（钢铁冶金专业论文）sphe钢ldbarrhcc过程非金属夹杂物研究.pdf

武汉科技大学 j!y|iifll愕fl l 型f f 型掣掣炒 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：型塞堡 一 指导教师签名：星趣差主 日 期：j 坐生叫 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 摘要 本文在查阅大量文献和分析总结国内外对非金属夹杂物研究的基础上，通过丌展生产 现场试验、取过程钢水样，对钢水样进行会相分析、扫描电镜分析等实验测定，研究了s p h e 钢水l d b 时- r h c c 过程中非金属央杂物数量、粒度及物种演变，并分析了此过程中非金 属夹杂物的来源。 研究结果表明：在l d b 舡r h c c 精炼操作过程中，钢水单位面积非金属央杂物个数 和夹杂物面积百分数都一路呈下降，表明吹氩、r h 及中包操作等炉外精炼对于降低钢水非 金属夹杂、净化钢水作用显著；在整个过程中，小颗粒夹杂不断碰撞、长大，造成o 5 | l m 及5 1 0 9 m 的夹杂总体上一路呈下降，而较大尺寸夹杂数目相对而言减小不明显，因为整个 过程中存在较大尺寸夹杂上浮，同时也发生小颗粒夹杂在运动中不断碰撞成大夹杂所致。 在l d b a 卜r h c c 过程中，吹氩i j i 夹杂物主要是a 1 2 0 3 夹杂；吹氩后，以a 1 2 0 3 + m n o 的复合 夹杂为主；l 讯处理后，a 1 2 0 3 夹杂增多；中包中，钢水中央杂物以复合夹杂为主。 通过本课题的研究可以看出，为了提高s p h e 钢质，在现有工艺条件下，减少和改善 钢中非金属夹杂，可采取的措施有：优化吹氩工艺，促进夹杂物去除；加强对钢水的保护， 避免二次氧化；对钢水中的非会属央杂物进行变性处理等。 关键词：s p h e 钢；l d b a 卜i m c c 过程；非金属央杂；演变 a b s t r a c t t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fr e f e r e n c i n gal a r g en u m b e ro fa v a i l a b l ed o c u m e n t s ，a sw e l la s a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gr e s e a r c h e s0 1 1t h en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s a th o m ea n da b r o a d t h r o u g hu s i n gt h ew a y so fs a m p l i n gi np r o d u c t i o n s i t ef o rm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，s c a n n m g e l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s i s ，s t u d i e dt h ec h a n g e so ft h en u m b e ra n ds i z eo fn o n - m e t a l l i c i n c l u s i o n so fs p h ea n dt h ee v o l u t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n ss p e c i e sa t a l l s t a g e so f l d b a r - r h c cp r o c e s s ，a n da l s oa n a l y z e dt h es o u r c eo f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nt h ep r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i nt h el d - b a r - r h c cr e f i n i n go p e r a t i o np r o c e s s , t h en u m b e ro f u n i ta r e aa n da r e ap e r c e n t a g eo fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nm o l t e ns t e e lo nt h ep r o c e s sw e r ew i t h t h ew h o l ew a yd o w n w a r d ，t h i ss h o wt h a tr e f i n i n go fb a r , r h ，a n dt h et u n d i s hp r o c e s sa r e s i g n i f i c a n tf o rp u r i f y i n gm o l t e ns t e e la n dr e d u c i n gn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si ni t t h r o u g h o u tt h e p r o c e s s t h es m a l lp a r t i c l e sm i x e dw i t hc o n s t a n tc o l l i s i o n ，g r e wu p ，r e s u l t i n gi n0 5 岬，a n d a m i x t u r eo f5 10 j t mi ng e n e r a la l lt h ew a yd o w n w a r dw h i l et h en u m b e ro fl a r g e rp a r t i c l e s r e d u c e dr e l a t i v en o n - o b v i o u s l y , b e c a u s et h ew h o l ep r o c e s s ，t h e r ew e r et h el a r g e rp a r t i c l e so t i n c l u s i o n sf l o a t i n g , b u ta l s oi nm o t i o n ，s m a l lp a r t i c l e sm i x e dw i t hc o n s t a n tc o l l i s i o n sc o m e i n t o l a r g e rp a r t i c l e s i nt h el d b a r - r h - c cp r o c e s s ， a 1 2 0 3b e c o m em a i ni n c l u s i o n sb e f o r el i q u i d s t e e la r r i v i n ga r g o ns t a t i o n ；a f t e rb l o w i n ga r g o n ，a 1 2 0 3 + m n o b e c o m em a i ni n c l a s i o n s ；a f t e r r h 仃e a 缸n a l t ，a 1 2 0 3i n c l u s i o n si n c r e a s e d ；i nt h et u n d i s h ，c o m p o s i t ei n c l u s i o n sb e c o m em a i n i n c l u s i o n si nm o l t e ns t e e l a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h e s ，i no r d e rt oe n h a n c eq u a l i t yo fs p h es t e e l ，t or e d u c ea n d i m p r o v en o n - m e t a l l i ci ns t e e l i n c l u s i o n su n d e rc u r r e n tc o n d i t i o n s ，t h ef o l l o w i n g sa r e $ o m e m e a 吼h ca n ds u g g e s t i o n s ：o p t i m i z i n gt h eo p e r a t i o no fa rb l o w i n gt oh e l pt h ef l o a t i n go ft h e i n c l u s i o n s ；s t r e n g t h e n i n gt h ep r o t e c t i v ec a s t i n gt oa v o i dt h es e c o n do x i d i z a t i o n ；n o n - m e t a l l i c i n c l u s i o n si nm o l t e ns t e e lf o rd e g e n e r a t i o nt r e a t m e n t k e y w o r d s ： s p h es t e e l ；l d b a r - r h - c cp r o c e s s ；n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n ；e v o l u t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i l 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章文献综述1 1 1s p h e 钢及其生产工艺流程。l 1 1 1s p h e 钢1 1 1 2s p h e 钢生产工艺流程2 1 2 钢中非金属央杂物类型2 1 2 1 氧化物央杂物3 1 2 2 硫化物央杂物3 1 3 钢中非金属央杂物的来源4 1 3 1内生夹杂物的来源4 1 3 2 外来夹杂物的来源5 1 4 非金属夹杂物对钢性能的影响5 1 5 钢中非金属夹杂物的研究分析方法8 1 6 本文研究的目的与意义：8 第二章试验研究10 2 1 工业生产试验1 d 2 1 1 试验钢种及炉数1 0 2 1 2 取样1 0 2 2 实验室试验1 0 2 2 1钢样制作l o 2 2 2 钢样分析1 2 第三章s p h e 钢水l d b a r - r h c c 过程夹杂物数量参数测定结果及分析1 5 3 1 钢水夹杂物数量参数测定结果1 5 3 2 钢水单位面积夹杂物个数演变及分析15 3 3 钢水夹杂物面积百分数演变及分析1 6 第四章s p h e 钢水l d b a r - r h c c 过程夹杂物粒度分布测定结果及分析1 2 1 4 1 钢水夹杂物粒度分布测定结果l8 4 2 钢水夹杂物粒度分布演变及分析l8 第五章s p h e 钢水l d b a r - r h c c 过程夹杂物物种测定结果及分析2 1 5 1 测定结果2l 5 1 1 氩站前钢水夹杂物物种测定结果2 l 5 1 2 氩站后钢水夹杂物物种测定结果2 5 5 1 3 r h 后钢水夹杂物物种测定结果。2 8 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 5 1 4 中包钢水夹杂物物种测定结果3 0 5 2l d b a r - r h c c 过程中央杂物物种演变及来源分析3 4 5 2 1l d b a r - r h c c 过程中央杂物物种演变3 4 5 2 2l d b a r - r h 。c c 过程央杂物物种演变及来源分析3 4 第六章减少和改善钢水非金属央杂物的措施。3 6 6 1 控制央杂物的生成3 6 6 1 1 转炉冶炼中央杂物的控制3 6 6 1 2 降低钢中的 o 含量。3 6 6 1 3防止钢包下渣3 6 6 1 4 防止二次氧化：。：。：i3 7 6 1 5 采用高质量的耐火材料3 7 6 1 6 造合适的精炼渣3 7 6 1 7 采用性能适宜的保护渣3 7 6 1 8 采用形状适宜的浸入式水口3 8 6 2 夹杂物的去除。3 8 6 2 1吹氩气搅拌去除夹杂物3 8 6 2 2 喷入粉剂去除钢中的杂质元素3 8 6 2 3优化中间包工艺技术3 8 6 3 作好夹杂物的变形处理3 9 6 3 1 氧化物夹杂物的变形处理3 9 6 3 2 硫化物夹杂物的变形处理3 9 第七章结论4 i 参考文献。4 2 1 改谢4 1 ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 随着钢企冶炼技术的发展，市场竞争的加剧，用户对钢质量的要求越来越高，钢铁企 业为了增强产品的竞争力，需要不断地创新，提高生产技术，使钢铁产品的质量得到保证 和生产成本得到降低。而与产品质量有着密切关系的是钢中夹杂物，钢中央杂物的存在不 仅破坏了钢基体的连续性，还造成钢组织的不均匀，从而使钢的性能直线变差。而且，在 * l n 过程中非金属夹杂物还会使钢形成裂纹，这些裂纹严重影响了钢材的性能，它是钢材 的断裂源。非金属夹杂对钢材的另一危害就是：使钢材在受力过程中，容易形成应力集中， 造成钢材强度下降。此外，钢中非金属央杂物还能提高钢的脆性转变温度，使钢材有变脆 的倾向1 1 。2 j 。因此，我们在冶炼过程中应尽量降低钢液内的非金属夹杂物去提高钢液纯净度。 由于非金属央杂物造成钢的缺陷，严重地影响了钢的性能，因此许多年以来，很多从 事冶金工作的人对钢中非金属央杂物的大小、分布、形成、数量及其对钢性能的影响进行 了大量的研究。k i e s s l i n g 曾做个这样的计算，假如钢中仅含l l o 。6 的氧与l x l 0 西的硫，且 全部转化为直径l u m 的球状a 1 2 0 3 和m n s ，那么每吨钢中夹杂物的个数将达到l o 眨量级【3 1 。 可见，不管炼钢技术如何发展、改进，在现代技术条件下，钢中总还是有些非金属央杂物， 只有在现有生产技术条件下，通过了解央杂物变的化规律，和其对钢性能之间的影响关系， 研究夹杂物在钢中的行为，从而控制钢中央杂物的类型、含量、分布、形态，达到允许的 程度；同时，继续加强研究央杂物变形处理，这是当今钢企提高、改善钢质量的有效途径 【4 7 1 。 1 1s p h e 钢及其生产工艺流程 1 1 1s p h e 钢 s p h e 钢是一种冲压型的热轧酸洗钢板，是日本钢材( j i s 系列) 的牌号中普通结构钢 的一种，根据日本钢材( j i s 系列) 的牌号中普通结构钢编号方法，s p h e _ 一第一个s 表示 钢( s t e e l ) ，第二个p 表示板( p l m e ) ，第三个h 表示热( h e m ) ，第四个e 表示深冲压，整 体表示深冲用的热轧钢板及钢带。溯的s p h e 热车l 锵带，具有良好的延展性，可任意弯 曲成1 8 0 。，适用于简单成型、弯曲或焊接加工，通过适当控制也可以承受复杂剧烈变形 条件。汽车厂用于制作结构件和冲压件如悬臂、拖架及轻型车的制动底板等；家电厂将该 类热轧钢带顶替冷轧板用于制作要求深冲性能的冰箱、空调的压缩机外壳。同时，国内外 冷轧厂将高品质s p h e 热轧钢带作为生产汽车和家电用冷轧板或镀锌板的生产原料被广泛 采用。s p h e 钢种厚度以2 6 m m 4 0 m m 居多。 s p h e 主要性能为非比例延伸强度r p o 2 _ 2 7 4 m p a ，抗拉强度为r m = 3 3 4 m p a ，断后伸 长率a ：4 8 9 。s p h e 钢中的成分通常是获得良好深冲性能的关键，s p h e 成分包括三类： 一类是c 、s i 、m n 以及a l s 等一些合金元素；二类是钢水中的s 、p 、n 、o 等形成夹杂物 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 的杂质元素；三类是原料中残留的如a s 、c u 、s n 、p b 等有害元素，这三类元素均对s p h e 的冲压性能产生不同程度影响。通过理论计算与分析，s p h e 的化学成分( 熔炼分析) 如 下表所示： 表1 1深冲用钢s p h e 化学成分 对于第二和第三类元素来说，在工艺允许的条件下，尽量采用较为低廉的工艺成本进行去 除，或最大限度地减少从原料中带入。 1 1 2s p h e 钢生产工艺流程 s p h e 钢水的生产采用工艺流程为：铁水预处理一1 0 0t 顶底复吹转炉冶炼一氩站吹氩 搅拌一i m 真空处理- - c c 连铸连轧。喷吹法脱硫站采用纯m g 脱硫剂，平均处理周期为 3 2 m i n 炉；转炉平均冶炼周期为3 4 m i n 炉，转炉出钢过程中加铝脱氧剂、调渣剂，脱氧剂、 调渣剂的加入量根据实际生产量而定。在上r h 之前，钢水运到氩站进行添加覆盖剂等操 作，在氩站平均停留时间为2 5 m i n ，出站到过磅时间平均为6 m i n 。在r h 工序段，处理周 期为3 3 m i n ，包括r h 处理前的辅助作业( 钢包车开至处理工位、处理前测温取样等) 、纯处 理时间( 抽真空、吹氧脱碳、测温取样、定氧、终脱氧、合金化、温度调整、成分均匀、真 空室复压等) 、r h 处理后的辅助作业( 最终测温取样、加保温剂等) 。然后，钢水经中间包 到结晶器，通过弧形连铸机生产出铸坯，最后至c c 轧机轧制成热轧钢板及钢带。 钢中非金属夹杂物类型 在钢铁冶炼、浇铸和钢水凝固过程中产生或混入的非金属相，一般称之为非金属夹杂 物。非金属相是一些金属元素( 如f e 、m n 、a i 、n b 等) 和s i ，与非金属元素( 如o 、s 、 n 、p 等) 结合而成的化合物。 钢中非金属夹杂物有成分、形态、尺寸大小等各种属性，不能把夹杂物简单地分成几 类。根据不同的需要，按不同的方式，有着不同的分类方法： ( 一) 从夹杂物化学成分分类，可以把钢中非金属夹杂分为氧化物夹杂，硫化物央杂 以及氮化物夹杂； ( 二) 以不同形态分类，不同夹杂物在热加工温度下具有不同的塑性，加工变形后钢 材中的夹杂物将呈不同的形态，可将夹杂物区分为：塑性夹杂，脆性夹杂，不变形性夹杂， 半塑性夹杂物； ( 三) 以夹杂物的尺寸大小分类，可以分为显微夹杂和宏观夹杂，显微夹杂物尺寸比 较小，不大于5 0 u m ，一般在2 0 u m 以下：宏观夹杂物为大型夹杂物，尺寸大于5 0 u r n ： 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 ( 四) 对夹杂物进行显微评定时，按照美国材料协会与试验协会a t s m e 4 5 _ - 7 9 标准 和我国国家标准g b l 4 5 1 6 - - 8 9 分类，将央杂物分为四类，即a 类硫化物、b 类氧化铝类夹杂、 c 类硅酸盐和d 类球状( 或点状) 氧化物。 从目前最普遍的分类方法来看，一般是对央杂物进行化学成分分类。钢中的非会属夹 杂物主要是各种元素，特别是金属元素在钢中形成的氧化产物和硫化产物，而直接影响钢 性能的非金属夹杂物也基本上就是这两类，所以下面重点介绍氧化物夹杂、硫化物夹杂。 1 2 1 氧化物夹杂物 氧化物系夹杂物：包括简单氧化物，复杂氧化物，硅酸盐和硅酸盐玻璃。其中的简单 氧化物是由于钢液前期的氧化及后期的脱氧反应所产生：女n f e o 、f e 2 0 3 、m n 0 、s i 0 2 、c a o 、 m g o 、c r 2 0 3 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 及其它被氧化的铁合金等。复杂氧化物是钢液内的简单氧化物 在高碱度、高温的炼钢条件作用下，继续反应生成的复杂氧化物、尖晶石类的络合物。复 杂夹杂包括f e o f e 2 0 3 、f e o a 1 2 0 3 、f e o c r 2 0 3 、m n o a 1 2 0 3m n o c r 2 0 3 以及钙的铝酸赫 等，这类化合物的成分有相当宽的变化范围；所以实际上，我们所遇到的尖晶石类夹杂物 可能是多相的，而且它的成分也偏离理论上的化学分子式，这类央杂物，因其具有尖晶石 结构而得名。硅酸盐也属于氧化物央杂，它是钢液前期氧化作用生成的金属碱性氧化物与 后期脱氧反应的酸性氧化物s i 0 2 及两性氧化物a 1 2 0 3 等在高温下进一步反应生成的，其成分 复杂，而且常常呈多相存在的，通用的化学式：l f e m m n o n a l 2 0 3 p s i 0 2 嗍。 钢中的氧含量与钢质量密切相关，在一般的炼钢方法中，钢中的成分及脱氧制度决定 钢铁中的氧含量，影响氧含量最重要的成分是碳，因为钢液中主要靠碳与氧反应时形成气 体逸出。除碳以外，一些与氧亲和力强的元素也会影响钢中的氧含量。现代用钢对钢中氧 含量日益严格。表1 2 为一些钢种的氧含量： 表1 2 某些洁净钢对氧含量的要求 够1一w 苷鼍罅”r 4 。 ”5 1 、：护+ 。甲1 锣誓 一 “警；镌裳 潮种一，绥；蕊锈车面板二盛，不锈钢板。、篷，轴承钢，t 曩二滋蘑线钢j 。兹；。巍j 掺胎钢丝麓a 【w o 】0 0 0 30 0 0 40 0 0 0 50 0 0 2o 0 0 3 1 2 2 硫化物夹杂物 工业生产中，钢中的硫化物主要有m n s 、f e s 、( f e ，m n ) s 和c a s 等，硫溶于钢中， 但在固态钢中的溶解度很小，所以在低温凝固时，只有少量的硫溶于钢中，大部分硫则存 在夹杂物中，但一般钢种的硫含量允许范围w s 】为0 0 1 5 , 4 ) 0 4 5 ，而炼钢生生铁的硫含 量却大大高于钢种允许范围，所以脱硫仍然是炼钢中的一项重要基本任务【9 】。 硫化物夹杂物有以下几个来源：( 1 ) 一些脱硫产物，如硫氧化合物和c a s 、c e s 、m n s 、 t i s 等；( 2 ) 在低温时，钢中析出的硫化物夹杂，( 3 ) 在钢液中，存在着硫化物夹杂物寄 生在氧化物表面，或硫化物夹杂包裹在氧化物表面。 按钢的铸态组织( 钢坯、钢锭) 中存在的硫化物的形状可分为以下四类：i 类夹杂： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 在硫含量较高，只用铝、硅、钛、钙脱氧，但脱氧不良的情况下，在大小不同的氧球状央 杂的表面结上一层硫化物外壳，形成复合夹杂物；这类硫化物央杂通常具有很好的塑性和 韧性；i i 类央杂：用适量的铝进行脱氧时，钢中生成的a 1 2 0 3 和m n s 夹杂物以极细球形形 成链状结构，分布在晶界上，或者在3 个晶粒的交界处共晶反应生成共晶式的薄膜；这类 硫化物央杂物的塑性和韧性极差；i i i 类央杂：用过量的铝进行脱氧时，形成的不规则的单 相硫化物夹杂，这类夹杂尺寸较大，任意分布，其塑性和韧性介于上两类硫化物央杂之问： 类夹杂：呈片状的硫化物央杂。硫化物形状对钢材的影响很大，链状或片状央杂物对钢 性能的影响比球状央杂物大，所以应该控制夹杂物的形式，为此向钢中喷入脱硫金属( c a 、 m g 等) ，也可以向钢中加入稀土金属，使硫化物夹杂从长条状变成较短的、或球状形式的 硫化物复合夹杂。 按钢液降温过程中形成的硫化物可以分为四种：一次夹杂：是在冶炼的温度条件下形 成的硫化物夹杂，一般是硫与强脱氧剂生成的硫化物夹杂( m g s 、c a s 、c e s ) ，或者是硫 氧化物夹杂( c e 2 0 2 s 、l a 2 0 2 s 等) 。二次夹杂：在钢液温度逐渐降低时，由脱硫能力增加 的元素所产生的硫化物央杂，如m n s 、t i s 等。三次夹杂：钢液在凝固的( 结晶) 过程之 中，硫按液相线和凝固线的比例析出，并与f e 、m n 等元素生成硫化物夹杂。四次央杂： 在钢凝固完毕后，钢的持续降温过程中从固相中析出的新相( 硫化物夹杂) 。 硫化物夹杂的直径一般比较小，在1 0 2 0 9 m 之间，从现代工艺过程中看，去夹杂物主 要是指去除液态中的夹杂物，就是原始的夹杂物和二次夹杂物，要想降低三、四夹杂物含 量，主要方法就是降低原始金属材料中的硫含量。 1 3 钢中非金属夹杂物的来源 非金属夹杂物的来源可分为两大类，内生夹杂物和外来夹杂物；外来夹杂系偶然产生， 通常颗粒较大，呈多角形，成分复杂，氧化物分布没有规律，但在钢中分布比较集中。相 对来讲，内生夹杂物的颗粒比较小，分布也比较均匀；炼钢中冶炼操作和脱氧方法决定了 内生夹杂物的组成和类型，对于一些合金钢来说，钢成分的变化对夹杂物组成的影响十分 突出，如锰、铝含量对形成的硫化物、氧化物影响甚大，髓、c e 、z r 、c a 等元素存在时对 夹杂物的影响十分显著。通常情况下，内生夹杂物与外来夹杂物交叉组织在一起，以外来 夹杂物为核心，内生夹杂物可能聚集在外来夹杂物上；外来夹杂物也有可能被钢水还原， 形成新的化合物。 1 j 1 内生夹杂物的来源 内生夹杂物是钢渣界面的化学反应和凝固时产生的，它的来源的主要为脱氧脱硫产 物，物别是一些颗粒小、或密度大的夹杂物没有及时排除；还有就是随着温度的降低，硫、 氧、氮等杂质元素的溶解度相应下降，以非金属夹杂物形式在钢中沉淀。形成内生夹杂物 的阶段有四个：第一个阶段：产生原始( 第一次) 夹杂，就是钢液脱氧反应时生成的脱氧 产物；第二个阶段：产生二次夹杂，就是在出钢和浇注过程中温度下降平衡移动时的生成 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 物；第三个阶段：产生再生( 或三次) 夹杂，就是钢凝固过程中元素溶解度降低、偏析而 发生反应形成的产物；第四个阶段：产生四次央杂，就是固态钢相变时因溶解度发生变化 而生成的产物 1 0 - 1 1 】。 1 3 2 外来夹杂物的来源 外来夹物的来源系偶然产生，一般情况下是：( 1 ) 炼钢原料带来的夹杂，炼钢用的原 料分为主原料、辅原料和各种铁合金：氧气顶吹转炉炼钢用的主原料为铁水和废钢( 生铁 块) 。炼钢用的辅原料指造渣剂( 石灰、萤石、白云石、合成造渣剂) 、冷却剂( 铁矿石、氧化 铁皮、烧结矿、球团矿) 、增碳剂以及氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、 硅锰合金、硅钙合金、金属铝等。原材料质量或操作过程中的不合理都会给钢液中带来外 来夹杂。( 2 ) 炉渣带来的央杂，炼钢过程中，炉渣在吸收金属液中的非会属夹杂物同时也 有可能浸入到钢液中污染钢液，形成央杂物。( 3 ) 耐火材料带来的夹杂，在炼钢过程中， 耐火材料始终与钢液接触，在受到钢液流动和高温影响，耐火材料入侵钢液形成央杂物。 ( 4 ) 钢液被大气氧化形成的氧化物，钢液在出钢和浇注过程中接触大气再氧化而形成的 夹杂物。 1 4 非金属夹杂物对钢性能的影响 钢中非金属夹杂物虽然为数不多，但对性能的影响却不可忽视。非金属夹杂物对钢的 强度、塑性、断裂韧性、切削、疲劳、热脆以及耐蚀等性能有很大影响，特别是当夹杂物 以不利的形状特征分布时，对钢的性能影响甚为严重【1 2 】。 统计结果表明，机器零件的失效9 0 以上为疲劳破坏。钢中非金属夹杂物的危害性就 在于它破坏了钢基体的连续性，造成了应力集中，促进了疲劳裂纹的产生，并在一定条件 下加速了裂纹的扩展，从而加速了疲劳破坏的过程。 衡量夹杂物对钢性能产生的危害，至少应从几个方面进行综合评定，即：夹杂物成分， 夹杂物的尺寸及大小分布，夹杂物的数量，夹杂物的形状，夹杂物之间的距离，夹杂物的 物理性质和夹杂物在) j ut 过程中的变形能力。 下面将谈谈夹杂物对钢的六个主要性能的影响。 ( 1 ) 非金属夹杂物对钢的强度影响 夹杂物尺寸大小对钢强度的影响很大。有人通过做实验，在烧结铁中加入尺寸不同( o 0 1 3 5 p , m ) 、比例( o 8 ) 、形状( 球形和棱角) 的氧化铝小颗粒央杂，得出结论【l3 】：在室温 条件下，当氧化铝夹杂超过i g m 时，屈服强度和抗张强度都降低；如果同时夹杂物的含量 很低时，那么降低屈服强度就特别敏感。长谷川正义【1 4 】把高熔点氧化物向浇注的钢流中 喷射时，研究了直径不同的氧化物夹杂，体积比对常温时抗张强度的影响，结果显示：不 管喷射何种氧化物试样，屈服和抗张强度都随粒子体积比的增大而升高。同时还有，在金 属断裂的时候，夹杂物中也经常形成裂纹，造成了钢的断裂，s m i t h 提出了关于边界夹杂物 开裂的强度断裂理论【1 5 】 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 非金属夹杂物对钢的塑性影响 通常非金属央杂物对钢材的纵向延性影响不是很大，而对横向延性的影响却很突出。 理论研究结果表明，高强度钢的横向断面收缩率与夹杂物总体含量和夹杂物形状有关，它 随着夹杂物总体含量的增加而降低；随着带状央杂物的增加，横向断面收缩率降低的非常 明显，因为高的应力集中往往发生在横向的带状央杂物上，这种央杂物主要是硫化物央杂。 f u n n e l l 等人【l6 】通过大量实验研究指出，央杂物对钢的高温延性有很突出的影响，在奥氏 体区，低碳钢的延性降低很快，其原因是细小的第二相析出物( 女i a i n ，t i n ，n b ( c ，n ) 等) 能 有效钉扎奥氏体晶界，从而大大降低延性。 ( 3 ) 非金属夹杂物对钢的断裂韧性影响 金属的断裂韧性是金属的一个固有特性，它指的是在低于屈服强度的应力条件下，抑 制已存在的裂纹并阻止它开始迅速扩展的能力。 文献【1 7 】中许多研究指出，钢的各种韧性参数指标随s 及硫化物的含量增加而降低，钢 的断裂韧性随着央杂物数量增多或夹杂物长度的增加而呈反比例下降。文献【1 8 1 中k r a f f t 最 早根据微孔聚集型的韧断模型，找到了k i 。与塑性参量n ( 形变强化指数) 、弥散质点平均间距 d 、以及强度参量e 之间的关系： k i 。：n e 历百 ( 1 1 ) 曾光廷等人【l9 】研究了对钢的断裂韧性有影响的氮化物和硫化物夹杂，并与k r a f f t 的韧 断模型计算值进行了比较、分析研究得出结果：对断裂韧性的危害影响由d , n 大按顺序依 次为v n _ t i s _ a i n - n b n _ z r n a 1 2 s 3 _ c e s _ m n s ；断裂韧性大小与夹杂物总体含量呈 线性反比例关系，t i s 基本上对断裂韧性没有影响。一些冶金工作者研究讨论了钢中裂纹根 源与夹杂物之间的作用问题【2 0 】，讨论研究的结果证明，钢中的脆性央杂物由于热膨胀系数 与钢基体不一样，容易在夹杂物周围产生内应力。当脆性夹杂物膨胀系数与钢相比差别比 较小时，就可能在钢基体与夹杂物的相接界面上产生空洞，比如硫化物夹杂；当脆性夹杂 物的膨胀系数与钢相比差别比较大时，就会产生膨胀应力，比如多数氧化物夹杂。 ( 4 ) 非金属夹杂物对钢的切削性能影响 钢的切削性能与钢中夹杂物种类、数量、尺寸、形状、分布以及夹杂物之间的距离等 几个因素有关f 2 l 】。 钢中的硫含量增加时，对于提高钢材的切削性能是非常有利的。据理论证明，如果硫 在钢材中全部以硫化物夹杂的形式存在时，含硫量0 2 的钢材可使切削性能提高到低硫钢 的两到三倍。钢中的m n s 夹杂物能显著提高钢材的切削性能，单相m n s 夹杂比氧化物复合 的m n s 夹杂更容易塑性变形，更能提高钢材的切削性能。皮克林和g l a d m a n 对m n s 夹杂数 量多少和尺寸大小对钢材切削性能的影响做了大量研究，最后得出结论：m n s 夹杂物数量 越多，对钢材的切削性能越有利；在同样体积分数条件下，当m n s 夹杂物的尺寸越大，对 钢材的切削性能越有利。凯斯林研究了钢中s e 的添加对切削性能的影响：发现s 的加入使 m n s 夹杂物生成m n ( s ，s e ) 夹杂，从而颗粒变大且球化成球状，使钢材的切削性能变好，这 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 就是钢中；b t l s e 后，不锈钢的机械切削性能得到改善的原因，有的研究发现在钢中添加t e 也 能起到同样的效果。一般认为氧化物夹杂在很大程度上降低了钢材的切削性能，如c r 2 0 3 ， a 1 2 0 3 ，m n o a 1 2 0 3 和钙铝酸盐夹杂，在低于钢的熔点的任何温度下都不产生变形。只有能 够产生塑性变形的央杂物才能提高钢材的切削性能，如c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 系和 m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 系中某些成分范围内的央杂物，因为这些央杂物在8 0 0 一1 2 0 0 时，它 们的变形指数接近于l ，算是比较大的，对钢材的切削性能有利【2 2 】 ( 5 ) 非金属央杂物对钢的疲劳性能影响 非金属央杂物对钢的疲劳性能有影响严重，尤其是对轴承、起重和齿轮等经受动态载 荷的设备用钢【2 3 。2 4 1 ，钢中存在的非金属夹杂物能显著降低钢的疲劳强度和寿命。目前，人 们已经普遍认识到钢的疲劳强度极限随夹杂物总量成反比，钢中央杂物含量越多，疲劳极 限越低。影响钢疲劳性能的因素有夹杂物的尺寸、成分、物理性质( 变形性) 、夹杂物离表 面的距离和形貌等【2 5 】 产生疲劳失效的根源是夹杂物和基体界面处的应力集中，这种应力集中来自两个方面 【2 6 】：一是钢液在冷却时，基体与夹杂物不同的热收缩率：二是它们问的弹性模量不一样。 当热加工时，就会在基体与夹杂物界面处产生应力而生成裂纹。在钢液中，铝酸钙、氧化 铝和尖晶石型夹杂物引起的应力集中最为严重。 对断裂试样的断口进行扫描电镜观察，可以发现疲劳来源区有三种：表面夹杂物，内 部夹杂物和表面基体。 k w a n d r e w s 和d b r o o k sb a n k 通过系统研究提出了嵌镶应力( t e s s e l l a t e d st r e s s e s ) 理论， 它用来解释各种夹杂物对钢性能的不同影响 2 7 - 3 0 1 。他们认为，夹杂物与钢构成嵌镶结构， 当钢加热或冷却过程中，由于夹杂物与基体的膨胀系数不同，在基体内的夹杂物或第二相 周围会产生嵌镶应力，表达式为： 唧= 士、i ，( 响一a i ) a t ( 1 2 ) 式中，、i ，为与材料的弹性系数、夹杂物分布、形状、应力位置和方向有关的函数，o 、y 为嵌镶应力，t l m 为基体的膨胀系数、a i 为夹杂物的膨胀系数，t 为温度变化。 夹杂物的尺寸和位置对钢的疲劳性能有重大影响【3 1 1 ，随着夹杂物尺寸的增大，循环应 力区将扩大，因此，大夹杂物将产生较大的拉应力，使裂纹形核提前。现在，人们认识到 轴承钢的疲劳极限与夹杂物尺寸呈反比例关系，而小夹杂物对裂纹形核作用不大，但可能 促进裂纹的传播。裂纹扩展速率随着钢的洁净度提高而减小，与夹杂物的化学组成无关。 夹杂物所处的位置对钢的疲劳性能有很大影响，在表面上和接近表面的夹杂物是最危险 的，主裂纹的潜在形核处是紧靠表面的大于2 0 岬的球形氧化物夹杂，所以减小夹杂物尺寸， 改善夹杂物物理性质，降低夹杂物数量，控制夹杂物在钢基体中的合理分布是改善钢性能 的基本措施。 ( 6 ) 非金属夹杂物对钢点蚀的影响 点腐蚀是局限在金属表面的点或小孔的局部腐蚀，形成空腔。大量研究证明：钢中的 非金属夹杂物是作为点蚀优先形核的地方，它起源于硫化物和某些与硫化物复合的氧化物 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 夹杂( 主要是氧化铝和铝酸钙) 上。 1 5 钢中非金属夹杂物的研究分析方法 随着科学技术的突飞猛进，近二十年来，研究钢中央杂物的手段和方法取得了很大进 步。研究钢中的非金属夹杂物主要包括央杂物的数量参数( 单位面积央杂物个数、央杂物面 积面分数等) 、结构形态、组成、分布、特殊性质( 物理、腐蚀、电学等) 、来源、以及对钢 性能的影响。研究央杂物的分析方法可分为宏观和微观方法。宏观方法包括x 射线、磁粉 检查、超声波探测以及硫印法。微观方法分析法包括金相法，扫描电镜配合能谱仪法，酸 溶电解法，这些微观方法是目前常用的研究方法。 目前实用的一些研究央杂物的分析方法【3 2 舶】示于表1 3 。 表1 3 各种具体的夹杂分析方法的要点 序号方法分析时间特点 自动化程度高，可获得体积分数，粒度分布等定鼙信息。 l 定量金相 1 1 0 h 但是细小夹杂可能从磨面脱落，将1 卜金属夹杂物引起的划 痕、麻点和凹坑弄错。 可清晰地观测到每种夹杂物的三维组织结构和化学成分。 2 扫描电镜能谱1 1 0 h 但是扫描范围有限，不够全面。 精确度高，适合观测单个且完整的夹杂物。但是费时，存 3 酸溶电解7 1 5 天 在一定偏差。 ( 1 ) 金相法是把试样制成金相样后，在光学电子显微镜下研究夹杂物的一种分析方法， 使用这种方法的前提是需在金相面上找到夹杂物。金相法只能获得夹杂物在基体中的分 布、大小、数量，不能获得夹杂物的形态和化学组成，只能依据其颜色判定属于那种已知 名称的夹杂物。金相法的优点是简单、快速、直观，缺点是随机性大，不容易得出全面的 准确结论。 ( 2 ) 采用扫描电镜( s e m ) 配加能谱仪( e d s ) 可分析夹杂物的形貌和组成。扫描电镜 一般是在金相、岩相显微镜充分观察的基础上进行的，能把相形态的观察与组成分析结合 起来。 ( 3 ) 为了得到夹杂物总量、成分、结构，往往首先把一定体积基体内的夹杂物从基体中 分离出来，然后进行分析。酸溶电解法一般采用盐酸、硫酸、硝酸、磷酸或其混合物，有 时也用甲酸和醋酸，把夹杂物分离出来，定出夹杂物总量，并可以按夹杂物的颗粒尺寸分 级。 1 6 本文研究的目的与意义 连铸坯中存在的非金属夹杂物，对钢产品质量带来极大危害。因此，减少和改善连铸 坯中非金属夹杂物，提高钢质，对于连铸生产至关重要。 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 连铸坯中非金属夹杂同钢水处理操作过程有关。从出钢后到开浇，钢水同耐火材料接 触时间长，二次氧化机会多，以及出钢过程的脱氧，挡渣措施不完善等都易使钢水被污染。 本项目任务是查清s p h e 钢水在l d b 缸r h c c 过程中，非金属夹杂的数量、粒度分布、物 种的演变过程，并研究分析其来源和演变成因，从而以此为依据，结合炼钢厂具体的设备、 工艺及操作情况，提出进一步有效控制l d b a r - r h c c 过程中s p h e 钢水夹杂物形成、降低 其数量、改善其形态及分布的措施。 第l o 页武汉科技大学 硕士学位论文 第二章试验研究 2 1 工业生产试验 连铸坯非金属央杂同钢水处理操作过程密切相关。在钢水精炼过程中，钢水同耐火材 料接触时