使用全自動掃描電子顯微鏡 (SEM) 評估液態金屬加工樣品

粗鋼生產在高溫環境下引入了高氧化性條件。無論是采用高爐/轉爐聯合工藝，還是在電弧爐中對廢鋼和替代鐵元素進行重熔，鋼水都會吸收數百甚至數千 ppm 的溶解氧。為了降低鋼水中氧的活度，可以添加碳、錳、硅、鋁、鈦和鈣等多種元素，這些元素對氧的親和力各不相同。例如，在熔池中添加約 200 ppm 的鋁，可以將溶解氧降低至約 3 ppm，從而使微米級的 AlO 顆粒均勻分布在鋼水中。此外，鈣對氧的親和力更強，但由于其沸點低，因此它不用于初級脫氧，而是用于改性夾雜物。

圖 1. 氧化鋁團簇（頂部）和 TiN 立方體（底部）在夾雜物頂部沉淀的掃描電鏡成像

Part.1方法與結果

本研究旨在揭示夾雜物群體在添加鋁作為主要脫氧劑、鈦作為氮清除劑以及鈣改性夾雜物的過程中如何變化。本研究采用 Phenom ParticleX Steel 全自動鋼鐵夾雜物分析系統，掃描電鏡（SEM）內置的背散射探測器可以輕松顯示夾雜物的尺寸和形狀，因為它們看起來比本體金屬顏色更深。

鋁脫氧可能會產生通常小于 10 微米的單個夾雜物，或形成更大的夾雜物簇，從而對表面質量或疲勞壽命產生負面影響。添加鈦后，鈦通常以氮化鈦立方體的形式存在，從而阻止元素氮參與金屬結構。圖 1 顯示了機械拋光鋼樣品中現有氧化物頂部的 AlO 顆粒簇和 TiN 沉淀物。

Phenom ParticleX Steel 全自動鋼鐵夾雜物分析系統還可以自動表征夾雜物。設備掃描了這些鋁鎮靜鋼樣品 60 平方毫米區域內的任何直徑超過2微米的特征，在本例中大約需要 20 分鐘。同時，系統采集每個夾雜物的能譜（EDS）數據，然后可以根據其成分或形狀進行分類。

如圖 2 Ca-Al-Mg 三元相圖所示，氧化物幾乎是純氧化鋁，另外還含有 2% 的 Mg 和 0% 的 Ca。由于該鋼是在 RH 脫氣器中精煉的，夾帶的爐渣很少，因此幾乎沒有夾雜物污染。此外，圖 2 中還顯示了 Ti-Al-N 三元相圖，以反映鈦的添加。在 Ti 和 N 的頂點之間，存在著純 TiN 夾雜物。從這里到 Al 的拐角處，存在一個連續的顆粒結構，我們可以推斷，每個顆粒中 AlO 的相對含量增加，而 TiN 的含量則向拐角處減少。氧化鋁類特征的夾雜物指數（或面積分數）為 0.0024%。如果在熔體中添加鈣，這些 AlO 夾雜物就需要轉變。

圖2鋁鎮靜鈦處理鋼的自動SEM成像。圖中顯示了單個樣品的 Ca-Al-Mg 三元系（左）和 Ti-Al-N 三元系（右）以及顆粒分類表（下）

另一方面，鈣處理鋼會產生一組全新的夾雜物。它們可以進一步將溶解氧含量降低至約 1 ppm，同時改性現有的氧化物并與元素硫發生反應。鈣處理的一個常見目的是改變形狀，將易團聚的固體氧化物轉變為低熔點的鋁酸鈣。要形成熔點更低的 12CaO.7AlO (C12A7) 夾雜物成分，需要平衡鈣的添加量和鋼水中夾雜物的含量。如果鈣添加量過少，夾雜物仍然具有高熔點，容易團聚并堵塞澆注水口。如果鈣添加量過高，氧化物中可能會富含 CaO，并可能形成新的硫化鈣 (CaS)。 后者對于管材而言是理想的，因為它試圖最大限度地減少硫化錳夾雜物，但這對控制鋼水流動的鋼包或中間包內的連鑄耐火材料有害。當硫化鈣夾雜物遇到鋼包板或中間包塞棒等氧化物耐火材料時，硫會從夾雜物中釋放出來，耐火材料會受到鈣元素的侵蝕。

圖3添加鈣后鋁鎮靜鋼包樣品的自動掃描電鏡成像。Ca-Al-S 三元相圖（上）和分類表（下）顯示，該爐鋼中的夾雜物富含鈣和硫，平均夾雜物中的硫含量（28%）高于鋁含量（19%）

圖4鋁鎮靜、鈣處理鋼中間包樣品的自動掃描電鏡成像。Ca-Al-S 三元相圖（上）和分類表（下）顯示了與圖 3 中的鋼包樣品相比，該爐鋼中的夾雜物如何吸收鋁并損失元素硫

圖 3 和圖 4 顯示了從鋁鎮靜、鈣處理鋼種中采集的一對樣品，每個分析時間均少于 40 分鐘。一個樣品在所有處理完成后于鋼包中采集，另一個樣品于連鑄爐中段于中間包中采集。雖然這些樣品來自同一種鋼種，但可以觀察到夾雜物種類的變化。鋼包和中間包夾雜物的類型從 CaS 到 C12A7 以及其他鈣鋁酸鹽，但可以觀察到細微的差別。鋼包和中間包夾雜物的平均硫含量分別為 28% 和 21%。這意味著，鋼水從鋼包到中間包的運輸過程中，夾雜物中的硫或 CaS 會有所損失。為了平衡硫的損失，夾雜物中會相應地增加鋁（以 AlO 的形式）。分類夾雜物強化了這一概念，因為 CaS 特征的數量減少了一半，而 C12A7 特征的數量增加了一倍。從某種意義上說，中間包中總會存在再氧化，因此鋼包中一些 CaS 夾雜物的緩沖作用將有助于在中間包中保持所需的 C12A7 夾雜物類型。在本例中，C12A7 類型特征的夾雜物指數從鋼包中的 0.0011% 增加到中間包中的 0.0282%。對于任何類型的夾雜物都可以進行類似的比較。

Phenom ParticleX Steel 全自動鋼鐵夾雜物分析系統上的 Perception Reporter 軟件可輕松創建報告。只需點擊幾下，即可創建一個包含夾雜物分類表、直方圖、三元圖等的新模板。每個部分都可以編輯，以僅包含您需要的規則類別。模板準備就緒后，每個掃描的樣品都可以自動生成報告。

圖5報告生成器截圖展示了如何通過組合元素閾值、在每個頂點選擇最多三個元素以及編輯斑點大小、形狀和顏色來創建夾雜物三元圖

Part.2結論 

使用 Phenom ParticleX Steel 全自動鋼鐵夾雜物分析系統進行手動和自動夾雜物分析。結果表明，先用鋁進行初步脫氧，然后添加鈦，會產生富含 AlO 的氧化物，而這些氧化物往往是 TiN 異質沉淀的場所。而鈣處理則會產生 CaS 和鋁酸鈣夾雜物的分布。無論您是在研究新的精煉技術還是評估中間包的輸送實踐，快速夾雜物分析都是驗證工藝改進的關鍵。