使用全自动扫描电子显微镜 (SEM) 评估液态金属加工样品

粗钢生产在高温环境下引入了高氧化性条件。无论是采用高炉/转炉联合工艺，还是在电弧炉中对废钢和替代铁元素进行重熔，钢水都会吸收数百甚至数千 ppm 的溶解氧。为了降低钢水中氧的活度，可以添加碳、锰、硅、铝、钛和钙等多种元素，这些元素对氧的亲和力各不相同。例如，在熔池中添加约 200 ppm 的铝，可以将溶解氧降低至约 3 ppm，从而使微米级的 AlO 颗粒均匀分布在钢水中。此外，钙对氧的亲和力更强，但由于其沸点低，因此它不用于初级脱氧，而是用于改性夹杂物。

图 1. 氧化铝团簇（顶部）和 TiN 立方体（底部）在夹杂物顶部沉淀的扫描电镜成像

Part.1方法与结果

本研究旨在揭示夹杂物群体在添加铝作为主要脱氧剂、钛作为氮清除剂以及钙改性夹杂物的过程中如何变化。本研究采用 Phenom ParticleX Steel 全自动钢铁夹杂物分析系统，扫描电镜（SEM）内置的背散射探测器可以轻松显示夹杂物的尺寸和形状，因为它们看起来比本体金属颜色更深。

铝脱氧可能会产生通常小于 10 微米的单个夹杂物，或形成更大的夹杂物簇，从而对表面质量或疲劳寿命产生负面影响。添加钛后，钛通常以氮化钛立方体的形式存在，从而阻止元素氮参与金属结构。图 1 显示了机械抛光钢样品中现有氧化物顶部的 AlO 颗粒簇和 TiN 沉淀物。

Phenom ParticleX Steel 全自动钢铁夹杂物分析系统还可以自动表征夹杂物。设备扫描了这些铝镇静钢样品 60 平方毫米区域内的任何直径超过2微米的特征，在本例中大约需要 20 分钟。同时，系统采集每个夹杂物的能谱（EDS）数据，然后可以根据其成分或形状进行分类。

如图 2 Ca-Al-Mg 三元相图所示，氧化物几乎是纯氧化铝，另外还含有 2% 的 Mg 和 0% 的 Ca。由于该钢是在 RH 脱气器中精炼的，夹带的炉渣很少，因此几乎没有夹杂物污染。此外，图 2 中还显示了 Ti-Al-N 三元相图，以反映钛的添加。在 Ti 和 N 的顶点之间，存在着纯 TiN 夹杂物。从这里到 Al 的拐角处，存在一个连续的颗粒结构，我们可以推断，每个颗粒中 AlO 的相对含量增加，而 TiN 的含量则向拐角处减少。氧化铝类特征的夹杂物指数（或面积分数）为 0.0024%。如果在熔体中添加钙，这些 AlO 夹杂物就需要转变。

图2铝镇静钛处理钢的自动SEM成像。图中显示了单个样品的 Ca-Al-Mg 三元系（左）和 Ti-Al-N 三元系（右）以及颗粒分类表（下）

另一方面，钙处理钢会产生一组全新的夹杂物。它们可以进一步将溶解氧含量降低至约 1 ppm，同时改性现有的氧化物并与元素硫发生反应。钙处理的一个常见目的是改变形状，将易团聚的固体氧化物转变为低熔点的铝酸钙。要形成熔点更低的 12CaO.7AlO (C12A7) 夹杂物成分，需要平衡钙的添加量和钢水中夹杂物的含量。如果钙添加量过少，夹杂物仍然具有高熔点，容易团聚并堵塞浇注水口。如果钙添加量过高，氧化物中可能会富含 CaO，并可能形成新的硫化钙 (CaS)。 后者对于管材而言是理想的，因为它试图最大限度地减少硫化锰夹杂物，但这对控制钢水流动的钢包或中间包内的连铸耐火材料有害。当硫化钙夹杂物遇到钢包板或中间包塞棒等氧化物耐火材料时，硫会从夹杂物中释放出来，耐火材料会受到钙元素的侵蚀。

图3添加钙后铝镇静钢包样品的自动扫描电镜成像。Ca-Al-S 三元相图（上）和分类表（下）显示，该炉钢中的夹杂物富含钙和硫，平均夹杂物中的硫含量（28%）高于铝含量（19%）

图4铝镇静、钙处理钢中间包样品的自动扫描电镜成像。Ca-Al-S 三元相图（上）和分类表（下）显示了与图 3 中的钢包样品相比，该炉钢中的夹杂物如何吸收铝并损失元素硫

图 3 和图 4 显示了从铝镇静、钙处理钢种中采集的一对样品，每个分析时间均少于 40 分钟。一个样品在所有处理完成后于钢包中采集，另一个样品于连铸炉中段于中间包中采集。虽然这些样品来自同一种钢种，但可以观察到夹杂物种类的变化。钢包和中间包夹杂物的类型从 CaS 到 C12A7 以及其他钙铝酸盐，但可以观察到细微的差别。钢包和中间包夹杂物的平均硫含量分别为 28% 和 21%。这意味着，钢水从钢包到中间包的运输过程中，夹杂物中的硫或 CaS 会有所损失。为了平衡硫的损失，夹杂物中会相应地增加铝（以 AlO 的形式）。分类夹杂物强化了这一概念，因为 CaS 特征的数量减少了一半，而 C12A7 特征的数量增加了一倍。从某种意义上说，中间包中总会存在再氧化，因此钢包中一些 CaS 夹杂物的缓冲作用将有助于在中间包中保持所需的 C12A7 夹杂物类型。在本例中，C12A7 类型特征的夹杂物指数从钢包中的 0.0011% 增加到中间包中的 0.0282%。对于任何类型的夹杂物都可以进行类似的比较。

Phenom ParticleX Steel 全自动钢铁夹杂物分析系统上的 Perception Reporter 软件可轻松创建报告。只需点击几下，即可创建一个包含夹杂物分类表、直方图、三元图等的新模板。每个部分都可以编辑，以仅包含您需要的规则类别。模板准备就绪后，每个扫描的样品都可以自动生成报告。

图5报告生成器截图展示了如何通过组合元素阈值、在每个顶点选择最多三个元素以及编辑斑点大小、形状和颜色来创建夹杂物三元图

Part.2结论 

使用 Phenom ParticleX Steel 全自动钢铁夹杂物分析系统进行手动和自动夹杂物分析。结果表明，先用铝进行初步脱氧，然后添加钛，会产生富含 AlO 的氧化物，而这些氧化物往往是 TiN 异质沉淀的场所。而钙处理则会产生 CaS 和铝酸钙夹杂物的分布。无论您是在研究新的精炼技术还是评估中间包的输送实践，快速夹杂物分析都是验证工艺改进的关键。