si-Ca。這樣，脫氧產(chǎn)物主要為CO，在熔化和保溫期間不斷進入氣相被抽走；原材料產(chǎn)生的少量夾雜有充分的時間上浮或被坩堝吸附而去除。

1.2.3 結(jié)果   調(diào)整脫氧制度后，鋼材中氧含量＜0.0015%，[%Al]＜0.015%。非硫化物類型主夾雜及基體夾雜含量均明顯降低，多數(shù)爐號檢驗結(jié)果甚至為零。但硫化物主夾雜仍超標。

1.3 硫化物類主夾雜的控制1.3.1 硫化物類主夾雜的組成分析  資料提到，真空電弧重熔的硫化物類夾雜以硫化物或硫化物包氧化物夾雜為主。根據(jù)夾雜物的變形性能，和對應鋼種的化學成分推測，其組成為硫化錳。對1Cr10Co6MoVNbN 鋼的典型（硫化物主夾雜超標，見圖3）試樣進行了電鏡（見圖4）和電子探針分析。結(jié)果表明，該鋼的硫化物類主夾雜確為MnS，其中不含O、N?？梢?，硫含量過高是造成硫化物類型主夾雜超標的主要原因。

本年度生產(chǎn)的1Cr10Co6MoVNbN 棒材的檢驗結(jié)果表明，將鋼中[%S]控制在0.003~0.004%即可有效降低硫化物夾雜。

1.3.2 真空感應爐脫硫方法選擇(一）脫硫方法   硫在液態(tài)鐵或液態(tài)鎳中可無限溶解，真空度為10-3～10-4mmHg時，純鐵液中依靠S的揮發(fā)而脫S是比較困難的，需保持6~7小時才能達到較好的脫硫效果。脫硫過程的實質(zhì)在于使溶解在鐵（鎳）液中的[S]結(jié)合成某種高熔點化合物（如CaS、MgS、CeS等）或硫氧化物（如Ce2O2S、La2O2S等），其溶解度比FeS(或Ni3S2)的溶解度小很多，從而保證硫自鋼或合金中排除或彌散分布于金屬中。  

脫硫的方法主要有精煉劑脫硫、渣/氣反應脫硫和渣/鋼反應脫硫。  

 精煉劑脫硫基本原理是利用與硫親和力大的物質(zhì)，形成的硫化物不溶于金屬液或溶解度很小，而且熔點高于合金液溫度，容易自合金液中上浮去除?；蛐纬蓪π阅軣o害的高度彌散的硫化物或硫氧化物。精煉劑一般選用La和Ce, 脫硫產(chǎn)物為固態(tài)的LaS和CeS。   

當冶煉過程中熔渣上面的氣相中氧分壓較高時，例如，在大氣下電渣重熔或電弧爐冶煉氧化期均可發(fā)生渣/氣脫硫反應：

若渣成分不變，則為常數(shù)，因此如提高氣相中氧分壓，則氣相中SO2分壓也將提高，即金屬液中通過渣相轉(zhuǎn)移到氣相的硫增加。鋼/渣反應脫硫把金屬液中的硫轉(zhuǎn)移到渣中的機理（見圖5）。

脫硫過程可分為步驟：

 第一步，金屬液中的硫原子擴散到鋼—渣界面。

 第二步，鋼中的硫原子越過鋼—渣界面自金屬液側(cè)轉(zhuǎn)入熔渣側(cè)，呈硫離子（S2-）狀態(tài)，同時渣中氧離子（O2-）越過鋼/渣界面自熔渣側(cè)轉(zhuǎn)入金屬液側(cè)，呈原子狀態(tài)。

 第三步，（S2-）、[O]分別自鋼/渣界面擴散到熔渣和鋼液內(nèi)部。

 決定鋼/渣反應平衡常數(shù)大小的是第二步，決定脫硫速度的是第三步中（S2-）在熔渣中的擴散。   

 鋼/渣界面脫硫反應為：

該反應的平衡常數(shù)與溫度的關系為：

NS2- 、NO2-分別為熔渣中硫離子（S2-）、自由氧離子（O2-）的克分數(shù)表示的濃度。

通常用硫在渣中含量（%S）和S在鋼中的含量[%S]之比，即分配系數(shù)LS表示爐渣的脫S能力。LS愈大，爐渣的脫硫能力愈強。當渣中硫含量不是很高時，由于NS2-與渣中硫含量（%S）成正比，因此式中K′為只隨溫度變化的常數(shù)?？梢?，脫硫反應主要受熔渣堿度、鋼液氧含量及熔池溫度的影響。

（1）熔渣堿度   在不顯著增加粘度的條件下，增加渣中CaO，降低SiO2、TiO2以及Al2O3含量，可提高渣的脫硫能力。由實驗可知，CaO的脫硫能力大于MnO和MgO。

（2）金屬熔池中氧含量[O]   金屬熔池中[O]愈低則LS愈大，即鋼脫氧愈好堿性渣的去硫能力愈強。降低（FeO）含量能極大地提高爐渣的脫S能力（[O]含量與氧化鐵含量有對應關系）。

（3）溫度 脫S反應K的對數(shù)值隨鋼/渣界面溫度的增加而略微增大，同時提高溫度可改善渣鋼流動性，有利于（S2-）和[O]的擴散，加快脫硫速度。實驗證實堿性渣下金屬的脫S速度決定于S2-從鋼/渣界面向渣內(nèi)的擴散速度。

(二)脫硫方法選擇   堿性還原渣脫硫是真空感應爐冶煉重要的脫硫方法。隨爐料裝入脫硫渣時，脫硫速度很快，在不延長精煉期的前提下，可以達到良好的脫硫效果。在熔渣脫硫的基礎上進一步加鈣脫硫，加鈣的終產(chǎn)物為CaS 和氧硫化鈣或鈣酸鹽的復合物，在合金液中極易上浮被去除，即使有少量殘留，也由于它們在變形過程中始終保持球形，不僅不會對合金性能造成不利影響，有時還提高合金的各向同性性能。常用堿性渣為CaO、CaO-CaF2、CaO-CaF2-Al2O3。   

實際上，1Cr10Co6MoVNbN 等鋼中[%S] ≤0.005%時，硫化物類夾雜含量達到技術條件要求。  

配料時當[%S]為0.006%~0.008%，使用CaO劑脫硫可達到目的，方法是在熔煉中前期直接加入石灰塊。

1.3.3 脫硫效果 爐號：T12M4-124，配料[%S]為0.006%，裝合金料時隨爐裝入第一批石灰塊18kg，加料后期加入第二批12kg，工頻攪拌，熔清取樣分析[%S]為0.004%，鋼錠[%S]為0.004%?？梢?，CaO劑脫硫收到明顯效果。

2. 結(jié)論

（1）真空感應爐冶煉采用“（隨爐裝）碳塊——（ 后期加）Si-Ca 聯(lián)合脫氧法”，生產(chǎn)的1Cr10Co6MoVNbN棒材，非硫化物類主夾雜含量達到標準要求。

（2）選用低S、P純鐵，真空感應爐冶煉采用“CaO 脫硫”工藝，生產(chǎn)的棒材[%S]≤0.005%，硫化物類主夾雜含量達到標準要求。

來源：攀鋼集團江油長城特殊鋼股份有限公司