夹杂物控制-钢研总院讲座--王新华1

1、王新华王新华20132013年年5 5月月2424日日钢中非金属夹杂物控制技术研究钢中非金属夹杂物控制技术研究非金属夹杂物类别：非金属夹杂物类别：氧化物：氧化物：简单氧化物，复合氧化物等；简单氧化物，复合氧化物等；硫化物：硫化物：MnS，CaS，CaO-CaS等；等；氮化物：氮化物：TiN，NbN，AlN等。等。非金属夹杂物危害：非金属夹杂物危害：质量缺陷：质量缺陷：铸坯：表面裂纹，内部裂纹，偏析等；铸坯：表面裂纹，内部裂纹，偏析等；钢材：裂纹，钢材：裂纹，“翘皮翘皮”，线形缺陷等。，线形缺陷等。钢材性能：钢材性能：冲压开裂、冷拉断裂等；冲压开裂、冷拉断裂等；延性，低温韧性，抗疲劳破坏，非轧制

2、方向性能，切削，焊接，耐延性，低温韧性，抗疲劳破坏，非轧制方向性能，切削，焊接，耐蚀，电磁性能等。蚀，电磁性能等。一、研究重要意义一、研究重要意义2非金属夹杂物是钢铁冶金科研非金属夹杂物是钢铁冶金科研“热点热点”1.1. “洁净洁净”“”“高洁净高洁净”“”“超高洁净超高洁净”趋势：趋势：-强化内生类夹杂物去除效果；强化内生类夹杂物去除效果；-严格严格“杜绝杜绝”二次氧化；二次氧化；-对夹杂物成分、尺寸、分布、性能的控制。对夹杂物成分、尺寸、分布、性能的控制。2.2. 开发新工艺，降低成本，提高对夹杂物控制效率：开发新工艺，降低成本，提高对夹杂物控制效率：-缩短或取消缩短或取消LFLF精炼；精

3、炼；-强化强化RHRH精炼；精炼；-针对不同类型钢材，对夹杂物实行针对不同类型钢材，对夹杂物实行“重点控制重点控制”。夹杂物控制技术发展趋势夹杂物控制技术发展趋势34国产钢材夹杂物控制存在差距：国产钢材夹杂物控制存在差距：1. 汽车钢板：汽车钢板：- 国内合资品牌汽车用钢板，国内合资品牌汽车用钢板，50%由国内供应，其中由国内供应，其中80%为宝钢生产为宝钢生产（引自徐乐江（引自徐乐江2011年中国钢铁年会报告）。年中国钢铁年会报告）。- 主要差距在于钢板表面品质稳定性控制方面。主要差距在于钢板表面品质稳定性控制方面。2. 轴承钢：轴承钢：- 总氧、总氧、Ti等关键成分控制方面达到了顶级产品水

4、平，但夹杂物评级难等关键成分控制方面达到了顶级产品水平，但夹杂物评级难以满足瑞典、日本顶级轴承制造商控制标准要求；以满足瑞典、日本顶级轴承制造商控制标准要求；- 主要差距在于少量主要差距在于少量Ds类夹杂物控制稳定性方面。类夹杂物控制稳定性方面。3. 易切削钢：易切削钢：- 化学成分与日本、台湾中钢产品相同，但切削性能差距很大；化学成分与日本、台湾中钢产品相同，但切削性能差距很大；- 主要差距在于钢中主要差距在于钢中MnS夹杂物均匀、细小、弥散化控制方面。夹杂物均匀、细小、弥散化控制方面。二、汽车钢板非金属夹杂物控制二、汽车钢板非金属夹杂物控制5优良加工性能与服役性能；优良加工性能与服役性能；

5、优良表面品质（无缺陷）。优良表面品质（无缺陷）。汽车钢板表面缺陷控制汽车钢板表面缺陷控制6广州本田：广州本田：每每10个钢板卷，有表个钢板卷，有表面缺陷钢卷不能超过一面缺陷钢卷不能超过一个；个；存在表面缺陷钢卷，表存在表面缺陷钢卷，表面缺陷不能超过一处。面缺陷不能超过一处。夹杂物引起的钢板表面缺陷夹杂物引起的钢板表面缺陷7汽车板铸坯中有害夹杂物尺寸汽车板铸坯中有害夹杂物尺寸8汽车板铸坯有害夹杂物尺寸汽车板铸坯有害夹杂物尺寸9有害夹杂物来源一：大型簇群状有害夹杂物来源一：大型簇群状Al2O3夹杂物夹杂物10微小微小Al2O3聚集、捕捉聚集、捕捉1112铸坯中大型夹杂物分布铸坯中大型夹杂物分布淡路

6、谷浩淡路谷浩, 材料，材料，17（2004），），p107有害夹杂物来源二：结晶器保护渣有害夹杂物来源二：结晶器保护渣13有害夹杂物来源三：有害夹杂物来源三：Ar气泡气泡+Al2O314Takashi MIYAKE, Influence of Sulphur Content and Molten Steel Flow on Entrapment of Bubbles to Solid/Liquid Interface, ISIJ International, Vol. 46 (2006), No. 12, pp. 18171822为什么吹氩？为什么吹氩？15密封作用：密封作用：防止塞棒棒头、中

7、间包水口防止塞棒棒头、中间包水口-滑板、滑板间渗入空气。滑板、滑板间渗入空气。防止水口内壁粘接、堵塞：防止水口内壁粘接、堵塞：在中间包水口或在中间包水口或SEN壁上壁上形成一氩气薄膜，阻止夹杂形成一氩气薄膜，阻止夹杂物与水口壁接触；物与水口壁接触；氩气吸附夹杂物，将其与水氩气吸附夹杂物，将其与水口壁分离。口壁分离。Ar气泡气泡+Al2O316171. 减少减少Al2O3簇群：簇群：转炉炼钢终点控制转炉炼钢终点控制(O，FeO)；转炉出钢防下渣；转炉出钢防下渣；提高提高RH精炼效率；精炼效率；严格控制二次氧化等严格控制二次氧化等。2. 减少结晶器保护渣卷入：减少结晶器保护渣卷入：控制结晶器钢水液

8、面波动；控制结晶器钢水液面波动；高粘度保护渣；高粘度保护渣；浸入式水口设计优化；浸入式水口设计优化；高拉速采用高拉速采用FC结晶器。结晶器。3. 减少减少“气泡气泡+Al2O3”：严格控制严格控制Ar流量；流量；浸入式水口设计优化；浸入式水口设计优化；采用电磁搅拌采用电磁搅拌；控制控制“hook”。国产汽车钢板质量问题？国产汽车钢板质量问题？首钢首钢-北科大合作研究北科大合作研究18氧含量变化氧含量变化19夹杂物检测方法夹杂物检测方法20常规检测方法的不足：常规检测方法的不足：1. 钢材出厂检验：钢材出厂检验：ASTM标准（标准（A、B、C、D、Ds类夹杂物）；类夹杂物）；用户标准（用户标准（

9、SKF、米其林、贝卡尔特等）；、米其林、贝卡尔特等）；分析检验手段：光学显微镜。分析检验手段：光学显微镜。2. 科学研究：科学研究：光学显微镜；光学显微镜；扫描电镜（扫描电镜（+EDS）；）；投射电镜（投射电镜（+EPMA、EDS）；）；图像分析；图像分析；PDA（Pulse Distribution Analysis）。）。问题：问题：试样检测面积小；试样检测面积小；分析检验耗时长；分析检验耗时长；分析检验结果分析检验结果(夹杂物数量、尺寸、成分、位置夹杂物数量、尺寸、成分、位置)可信度低。可信度低。21JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法对汽车板铸坯夹杂物检验方法Y. Awajiya, Ent

10、rapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel SlabY. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel Slab，AISTech 2005AISTech 2005，Vol.II, p65Vol.II, p6530 30 mm总检验面积：总检验面积：30 30 28 = 25,200mm2大型夹杂物主要类型大型夹杂物主要类型22夹杂物类型夹杂物类型 试验一试验一 试验二试验二 试验三试验三 簇群状簇群状Al2O3

11、 91 91 90 90 77 77 气泡气泡+簇群状簇群状Al2O3 29 29 32 32 47 47 气泡气泡 1 1 6 66 6块状块状Al2O3 0 0 0 00 0结晶器保护渣结晶器保护渣 0 0 0 00 0总计总计 121 121 128128130130夹杂物数量密度：夹杂物数量密度： 0.48个个/cm2 0.51个个/cm2 0.52个个/cm2正常坯取样正常坯取样23第第3块铸坯末端块铸坯末端总检验面积：总检验面积：2000 7 = 14,000mm2大型试样制备大型试样制备24ASPEX PSEM eXplore ASPEX PSEM eXplore 扫描电镜扫描电

12、镜25对大尺寸试样表面夹杂物进行自动分对大尺寸试样表面夹杂物进行自动分析检验：析检验：Max: 100mmMax: 100mm 80mm,80mm,夹杂物成分、数量、位置、形貌等；夹杂物成分、数量、位置、形貌等；夹杂物最小尺寸：夹杂物最小尺寸：0.40.4 mm。具有数据库、冶金分析等功能。具有数据库、冶金分析等功能。正常坯夹杂物数量正常坯夹杂物数量(50 m)26炉次炉次检测面积检测面积mm2绝对数量绝对数量 (个数个数)数量密度数量密度 (个个/cm2)AlAl2 2O O3 3保护渣保护渣100100 m mAlAl2 2O O3 3保护渣保护渣100100 m m11112041050

13、.36900.04531407062080.44100.05751235126040.21100.03261452035040.24100.028平均平均520611640210.3150.3150 00.0400.040正常坯夹杂物数量分布正常坯夹杂物数量分布27汽车钢板表面缺陷控制汽车钢板表面缺陷控制28广州本田：广州本田：每每10个钢板卷，有表个钢板卷，有表面缺陷钢卷不能超过一面缺陷钢卷不能超过一个；个；存在表面缺陷钢卷，表存在表面缺陷钢卷，表面缺陷不能超过一处。面缺陷不能超过一处。铸坯中有害夹杂物数量计算铸坯中有害夹杂物数量计算( 100 m)29冷轧板卷：冷轧板卷：重量：重量：15t

14、；宽宽1400mm，厚，厚0.5mm，长，长2767m。铸坯：铸坯：237mm厚；厚；有害夹杂物主要存在于有害夹杂物主要存在于4mm厚度厚度表层中。表层中。有害夹杂物含量：有害夹杂物含量：7.69个个/m37.69 10-6个个/cm3。30JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法对汽车板铸坯夹杂物检验方法Y. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel SlabY. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Car

15、bon Steel Slab，AISTech 2005AISTech 2005，Vol.II, p65Vol.II, p6530 30 mm大型夹杂物主要类型大型夹杂物主要类型31夹杂物类型夹杂物类型 试验一试验一 试验二试验二 试验三试验三 簇群状簇群状Al2O3 91 91 90 90 77 77 气泡气泡+簇群状簇群状Al2O3 29 29 32 32 47 47 气泡气泡 1 1 6 66 6块状块状Al2O3 0 0 0 00 0结晶器保护渣结晶器保护渣 0 0 0 00 0总计总计 121 121 128128130130夹杂物数量密度：夹杂物数量密度： 0.48个个/cm2 0.

16、51个个/cm2 0.52个个/cm2正常浇铸铸坯夹杂物正常浇铸铸坯夹杂物32检测面积总计检测面积总计52061mm2（超过（超过JFE同类研究一倍），大于同类研究一倍），大于50 m夹杂物数量密度在夹杂物数量密度在0.210.45个个/cm2，低于，低于JFE铸坯同铸坯同类夹杂物数量；类夹杂物数量；正常坯表层试样中大于正常坯表层试样中大于50 m夹杂物主要为簇群状夹杂物主要为簇群状Al2O3，未检测到保护渣卷入形成夹杂物，与未检测到保护渣卷入形成夹杂物，与JFE检测结果一致；检测结果一致；不能避免不能避免100 m有害夹杂物存在（数量：有害夹杂物存在（数量：0.0280.057个个/cm2）

17、，生产高端用户钢板应对铸坯采用表面清理（扒），生产高端用户钢板应对铸坯采用表面清理（扒皮）。皮）。拉速影响拉速影响33高拉速铸坯试样夹杂物数量高拉速铸坯试样夹杂物数量34拉速拉速 m/min夹杂物夹杂物类型类型20-50 m50-100 m100-200 m200-300 m300-400 m400 m检测面积检测面积 mm21.8Al2O310631710214550保护渣保护渣0000001.9Al2O3927300013080保护渣保护渣0100012.0Al2O312125000013480保护渣保护渣000000液面波动液面波动35高拉速铸坯夹杂物数量密度高拉速铸坯夹杂物数量密度(个

18、个/cm2)36JFE：高拉速有利于减少钢板表面缺陷：高拉速有利于减少钢板表面缺陷37H. Nakamura, et al., Technology for Production of High Quality Slab at High Speed CastingH. Nakamura, et al., Technology for Production of High Quality Slab at High Speed Casting，1992 Steelmaking 1992 Steelmaking Conference Proceedings, ISS, p409-415Confere

19、nce Proceedings, ISS, p409-415“hook”状坯壳状坯壳38拉速对拉速对hook影响影响39三、特殊钢非金属夹杂物控制三、特殊钢非金属夹杂物控制用于制作轴承、齿轮、弹簧、用于制作轴承、齿轮、弹簧、 传动轴等机械零部件的特殊传动轴等机械零部件的特殊 钢，要求具备优良抗疲劳破钢，要求具备优良抗疲劳破 坏性能；坏性能；夹杂物不能均匀传递基体所夹杂物不能均匀传递基体所 经经受的应力、应变，夹杂物受的应力、应变，夹杂物 周边周边形成形成“应力集中应力集中”；夹杂物夹杂物-钢基体界面产生微裂钢基体界面产生微裂 纹，成为工件的疲劳破坏。纹，成为工件的疲劳破坏。40不同类别夹杂物对

20、钢疲劳性能的影响不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响J. Monnot, et al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.14941“D类类”或或“DS类类”“D类类”或或“DS类类”42夹杂物控制误区夹杂物控制误区 过度强调对夹杂物种类控制：过度强调对夹杂物种类控制： D类夹杂物：类夹杂物：CaO-MgO-Al2O3，CaO- Al2O3系不变形夹杂物；系不变形夹杂物； DS类夹杂物：类夹杂物：CaO-Al2O3系夹杂物；系夹杂物； Si-Mn脱氧；脱氧； 低碱度或较低碱度精炼渣系；低碱度或较低碱度精炼渣系； 电渣重熔、真空重熔等特殊精炼工艺方法。电渣重熔、真

21、空重熔等特殊精炼工艺方法。43超低氧特殊钢生产技术（超低氧特殊钢生产技术（T.O：36ppm）K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005, Charlotte, AIST, 209：日本特钢厂大工业规模生：日本特钢厂大工业规模生 产超低氧轴承钢。产超低氧轴承钢。：采用电渣重熔工艺生产的：采用电渣重熔工艺生产的 轴承钢。轴承钢。：采用真空电加热工：采用真空电加热工 艺生产的轴承钢。艺生产

22、的轴承钢。44超低氧特殊钢关键工艺技术超低氧特殊钢关键工艺技术1. 转炉或电炉出钢严格挡渣；转炉或电炉出钢严格挡渣；2. 强脱氧：强脱氧：铝直接脱氧；铝直接脱氧；强扩散脱氧；强扩散脱氧；3. 高碱度精炼炉渣；高碱度精炼炉渣；4. 长时间长时间RH真空精炼；真空精炼；5. 严格保护浇注；严格保护浇注；6. 大方坯连铸：大方坯连铸：中间包钢水加热；中间包钢水加热；低拉速、低比水量二冷、电磁搅拌等。低拉速、低比水量二冷、电磁搅拌等。45国产特殊钢主要问题国产特殊钢主要问题DS类夹杂物评级差（类夹杂物评级差（ T.O：36ppm）：）：没有充分发挥没有充分发挥RH精炼作用（时间短）；精炼作用（时间短）

23、；保护浇注不严密；保护浇注不严密；许多仍采用钙处理。许多仍采用钙处理。LF精炼时间过长；精炼时间过长；缺少中间坯缺少中间坯“扒皮扒皮”、钢材探伤等设备。、钢材探伤等设备。46LF与与RH精炼分工精炼分工47EAF LF RH CC升温，脱氧，合金化，去除升温，脱氧，合金化，去除夹杂物等。夹杂物等。脱气（脱气（H，N），脱氧，合），脱氧，合金化，去除夹杂物等。金化，去除夹杂物等。实现超低氧控制：实现超低氧控制：LF or RH（哪个更高效？）（哪个更高效？）48优势：优势：加热钢水，炉渣；加热钢水，炉渣；强扩散脱氧（高碱度、强扩散脱氧（高碱度、极低极低FetO含量炉渣）；含量炉渣）；钢液成分控制

24、。钢液成分控制。超低氧控制方面不足：超低氧控制方面不足：对钢水搅拌能不足。对钢水搅拌能不足。49钢水为强还原性炉渣所覆盖；钢水为强还原性炉渣所覆盖；钢钢-渣界面渣界面“静止静止”；钢水循环流动；钢水循环流动；夹杂物碰撞、聚合、上浮、去除。夹杂物碰撞、聚合、上浮、去除。JFE西日本制铁所生产轴承钢西日本制铁所生产轴承钢50K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456JFE西日本制铁所生产轴承钢西日本制铁所生产轴承钢51在在RH前完成钢水合金化操作，尽量不在前完成钢水合金化操作，尽量不在RH精炼过程进行成分调精炼过程进行成分调整，并将整，并将RH精炼时间延长至最大（与连铸周期相适应）。精炼时间延长至最大（与连