河北联合大学轻工学院冶金专业毕业设计(炼钢论文).doc

111河北联合大学轻工学院 qinggong college, hebei united university 毕毕业业论论文文 论文题目：论文题目：国丰国丰 q195 钢工艺研究钢工艺研究 学生姓名：学生姓名： 学学 号号：200815 专业班级：专业班级：08 冶金冶金 学学 部：材料化工部部：材料化工部 指导教师：王硕明指导教师：王硕明 教授教授 2012 年年 05 月月 26 日日 摘 要 i 摘 要 唐山国丰钢铁有限公司成立于 1993 年，是一家集制氧、烧结、炼铁、炼钢、 轧钢为一体的大型钢铁联合企业，具备年产铁、钢、材各 800 万吨的综合生产 能力。 。为了进一步提高技术水平、增加品种、提高产品附加值、稳定产品质量， 河北联合大学与国丰公司商定，广泛进行技术合作，充分发挥学校和企业在理 论研究、技术开发和生产经营等方面的各自优势，对国丰所冶炼的典型钢种 q195 进行系统研究，明确国丰生产水平与国际、国内先进钢厂相比所处的相对 地位，以明了存在的差距和进一步提高的方向，并优化工艺与设备参数，稳定 产品质量，保证生产顺行。实验期间，国丰二钢对其连铸中间包进行了优化， 同时中间包容量也进行了扩容。通过中间包改造前后的铸坯研究，分析国丰钢 铁公司生产的钢种中非金属夹杂物，氧氮含量及钢的缺陷组织，通过其改造前 后的生产数据的分析，提出相应的改进措施和优化方案。 关键词：非金属夹杂物；氧氮含量；缺陷组织 abstract ii abstract tangshan countries abundant steel co., ltd. was established in 1993, is a collection of oxygen generation, sintering, iron, steel, steel rolling as one of the major steel joint enterprise have annual iron, steel, the material the comprehensive production capacity of 8 million tons. in order to further improve the technical level, and increasing variety, improving the added value of the products, stable product quality, hebei union university and national abundant company agreed, widely for technical cooperation, give full play to the school and enterprise theory research, technology development and production management, and other aspects of the respective superiority, the kingdom of the typical steel smelting richly q195 system research, production level and abundant clear countries advanced international and domestic steel mill in the relative position than describing the existing gap and further improve the direction, and optimization of process and equipment parameters, stable product quality, ensure the production line. during the experiment, the two countries abundant steel tudish optimized, and at the same time and tundish capacity expansion. through the tundish slab before transformation, this paper analyzes countries abundant steel company in the production of steel non-metal inclusions, oxygen and nitrogen content in steel defects, through its transformation of production before and after the analysis of the data, and the corresponding improving measures and optimization scheme. keywords：nonmetallic inclusions; oxygen and nitrogen content; defects in the organization 目 录 iii 目 录 摘 要.i abstract ii 引 言1 第 1 章 文献综述2 1.2.影响 q195 钢质量的因素 .2 1.2.1 化学成分的影响.2 1.2.2 表面裂纹的影响.3 1.2.3 钢中非金属夹杂物的影响.3 1.3 钢中非金属夹杂物的研究4 1.3.1 夹杂物来源.4 1.3.2 非金属夹杂物的分类5 1.3.3 钢中非金属夹杂物的控制.7 1.4 钢中低倍组织缺陷 8 第 2 章 研究内容及方案13 2.1 课题来源 13 2.2 研究内容和目的 13 2.3 研究方案13 2.3.1 取样.13 2.3.2 研究方法14 第 3 章 实验结果分析20 3.1 to、tn含量的研究.20 3.1.1 中间包改造前后全氧含量分析.20 3.1.2 中间包改造前后氮含量分析.22 3.2 中间包改造前后铸坯大型夹杂物分析23 3.2.1 改造前后大型夹杂物形貌及成分分析.23 3.2.2 改造前后大型夹杂物含量分析.27 3.2.3 改造前后大型夹杂物粒径分析.28 3.3 中间包改造前后显微夹杂物分析29 3.3.1 中间包改造前后显微夹杂物形貌剂成分分析29 3.3.2 中间包改造前后显微夹杂含量变化31 3.4 铸坯的内部组织分析34 结 论39 目 录 iv 参考文献40 致 谢42 引 言 1 引引 言言 近年来，随着机械制造业，特别是汽车工业以及航空工业等的迅速发展， q195 钢的应用领域日益扩大。用户对 q195 钢性能的要求也不断提高，需要具 有较高的屈服强度、抗拉强度和韧性。作为应用广泛的中碳钢，q195 钢中的非 金属夹杂物、氧氮含量，组织缺陷对铸坯及最终产品性能的影响很大。 为了系统分析国丰 q195 钢中非金属夹杂物、氧氮含量，组织缺陷，进一步 提高铸坯质量，连续化大规模生产铸坯。以生产 q195 钢铸坯中夹杂物为研究对 象，采用以下方法来系统分析 q195 钢中夹杂物，氧氮含量以及低倍组织缺陷。 1）采用大样电解法研究铸坯中大型夹杂物夹杂物。 2）采用金相法检验铸坯中的显微夹杂物。 3）通过热酸蚀低倍检验方法观察低倍组织缺陷。 通过本课题的研究，深刻了解影响 q195 钢质量的影响因素，进而改善铸坯 质量，为国丰钢铁公司生产高质量产品提供保障，同时起到对类似工艺的炼钢 生产具有一定指导和借鉴意义的目的。 第 1 章 文献综述 2 第 1 章 文献综述 q195 钢是碳素结构钢即普碳钢的一种。碳素结构钢使用量很大，约占钢总 产量的 70%，大部分作为结构件，少量用于制造机器零件和其他制品。碳素结 构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，性能基本上能够满足一般工程构建的要求， 所以使用极为广泛，这类钢除了要求有足够的强度外，还要求具有良好的塑性 和韧性，且易于成型和焊接。在国家标准 gb/t700-1988 中，将碳素结构钢屈服 强度的下限值分为五个级别，它们的钢号分别为 q195,q215,q235,q255,q275。 这里 q 代表屈服强度，数字代表屈服强度的下限值，单位 mpa。 1）化学成分 成分csimnps 含量0.060.120.300.250.500.0450.050 2） 力学性能 抗拉强度（b/mpa）：315-430 伸长率（5/%）：33（钢材厚度或直径16mm） ，32（钢材厚度或直径 16-40mm） 3） 主要特征及应用举例 具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低。用于 制造地脚螺栓、犁铧、烟筒、屋面板、铆钉、低碳钢丝、薄板、焊管、拉杆、 吊钩、支架、焊接结构等。轧制薄板和盘条。冷、热轧薄钢板及以其为原板制 成的镀锌、镀锡及塑料复合薄钢板大量用于屋面板、 装饰板、通用除尘管道、 包装容器、铁桶、仪表壳、开关箱、防护罩、火车车厢等。盘条则多冷拔成低 碳钢丝或经镀锌制成镀锌低碳钢丝，用于捆绑、张拉固定或用作钢丝网、铆钉 等 。 1.2.影响 q195 钢质量的因素 根据对 q195 钢质量检测，发现影响钢质量主要有以下几个方面：钢的化 学成分，表面裂纹，钢中夹杂物和钢的显微组织。 1.2.1 化学成分的影响 钢中化学成分 c，si，mn，p，cr，ti，ni，mo 等都是强化元素，其中以 河北联合大学轻工学院 3 c 对强度作用效果最为明显。所以应该将各种强化元素，尤其是 c 元素要控制 在其允许范围的下限。改变合金元素含量，要注意该合金元素在钢中的作用， 以满足用户的基本要求。 1.2.2 表面裂纹的影响 表面裂纹产生的原因有：一是钢坯质量不合格，导致钢锭皮下气泡或皮下 夹杂在轧制中暴露于钢坯或钢材表面；二是轧制不当所导致的表面裂纹，轧钢 过程中如存在严重的温度不均匀，会在钢材表面形成横向裂纹。 1.2.3 钢中非金属夹杂物的影响 非金属夹杂物是钢中不可避免的，但其夹杂物成分、数量、形态、分布等 特性对钢的性能影响是多方面的。 1）夹杂物对裂纹的形成的影响 统计发现，约有 82%的疲劳断裂其裂纹发源地都有夹杂物存在。非金属夹 杂物往往为作为显微裂纹的发源地对钢起了破坏作用，从而使得钢的性能变坏 35,36。 2）夹杂物对钢塑性和韧性的影响 非金属夹杂物往往为作为显微裂纹的发源地而在其中起着重要的作用，其 表现为使钢的伸长率和断面收缩率降低。颗粒夹杂物常作为应力集中源，在降 低钢冲击韧度值的同时使钢的脆性转变温度升高。 3）夹杂物对钢的疲劳性能的影响 钢中夹杂物对疲劳性能的影响的最主要因素之一是夹杂物的变形能力。若 夹杂物的变形能力低，在钢基体和夹杂物的界面处就可能产生微裂纹，这些微 裂纹便成为了疲劳裂纹的发源地。 4）夹杂物对钢压力加工性能的影响 除了在钢中晶界上存在的低熔点夹杂物使钢在热变形加工时可能产生“热 脆”现象外，钢中非金属夹杂物可降低钢在室温时的塑性，也必然使钢的冷变 形性能破坏。 5）夹杂物对钢耐腐蚀性能的影响 在腐蚀介质中工作或表面附着有腐蚀介质的钢制零件，当其表面存在有大 量非金属夹杂物时，由于非金属夹杂物与钢基体的电极部位不同而构成腐蚀微 电池37，将会在非金属夹杂物与钢基体的交界处发生电化学腐蚀。 6）夹杂物对钢热处理性能的影响 第 1 章 文献综述 4 钢中非金属夹杂物通常是零件热处理淬火时开裂的一个主要原因。这是因 为夹杂物在钢中破坏了其连续性。 7）夹杂物对钢焊接性能的影响 非金属夹杂物对钢焊接性能的影响主要是容易引起焊接件在焊缝或焊缝热 影响区产生裂纹。 1.3 钢中非金属夹杂物的研究 质量良好的金属材料不仅化学成分符合技术标准的要求，材料中的非金属 夹杂物也要尽可能的少，因为即使很少量的非金属夹杂物亦足以影响金属的机 械性能，降低材料的质量。这些铸坯中的非金属夹杂物破坏了钢的连续性和致 密性，对金属制品的质量有着极为重要的影响。连铸坯内较多的非金属夹杂物， 淬火时会引起应力集中而引起裂纹，降低疲劳强度，甚至使工件直接报废，夹 杂物的存在，会使零件在腐蚀介质中在夹杂物处引起腐蚀。非金属夹杂物对金 属材料质量的影响不仅决定于其数量的多寡并与夹杂物的组成、外形及分布状 态有关；不利的外形分布，如：沿晶界分布的、链状的、被轧成条状的夹杂物 对机械性能的影响尤其大。在外力作用下往往在非金属夹杂物存在的地方引起 应力集中，当应力足够大时则导致材料破裂。因此夹杂物类型、含量和分布等 通常认为是评定钢材质量的一个重要指标，并被列为优质钢及高级优质钢出厂 常规检验项目之一。 连铸凝固速度快，夹杂来不及上浮而且存在分散，连铸钢水和耐火材料熔 渣接触，暴露在空气中的机会也多，因此，夹杂来源复杂，根据以往的研究成 果，提出了夹杂物的来源、类型和减少夹杂物的措施。 1.3.1 夹杂物来源 按照钢的冶炼流程，在以下各个环节都有可能引起铸坯产生夹杂物24： 1）转炉出钢下渣 挡渣出钢的效果相对较差，出钢时带入钢包中的炉渣较多，再加上使用过 的钢包有的不太干净，出钢时很多剩渣夹裹在钢水中，污染了钢水。有的炉次 吹气精炼不好，直接浇注，脱氧产物及钢水中悬浮的炉渣不能充分上浮，也造 成钢水污染233。 2）钢包、中间包包衬侵蚀物 在生产过程中如果钢包衬侵蚀物进入钢水，尤其是 lf 精炼炉升温时对钢 包上部打结料的侵蚀严重，会造成包衬侵蚀污染钢水。大量的中间包填充料 河北联合大学轻工学院 5 （粘土砖粉）和绝热板残块进入钢水也会造成污染，而被中间包的填充物污染 的钢水极易通过浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物尺寸也是最大的，对 钢板性能的破坏亦最明显。另外，浇注后期涂料侵蚀透后，中间包打结料侵蚀 进入钢水也造成污染。 3）钢水二次氧化 钢水由大包到中间包应采用全程密封保护，但在实际使用中，上部钢流往 往暴露与空气中造成二次氧化。还有浇注过程中用氧气烧高压保护箱内壁上的 钢瘤等时形成的氧化物极易进入结晶器凝入坯壳。 精炼炉吹氩时，如果片面追求快速降温或缩短精炼时间，会使氩气压力过 高，使大包液面翻动过大，一方面造成钢水面裸露二次氧化，另一方面，液面 过度翻动使表面渣层裹入钢水，污染钢水。 4）中间包污染 浇注过程中，上下炉钢水连接时，往往由于生产组织或其它方面的原因， 造成连接不好，下炉钢水不能及时再浇，中间包液面过低，上层的渣子随水口 涡旋进入结晶器。中间包不干净，杂物及耐火材料碎块也污染钢水。 5）结晶器液面波动 如果中间包塞棒开闭和调整拉速是由人工控制，结晶器有时液面波动较大， 并且前一时期浸入式水口侧孔角度偏小，插入深度经常变化以改变水口渣线的 位置，都加剧了结晶器液面的波动，保护渣被钢流冲至水口到弧板边 1/2 的位 置聚集，并被钢流卷入钢水中，而结晶器面上下波动最易造成铸坯弯月面处的 初生坯壳皮下裹渣。 1.3.2 非金属夹杂物的分类 1）按夹杂物来源分 钢中的夹杂物按照来源可以分为内生的和外来的两大类25，26。 内生夹杂主要为氧化物夹杂有以下几种来源：一是在炼钢温度下合金化和 铝终脱氧时析出脱氧产物，称为一次脱氧产物；二是钢液从精炼温度冷却至液 相线温度过程中析出的脱氧产物，称为二次脱氧产物；三是钢液从液相线温度 冷却到固相线温度时析出的脱氧产物，称为三次脱氧产物。内生夹杂物在钢中 的分布相对来说是比较均匀的，它们的颗粒一般比较细小。 外来的主要是在钢的熔炼、出钢和浇铸过程中，钢液同耐火材料和炉渣相 接触，炉渣被卷入钢液中(特别是出钢的时候)，耐火材料在高温受到冲蚀，它 的颗粒混入钢液中，这些情况都难以避免。混入钢液中的耐火材料和炉渣颗粒 通过与钢液起化学反应不断在成分和结构上发生变化。这些颗粒，不论是刚刚 第 1 章 文献综述 6 被机械地带入钢液中的，还是经历了相当变化的，一旦被滞留到铸件中，就变 成了钢中的夹杂物，这些就叫外来夹杂物。外来一般来说尺寸较大，外形不规 则，结构复杂，只是偶然在这里或者那里出现。 2）按化学成分 第一类夹杂物简单氧化物30。如 feo，mno，钛、钒、妮的氧化物， cr2o3，a12o3，sio2等。 第二类夹杂物复杂氧化物。其中尖晶石类夹杂物通常用化学式 aob2o3表示。化学式中 a 表示二价金属，如镁、锰、铁等，b 表示三价金属， 如铁、铬、铝等。尖晶石类夹杂物为一大类氧化物，如 mnoal2o3，mnocr2o3，mnofe2o3，feoal2o3，feo-cr2o3，mgo-a12o3等。 钙的铝酸盐如 caoa12o3，cao2a12o3 也属于复杂氧化物。但不属于尖晶石 类夹杂物。 第三类夹杂物硅酸盐及硅酸盐玻璃。通用化学式可写成 lfeommno na12o3p sio2。它们一般是多成分的。既可以是单相的，也可以是多相的。在 单相情况下，一般是玻璃态的。在用锰铁、硅铁和铝进行脱氧而且加铝量较少 时出现各式各样的硅酸盐，如铁硅酸盐、铁锰硅酸盐、铁锰铝硅酸盐等。 第四类夹杂物硫化物。主要是 fes，mns：此外，根据情况可能出现 cas、tis、稀土硫化物等。 第五类夹杂物氮化物。如 vn，tin，aln 等。 3）按夹杂物粒度大小分 （1）微观夹杂 （2）宏观夹杂 微观夹杂指的是粒度小于 50m 的夹杂，这类夹杂物一般为脱氧产物；粒 度大于 50m 的称作宏观夹杂，这类夹杂与钢中氧含量无直接关系，也说明宏 观夹杂并不是或不完全是由脱氧造成的。由此可见，以往那种认为连铸坯凝固 快，夹杂物来不及聚集，多呈细小分散状态的观点已不能全面反映连铸坯夹杂 物的实际状况。 4）按热加工温度下相对变形程度分 （1）脆性：指那些不具有塑性的氧化物和氧化物玻璃。当钢经受热加工变 形时，这类的形状和尺寸不发生变化，但分布有变化。氧化物夹杂在钢锭中成 群(簇)出现；钢经热加工变形后，氧化物颗粒沿钢延伸方向排列成串，呈点链 状。属于这类的有 al2o3，cr2o3、尖晶石类氧化物、钒、钛、锆的氧化物以及 一些高熔点的氧化物。特别是对硬线钢来说，当钢丝存在尺寸大于钢丝直径 2% 的颗粒时就会导致钢丝在拉拔过程中断裂。 河北联合大学轻工学院 7 （2）塑性：这些在钢经受热加工变形时具有良好的塑性并沿着钢塑性流变 的方向延伸成条状，属于这类的有硫化物、含 si02量较低(40%60%)的铁锰硅 酸盐和其中溶有 feo，mno，al2o3的硅酸钙和硅酸镁等。 （3）球状(点状)不变形：这类在钢锭中或在铸钢中呈球形，钢经形变后保 持球形不变。属于这类的有 sio2、含 sio2较高(70%)的硅酸盐、钙的铝酸盐 (caoa12o3，cao2a12o3)玻璃、纯的硅酸铝等。 （4）半塑性：指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基底铝硅酸盐玻璃一般在钢经 受热加工变形时具有塑性，但是在基底上分布的析出相晶体(如刚玉、尖晶石类 氧化物)不具有塑性。当析出相的相对量较大时，脆性的析出相好象是被一层范 性相的膜包着。钢经热变形后，塑性的相多少随钢变形延伸，而脆性的相不变 形，仍保持原来形状，只是或多或少地拉开了颗粒之间的距离。 1.3.3 钢中非金属夹杂物的控制 1）要控制钢中非金属夹杂物一般情况下应从两个方面考虑： （1）设法在冶炼和浇注过程中稳定操作来减少夹杂物的产生，尽量减少外 来夹杂对钢水洁净度的影响； （2）利用先进的冶金技术对已存在的钢中夹杂物如何更好的去除，以达到 洁净钢生产的目的。 2）为了生产高质量的钢种，我们主要在以下几个方面对其钢中夹杂物进行 控制。 （1）转炉冶炼的控制 在转炉冶炼过程中，尽量减少补吹，要严格控制下渣量，以降低转炉终点 的氧含量；对转炉冶炼完的渣子中，应适当提高其 mgo 含量和渣的碱度，并且 保证减少下渣；在转炉出钢时，应严格采取出钢挡渣制度和炉渣变性处理；在 转炉出钢过程中应进行渣洗脱硫，这样可降低钢水硫含量，从而抑制硫化物夹 杂得形成而污染钢水；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。 （2）精炼过程可采取的夹杂物控制 利用真空吹氩搅拌来有效去除钢中夹杂物；在精炼过程中，加入粉剂来去 除钢中有害杂质；对钢液中夹杂物要进行必要的变性处理；在造渣方面，应造 合适的精炼渣来有利于去除夹杂。 （3）中间包可采取的控制措施 通过合理优化中间包结构及设置内部挡墙的方法来保证钢液在中间包内有 第 1 章 文献综述 8 足够的停留时间，使夹杂物能够得到充分上浮；由钢包到中间包采用长水口， 并且通过氩气密封保护浇注，来减少钢液暴露在大气中而使钢液得到污染；在 开浇前，应通过氩气（或氮气）对中包内部进行清扫，以防止钢液的二次氧化； 中间包内衬使用的耐火材料质量应当稳定较好，及时更换中包；通过中包底部 吹氩气来进一步促使夹杂物上浮；使用的中间包覆盖剂碱度要高，这样易于吸 收更多的夹杂物，造还原性中间包渣，使用碱性耐火材料，降低侵蚀。 1.4 钢中低倍组织缺陷 1) 方框形偏析 偏析是钢中化学成分及杂质的不均匀分布现象（通常也称液析） 。在钢锭结 晶过程中出现有区域偏析，晶内偏析、晶间偏析等。低倍检验所涉及的偏析是 区域偏析，如方框形偏析、点状偏析、碳化物偏析（碳化物剥落）等，而方框 形偏析又是常见的。 1特征： 在横向酸浸试片上方框形偏析是组织不均匀致密的易腐蚀的“黑色方框” ， “方框”的形状由钢锭模的形状决定。但由于钢坯在热加工时变形程度不同， 方框也稍有变化。易腐蚀的暗色方框区域中主要是碳、硫、磷及合金元素的偏 析。当偏析以合金元素为主时，方框形与基体主要是颜色上的差别；而当偏析 主要是以低熔点杂质硫、磷、碳为主时，则方框形主要是由受浸蚀后留下的不 规则疏松孔隙所组成。方框经常出现在钢材横截面 1/2 半径处，但由于结晶过 程的变化，也可能出现在靠近中心部位或靠近边缘。有时也可出现几层方框。 2产生原因： 方框偏析是钢锭结晶过程的产物。因为大多数钢锭是方形，所以偏析区呈 方框形。在钢锭结晶过程中，由于柱状晶的成长把低熔点组元、气体及偏析元 素推向尚未冷凝的中心液相交界处，形成一个偏析方框。这个偏析方框中所含 的过量杂质没能充分在剩余钢液中呈均匀分布，或上浮到冒口，被冷凝下来后 便形成啦方框偏析。 方形偏析表面在钢材横断面低倍组织中腐蚀较深的一层方框区域。因其形 状呈方框形，故称为方形偏析。 2）一般疏松 1特征： 在横酸浸试片上呈暗黑色小点和细小的孔隙，可分布在试样检验面的各部 河北联合大学轻工学院 9 位。暗色小点富集有偏析组元，因而易腐蚀，呈海绵状。 2产生原因： 一般疏松在钢材中比较普遍出现。钢锭结晶过程中，液态冷凝而成固态时， 形成树枝状晶体。由于选分结晶的结果，树枝状晶的成长逐渐把偏析组元、气 体、杂质挤到树枝状晶轴之间或各个树枝状晶之间的尚未冷凝的少量钢液中， 而这种粘稠的少量钢液由于周围树枝晶的阻碍，不能与钢锭心部尚未冷凝的大 量钢液结合，随后冷凝收缩时便形成了富集杂质气体的一些微小区域或小孔隙。 热酸浸时，这些区域不耐腐蚀，因而显示出黑色小点或孔隙。 3)中心疏松 1特征： 在横向酸浸试片上，相当于钢锭轴心部位组织不致密，呈暗黑色海绵状的 小点和孔隙。中心疏松和一般疏松的区别是：a、分布部位不同，中心疏松是在 钢的轴心部位集中分布；b、表现的特征也不完全一样，中心疏松以钢液收缩时 得不到补充而形成的孔隙为主。 2产生原因： 中心疏松是钢锭最后结晶的产物。在钢锭凝固后期，中心区等轴晶充分长 大，钢液很稠，流动性不好，富集大量的夹杂、气体、偏析组元。粗大的等轴 晶间由于没有钢液补充，最后凝固时出现分散的孔隙，因此中心疏松也叫收缩 疏松，它通常出现在缩孔下面。 由于气体、低熔点杂质，偏析组元都集中在心部最后凝固的钢液中，使这 些最后凝固的部分易腐蚀，在酸浸蚀呈黑色海绵状的小点。 中心疏松在材料横断面上中心部位呈现腐蚀程度较深的暗黑小点及不规则 的圆形小孔隙，颜色较深。 4）缩管残余 1特征： 在横向酸浸试片的轴心部，呈不规则的空洞或裂纹，空洞或裂纹中往往残 留着外来夹杂。空洞和裂纹周围疏松严重，在粗大的等轴晶之间留下许多细小 孔隙，并富集大量夹杂。孔隙颜色一般较深。在纵向断口上相应于缩孔部位出 现夹层。残余缩孔严重时，空洞较大，延伸很深，甚至于对穿横试样正、反面。 2产生原因： 第 1 章 文献综述 10 缩管残余是由于铸锭过程中，钢液冷凝收缩产生缩孔，而在热加工过程中， 切头不够所造成的。 一般说来，若在热加工时保证适当的切头率，可将钢锭的缩孔部分切除。 但是，当缩孔在钢锭中延伸很深或切头掌握不好时，将会使部分缩管残余留于 钢中，造成钢材中的缩管残余缺陷。 5）皮下气泡 1特征： 皮下气泡是单个或成簇的纺锥形，并沿纵向排列的小孔洞或内壁光滑的小 裂纹。皮下气泡分布在钢锭表面下一定深度处，有的深达数十毫米。在钢材横 向算浸试片上，皮下气泡分布在表面下十几毫米以内的区域，但经常是距表皮 几毫米的区域最多。有时皮下气泡穿透钢材表面而呈小裂纹，裂纹的末端是园 角，与其他原因形成的裂纹有所区别。 2产生原因 1、原材料不干燥，钢液去气不良，脱氧不完善，出钢槽、成钢桶、下铸砖 干燥不充分，钢锭模内壁铁锈末刷净，涂料水分高或未涂均匀等。 2、采用上铸法时，操作不当造成钢水飞溅也能引起皮下气泡。因为飞溅的 钢液在模壁上被空气氧化，当钢液上升，与黏在模壁上的氧化铁接触时，钢液 中的碳与氧化铁皮发生反应，生成一氧化碳气泡，不能及时排除而被包围在钢 锭急冷层中，便成为皮下气泡。 皮下气泡在材料横断面上呈现成簇的或分散的小气孔隙，有的呈细而微弯 倾向且垂直于表面的长条裂纹。 6）翻皮 1特征： 在横向酸浸试片上呈灰白或暗黑色的聚集大量夹杂的不规则条带，有时条 带上镶嵌着肉眼可见的炉渣或耐火材料的夹杂。 翻皮通常出现在相当于钢锭上部的钢材上。灰白色的翻皮是由于氧化脱碳 的结果，而在保护浇注中产生的翻皮大部分是暗黑色。翻皮在断口上表现为夹 杂或夹层。翻皮处搭形试样的发纹也很严重，显微镜观察翻皮处，发现堆集着 大量的氧化物、硅酸盐夹杂。 2产生原因： 1、铸锭操作不熟练，疏忽大意，使钢水在锭模中上升不平稳。当铸速忽然 增大时，涌入模内的钢水冲破氧化层和富阳夹杂的液面结膜，使结膜卷入钢中。 河北联合大学轻工学院 11 2、模壁不光滑，阻碍钢水上升，易使液面结膜局部破裂。 3、铸温偏低，液面结膜太厚，使钢水上升受到阻碍，因而引起局部结膜破 裂。 4、冒口结壳破裂，落入为凝固钢水中。 翻皮在材料横断面上呈现弯曲的细长条的发纹，其四周常伴有气泡及夹杂， 与被腐蚀的小孔共存，颜色灰暗。 7）非金属灰杂物 1特征： 酸浸试片上的夹杂指肉眼可见的耐火材料、炉渣、及其他非金属夹杂物。 夹杂物细小，可用 510 倍的放大镜观察。这些夹杂物通常称为低倍夹杂， 他们在试片上以镶嵌形式存在，并保持其固有的各种颜色。最常见的有灰白、 米黄和暗灰色几种。夹杂在钢中的分布没有一定规律。当夹杂在表面附近时评 皮下夹杂，夹杂物分布在整个酸浸试片检验面者，评断面夹杂。 在酸浸试片上有时只看到一些拉长了的不规则的空洞，经证实是碱性夹杂 物在酸浸中被侵蚀掉而形成的，这些空洞边缘不整齐，呈海绵状，往往成群出 现。 2产生原因： 低倍夹杂主要是外来夹杂，来源有几方面：（1）冶炼和浇注设备上剥落的 耐火。在整个炼钢和浇注过程，钢液都接触耐火材料。由于化学浸蚀和钢液冲 刷，把耐火材料颗粒带到钢液中；（2）炉渣。炼钢过程中不能没有渣。如果由 于某些原因（例如铸温过低，渣的流动性不好） ，炉渣不能浮出液面，则造成夹 杂；（3）铸锭设备上的尘土。 8）白点 锻轧的合金钢中比较容易出现白点。它实际上是存在于钢坯和大短剑内部 的小裂纹，通常分布在钢材接近于中心的部位。 1特征： 在横向酸浸试片上表现为锯齿状裂纹，这些裂纹一般呈辐射状或不规则地 分布。在淬火或调质状态的纵向断口上，呈圆形银亮色的粗晶状斑点，斑点直 径一般在几毫米以内，有时也可能几十毫米。在纵向酸浸试片上轻微的白点一 般呈平行于压延方向成一定角度或垂直于压延方向。在裂纹处取样，在显微镜 下观察时，发现裂纹既有晶界的，也有穿晶的，在裂纹周围没有塑性变形，没 第 1 章 文献综述 12 有氧化脱碳和富集非金属夹杂物。 2产生原因： 白点的形成原因有各种不同的说法，但大多数都认为是氢气和组织应力共 同作用下产生的。大致可以解释如下：氢的冶炼和浇铸过程中通过不同途径进 入钢液。在铸锭凝固过程中，氢在钢中的溶解度随温度的下降而降低。由于过 饱和而析出的氢有些来不及逸出钢锭外，仍以原子状态过饱和的固溶在钢中， 随后部分扩散至钢锭中的微隙等中去，结合成分子。当这种钢锭进行锻轧时， 微隙将被焊合或压缩，其中的氢将有一部分重新固溶于钢中，使固溶体的氢含 量增加一部分未固溶的分子氢，且由于体积压缩而对周围金属施加较大的压力， 产生局部的内应力。这些钢坯在冷却过程中由奥氏体转变为铁素体和珠光体时 氢的溶解度剧烈降低，使钢中氢的过饱和度不断增加。当冷却过程缓慢时，氢 有足够的时间逐渐向外扩散，组织应力也很小，则不致产生白点。而当冷却过 程较快时氢来不及充分扩散逸出，大部分继续以过饱和状态溶于固溶体中。当 温度降到 200以下时，氢的扩散极慢，固溶体中析出的氢只能向附近的微隙 中挤，并在微隙中结合成分子，与微隙壁上的碳化合成甲烷。这些氢和甲烷分 子在较低温度很难重新分解而进入固溶体中，只能被封闭在微隙中。由于从固 溶体中析出的氢原子很快结合成分子，产生巨大的压力。这种压力和微隙附近 的金属因冷却和相变及其他原因形成的应力总合，超过了金属的强度，从而以 微隙为核心，发生穿晶脆裂，形成白点。 9）轴心晶间裂纹 轴心晶间裂纹常出现在高铬钢和高合金的镉镍结构钢中。 1特征： 在横向酸浸试片的轴心部位，呈蜘蛛网状或放射状的细小裂纹。这些小裂 纹由细小的孔洞排列形成。显微镜观察时晶间裂纹处有较多的氧化物夹杂，经 硝酸酒精腐蚀后发现夹杂物沿晶界分布。在纵向断口上轴心晶间裂纹处出现夹 层。 2产生原因： 某些钢对轴心晶间裂纹非常敏感，可能与钢锭冷却的收缩应力有很大关系。 钢锭冷凝后期，边缘对中心部的拉应力很大，使中心富集气体、夹杂的最后结 晶部分沿脆弱的晶界形成裂纹。轴心晶间裂纹都出现在钢锭中上部。钢锭尾部 没出现过晶间裂纹。这说明夹杂和气体是促使晶间裂纹形成的原因之一。浇注 温度过高也容易产生晶间裂纹。钢锭中极细小的无氧化夹杂或夹杂很少的轴心 河北联合大学轻工学院 13 晶间裂纹，在热加工锻压比足够时可以焊合。 轴心晶间裂纹在材料横断面心部位呈现放射状的细小裂纹。 10）外来金属夹杂物 1特征： 外来金属称金属夹杂或异形金属，是在酸浸试片上呈各种形状的镶在试样 面上的金属块。由于外来金属大多数与基体化学成分不同，抗腐蚀能力也有差 别，因此与基体有明显的颜色区别。一般情况下，外来金属与基体有明显的界 面，但有时候外来金属块较小，落入钢液中时间较长，被钢液熔化了一部分。 这种状态的外来金属在试片上与基体的界面具有连续的过渡层。 第 3 章 实验结果分析 14 第 2 章 研究内容及方案 2.1 课题来源 唐山国丰钢铁有限公司成立于 1993 年，是一家集制氧、烧结、炼铁、炼钢、 轧钢为一体的大型钢铁联合企业，具备年产铁、钢、材各 800 万吨的综合生产 能力。为了进一步提高技术水平、增加品种、提高产品附加值、稳定产品质量， 河北联合大学与国丰公司商定，广泛进行技术合作，充分发挥学校和企业在理 论研究、技术开发和生产经营等方面的各自优势，对国丰所冶炼的典型钢种 q195 进行系统研究，明确国丰生产水平与国际、国内先进钢厂相比所处的相对 地位，以明了存在的差距和进一步提高的方向，并优化工艺与设备参数，稳定 产品质量，保证生产顺行。通过国丰 q195 钢研究，分析国丰钢铁公司生产的 钢种中非金属夹杂物，氧氮含量及钢的缺陷组织，通过中间包改造前后的对其 的研究以及生产数据的分析，提出相应的改进措施和优化方案。 2.2 研究内容和目的 通过实验研究，对国丰中间包改造前后生产 q195 钢的铸坯观察，进行钢 中非金属夹杂物的研究。了解氮氧在各工序中的变化，揭示氮氧对 q195 钢洁 净度的影响。认识 q195 铸坯低倍典型宏观缺陷的形态和分布特征。对比中间 包改造前后的数据，分析钢坯质量是否提高。 2.3 研究方案 2.3.1 取样 1）取样 从国丰钢厂取中间包改造前后的 q195 钢试样，分不同的炉次进行取样， 便于实验和研究。实验选取 4 块研究试样，均为 3 流铸坯，分别为： 中间包改造前选取试样编号为：2213-3,2222-3； 中间包改造后选取试样编号为：e1-2961-3,e2-3120-3。 2）制样 （1）氧氮样 在实验室用线切割机在从国丰所取试样中切出一个 555mm 的正方体氧 氮样，要求切出氧氮样不能有表面缺陷，然后把试样在砂纸上打磨，去除表面 河北联合大学轻工学院 15 的氧化层和锈等杂质，然后稍抛一下，最后用无水酒精来洗净并吹干。要求处 理完后就马上进行氧氮分析。 （2）大样电解样 在所取的铸坯样上首先加工成 1506015mm 的大样电解样，然后对切好 的试样进行打磨、去锈等处理后，在试样的顶端焊接一个螺母，便于实验吊挂。 电解前必须经过再次去锈处理、干燥。 （3）金相样 铸坯金相样在铸坯厚度方向沿内弧到外弧方向均匀切取 8 个 101010 的金 相试样，编号分别为 1#、2#、3#、4#、5#、6#7、#、8#。如图 2-1 所示。 图图 2-12-1 铸坯金相样加工方案铸坯金相样加工方案 对所有金相试样进行粗磨，细磨（依次使用 240，320，480，600，800，1000，1200 号砂纸）和抛光（粗抛和细抛） ，使观 察面光亮如镜没有划痕；然后将抛好的试样用水冲洗，再用无水乙醇擦拭、烘 干，最后在显微镜下观察非金属夹杂物。 在 500 倍奥地利 mef-3 万能金相显微镜下连续观察 100 个视场，主要统计 每个视场夹杂物的数量及尺寸分布，即将夹杂物按尺寸分为 05m，510m，1015m，1520m 四级，根据统计结果用体积率统计 法计算显微夹杂物数量，然后在扫描电镜下观察夹杂物的形貌，并利用能谱分 析确定夹杂物的种类和成分。 （4）低倍试样 本实验取样时采用冷锯切割方法。试样加工时，首先去除由切割造成的变 形区和热影响区，确保检验面不受其影响。使用刨床或铣床把检验面刨（铣） 平，然后，用磨床磨光，检验面的粗糙度 ra1.6m，不许有磨痕。 2.3.2 研究方法 1）氧氮分析 首先将制备好的试样放入密闭的电子天平中进行称重，并用电脑记录其重 第 3 章 实验结果分析 16 量，然后再把试样放入氧氮分析仪中进行氧氮含量分析。每个试样都会得出一 组氧氮含量的数据，最后把数据记录下来即可。 2）大样电解法 大样电解法是在特制的电解槽内，试样作为阳极，金属网作为阴极，在 feso4、fecl2、zncl2、浓 hcl、柠檬酸配成的溶液中对试样进行电解。在电场 的作用下，铁在阴极上形成沉淀，夹杂物由于是非导体化合物，以不溶性残渣 形式留存在阳极泥中，最后经过人为分离可得到夹杂物。 大样电解法的步骤45如图 2-2 所示： 河北联合大学轻工学院 17 图图 2-2 大样电解流程图大样电解流程图 （1）电解准备 首先在铸坯上分别加工成 1506015mm 的一个长方体电解样，然后在制 作的试样的顶端焊一个螺母，便于吊挂。需要注意的一点是在电解前对试样再 次去锈处理、干燥、称重以准备电解。 （2）调制电解药品 需要 feso47h2o 为 2000g、zncl2为 500g、柠檬酸为 100g 和浓盐酸 100ml 配制成溶液并充分混匀后放入电解槽内。药品如图 2-3 所示 图图 2-3 实验药品实验药品 （3）电解 电流要求：7a 左右； 电解温度：保持在 30以下。 其电解设备如图 2-4 所示。 图图 2-4 实验仪器及设备实验仪器及设备 （4）电解后试样处理 电解后在不断电流的情况下从阳极上取下剩余的试样连同电解液倒入烧杯 第 3 章 实验结果分析 18 中剩余试样用水洗净吹干后称重。 （5）淘洗分离夹杂物 淘洗保留了粒径大于 50m 的大型夹杂物而把粒径小于 10m 的碳化物分离 出去。淘洗时控制水速低于 1l/min；氮气流速：0.3l/min 此时回收率可稳定在 98%可基本满足微量分析的精度要求。 （6）夹杂物的破碎 利用超声波清洗机将粒度较大的夹杂物破碎后再次洗涤以达到进一步分离 大型夹杂的目的。 （7）淘洗后大型夹杂物的处理 淘洗以后得到大型夹杂物和沉淀将其和已经称过重的表面皿放在干燥箱内 在 80左右温度下保持 4h 以后放在干燥室中冷却至室温。 （8）夹杂物的挑选 在显微镜下将表面皿中的大型夹杂物挑除去铁等杂质。然后在分析天平上 称量夹杂物重量。单位是克精确到小数点后 4 位。挑出的夹杂物如图 2-5 所示 图图 2-5 铸坯大样电解夹杂物宏观形貌铸坯大样电解夹杂物宏观形貌 （9）确定成分 挑选有代表性的夹杂物借助扫描电镜确定夹杂物成分确定其来源。制成钢 样如图 2-6 所示。 河北联合大学轻工学院 19 图图 2-6 大型夹杂制成的钢样大型夹杂制成的钢样 3）金相法观察钢中显微夹杂物 利用金相显微镜进行对比。测定夹杂物的数量和大小 用金相光学显微镜在500倍的情况下对小样进行观察，平均每个试样选100 个视场，利用测微目镜分别统计每个视场中粒径 02.5m、2.5m7.5m、7.5m12.5m、12.5m的夹杂物的个数。本实 验中统计的多是球形的夹杂物，其它形状夹杂物含量极少。 夹杂物统计方法有： （1）直线法 对所有金相试样进行粗磨，细磨（8 道砂纸）和抛光后在 500 倍奥地利 mef3 万能金相显微镜下进行连续观察 100 个视场，主要统计各阶段夹杂物的 数量，类型及尺寸分布情况，按尺寸大小分为三级 05m，510m，1020m。根据统计结果计算显微夹杂物数量，通常用 i 来 表示，其公式如下： （1） 16/ 2 fbn ns i ii 式中： 单位面积上相当于当量直径的夹杂的个数（个/mm2） ；ib 夹杂当量直径，本计算中=7.5m；b b 不同级别夹杂的平均面积 mm2； i s 各级夹杂个数； i n f视域面积，500 倍时，f=100100m2； n视场数。 各级夹杂的平均直径分别为 2.5、7.5、15m。 （2）体积率统计法44 选用金相法中的计点法测定夹杂。将每组试样中取任一坯壳处为第一块， 将每一块等分为 4 分，每等分处划一条线，方向与坯壳平行，然后在中心画一 条与坯壳垂直的线，这样形成了一系列的交叉点，对交叉处的夹杂物进行分析、 鉴定。将标准万能网格放在 500 倍奥地利 mef-3 万能金相显微镜的目镜内，将 试样放在物镜的载物台上。数出落在网格交叉点上的组织夹杂物的个数（网格 总数为 1010=100） 。 第 3 章 实验结果分析 20 夹杂物的含量以体积百分数表示，由公式（2）求出 （2）slq/ )100( 式中： 指数，代表一个视场中所有夹杂物所占的面积，以测量标尺分l 度平方来表示； 视场面积。s 根据实验情况（2）可转化为公式： （3）)501010/( lq 其中： 所观察 50 个视场夹杂物的总量。 l 4）热酸蚀低倍检验方法 热酸侵蚀属于电化学反应，主要是利用钢基体的非连续性和不均匀性在与 盐从而显示铸坯的缺陷酸溶液反应时，抵抗酸蚀的能力不同，侵蚀面出现高低 不同和颜色不一样的断面， 。 热酸蚀低倍检验方法使用的是 1：1（体积比）工业盐酸水溶液，加热到 6080，试样浸泡时间为 1040min 左右。酸液到温后，将试样检验面朝上 放入酸槽中，酸液覆盖检验面要达到 20mm 以上。酸蚀后试样的检验面必须用 碱水和热水冲刷干净，然后用吹风机烘干。做到检验面上无水痕、锈蚀、划伤、 脏物等，实验设备简图见图 6-1。 河北联合大学轻工学院 21 第 3 章 实验结果分析 3.1 to、tn含量的研究 在固态情况下，钢中的氧通常多数以氧化物形态而存在，并且由于颗粒较 大的夹杂物比颗粒较小的夹杂物更容易被去除，这样钢中夹杂物的尺寸随 to 含量降低而减小。因此，在一定程度上，钢中的总氧量代表了氧化物夹杂的数 量，其值的大小也经常用来衡量钢的洁净度水平。 一般情况下，钢水中的氧以自由氧和结合氧两种形式存在。自由氧是指溶 解于钢水中的氧，可直接使用定氧探头来测定；结合氧是指存在于内生和外来 夹杂物中的氧。所以，钢中 to的表达方式为：too溶o夹杂中。 3.1.1 中间包改造前后全氧含量分析 中间包改造前后 1、3 流全氧含量变化如图 3-1、3-2 所示： 100 120 140 160 180 200 220 to/ppm 改造前改造后 172.48 141.66 图图 3-1 中间包改造前后中间包改造前后 1 流全氧含量流全氧含量 第 3 章 实验结果分析 22 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 改造后 to/ppm 191.8 134.47 改造前 图图 3-2 中间包改造前后中间包改造前后 3 流全氧含量流全氧含量 由图 3-1、3-2 可知，改造前 1 流铸坯样全氧的最大值为 219.9ppm，最小值 为 107.2ppm，平均值为 172.48ppm，改造后 1 流全氧的最大值为 170.1ppm，最 小值为 126.6ppm，平均值为 141.66ppm，比改造前全氧含量降低 30.82ppm。 改造前 3 流铸坯样全氧的最大值为 283.9ppm，最小值为 117.9ppm，平均值 为 191.8ppm，改造后 3 流全氧的最大值为 161.4ppm，最小值为 106.2ppm，平 均值为 134.47ppm，比改造前全氧含量降低 57.33ppm。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 改造后 to/ppm 改造前 182.14 138 图图 3-3 中间包改造前后铸坯中平均全氧含量中间包改造前后铸坯中平均全氧含量 由图 3-3 可知，中间包改造前铸坯样中平均全氧含量为 182.14ppm，中间包 改造后铸坯样中平均全氧含量为 138ppm，比改造前减少了 44.14ppm。 河北联合大学轻工学院 23 3.1.2 中间包改造前后氮含量分析 中间包改造前后 1、