超低氧特殊钢的脱氧、精炼与 非金属夹杂物控制

1、超低氧特殊钢的脱氧、精炼与超低氧特殊钢的脱氧、精炼与 非金属夹杂物控制非金属夹杂物控制王新华王新华2010年年9月月1 一、前言一、前言v特殊钢包括的钢类很多，如碳特殊钢包括的钢类很多，如碳结钢、合结钢、不锈钢、硅钢、结钢、合结钢、不锈钢、硅钢、耐热钢、高温和精密合金等；耐热钢、高温和精密合金等；v我国特殊钢厂早期产品种类繁我国特殊钢厂早期产品种类繁多，近年来多数转为以生产合多，近年来多数转为以生产合结钢、碳结钢、弹簧、轴承、结钢、碳结钢、弹簧、轴承、易切削钢等棒线材为主；易切削钢等棒线材为主；v本文主要针对特殊钢中用量最本文主要针对特殊钢中用量最大的高强度合结钢（轴件、齿大的高强度合结钢（轴

2、件、齿轮、弹簧、轴承、紧固件用钢轮、弹簧、轴承、紧固件用钢等）冶金工艺技术。等）冶金工艺技术。23特殊钢零部件的疲劳破坏特殊钢零部件的疲劳破坏v特殊钢零部件多在交变（冲击、扭特殊钢零部件多在交变（冲击、扭转、弯曲、挤压、摩擦等）载荷下转、弯曲、挤压、摩擦等）载荷下工作；工作；v疲劳破坏是导致工件失效的重要原疲劳破坏是导致工件失效的重要原因，而钢中非金属夹杂物往往成为因，而钢中非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹的起源；疲劳裂纹的起源；v特殊钢非金属夹杂物控制要求最为特殊钢非金属夹杂物控制要求最为严格、苛刻（数量、尺寸、组成、严格、苛刻（数量、尺寸、组成、性能等）。性能等）。4夹杂物引发疲劳破坏的机理夹

3、杂物引发疲劳破坏的机理v夹杂物的弹性模量、热膨胀系数夹杂物的弹性模量、热膨胀系数等与钢基体显著不同：等与钢基体显著不同：v不能均匀传递基体所经受的应不能均匀传递基体所经受的应力、应变，夹杂物周边形成力、应变，夹杂物周边形成“应力集中应力集中”；v由于热膨胀系数不同，钢热加由于热膨胀系数不同，钢热加工后夹杂物周边产生压应力或工后夹杂物周边产生压应力或拉应力。拉应力。v夹杂物周边各种应力叠加，当超过钢的强度极限时，夹杂物夹杂物周边各种应力叠加，当超过钢的强度极限时，夹杂物钢基体界面产生裂纹成为疲劳破坏源钢基体界面产生裂纹成为疲劳破坏源5非金属夹杂物热膨胀系数非金属夹杂物热膨胀系数R. Kiessl

4、ing, Non-metallic Inclusion in Steel, The Institute of Metals，London, 1989，4693“B类类”或或“D类类”“D类类”6夹杂物的变形性能具有重要影响夹杂物的变形性能具有重要影响如夹杂物在钢热加工过程不变形或变形如夹杂物在钢热加工过程不变形或变形程度很小，在钢基体与夹杂物界面经常程度很小，在钢基体与夹杂物界面经常会产生微小裂纹或间隙，在工件服役过会产生微小裂纹或间隙，在工件服役过程成为疲劳裂纹源。程成为疲劳裂纹源。 工件服役过程，高熔点硬质夹工件服役过程，高熔点硬质夹杂物周边应力集中程度显著高杂物周边应力集中程度显著高于低

5、熔点软质夹杂物。于低熔点软质夹杂物。三村毅，第三村毅，第182 183回西山紀念技術講座，回西山紀念技術講座，NMS-ISIJ，東京，東京 神户，神户，2004，p.127 夹杂物对钢疲劳性能的影响夹杂物对钢疲劳性能的影响7不同类别夹杂物对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.1498“B类类”或或“D类类”“B类类”或或“D类类”夹杂物控制误区夹杂物控制误区v过度强调对夹杂物种类的控制：过度强调对夹杂物种类的控制：vB类夹杂物类夹杂物 链串状链串状Al2O3或或CaO-Al2O

6、3系夹杂物；系夹杂物；vD类夹杂物类夹杂物 MgO-Al2O3系或系或CaO-Al2O3系不变形夹杂物。系不变形夹杂物。vSi-Mn脱氧；脱氧；v低碱度或较低碱度精炼渣系；低碱度或较低碱度精炼渣系；v电渣重熔、真空电加热重熔等特电渣重熔、真空电加热重熔等特殊精炼方法。殊精炼方法。9日本特殊钢厂超低氧特殊钢生产技术日本特殊钢厂超低氧特殊钢生产技术K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005

7、, 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。艺生产的轴承钢。10超低氧特殊钢关键工艺技术超低氧特殊钢关键工艺技术v偏心炉底电炉（偏心炉底电炉（EBT）；）；v强脱氧：强脱氧：v采用铝直接脱氧；采用铝直接脱氧；v强扩散脱氧；强扩散脱氧；v高碱度精炼炉渣；高碱度精炼炉渣；v长时间长时间RH真空精炼；真空精炼；v大方坯连铸：大方坯连铸：v严格保护浇注；严格保护浇注；v连铸中间包钢水加热；连铸中间包钢水

8、加热；v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。11日本特殊钢超低氧含量控制水平日本特殊钢超低氧含量控制水平愛知製鋼生产齿轮钢总氧含量愛知製鋼生产齿轮钢总氧含量J. Eguchi, et al., Proceedings of the 6th International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ, 84412日本产特殊钢工件氧含量测定日本产特殊钢工件氧含量测定13国内特殊钢生产在超脱氧控制方面的问题国内特殊钢生产在超脱氧控制方面的问题v近年来国内特殊钢生产技术水平提高很快，但许多特殊钢近年来国内特殊钢生产

9、技术水平提高很快，但许多特殊钢厂在钢的总氧含量、夹杂物控制等方面仍存在较多问题；厂在钢的总氧含量、夹杂物控制等方面仍存在较多问题；v设备、原材料、操作等方面因素；设备、原材料、操作等方面因素；v对特殊钢脱氧、精炼、夹杂物控制等关键工艺的认识有对特殊钢脱氧、精炼、夹杂物控制等关键工艺的认识有误。误。v结合近年来与国内诸多钢厂合作开展的研究结果，对超低结合近年来与国内诸多钢厂合作开展的研究结果，对超低氧特殊钢的脱氧、精炼、非金属夹杂物控制等工艺技术加氧特殊钢的脱氧、精炼、非金属夹杂物控制等工艺技术加以论述。以论述。14二、超低氧特殊钢的铝脱氧工艺二、超低氧特殊钢的铝脱氧工艺是否采用铝脱氧是否采用铝

10、脱氧（特钢界引发长期争议的问题特钢界引发长期争议的问题）？）？15引自：引自：IISI Committee on Technology, Clean Steel, 2004, International Iron and Steel Institute, Brussels, 443国际钢协对国际钢协对6家钢厂生产重轨，家钢厂生产重轨，8家钢厂生产滚珠家钢厂生产滚珠轴承，轴承，4家钢厂生产弹簧钢的相关工艺情况进行家钢厂生产弹簧钢的相关工艺情况进行了调研。了调研。表表1 1、钢轨、轴承、弹簧钢产品的化学成分（、钢轨、轴承、弹簧钢产品的化学成分（% %）特殊钢厂对采用铝脱氧的顾虑特殊钢厂对采用铝脱氧

11、的顾虑v铝脱氧生成的铝脱氧生成的Al2O3夹杂物为不变形夹杂物，对钢的抗夹杂物为不变形夹杂物，对钢的抗疲劳性能有害；疲劳性能有害；v许多钢厂采用矩形坯、小方坯连铸，由于工艺和操作方许多钢厂采用矩形坯、小方坯连铸，由于工艺和操作方面存在问题，采用铝脱氧常会带来钢水可浇性差，连铸面存在问题，采用铝脱氧常会带来钢水可浇性差，连铸水口粘接、堵塞等问题。水口粘接、堵塞等问题。16脱氧能力比较脱氧能力比较17C+O=CO G 2124438.90TSi+2O=SiO2(s) G 589700230.3TMn+O=MnO(s) G 285330115.89T2Al+3O=Al2O3(s) G 1209590

12、395.31TE.T. Turkdogan, Fundamentals of Steelmaking, The Institute of Materials, The University Press, UK, 1996水渡英昭等热力学计算水渡英昭等热力学计算18阀门弹簧钢成分；阀门弹簧钢成分；反应：反应： 2/3 Al203(s) +Si=Si02(s) +4/3 Al G = 219400 35.7T 选取相关组元的活度。选取相关组元的活度。 H Ohta and H. Suito, Metall. Mater. Trans. B, 27B(1996), 263.Al：325ppm；O：

13、3055ppm.钢的总氧含量与非金属夹杂物关系钢的总氧含量与非金属夹杂物关系19连铸坯试样分析检验连铸坯试样分析检验超低氧特殊钢关键工艺：铝脱氧超低氧特殊钢关键工艺：铝脱氧v对钢液采用铝进行强脱氧，对钢液采用铝进行强脱氧，首先将溶解氧首先将溶解氧O含量降低含量降低至至0.00010.0003%；v在此基础上，通过渣在此基础上，通过渣-钢精炼钢精炼、RH真空处理、连铸等，去真空处理、连铸等，去除钢液中铝脱氧产物；除钢液中铝脱氧产物；v将钢的总氧含量降低至数个将钢的总氧含量降低至数个ppm水平。水平。20山阳特殊钢生产轴承钢钢水溶解氧含量与山阳特殊钢生产轴承钢钢水溶解氧含量与总氧含量的关系总氧含量

14、的关系福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協 会，大阪会，大阪 東京，東京，1988，121铝脱氧与铝脱氧与B类、类、D类夹杂物控制？类夹杂物控制？采用铝脱氧是否会对夹杂物控制采用铝脱氧是否会对夹杂物控制带来不利影响？带来不利影响？v簇群状簇群状Al2O3夹杂物，轧制后演夹杂物，轧制后演变为变为“B类类”条串状夹杂物；条串状夹杂物；v块状块状Al2O3夹杂物，轧制后为夹杂物，轧制后为“D类类”不变形夹杂物；不变形夹杂物；v与与CaO结合，形成结合，形成CaO-Al2O3系夹杂物，轧制后为系夹杂物，轧制后为“B类类”条条状或状或“D类类

15、”不变形夹杂物。不变形夹杂物。21超低氧特殊钢中夹杂物超低氧特殊钢中夹杂物v山阳特殊钢、爱知制钢等生山阳特殊钢、爱知制钢等生产的超低氧特殊钢中，氧化产的超低氧特殊钢中，氧化物类夹杂主要为物类夹杂主要为“B类类”和和“D类类”；v氧化物夹杂的数量很少：氧化物夹杂的数量很少：v粗类的粗类的“B类类”夹杂物评夹杂物评级在级在T.O含量降低至含量降低至8ppm以下时为零；以下时为零；v细类的细类的“B类类”和和“D类类”夹杂物评级也均低于夹杂物评级也均低于1。v钢的抗疲劳性因此得以大幅钢的抗疲劳性因此得以大幅度改善。度改善。22神户制钢轴承钢粗类神户制钢轴承钢粗类“B类类”夹杂物评级与钢总夹杂物评级与

16、钢总氧含量的关系氧含量的关系T. Ohnishi, K. Shiwaku, et al., Tetsu-to-Hagani, 73 (1987), 513山阳特殊钢生产超低氧轴承钢夹杂物评级山阳特殊钢生产超低氧轴承钢夹杂物评级23ASTM “E45-06”标准标准T. Uesugi, Tetsu-to-Hagane, 74 (1999), 188924超低氧特殊钢超低氧特殊钢(4ppm)中中Al2O3夹杂物夹杂物1.对试样横截面随机观察的对试样横截面随机观察的100个夹杂物进行分析检验：个夹杂物进行分析检验：v83个个MnS夹杂；夹杂；v13个个MnS和和Al2O3的混合夹杂；的混合夹杂；v3

17、个个TiN类夹杂物。类夹杂物。2.对垂直径向的纵截面随机观察的对垂直径向的纵截面随机观察的100个夹杂物进行分析检验：个夹杂物进行分析检验：v82个个MnS夹杂；夹杂；v14个个MnS和和Al2O3的混合夹杂；的混合夹杂；v1个个Al2O3类夹杂；类夹杂；v2个个TiN类夹杂物。类夹杂物。3.对平行径向的纵截面随机观察的对平行径向的纵截面随机观察的100个夹杂物进行分析检验：个夹杂物进行分析检验：v72个个MnS夹杂；夹杂；v21个个MnS和和Al2O3的混合夹杂；的混合夹杂；v2个个Al2O3类夹杂；类夹杂；v5个个TiN类夹杂物。类夹杂物。5 m三、超低氧特殊钢采用高碱度精炼渣系三、超低氧

18、特殊钢采用高碱度精炼渣系25钢厂钢厂CaOCaOSiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3CaFCaF2 2MgOMgOT.Fe+MnOT.Fe+MnOCaO/SiOCaO/SiO2 2A A63637 7202010100.30.39.0 9.0 B B80805 55 510101.021.0216.0 16.0 C C6060101020205 50.40.46.0 6.0 D D6060101022228 80.840.846.0 6.0 E E50505 5202020205 52210.0 10.0 F F6060101027273 30.40.46.0 6.0 G G60606

19、 634340.550.5510.0 10.0 H H606015158 815151.151.154.0 4.0 I I50501010252515155.0 5.0 J J50501010202015155 50.70.75.0 5.0 日本钢铁厂生产特殊钢时采用的精炼渣成分（）日本钢铁厂生产特殊钢时采用的精炼渣成分（）K. Kawakami, The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe, 2005, 151采用高碱度精炼渣系的目的采用高碱度精炼渣系的目的I.降低渣中降低渣中SiO2的活度，抑制下式反应：的活度，抑制

20、下式反应：II. 降低渣中降低渣中FetO活度系数。活度系数。26(Si02) +4/3 Al2/3Al203夹杂物夹杂物 +Si 爱知制钢爱知制钢LF精炼渣碱度与钢水精炼渣碱度与钢水T.O27福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪 東京，東京，1988，121大同特殊鋼精炼渣大同特殊鋼精炼渣SiO2含量与钢水含量与钢水T.O28福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協 会，大阪会，大阪 東京，東京，1988，121神户制钢神户制钢ASEA-SKF工艺精炼渣碱度

21、与钢水工艺精炼渣碱度与钢水T.O29轴承钢精炼炉渣碱度与钢液总氧含量的关系轴承钢精炼炉渣碱度与钢液总氧含量的关系T. Ohnishi, K. Shiwaku, et al., Tetsu-to-Hagani, 73 (1987), 513精炼渣碱度对钢精炼渣碱度对钢T.O含量与夹杂物数量的影响含量与夹杂物数量的影响30山阳特殊钢精炼渣碱度对轴承钢总氧含量与夹杂物的影响山阳特殊钢精炼渣碱度对轴承钢总氧含量与夹杂物的影响K. Kawakami, T. Taniguchi, et al, Tetsu-to-Hagane, 93(2007), 741采用高精度炉渣与采用高精度炉渣与“D类类”夹杂物控制

22、夹杂物控制v高品质特殊钢对高品质特殊钢对MgO-Al2O3系、系、CaO-MgO-Al2O3、CaO-Al2O3系系“B类类”或或“D类类”夹杂物控制要求很严；夹杂物控制要求很严；v许多钢厂担心采用高碱度精炼渣会导致许多钢厂担心采用高碱度精炼渣会导致“B”类或类或“D类类”夹杂物超标，因此偏向于采用低碱度或较低碱度的精炼渣夹杂物超标，因此偏向于采用低碱度或较低碱度的精炼渣。3132 山阳特殊钢山阳特殊钢LF精炼过程钢中夹杂物变化精炼过程钢中夹杂物变化K. Kawakami, et al, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75233K. Kawakami, et a

23、l, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75212C7A： 12CaO Al2O3CA： CaO Al2O33CA： 3CaO Al2O3MA： MgO Al2O3C2A： CaO 2Al2O3C6A： CaO 6Al2O3夹杂物数量显著减少，钢材疲劳性能提高。夹杂物数量显著减少，钢材疲劳性能提高。34ASTM “E45-06”标准标准T. Uesugi, Tetsu-to-Hagane, 74 (1999), 1889四、强扩散脱氧（四、强扩散脱氧（T.Fe+MnO1%）35钢厂钢厂CaOCaOSiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3CaFCaF2 2MgOM

24、gOT.Fe+MnOT.Fe+MnOA A63637 7202010100.30.3B B80805 55 510101.021.02C C6060101020205 50.40.4D D6060101022228 80.840.84E E50505 5202020205 522F F6060101027273 30.40.4G G60606 634340.550.55H H606015158 815151.151.15I I5050101025251515J J50501010202015155 50.70.7日本钢铁厂生产特殊钢时采用的精炼渣成分（）日本钢铁厂生产特殊钢时采用的精炼渣成分（

25、）K. Kawakami, The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe, 2005, 151爱知制钢炉渣爱知制钢炉渣FetO+MnO含量控制含量控制36福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協 会，大阪会，大阪 東京，東京，1988，121精炼渣精炼渣FetO含量控制含量控制v炼钢炉出钢挡渣炼钢炉出钢挡渣v钢液钢液Al： 0.04%v炉渣加铝粒：炉渣加铝粒：1.5kg/tv钢包炉内非氧化性气氛钢包炉内非氧化性气氛v钢水强搅拌钢水强搅拌37福本一郎，第福本一郎，第1

26、26 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協 会，大阪会，大阪 東京，東京，1988，121非氧化性气氛控制非氧化性气氛控制38钢水比搅拌能钢水比搅拌能 100W/t39)148H1log(WTQ0285. 0 ： 比搅拌功率比搅拌功率 (W/t)(W/t)Q Q ：底吹氩气流量：底吹氩气流量 ( (NlNl/min)/min)T T ：钢水温度：钢水温度 (K)(K)W W ：钢水重量：钢水重量 (t)(t)H H ：钢水深度：钢水深度 (cm)(cm)搅拌能与搅拌气体流量搅拌能与搅拌气体流量40五、五、RH在超低氧精炼中重要作用在超低氧精炼中重要作用41形成高碱

27、度、强还原性炉渣；形成高碱度、强还原性炉渣；T.O降低至降低至15ppm左右即可。左右即可。通过通过RH完成超低氧含量控制；完成超低氧含量控制；T.O降低至降低至58ppm。RH超低氧精炼机理超低氧精炼机理42钢水为强还原性炉渣所钢水为强还原性炉渣所覆盖；覆盖；钢钢-渣界面近似渣界面近似“静止静止”。钢水循环流动；钢水循环流动；非金属夹杂物碰撞、聚非金属夹杂物碰撞、聚合、上浮、去除。合、上浮、去除。爱知製鋼经验爱知製鋼经验vRH脱氧速率高于脱氧速率高于LF；vLF与与RH的任务分工：的任务分工：vLF精炼主要任务是形成高碱精炼主要任务是形成高碱度、强还原性炉渣度、强还原性炉渣(T.Fe +Mn

28、O0.5%，碱度，碱度5)；vRH精炼的主要任务是降低精炼的主要任务是降低钢水钢水T.O含量。含量。vRH精炼时间：精炼时间：3040min。43J. Eguchi, et al., Proceedings of the 6th International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ, 844JFE西日本制铁所生产轴承钢西日本制铁所生产轴承钢44K. 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

29、45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（与连铸周期相适应）。K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 45646 六、超低氧特殊钢夹杂物的较低熔点化控制六、超低氧特殊钢夹杂物的较低熔点化控制v夹杂物对钢疲劳性能的影响与其夹杂物对钢疲劳性能的影响与其熔点高低有重要关系；熔点高低有重要关系；v如夹杂物为高熔点不变形夹杂物如夹杂物为高熔点不变形夹杂物，其与钢

30、基体的界面会生成微裂，其与钢基体的界面会生成微裂纹、空洞等，在工件服役中引发纹、空洞等，在工件服役中引发疲劳破坏；疲劳破坏；v钢服役过程，高熔点硬质夹杂物钢服役过程，高熔点硬质夹杂物周边应力集中程度显著高于低熔周边应力集中程度显著高于低熔点软质夹杂物。点软质夹杂物。三村毅，第三村毅，第182 183回西山紀念技術講座，回西山紀念技術講座，NMS-ISIJ，東京，東京 神户，神户，2004，p.12747 控制策略一：生成低熔点塑性夹杂物控制策略一：生成低熔点塑性夹杂物塑性夹杂物（熔点塑性夹杂物（熔点 1350 C）疲劳性能要求：疲劳性能要求：700 MPa的往复的往复剪切应力作用下，疲劳寿命大

31、于剪切应力作用下，疲劳寿命大于108。48 精炼时间长，生产成本高。精炼时间长，生产成本高。v必须将夹杂物近乎全部控制在狭必须将夹杂物近乎全部控制在狭窄的塑性夹杂物成分区域内；窄的塑性夹杂物成分区域内；v生产成本高：生产成本高：v采用低碱度精炼渣，炉外精炼采用低碱度精炼渣，炉外精炼不能脱硫；不能脱硫；v原材料要求苛刻（渣料原材料要求苛刻（渣料Al2O3、合金、合金Al、Ti等控制等）；等控制等）；v渣钢间反应尽可能接近平衡渣钢间反应尽可能接近平衡，精炼时间很长。，精炼时间很长。v很难用于普通特殊钢类。很难用于普通特殊钢类。49控制策略二：控制策略二：超低氧含量特殊钢超低氧含量特殊钢川上潔，第川

32、上潔，第182 183次西山纪念技术讲座，次西山纪念技术讲座，NMS-ISIJ，東京，東京 神户，神户，2005，p.151TO50仍存在仍存在1020 m的高熔点镁尖晶石类夹的高熔点镁尖晶石类夹杂物（杂物（MA）。）。LFLF结束结束K. Kawakami, et al, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75251 新的控制策略：新的控制策略：超低氧特殊钢夹杂物较低熔点化控制超低氧特殊钢夹杂物较低熔点化控制v该区域内夹杂物不属于能良好变形该区域内夹杂物不属于能良好变形的塑性夹杂物；的塑性夹杂物；v由于熔点不高，轧制过程可以发生由于熔点不高，轧制过程可以发生稍许变

33、形；稍许变形；v因而能够减少夹杂物钢基体界面因而能够减少夹杂物钢基体界面上生成微裂纹、空洞。上生成微裂纹、空洞。选用与夹杂物控制目标成分相近的精炼渣系选用与夹杂物控制目标成分相近的精炼渣系52 Al2O3：40% CaO/SiO2: 753精炼渣系重要作用精炼渣系重要作用v为将钢中夹杂物近乎全部控制在为将钢中夹杂物近乎全部控制在目标成分区域内，必须采用渣目标成分区域内，必须采用渣-钢精炼工艺方法；钢精炼工艺方法；v通过渣通过渣-钢间反应对钢液钢间反应对钢液Al、O、Ca、Mg等进行控制等进行控制，进而再通过钢液，进而再通过钢液Al、O、Ca、Mg等对夹杂物进行稳等对夹杂物进行稳定控制。定控制。

34、54采用高采用高Al2O3精炼渣系的热力学理论依据精炼渣系的热力学理论依据yOxM)MxOy(0aaalnRTG炉渣炉渣钢钢渣渣 渣钢间反应：渣钢间反应： xMeyO(MexOy)炉渣炉渣 (1)反应达到平衡时，反应达到平衡时，0aaalnRTGGyOxM)MxOy(0 炉炉渣渣钢钢渣渣钢钢渣渣钢液夹杂物之间反应：钢液夹杂物之间反应： xMeyO(MexOy)夹杂物夹杂物 (4)当钢液夹杂物间的反应接近平衡时，当钢液夹杂物间的反应接近平衡时，0aaalnRTGGyOxM)MxOy(0 夹杂物夹杂物夹杂物夹杂物钢液钢液钢液夹杂物钢液夹杂物 （2）（3） （5）55热力学理论解释热力学理论解释yO

35、xM)MxOy(yOxM)MxOy(aaalnRTaaalnRT炉渣炉渣夹杂物夹杂物00GG渣钢渣钢夹杂物夹杂物钢液钢液 对反应对反应(1)和反应和反应(4)，选择相同的活度标准态：，选择相同的活度标准态：将将(3)式带入式带入(5)式：式：炉渣炉渣夹杂物夹杂物)MxOy()MxOy(aa （6） （7） （8）56渣渣-钢钢-夹杂物间反应的实验室研究夹杂物间反应的实验室研究窥视孔管式炉密封水套结构刚玉管硅钼棒保温材料保温材料管式炉密封水套结构升降系统控温热点偶测温热点偶刚玉管石墨坩埚坩埚炉渣钢水测温热点偶耐火材料垫片高温炉高温炉: : MoSiMoSi2 2电阻加热炉电阻加热炉反应管：反应管

36、： 刚玉刚玉反应管内气氛反应管内气氛: : Ar Ar坩埚坩埚: : MgO (ID: 30mm)MgO (ID: 30mm)钢液钢液: : 100g100g（42CrMo42CrMo）炉渣炉渣: : 50g50g实验温度实验温度: : 1600 1600 C C渣渣- -钢反应时间钢反应时间: : 90 min90 min. .57实验中采用了两种不同渣系实验中采用了两种不同渣系渣系渣系B B与日本特殊钢厂采用的渣系相似，碱度在与日本特殊钢厂采用的渣系相似，碱度在5 5左右，左右，AlAl2 2O O3 3 含量在含量在 22 - 25%22 - 25%范围范围1) T. Mimura: T

37、he 1821) T. Mimura: The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe (2005), Kobe (2005), 1271272) K. Kawakami, T. Taniguchi and K. Nakashima: TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 7412) K. Kawakami, T. Taniguchi and K. Nakashima: TETSU-TO-HAGANE, 93(2007)

38、, 7413) K. Tsubota and I. Fukumoto: Proc. of the 6th IISC, ISIJ, Nagoya (1990), Vol.3, 6373) K. Tsubota and I. Fukumoto: Proc. of the 6th IISC, ISIJ, Nagoya (1990), Vol.3, 637渣系渣系A A含很高含很高AlAl2 2O O3 3 (40%(40%左右左右) ) ，碱度在，碱度在6.56.5左右。左右。58夹杂物成分随反应时间的变化夹杂物成分随反应时间的变化采用渣系采用渣系A A时，夹杂物组成随渣钢反应时间的变化时，夹杂物组

39、成随渣钢反应时间的变化渣系渣系A A：反应时间为反应时间为30min时，高熔点时，高熔点MgO-Al2O3 系夹杂物的比率为系夹杂物的比率为78.7%。反应时间为反应时间为60min时，高熔点时，高熔点MgO-Al2O3 系系夹杂物比率降低至夹杂物比率降低至48.5%。 反应时间增加至反应时间增加至90min时，高熔点时，高熔点MgO-Al2O3 系夹杂物比率降低至仅为系夹杂物比率降低至仅为12.8%.。59高高Al2O3渣系能够显著提高夹杂物转变程度渣系能够显著提高夹杂物转变程度v绝大多数夹杂物为绝大多数夹杂物为MgO-Al2O3 系夹杂物；系夹杂物；vMgO-Al2O3 系夹杂物比率为系夹

40、杂物比率为72.4%；v几乎没有熔点低于几乎没有熔点低于1500的非金属夹杂物。的非金属夹杂物。vMgO-Al2O3 系夹杂物比率降低至系夹杂物比率降低至15.1%；vCaO-MgO-Al2O3 系夹杂物增加至系夹杂物增加至81.7%.；v大量夹杂物进入了较低熔点成分区域。大量夹杂物进入了较低熔点成分区域。60Sf 50ppmv处理时间处理时间: 15min: 15min；vT.O T.O 10ppm10ppm。渣渣-钢钢-夹杂物间反应的工业试验研究夹杂物间反应的工业试验研究v高碱度、高高碱度、高AlAl2 2O O3 3含量含量炉渣；炉渣；v处理时间处理时间: 45min: 45min左右。

41、左右。v终点终点CC：0.05-0.10%0.05-0.10%。v出钢过程加入出钢过程加入AlAl脱氧和部分渣料脱氧和部分渣料( (石灰、萤石等石灰、萤石等) )。61精炼过程夹杂物成分的变化精炼过程夹杂物成分的变化LFLF前：前：绝大多数为绝大多数为AlAl2 2O O3 3 类夹杂物；类夹杂物；已有少量已有少量MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夹杂系夹杂物生成，物生成，LFLF精炼精炼15min15min：绝大多数绝大多数AlAl2 2O O3 3 类夹杂物转变为类夹杂物转变为MgO-MgO-AlAl2 2O O3 3 系夹杂物；系夹杂物； 夹杂物平均组成为：夹杂物平均组成为：

42、80% Al80% Al2 2O O3 3, 17 % , 17 % MgOMgO，3% CaO3% CaO。LFLF精炼中后期：精炼中后期：MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物向系夹杂物向CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物转变：系夹杂物转变：LFLF精炼结束时，钢液中仍有大量尚未转精炼结束时，钢液中仍有大量尚未转化的化的MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物。系夹杂物。RHRH精炼过程：精炼过程：MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物向系夹杂物向CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物的

43、转变仍继续进行；系夹杂物的转变仍继续进行；RHRH精炼结束时，钢液中夹杂物平均组成精炼结束时，钢液中夹杂物平均组成进入了较低熔点夹杂物成分域。进入了较低熔点夹杂物成分域。62精炼过程夹杂物转变精炼过程夹杂物转变夹杂物转变由外向内进行夹杂物转变由外向内进行63 实验室研究实验室研究 工业试验工业试验存在一外表层：主要组存在一外表层：主要组分为分为CaOCaO和和AlAl2 2O O3 3. .。夹杂物内部：主要组分为夹杂物内部：主要组分为MgOMgO和和AlAl2 2O O3 3，CaOCaO含量很低。含量很低。64 夹杂物转变机理夹杂物转变机理I. I. 在炉渣在炉渣- -钢液界面钢液界面:

44、: 2Al + 3(MgO) = 3Mg + (Al2Al + 3(MgO) = 3Mg + (Al2 2O O3 3) )2Al + 3(CaO)= 3Ca + (Al2Al + 3(CaO)= 3Ca + (Al2 2O O3 3) )III. III. 在钢液内部：在钢液内部： Mg + n/3AlMg + n/3Al2 2O O3 3 夹杂物夹杂物 = = MgO MgO (n-1)/3Al(n-1)/3Al2 2O O3 3 夹杂物夹杂物 + 2/3Al + 2/3AlII. II. 在包衬在包衬- -钢液界面钢液界面: : 2Al + 3MgO2Al + 3MgO包衬包衬 = 3M

45、g + Al = 3Mg + Al2 2O O3 3 夹杂物夹杂物65 夹杂物转变机理夹杂物转变机理IV. IV. 在在MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 夹杂物外表面夹杂物外表面: :xCaxCayMgOyMgO zAlzAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物 xCaO xCaO (y-x)MgO(y-x)MgO zAlzAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物xMg xMg 生成生成CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 外表层。外表层。66 夹杂物转变机理夹杂物转变机理 CaCaxCaOxCaO MgOMgO yAlyAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物 (x+1)

46、CaO(x+1)CaO yAlyAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物MgMgv夹杂物外表面转变为精炼温度下为液夹杂物外表面转变为精炼温度下为液态的态的CaOCaO 2Al2Al2 2O O3 3、CaOCaO AlAl2 2O O3 3、 12CaO12CaO 7Al7Al2 2O O3 3； v夹杂物外形变为球状。夹杂物外形变为球状。V. V. 在夹杂物外表面：在夹杂物外表面：67在夹杂物外表层内部进行的反应在夹杂物外表层内部进行的反应v在外表层内存在在外表层内存在CaOCaO和和MgOMgO的浓度的浓度梯度：梯度：v外部外部CaOCaO含量高，内部低；含量高，内部低；v内部内部MgOMgO

47、含量高，外部低。含量高，外部低。vCaOCaO由外向内扩散，由外向内扩散，MgOMgO由内向外由内向外扩散。扩散。 v以下两反应发生以下两反应发生: :在夹杂物外表层内部在夹杂物外表层内部: : CaO CaOxCaOxCaO yMgOyMgO zAlzAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物(x+1)CaO(x+1)CaO (y-1)MgO(y-1)MgO zAlzAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物MgOMgO在夹杂物外表面在夹杂物外表面: : CaCaxCaOxCaO MgOMgO yAlyAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物(x+1)CaO(x+1)CaO yAlyAl2 2O O3 3 夹杂物夹杂物 + Mg+ Mg 68夹杂物转变机理夹杂物转变机理v由于以上所述反应，夹杂物由于以上所述反应，夹杂物MgOMgO含量逐步降低；含量逐步降低； v最终，夹杂物转变为含最终，夹杂物转变为含MgOMgO很很少的少的CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系夹杂物系夹杂物，或不