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現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向是高純凈化、細(xì)晶?；⒏呔鶆蚧?。細(xì)化晶粒有利于提高材料的強(qiáng)度與塑性，還有利于提高材料的表面性能與物理性能，對(duì)于普通鑄件添加晶粒細(xì)化劑是獲得細(xì)晶組織的一種重要方法，但是有時(shí)因外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的加入，使外來(lái)顆粒、夾雜增多，塑性降低。近年來(lái)有研究者提出，利用熔融玻璃凈化法、循環(huán)過(guò)熱凈化法以及懸浮熔煉技術(shù)可減少或消除金屬液內(nèi)部的有效異質(zhì)核心而獲得大過(guò)冷度，深過(guò)冷的凝固組織使晶粒細(xì)化，雜質(zhì)分布改善同純凈鋼生產(chǎn)過(guò)程中，隨著鋼液純凈度提高，鋼中雜質(zhì)和非均質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量減少，勢(shì)必會(huì)影響鋼液結(jié)晶過(guò)冷度和凝固組織晶粒度。目前，鋼液純凈度對(duì)過(guò)冷度和晶粒度的影響國(guó)內(nèi)外研究甚少。本文采用玻璃包熔懸浮熔煉的方法研究低碳鋼的純凈度、過(guò)冷度及晶粒度之間的關(guān)系，為純凈鋼生產(chǎn)過(guò)程中凝固組織的控制提供基礎(chǔ)的理論研究。

1. 試驗(yàn)方法 

實(shí)驗(yàn)采用真空懸浮玻璃包熔凈化法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中包熔凈化用玻璃粉的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:SiO2: 80%，B2O3:18%，Al2O3:2%。實(shí)驗(yàn)所用原料為Q235鋼，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C0.17%，Si0.22%，Mn0.49%，P 0.022%，S 0.0062%。將玻璃粉和7～8g的原料一起裝入內(nèi)徑為15 mm,高為150 mm的石英管內(nèi)，密封抽真空，然后反充純度為99.999%的Ar氣，將石英管放入高頻懸浮線圈內(nèi)，通電加熱熔化管內(nèi)的玻璃粉和鋼料，鋼液在液態(tài)玻璃渣的包熔懸浮下凈化，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。凈化處理結(jié)束后，斷電冷卻鋼液，待鋼液凝固后，將石英管放入水中急冷。

本實(shí)驗(yàn)將試樣和玻璃粉熔化、包熔處理、冷卻凝固1次定為包熔1次，將包熔1次后的試樣與玻璃渣再經(jīng)熔化、包熔處理、冷卻凝固1次稱為包熔2次，其余類推每次從熔化到凝固的包熔時(shí)間約為45s，凝固冷卻速度約為2x103K/min。實(shí)驗(yàn)中用紅外測(cè)溫裝置測(cè)定鋼料的凝固溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)熔化溫度精確測(cè)定有困難，而凝固溫度可由再輝點(diǎn)溫度得到，因此，過(guò)冷度由理論計(jì)算的液相線溫度和測(cè)定的凝固溫度之差確定。    

用Qwin圖像分析儀測(cè)定凝固后試樣中的夾雜物分布，用掃描電鏡分析夾雜物的成分，通過(guò)顯微硬度測(cè)定和X射線衍射分析確定試樣的組織結(jié)構(gòu)，試樣用硝酸酒精溶液侵蝕后利用定量金相法測(cè)定其晶粒尺寸。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真空懸浮玻璃包熔后鋼液的純凈度

在電磁懸浮力作用下，懸浮于石英管中的鋼液與熔融玻璃進(jìn)行物理吸附化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到去除異質(zhì)形核核心、提高鋼液純凈度的目的。本實(shí)驗(yàn)利用圖像分析儀測(cè)定了不同包熔處理次數(shù)時(shí)凝固試樣中夾雜物的含量(面積分?jǐn)?shù))，結(jié)果如圖2所示。

從上圖可見(jiàn)，真空玻璃包熔后試樣的夾雜物含量比原始試樣低，玻璃包熔起到了凈化鋼液的目的.隨包熔次數(shù)增加，夾雜物面積分?jǐn)?shù)逐漸減少，包熔4次時(shí)達(dá)到最小值但是包熔4次以后又有所增加.原因是隨包熔次數(shù)增加鋼液中雜質(zhì)逐漸被玻璃渣吸收，夾雜物含量減少，但包熔一定次數(shù)后，玻璃渣吸收雜質(zhì)能力達(dá)到飽和，無(wú)法繼續(xù)凈化鋼液.而原被吸附或吸附在渣-鋼界面上的雜質(zhì)由于鋼液的電磁攪拌作用部分重新回到鋼液中，導(dǎo)致包熔一定次數(shù)后純凈度降低用配有能譜的掃描電鏡分析夾雜物的成分，夾雜物的原始組成為Al，Ca，Si的氧化物和Mn的硫化物。包熔后夾雜物的組成見(jiàn)圖3，4。可見(jiàn)包熔后夾雜物主要為Si的氧化物，說(shuō)明在包熔過(guò)程中，玻璃渣包熔掉了大部分Al，Ca的氧化物和MnS夾雜，但是對(duì)Si的氧化物的去除不充分。

熔融玻璃利用粘性吸附可以吸附鋼液中的雜質(zhì)，玻璃渣中的B2O可與金屬氧化物反應(yīng)生成易熔的硼酸鹽起到去除雜質(zhì)凈化鋼液的目的，即：

2.2 真空懸浮玻璃包熔下鋼液的過(guò)冷度   包熔凈化所用原料Q235鋼的熔化溫度由下式計(jì)算得到：

根據(jù)原料成分，代入上式計(jì)算得到試樣的熔化溫度為1791K。在本實(shí)驗(yàn)約為2x103K/mmin 的冷卻速度條件下測(cè)得的凝固溫度和過(guò)冷度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，無(wú)玻璃包熔經(jīng)真空懸浮凈化一次、去氣后的鋼樣其過(guò)冷度達(dá)到106K。由表1可見(jiàn)，鋼樣經(jīng)玻璃包熔后，由于液態(tài)玻璃渣與鋼液中非均質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)間的物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，消除或者鈍化了鋼中異質(zhì)形核核心，提高了鋼液純凈度，其過(guò)冷度得到大幅度提高，達(dá)到210-328K。隨包熔次數(shù)增加，過(guò)冷度先增后減，包熔4次過(guò)冷度達(dá)最大值。

圖5示出過(guò)冷度及夾雜物含量與包熔次數(shù)的關(guān)系從圖可見(jiàn)，隨包熔次數(shù)增加，夾雜物含量減少，純凈度增大，過(guò)冷度相應(yīng)增大。包熔4次以后，夾雜物增多，鋼液中異質(zhì)形核核心增加，純凈度降低，過(guò)冷度也開(kāi)始降低，表明鋼液純凈度提高能增加鋼液的過(guò)冷度，在凈化過(guò)程中過(guò)冷度無(wú)法進(jìn)一步提高的原因是熔融玻璃的凈化能力達(dá)到飽和，同時(shí)被玻璃吸附的雜質(zhì)大部分?jǐn)U散到了金屬與玻璃的界面上，它們有可能依舊作為異質(zhì)有效核心，導(dǎo)致異質(zhì)形核，影響大過(guò)冷度的獲得，另外，玻璃中的固有雜質(zhì)也可能作為異質(zhì)有效核心，使過(guò)冷度無(wú)法提高。

2.3 真空懸浮玻璃包熔后低碳鋼的晶粒度

為確定包熔處理時(shí)試樣組織結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)試樣的基體組織進(jìn)行了顯微硬度和X射線衍射分析。表2為每個(gè)試樣測(cè)量3次的顯微硬度(HV)值。    

由表2可見(jiàn)，所有試樣基體組織的顯微硬度都在鐵素體的顯微硬度(125-315)范圍內(nèi)，從而可以判斷基體組織為鐵素體，為進(jìn)一步確定試樣的組織對(duì)試樣做了X射線衍射分析，結(jié)果表明其基體組織為鐵素體結(jié)構(gòu)。

圖6為晶粒尺寸與過(guò)冷度隨包熔次數(shù)的變化關(guān)系圖，從圖可見(jiàn)，當(dāng)過(guò)冷度增大時(shí)，晶粒尺寸相應(yīng)減小，這是因?yàn)檫^(guò)冷度增大，形核驅(qū)動(dòng)力增大，晶粒的臨界半徑減小，形核數(shù)增加，導(dǎo)致晶粒尺寸變小。

3. 結(jié)論

(1)經(jīng)真空芯浮玻璃包熔凈化，低碳鋼的純凈度提高，在本實(shí)驗(yàn)條件下，包熔4次時(shí)的效果最好。

(2)在約為2000K/min 冷卻條件下，無(wú)玻璃包熔鋼樣過(guò)冷度為106；玻璃包凈化后過(guò)冷度達(dá)到210～328K，包熔4次時(shí)過(guò)冷度達(dá)最大值，過(guò)冷度隨鋼液純凈度的提高而增大。

(3)經(jīng)玻璃包熔后，低碳鋼的純凈度得到提高，過(guò)冷度增加，晶粒細(xì)化。