钢冶炼知识和“零”夹杂物的关系.docx

钢冶炼知识和“零”夹杂物的关系一、钢中夹杂物知识：根据钢中非金属夹杂物的来源和分类，综述了鉴定钢中非金属夹杂物的方法和定量评级标准，并且给出了典型夹杂物的扫描电镜照片，分析了不同类型夹杂物的形成机理及其在光学显微镜下的基本特征。随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要求了越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。例如，非金属夹杂物导致应力集中，引起疲劳断裂；数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性；钢中呈网状存在的硫化物会造成热脆性。因此，夹杂物的数量和分布被认定是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目这一。非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对钢性能的影响也不同。所以提高金属材料的质量，生产出洁净钢，或控制非金属夹杂物性质和要求的形态，是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。而对于金相分析工作者来说，如何正确判断和鉴定非金属夹杂笺也因此变得十分重要。1钢中非金属夹杂物的来源分类和术语1 .1内生夹杂物钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学瓜形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。2 .2外来夹杂物钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁肃落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的牲是外形不规则，尺寸比较大，颁也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。2钢中非金属夹杂物按化学成分分类钢中非金属夹杂物按化学成分详细分类见图1,主要分为三大类。图1钢中非金属夹按照化学成分分类图3 .1氧化物系夹杂简单氧化物有FeO1Fe2O31MnOlSiO2lAbO3lMgO和Cu2O等。在铸钢中，当用硅铁或铝进行脱氧时，夹杂比较常见。在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物，包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等，以及钙的铝酸盐（图2b）。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂，这类夹杂物有2FeOSiCh（铁硅酸盐）、乂镒硅酸盐）和2（钙硅盐）等（图3a）这类夹杂物在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃太的形式保存于钢中。3.2 硫化物系夹杂主要是FeS1MnS和CaS等。由于低熔点的FeS易形成热脆，所以一般均要求钢中要含有一定量的镒，使硫与镒形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS（图3b）.铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类：形态为球形，这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧不完全的钢中3在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状夹杂；呈块状，外形不规则，在过量铝脱氧时出现。图2扫描电镜下的氧化铝和钙的铝酸盐夹杂图3扫描电镜下的硅酸盐和硫化镒夹杂3.3 氮化物夹杂当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AIN,TiN1ZrN和VN等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触，氮化物的数量显著增加。4 按夹杂物的塑性变形能力分类(1)脆性夹物热加工时该类夹杂物形状和尺寸都不变化，但可能沿加工方向成串排列或呈点链状，属于这类夹杂物的有Ab3和Cr2O3o(2)塑性夹杂物热变形时该类夹杂物具有良好范性，沿变形方向延伸成条带状。属于这类的有硫化物及含量较低(40-60%)的铁镒硅酸盐。(3)球状不变性夹杂铸态呈球状，热加工后保持球状不变，如SiCh及含SiO2较高(>70%)的硅酸盐。(4)半塑性夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基体铝硅酸盐有塑性，热加工时将产生塑性变形，但是其中包含着的析出相如氧化铝等是脆性的，加工时仍保持原状或只是拉开距离。4夹杂物的鉴定早期的工作者主要用光学显微镜配合X射线结构分析和化学成分分析，积累了宝贵的经验和丰富的资料。近年来，采用电子探针对夹杂物进行微区成分分析日益增多。目前鉴定夹杂物的大致方法有以下两种。4.1金相法与微区域成分分析相结合在金相观察中选出待定夹杂物后，用电子探险针(EPMA)进行微区成分分析或者应用扫描电镜(SEM)自带能谱分析你(EDS)进行成分分析。通常可以测定尺寸大于IUm的夹杂物的组成元素和大致成分，如果采用个别元素的面扫描还可以得到更为直观的结果。图4是使用扫描电镜对Q460钢中的一颗夹杂物进行的面分析图谱，依次进行硫、镒、硅和铁四种元素的面扫描，从扫描结果可以推断出，明场观察中夹杂物为MnS,SiCX和FeS,通过能谱仪(EDS)对其进行成分分析，还可直接得到各元素的质量分数。图4夹杂物扫描电镜面扫描图4.2光学金相法在光学显微镜下利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布；在暗场下观察夹杂物的固有色彩和透明度；在正交偏振光下观察夹杂物的各种光学性质，从而判断夹杂物类型。根据夹杂物的分布情况及数量评定相应的级别，评判其对钢材性能的影响。目前检验和研究钢中非金属夹杂物的方法很多，有化学法、岩相法、金相法、电子探针和电子扫描法等。有金相法鉴定夹杂物是根据夹杂物的形貌、分布及其在明场、暗场和偏光下的光学特征（表1）,与已知的夹杂物特征对照以确定其类型。必要时可以测定夹杂物的显微硬度或经受化学试剂腐蚀的能力。非金属夹杂物的金相法鉴定步骤见表2。表1常见非金属夹杂物的光学特征表2非金属夹杂物的金相法鉴定5非金属夹杂物的定量评级5. 1国标评级定量测定是优质钢以及高级优质钢的常规检测项目之一。夹杂物类型已知的条件下，采用标准等级比较法，以判定钢材质量的优劣或是否合格。夹杂物的评级可以根据GB/T10561-2005标准进行。试样经过仔细抛光，夹杂物应保存完好，不经侵蚀在放大IOO倍显微镜下观察。把试样上夹杂物最严重的视场与标准级别图片比较来评定其等级。GB/T10561-2005标准列出三类夹杂物的级别图。氧化物为一类，硫化物又按照夹杂物最严重的粗细分为两个系列，每一个系列分5级，级别越高，表示夹杂物含量越多。评级时若不能评成整数，可以采用半级。作为重要零件用的合金结构钢或工具钢，应根据零件的要求定出非金属夹杂物的合格级别，对于合金结构钢，一般最高级别不得超过氧化物及硫化物各3级，两者之和为5.5级。路滚动轴承则按照GB/T18524-2002标准进行分类及评级。标准中非金属夹杂物分脆性夹杂物、塑性夹杂物和点状不变性夹杂物三类，每类分0.5,1.1.5,4共八级标准级别。轴承钢中非金属夹杂物含量级别不应大于表3中的规定。表3轴承钢中非金属夹杂物允许的级别规格及状态脆性夹杂物塑性夹杂物点状不变性夹杂物30mm的冷拔及退火钢材22.52.53060mm退火钢材及这60mm333的不退火钢材>60mm退火钢3.53.53.5为了定量研究夹杂物对性能的影响，需要测定夹杂物的大小及间距的统计分布，在夹杂物较细小时，要在电镜下进行。定量测定要求测定较多的视场以求得统计分布。自动图像分析仪的应用可以大大加速测定工作的进程，并获得较为准确的结果。1 .2JK标准评级将夹杂物分为A,B1C和D四个基本类型，它们分别是硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化物。每类夹杂物按照厚度和直径的不同又可分为细系和粗系两个系列，每个夹杂物由表示夹杂物数量递增的五级图片（广5）组成。评定夹杂物级别时，允许评半级。结果是用每个试样每类夹杂物最恶劣视场的级别数表示。钢中非金属夹杂物的评定方法可以参照GB/T10561-2005标准。5 .3ASTM评级标准ASTM标准评级图又称修改的JK图，评级图中夹杂物的分类，系列的划分均与JK评级标准图相同，但评级图由052.5组成，它适用于评定高纯度钢的夹杂物，常用于承受较大压延量的产品中，如板材、管材和线材等。结果是用每类夹杂物不同级别的视场总数来表6结语钢中非金属夹杂物含量虽然少，但对钢的性能影响极大，所以必须对它进行定性和定量的检测。根据夹杂物在显微镜下不同的光学特征，可以定性鉴定钢中非金属夹杂物，在结合有关标准和相关微区成分分析可以定量评定夹杂物的级别，综合来判定钢的质量，进而找出规律，改进工艺，尽可能减少有害夹杂物的含量，提高产品质量“二、夹杂物知识的量化及产生夹杂物的数据关联。控制钢中非金属夹杂的途径，一是减少冶炼及浇注工艺操作过程中夹杂的产生和外来夹杂对钢水的污染，二是设法排除已存在于钢水中的夹杂物或减轻夹杂物对钢的危害。1.转炉冶炼中夹杂物的控制为了减少生成夹杂物，转炉出钢过程中，采取合理的冶炼制度，这些措施包括：（1）减少补吹并尽量减少下渣量，以降低转炉终点的氧含量；（2）提高转炉终渣Mgc）含量和碱度，减少下渣；（3）采取出钢挡渣、扒渣和炉渣变性；（4）转炉出钢过程中渣洗脱硫，降低钢水硫含量，抑制硫化物央杂危害；利用渣洗过程中液态高碱度脱硫熔渣与钢水重度差，促使熔渣在与钢水充分接触的同时，从钢水内部不同层面上不断上浮析出形成脱氧及脱硫产物，为后续钢水的钙处理创造条件，促进钢中夹杂物变性。渣洗通过控制炉渣成分处理钢液，是最早出现的二次精炼方法。由于精炼渣可以吸附夹杂物，为了保证渣洗的效果，一般要进行搅拌。渣洗通常与其它工艺操作配合使用。电渣重熔是在渣洗基础上发展起来的一项新技术。在电渣重熔过程中，自耗电极的端部熔化的金属汇集成液滴，分散细小的熔滴穿过渣层并最终进人金属熔池，使金属液与熔渣的接触界面显著增加。而且，电极端头温度高达1800,原有的固态夹杂一般均能变成液态，更容易被渣吸附。经电渣重熔的GCrl5巧钢轴承的寿命是电炉钢轴承的3.35倍。2.精炼过程中的夹杂物控制（1）气体搅拌A.钢包吹氢吹氢搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一，钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹人钢液中气泡数量和气泡尺寸。钢包底吹氢用透气砖平均孔径一般为24mm,在常用的吹氢流量范围产生的气泡直径为1020mm.而有效去除夹杂物的最佳气泡直径为215mm,并且气泡在上浮过程会迅速膨胀。因此，底吹氢产生的气泡捕获小颗粒夹杂物概率很小，对细小夹杂物去除效果不理想。在钢包底吹氢过程中，过强的搅拌功会导致钢水的二次氧化及卷渣。为了去除钢中的细小夹杂物颗粒，必须钢液中制造直径更小的气泡。将氢气引人到足够湍流强度的钢液中，依靠湍流波动速度梯度产生的剪切力将气泡击碎，可将大气泡击碎成小气泡。钢包与中间包之间的长水口具有高的湍流强度，在此区域钢水流速达到l3ms°在长水口吹氢水模型研究表明困，可获得0.5lmm的细小气泡。细小的气泡捕获夹杂物的概率很高。这种方法可显著提高氢气泡去除夹杂物的效率。B.中间包气幕挡墙通过埋设于中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹人的气泡，与流经此处的钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的。德国NMSG公司的应用结果表明，与不吹气相比，50200m大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物的去除效率增加50%o为了获取细小气泡，新日铁研制了一种旋转喷嘴，借助耐火材料制的旋转叶轮，使吹人中间包的气泡分裂成微细气泡，与传统的中间包设置挡墙法相比，小于50m的夹杂明显减少。本溪钢厂中间包底吹氢试验证实：底吹氢形成的气幕挡墙对夹杂物去除效果明显，同不吹氢相比，铸坯中夹杂物数量下降50%,而且未观察到3050m的夹杂物。C.加压减压法加压减压法(NKPERM)是日本钢管公司开发的精炼法，采用顶吹喷枪和包底透气砖吹氮和氢强制性的溶解在钢水中，使钢中的氮或氢增到(15040()×IO-6,然后在RH真空循环脱气装置中脱气去夹杂。钢中过饱和的氮或氢在迅速减压过程中析出，形成微小气泡促使夹杂物上浮。与传统的钢包吹氢相比，钢中夹杂物平均尺寸明显减小，且直径在10m以上的夹杂颗粒全部去除。(2)电磁净化A.钢包电磁搅拌瑞典ASEA公司与SKF公司，于1965年建成了第1座采用电磁感应搅拌的钢包精炼炉ASEA-SKF。用此方法生产钢的总氧量可小于20X10-6,夹杂物显著减少。国内冶金工作者在对90t1.F-VD钢包精炼电磁搅拌的试验表明，电磁搅拌在降低尺寸在20m以下的非金属夹杂物与吹氨搅拌相比有显著的优越性，非金属夹杂物不论颗粒大小，都能以较快速度从钢液中排除。此外，电磁搅拌能量分布均匀，流场基本无死角。一般来说，电磁搅拌比气体搅拌更容易准确掌握，和气体搅拌相比，对钢渣界面的搅动强度还不够大。电磁搅拌使钢液的流动比较稳定、均衡，避免钢水流速过大导致的卷渣。但电磁搅拌不能提供促使夹杂物上浮的气泡。B.中间包离心分离利用夹杂物与钢液的密度差，可以用离心场中分离夹杂物。在旋转的钢液中，由于夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，在钢液中心聚集长大、上浮。钢液的旋转可以通过旋转磁场产生。20世纪90年代，日本在中间包中进行旋转磁场离心分离夹杂物的试验，离心流动中间包分为圆筒形旋转室和矩形室，钢水由钢包长水口进人旋转室，在旋转区受电磁力驱动进行离心流动，然后从旋转区底部出口进入矩形室进行浇铸。离心搅拌后全氧由(2040)乂10-6降到(815)XIO-6,夹杂物总量约减少一半C.结晶器电磁制动电磁制动是利用向上的电磁力阻止从浸人式水口流出的钢液并改变其方向，借此减小钢液的穿透深度，促使夹杂物上浮分离，同时，抑制弯月面的波动，防止卷渣。20世纪80年代，瑞典ASEA公司与日本川崎公司联合开发的板坯结晶器电磁制动技术，取得较好效果。90年代，成功开发出两段电磁制动技术，上段用于抑制弯月面的波动，下段用于制动高速流股。近年来又开发出了全幅三段电磁制动技术，将下段磁场用于二次制动，日本川崎钢铁公司在采用电磁制动后，即使在2.5mmin以上高速连铸时，结晶器内的保护渣也不会卷人钢液中。国内梅钢2号连铸机采用全幅两段电磁制动技术，使用效果表明：采用电磁制动，结晶器液面波动幅度降低，铸坯夹杂物数量较少且尺寸小于20m0(3)过滤器过滤器主要通过机械拦截、表面吸附的作用去除夹杂物。夹杂物的去除率与过滤器的材质、过滤器孔径和钢水流速有关。美国SE1.EE钢铁公司研制的过滤器应用在中间包上，夹杂物去除效率提高40%80%°日本千叶厂研制的陶瓷狭孔过滤器，在最佳情况下能全部去除大于20m的夹杂。国内对钢水过滤器进行的研究也取得了较好的效果。宝钢在中间包上使用Cao质过滤器，采用有向上倾斜角度的小孔，以增加渣吸附夹杂的机会，使用后发现对去除夹杂物中AI2O3、SKh作用显著，可使中间包第3、第4流钢水T(O)分别降低25%和10%。目前，过滤器的制作工艺比较复杂，生产成本较高，过滤器的比表面积有限，难以满足钢水连续过滤的要求，也仅限应用于高纯净度高价位钢材的生产。应当用其它措施尽可能多去除一些夹杂，剩余的难去除的小型夹杂，再通过过滤器去除。随着过滤器越来越多的应用于生产，为钢铁工业提供优质、廉价、长寿的过滤器成为今后的研究重点。上述几种去除夹杂物技术的冶金功能比较见表2表2不同夹杂物去除技术的冶金功能比较处理方法找雕适合工艺，对螃蟾麻嫌物处理效果生产邮不足长大上部分高气体耕均匀温队成分,ra嫌的包、中间包期魅越大,去除效槌两设备简单,操作施强烈的睇制燃耻中卷入酒都相附机视悔化句句温度、成分,去政恻包、中间包、夹杂物不论裁蚁小部能快速雌OS鼬界面的财强度律大不能提赚杂物上浮的气也Itt1.赚和去的包,中间吸肚浮翱法界Si投资九操作为了保证效果,萩耕(8Oi蟠包、蚪WVW的夹杂撼粒方便Sft5去夹杂,优化的献场中间包能去除驯决杂物期满足铜水连期徽求成本即制作工艺收复您注：强一般弱(4)钙处理工艺：钙对夹杂物控制的变性机理：Ca是一种很好的钢液净化剂，它不仅可以深脱氧，还可以深脱硫，在钢液脱氧后，O已很低的情况下，Ca直接脱氧反应成为次要过程，此时它主要与钢中A123发生反应：XCa+3YAl2O3=3X(CaO)(3Y-X)AI2O3)+2XAl钙在这些AI2O3夹杂顺粒中扩散，使钙连续的进人铝的位里，置换出的铝进人钢液，随着Ca的扩散，使从氏夹杂表面Cao含量升高，当CaO>25%时，钙铝酸盐呈液态，这种含CaO量高的液态钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液，进人渣层，少部分未漂浮的夹杂顺粒也以较小呈球状残留于钢中，这样，不仅解决了脱氧问题，而且减少了钢中A123夹杂，同时，还可使钢坯的组织显微结构趋于均匀，并可改善钢水流动性，减少浇注过程水口堵塞等问题。夹杂物变性处理工艺是：在钢液正常脱氧后，用喷粉或喂线的方法往钢中加人碱土金属，以改变夹杂物的组成，改善氧化物、硫化物等在钢中的存在形态。目前国内包钢所用的Ca处理工艺为：重轨钢：无AI脱氧工艺+1.FVD精炼+SiCa粒压渣；其他钢：正常Al脱氧工艺+1.FVD精炼后喂SiCa线。另外，在钙合金中含Ba时，可大大提高Ca的变性效果，且含Ba量越高，变性效果越理想。综上所述,可采取的控制措施采用气体搅拌时，设法向钢液吹人数量更多，尺寸更小的气泡，能有效减少夹杂物的数量，减小夹杂物的尺寸。加强钢渣界面的搅动，促进夹杂物分离，有利于提高电磁净化和渣洗去除夹杂的效率。(2)气体搅拌设备简单、方便，能有效去除钢中夹杂，但对细小夹杂物去除效率不高。而电磁搅拌和过滤器可以去除尺寸细小的夹杂，但成本较高。生产中应根据工艺设备的情况,选择最经济,最实用的夹杂物去除技术,满足钢种性能要求。(3)在冶炼、精炼及连铸过程中，将各种夹杂物去除技术进行合理组合，最有效地发挥各自的优势，实现多功能精炼，将会取得更好的效果。(4)钙处理技术可使钢中从AI2O3、MnS等夹杂变性，改善钢的性能、质量。运用钙处理工艺有效的校制了钢中夹杂物的形态，使钢的内在质量、力学性能等均有极大提高。(5)中问包可采取的控制措施包括：a.保证足够的停留时间，使夹杂物充分上浮；b.采用长水口氢封保护浇注，减少来源于气体的污染；c.优化中间包钢液流场促进夹杂物上浮，并可使用过滤器强制吸附夹杂物；d.用磁旋转离心器，所有比重小的夹杂物和气体受到离心力的作用脱离表面并上浮；e.使用高碱度覆盖剂吸收夹杂物，造还原性中间包渣，使用碱性耐火材料，降低侵蚀。