（冶金工程专业论文）降低合金结构钢中非金属夹杂物的研究.pdf

查些查堂堡圭兰堡笙圭 塑墨 降低合金结构钢中非金属夹杂物的研究 摘要 合金结构钢是工农业生产中应用广泛的钢类之一，对这类钢的质量要求严格。 本溪特钢公司在生产合金结构钢时，部分钢种轧材的夹杂物评级偏高，影响了产 品的质量。 为了解决这一问题，本文以石油钻杆接头用钢3 7 c r m n m o 为代表钢种，首先 对该钢种2 0 0 2 年的非金属夹杂物评级情况进行了统计分析，并且在现场实际跟踪 两炉( 炉号为8 9 2 7 9 和8 9 2 8 2 ) 取样分析，并对所取的试样进行电解实验。最后将 得到的夹杂物分级照相处理，而且选取不同种类的夹杂物应用扫描电镜进行了定 性分析。 数据统计结果显示：c 类夹杂物的情况最好，未出现夹杂物评级超标现象，而 其它三类一次检验都曾经出现过夹杂物评级超标现象。尤其是d 类夹杂物最高评 级达到四级，超标严重。a 类夹杂物评级有较大一部分处于超标的边缘。电解实 验结果显示，精炼结束后夹杂物的数量明显降低，夹杂物中元素a l 和c a 的含量 则显著升高。 文中运用冶金热力学基本原理对本溪特钢公司的精炼渣脱硫能力进行计算分 析，计算结果显示即使在很高的温度下，硫在渣金属间分配比工s 的计算结果仍旧 没有超过1 0 0 ，说明该精炼渣系的脱硫能力一般。 基于以上的各种分析，提出了精炼工艺改进方案如下： 将终脱氧提前到l f 精炼结束，出钢时钢包内加f e a l2 0k g t ，l f 精炼结束后 再补加f e a i1 7 k 们进行终脱氧；扩散脱氧剂应用铝灰代替f e s i ；控制炉渣成分， 提高炉渣碱度；强化精炼期的氩气搅拌强度，增加精炼结束后的软吹时间大于2 0 分钟；喂c a s i 线的喂线速度控制在1 2 0 1 5 0m m i n ，增加喂线量为0 6k g t 。 试验结果显示工艺改进措施取得了较为满意的效果，四类夹杂物的一次合格 率都为1 0 0 。其中c 类和d 类夹杂物的评级都是0 级。a 类细系评级2 0 级以下 的试片比例由原来的9 6 1 提高到现在的1 0 0 ，粗系评级1 5 以下的比例也由原 来的9 4 5 提高到现在的1 0 0 。b 类的评级粗系评级1 5 级以下由9 6 1 提高到 1 0 0 ，细系评级2 0 级以下由9 8 7 提高到1 0 0 。 关键词合金结构钢钢包炉非金属夹杂物精炼渣夹杂物评级 一i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e d u c t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n s t r u c t u r a l a l l o y s t e e l a b s t r a c t i ti so n eo ft h ee x t e n s i v eu s et y p e so fs t e e lf o rs t r u c t u r a la l l o ys t e e lo nt h ei n d u s t r i a la n d a g r i c u l t u r a lf i e l d ，a n dt h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t sf o ri ti sv e r ys t r i c t l y r e c e n t l y , i nb e n x i s p e c i a ls t e e lc o ，l t d i ti sh i g h e rt h a nr e q u i r e m e n tf o ri n c l u s i o n sg r a d i n g a ts o m e t y p e o fs t e e ls o m e t i m e s ，a n dw h i c h b a d l y i n f l u e n c et h ep r o d u c t q u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m t h es t e e lg r a d eo fo i lj u m p e r j o i n ts t e e l ( 3 7 c r m n m o ) i s c h o s e nt ob ea r e p r e s e n t a t i v et y p ef o rr e s e a r c h f i r s to fa l l ，t h ec o n d i t i o no fp r o d u c t s i n c l u s i o ng r a d i n go ft h ey e a r2 0 0 2h a sb e e ns t a t i s t i ca n a l y z e d ，a n dt w oh e a t so ft h e s t e e lg r a d eh a v eb e e n 打a c k e df o rs a m p l i n ga tt h ej o bs i t e t h es a m p l e sw e r ee x a m i n e d b ye l e c t r o l y t i cm e t h o d ，a n dt h ei n c l u s i o n sf r o mi th a v eb e e ns i z e da n dt a k e np i c t u r e s ， f i n a l l ns o m ed i f f e r e n tt y p e so fi n c l u s i o nh a v eb e e nc h o s e nt ob eq u a l i t a t i v et r e a t m e n t w i t hs t e r e o s c a n t h er e s u l to fs t a t i s t i ci st h a tt h ec o n d i t i o no fc t y p ei n c l u s i o ni st h eb e s t ，n o n eo ft h e h e a t si s o v e r p r o o fb yg r a d i n g ；t h eo t h e rt h r e et y p e sa r ea l lo v e r p r o o fm o r eo rl e s s e s p e c i a l l y , o n eo f t h e h e a t sh a sm a c h a d4 g r a d ef o rt h edt y p ei n c l u s i o ng r a d i n g ，a n di s b a d l yo v e r p r o o f a sf o rt h eat y p ei n c l u s i o n ，c o n s i d e r a b l ep a r to ft h eh e a t sa l ea tt h e e d g eo f o v e r p r o o f a n d t h er e s u l to f t h e e l e c t r o l y s i se x p e r i m e n t i st h a ti n c l u s i o n s c l e a r l y r e d u c e da f t e rr e f i n i n g ，b u tt h ec o n t e n to f e l e m e n tc aa n da 1i n c r e a s e do b v i o u s l y t h ed e s u l f u r a t e dc a p a c i t yo f r e f i n i n g s l a go f b e n s t e e lh a sb e e n a n a l y z e dw i t h t h eb a s i c m e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l e t h eo u t c o m es h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o nr a t i o ( l s ) i sl e s st h a n10 0e v e na th i g h e rt e m p e r a t u r e s ot h ed e s u l f u r a t e dc a p a c i t yo ft h i s r e f i n i n gs l a gi sg e n e r a l i t y 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，s o m ei m p r o v e ds t e p sw e r ep u tf o r w a r d t h a ti sa sf o l l o w s t h ef i n a ld e o x i d a t i o nt i m ei sm o v eu pt ol fs t a t i o n ；f e a li sa d d e di nl a d l ew i t ht h e a d d i t i o no f2 0w h e nt a p p i n g ，a n da d d i t i o no f1 7k 卧w h e nl fr e f i n i n gf i n i s h e d ； a l u m i n o u sa s hi su s e dt os u b s t i t u t ef o rf e s iw i t hd i f l u s ed e o x i d i z e ri nl f ；c o n t r o l l i n g t h ec o n t e n to fr e f i n i n g s l a g ，a n di n c r e a s i n gt h es l a gb a s i c i t y ；s t r e n g t h e n i n gs t i r r i n g i n t e n s i t ya tr e f i n i n gp e r i o da n da d d i n gt h el o ws t i r r i n gt i m ef o rm o r et h a n2 0m i n u t e s ； f e e d i n gs p e e d i s1 2 0 - 1 5 0m m i na n d f e e d i n gw e i g h i s0 6k g t w i t ht h ei m p r o v e d t e c h n o l o g y , t h ef i e l dt e s th a sw e l ls u c c e e d e d ，a n di n c l u s i o ng r a d i n g d e b a s e do b v i o u s l y t h eg r a d eo fca n dd t y p ei n c l u s i o n sa r ea l lc l a s s0 a n d t h eg r a d e o f a t y p em i n u t ei n c l u s i o no f 1 e s st h a nc l a s s2 0h a sb e e nf r o m9 6 1 t o1 0 0 a n dt h e c r a s s i t u d ei n c l u s i o no fl e s st h a l lc l a s s l 5h a sb e e nf r o m9 4 5 t o1 0 0 a n dt h eg r a d e o fbt v p em i n u t ei n c l u s i o no fl e s st h a nc l a s s2 0h a sb e e nf r o m9 8 7 t o10 0 t h e c r a s s i t u d ei b e l u s i o no f l e s st h a nc l a s s1 5h a sb e e nf r o m9 6 1 t o1 0 0 k e y w o r d ss t r u c t u r a la l l o ys t e e l ，l a d l ef u r n a c e ，n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n ， r e f i n i n gs l a g ，i n c l u s i o ng r a d i n g - i i i - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着工业生产和科学技术的迅速发展，对钢材的各种性能的要求越来越高， 对钢的化学成分和组织均匀性的要求也日益严格。为适应中国进入w t o 后面临的 新的市场形势，国内各钢厂都在努力更新品种，提高产品质量。钢中非金属夹杂 物经常给钢材质量带来很大影响，因此，需要对它进行广泛和深入的研究。 1 1 前言 结构钢是在工农业生产中应用最广泛的钢类之一，用于机械制造、汽车、拖 拉机、造船、航空、建筑等众多领域，用来制作承受各种载荷的零件和构件。我 国部颁标准中规定的结构钢现有一百多个钢号。 结构钢分类方法很多，各有特色。最常见的是按照用途来分类，可以分为机 械用结构钢、超高强韧性结构钢等几大类。 ( 1 ) 机械用结构钢 这类钢制作的各种机械零部件，在使用过程中经受着各种载荷的综合作用， 工作环境也很复杂。对这类钢性能的基本要求是综合性能良好：既有一定强度， 又有良好的韧性和塑性，还要求具有良好的工艺性能，如冷变形、焊接性能等。 机器用结构钢可分为调质钢、表面硬化钢和弹簧钢等。 ( 2 ) 超高强韧性钢 随着飞机、火箭和宇航技术的发展，对结构钢材料的强韧性的要求越来越高。 习惯上把屈服点o 。和抗拉强度o b 分别超过1 2 0 k g f m m 2 ( 1 1 8 0 m n m 2 ) 和 1 4 0 k g f m m 2 ( 1 3 7 0 m n m 2 ) ，。k 值超过5 k g m m m 2 ( 4 9 0 k j m 2 ) 的钢称为超高强韧 性钢。超高强韧性钢的主要特点是：具有很强的比强度( 强度与密度之l k ) ，使结 构的自重尽可能减轻。 超高强韧性钢分为低合金、中合金和高合金三类，多数是由结构钢、模具钢 和不锈钢等钢种，经过改变热处理工艺后移植过来的。 影响合金钢性能的因素是多方面的，钢中的非金属夹杂物是其中的一个重要 因素，有时甚至是决定性的因素。由于非金属夹杂的存在破坏了钢的连续性，使 得钢材的加工性能和机械性能大幅度降低，非金属夹杂物对钢的性能的影响也是 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一个十分复杂的问题，它不仅取决于夹杂物的类型，而且与其组成、形态、数量、 大小和分布等因素密切相关。 1 2 本钢特钢二炼钢厂概况 本钢特钢公司是全国重点特殊钢生产厂家之一。产品质量稳定，主要产品是 轴承钢、齿轮钢和汽车用钢等，本钢特钢二炼分厂成立于1 9 8 7 年，现有二套3 0 t 超高功率电弧炉( u h p ) + 4 0 t 钢包炉( l f ) + 真空炉( v d ) + 模铸( m c ) ，生 产线配合8 0 0 6 0 0 轧机生产大规格圆棒材。 1 2 1 二炼钢厂主要设备的基本参数 表1 1 列出了本钢特钢二炼钢u h p 、l f 、v d 设备的基本参数。 表1 iu h p 设备基本参数 t a b l e1 1b a s i c e q u i p m e n t p a r a m e t e r s o f u l t r a - h i g h - p o w e r e a f 公称容量炉壳内径电极直径极心圆直径炉壁、炉盖 出钢方式 ( t )( m m )( m m )( n u n ) 冷却方式 3 04 6 0 04 5 01 1 0 0e b t 9 0 管式水冷 表1 2l f 设备基本参数 t a b l e1 2b a s i ce q u i p m e n t p a r a m e t e r so f l a d l ef b r n a e e 公称容量功率钢包高度电极直径极心圆直径 钢包吹氩点 ( t )( k v a ) ( r a m )( m m )( m m ) 4 07 0 0 03 0 0 03 5 0 6 0 0单点刚2 处 表1 3v d 设备基本参数 t a b l e1 , 3b a s i ce q m p m e m p a r a m e t e r so f v d 公称容量真空室直径罐体外径罐体内径工作真空度 主泵变泵 ( t )( m m )( m m )( m m ) ( p a )级数 级数 4 04 8 0 05 5 0 0 4 8 0 06 6 763 2 一 查! ! 查兰翌主堂堡垒圭 1 2 2 二炼钢生产工艺流程简介 图1 1 给出了二炼钢生产工艺流程图。 第一章绪论 图1 】生产工艺流程图 f i g 1 1 t h e e n g i n e e r i n g f l o w p r o c e s s c h a r t 二炼钢基本操作工艺为： ( 1 ) 留渣留钢操作，留钢水1 0 ； ( 2 ) 氧化期：脱碳量0 。2 - 0 3 ： ( 3 ) 出钢：预脱氧1 2 k g t ，合金化； ( 4 ) l f 精炼：白渣出钢，终脱氧喂入铝线0 3 - 0 5 k g t ，喂c a s i 线0 5 k g t 。 ( 5 ) v d 操作：6 6 7 p a 下保持1 5 m i n l ( 6 ) 模铸：分两种锭型，3 1 6 t 锭型注速大于3 0 0 秒，帽口注速大于1 8 0 秒。 5 t 锭型，锭身注速大于3 6 0 秒，帽口注速大于3 0 0 秒。 1 3 本课题的背景 本钢特钢公司冶炼品种中结构钢占了很大比重，近几年来结构钢用户质量异 议多集中在夹杂物方面。因此，如何提高结构钢钢水的纯净度水平，降低钢中的 夹杂物是公司急需解决的问题。 针对本钢特钢公司具体的工艺条件，找出夹杂物产生的主要来源，并提出改 善夹杂物条件的优化工艺措藏，不仅可以提高现有品种的质量，也可以为开发高 附加值的新品种提供条件。 为此，拟通过实验室实验和工业试验相结合的方法，利用现代测试技术，对 所获得的大量试样与数据进行分析、整理，确定最佳解决方案，提出工艺改进方 案，并通过现场和工业试验结合品种的实物检验水平，进行进一步完善，修改和 制定新的工艺操作规程，稳定工业生产，最终得到合适的精炼工艺，降低钢中的 夹杂物。 一3 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早 义i 颚三示怂 2 1 钢中非金属夹杂物的来源 由于夹杂物在整个炼钢过程中不断地改变着它们自身的组分，因此，要判定 在钢基体中产生的夹杂物的来源将是个很难的问题。 钢中非金属夹杂物来源于原材料、脱氧产物、熔渣和耐火材料以及出钢和浇 注过程中的二次氧化产物。炼钢过程中操作的微小变化都可以对钢中生成的夹杂 物有很大的影响。一些重要而典型的炼钢参数【l 】是：电炉内沸腾时间、耐火材料成 分、脱氧操作、脱氧合金成分、出钢和浇注操作的细节等。一般的铁合金中含非 金属夹杂物是相当多的，由于在铁舍金中和铁一起台金化的金属浓度高，这样钢 中夹杂物相一般含合金元素较高，例如铬铁中的铬。铁合金中夹杂物具有一种独 特的、且常常是复杂的结构。从对铬铁中的夹杂物和相应的不同铬含量钢的夹杂 物的广泛研究中得到的结论是，钢中的氧化物夹杂物是正常的，并不是从铬铁中 直接保留下来的。所以采用含夹杂物很低的铬铁通常是不必要的。只有当钢在脱 氧之后加铁合金( 特别是加入含氧较高的钒铁) 较晚时，才有夹杂物从铁合金中 直接进入钢中并保留的可能性。炉渣可能被钢液带到盛钢桶和钢锭中去，而成为 非金属夹杂物的来源。盛钢桶渣本身也是钢锭夹杂物的一个主要来源，它可能与 钢液混和而被带到钢锭中去，或者在浇注时粘在盛钢桶壁耐火材料内衬上而玷污 下几炉钢液。 对于各种非金属夹杂物来说，耐火材料是一个重要的外部来源。在整个炼钢 过程中，钢液和耐火材料保持接触状态。因此两相之间不仅产生表面反应，而且 也能产生侵蚀作用。因此，来源于耐火材料的夹杂物，不仅仅是被钢液偶然侵蚀 的耐火砖碎片嵌入钢基体所形成。就在那些耐材侵蚀产物被裹入钢液的瞬间起， 就作为内生夹杂物沉淀的核心。因此它们的成分与原始耐火材料相比已在不断地 变化着。由表面反应而形成的夹杂物所具有的结构常常和耐火材料结构没有直接 关系，而且它们的成分也可能完全不同。 4 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 2 非金属夹杂物分类 钢中非金属夹杂物的分类，不同书籍其分类方法也不尽相同，但主要分为氧 化物夹杂和硫化物夹杂。一般认为氧化物夹杂对钢疲劳性能是有害的，但是，各 种不同氧化物之间也存在差异，而且它们的大小和位置也是很重要的。 ( 1 ) 硫化物夹杂的分类 一般把钢中的硫化物分为三类： i 类硫化物是大小不同的球状，常常与氧化物复合，而且是明显的无规则分 布。m n s 和硅酸盐复合的形态根据硫和氧化物的比率而可能发生变化。在这类夹 杂物的m n s 中经常固溶有不同的其他元素，形成m n s 型的固溶体，此类硫化物也 可以是枝晶状或在氧化夹杂物表面上层状出现。 i i 类夹杂物有一种枝晶结构，囡它在钢锭晶界以链条状结构或很细的析出物 分布，通常称为晶界硫化物。它有时以共晶形式凝固。常常与刚玉一起结晶。 i i i 类硫化物是不规则的，常常呈角状，而且在钢中无规则的分布，并且总是 形成单相夹杂物，此类夹杂物主要在过量铝脱氧的钢中最常见。 此三种类型硫化物形成与钢水中氧含量有关，硫在钢液中溶解度随氧的溶解 度的减少而增加，所以一类m n s 是在沸腾钢或半镇静钢中形成，在镇静钢中有时 由于镇静不好，也要形成i 类硫化物，第二类硫化物在用铝完全脱氧但无过剩铝的 镇静钢中出现。这种钢的氧含量是很低的，结果这些钢对硫有很高的固溶度，而 硫化物相在钢液最后凝固的部分最晚析出，因此，这类硫化物在初次晶粒边界以 枝晶共析方式出现。 ( 2 ) 氧化物夹杂分类 按夹杂物组成和结构，炼钢中常见的氧化物夹杂有四种类型：简单金属氧化 物、各种类型硅酸盐、尖晶石和各种钙铝酸盐。 按夹杂物的不同来源，通常钢中氧化物夹杂可分为内生夹杂和外来夹杂两大 类。内生夹杂包括由下列反应的析出物所形成的夹杂： 1 ) 液体钢的脱氧产物； 2 ) 钢液从浇注温度冷却到凝固温度过程中。由于温度的降低使溶液中溶质的 溶解度降低，或换言之由于温度的降低使由于钢水温度的变化使反应平衡移动， 重新析出脱氧产物； 3 ) 钢液冷凝时发生溶质树枝形偏析所析出的脱氧产物； 一5 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 4 ) 固相线温度以f n 继续冷却或者由于相变的缘故，引起的夹杂物重新析出。 所谓外来夹杂物包括有出钢过程中卷入的炉渣等。 ( 3 ) 按夹杂物尺寸分类 按夹杂物尺寸将其大致分为三类：亚显微夹杂、显微夹杂和大型夹杂。其直 径分别为小于l u m 、1 - 1 0 0 u r n 和大于1 0 0 u r n 。纯净钢中显微夹杂包括：氮化物、 硫化物和氧化物。一般认为这种较小氧化物对钢材多半无害。显微夹杂主要是脱 氧产物，这类夹杂对高强度钢的疲劳性能和断裂韧性影响很大，其含量与钢中溶 解铝含量有很好的对应关系。大颗粒夹杂在纯净钢中数量是很少的，只占夹杂总 体积的1 ，但对钢的表面及内部质量影响最大。这类夹杂物成分上的特点与钢中 溶解氧量无关。 ( 4 ) 非金属夹杂物的分类与评级【2 j g b l 0 5 6 1 8 9 标准即钢中非金属夹杂物显微评级方法，是根据夹杂物的形态和 分布状况，不考虑夹杂物的化学成分，通过与标准评级图谱进行比较的方法来对 夹杂物进行评定。对于硼化物、碳氮化物和金属相不能用此方法来评定。此评级 方法又分为j k 标准评级和a s t m 标准评级两种，分别为： 1 ) j k 标准评级。将夹杂物分为a 、b 、c 、d 四个基本类型，即： a 类一硫化物类型；b 类一氧化铝类型；c 类硅酸盐类型；d 类一球状氧化 物类型。 每类夹杂物按厚度和直径不同又分为细系和粗系两个系列，每个系列由表示 夹杂物递增的五级图片( 1 至5 ) 组成。评定夹杂物级别时，允许评半级，如o 5 级、1 5 级等。结果是用每个试样每类夹杂物最恶劣视场的级别数表示。 2 ) a s t m 标准评级。a s t m 标准评级图又称修改的j k 图，评级图种夹杂物 的分类、系列的划分均与j k 标准评级图相同，但评级图由0 5 级到2 5 级组成， 它适用于高纯洁度钢的夹杂物，常用于承受较大压延量的品种，如板材、管材、 线材等。结果是用每类夹杂物不同级别的视场总数来表示。 2 3 非金属夹杂物的分析方法 鉴定夹杂物的方法可分为宏观鉴定和微观鉴定嘲两大类。宏观鉴定会包括x 射线或v 射线检查、磁粉检查和超声波探测等，这些方法检验试样中的宏观夹杂 物。还有硫印法是反映硫的宏观偏析的有效方法。但是磁粉检测只检查部件表面 的宏观夹杂物或其他缺陷，硫印法对有的合金钢( 不溶于酸的) 中的硫化物，如 一6 一 查! ! 垄兰堡主兰堡笙墨 v s ，z r 3 s 4 ，n b s ，c r s 等不能显示。 第二章文献综述 超声波通常是探测大的氧化物、小裂缝、气孔等，而对硫化物的探测很不灵 敏。微观鉴定夹杂方法甚多，如示踪原子法鉴定夹杂物的来源和分布，光学显微 镜鉴定夹杂物的类别、尺寸、分布，电子显微镜观察夹杂物的某些细节，x 射线 衍射确定结构，电子探针测定其组成，扫描电子显微镜观察其分布及立体相等。 归纳大型氧化物夹杂物的鉴定技术，可分为两类。 第一类是在位鉴定检查。在位鉴定检查是在夹杂物和钢的基体不分离情况下 进行检查( 即英文i n s i t e 检查) ，它又分为宏观在位检查和微观在位检查。宏观在 位检查有：低倍酸浸、硫印、x 光透射、超声波检查等。这些方法可以确定夹杂 ( 或缺陷) 在钢材或工件中的位置、尺寸和分布。根据这些检查的结果可以评价 工艺因素对钢清洁度的影响，可以发现肉眼难于发现的夹杂缺陷，防患于未然， 避免继续加工或投入使用，造成不应有的危害和损失。典型的微观在位检查是用 显微镜鉴定钢中的缺陷或夹杂物。用显微镜可检查夹杂物的许多光学特征，如透 明度、色泽、偏光效应、耐磨性和耐侵蚀性等。但是，由于它不是直接分析，即 使是有经验的内行也难免有时误判。一般用于显微镜检查的试样尺寸仅为1 0 1 0 m m 2 检查范围有限。为了弥补这方面的不足，日本人开发了“计算机联合x 射 线分析仪”( c o m p u t e r a n dx - r a y m i c r o a n a l y z e r ，简称c m a ) 。它的特点是检查的 面积大，最大达1 0 0 x 1 0 0 m m 2 ，可做1 0 6 个元素的分布分析；同时可解析元素相关 参量的特征，例如夹杂物的含量、粒度、分布等。 另一类鉴定方法是移位检查鉴定。在位检查鉴定有很多优点，生产上应用很 广。但在位鉴定不能确定夹杂物的平均组成。夹杂物移位鉴定弥补了这方面的不 足。常用的移位分析法有酸法、卤素法、电解法等，尤其是以电解法最为安全方 便，便于分析夹杂物的数量、粒度和组成。移位鉴定分析可以避免基体对分析的 干扰；但处理不当时，会损害夹杂物的形貌。选择性恒电位侵蚀法( s e l e c t i v e p o t e n t i o s t a t i cc t c h i n gb ye l e c t r o l y t i cd i s s o l u t i o n 亦称s p e e d 法) ，是吸收了移位分析 法优点的在位分析法。它的具体做法是选择适当的电解液，用恒电位法使夹杂物 和钢基体分离，但不移动位置，然后用扫描电镜能谱仪对孤立出来的夹杂物进行 分析。这种分析方法既排除了基体对分析的干扰，又保持了夹杂物在钢中的原始 位置，但不能分析夹杂物的平均组成。 大样电解法【3 】是从钢中提取夹杂物的重要方法。它可以在较大的范围内测定夹 杂物含量的平均值，特别是对于定量计算夹杂物的来源是个极为重要的方法。另 外夹杂物已从钢中提取出来，又经过进一步的相分离，故可以在不受基体干扰条 一 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 件下进行鉴定。 大样电解法的特点： ( 1 ) 试样大，电解时间长。大样电解法为了捕集更多的大型夹杂，试样尺寸 为莎6 0 1 5 0 m m ，样重3 5 虹，电解时间约2 0 天左右。 ( 2 ) 使用物理方法分离碳化物，由于电解后残留的阳极泥量大，若用小样电 解，使用化学方法破坏碳化物，不但耗费大量的化学药品，而且稍有不慎，如时 间、温度掌握不当，很容易破坏夹杂物。 ( 3 ) 可按夹杂物的粒径进行分级。由于整个分离过程中，绝大部分夹杂物没 受到溶损或破坏，所以最后能根据夹杂物的粒径进行分级。 ( 4 ) 大样电解法的不足就是不能完全保留云雾状的a h 0 3 团。由于a a 1 2 0 3 团当量直径大，但它们是由钢的基体连接起来的，电解过程中基体被溶蚀，旺a 1 2 0 3 团即变为小颗粒夹杂，淘洗过程中会随水跑掉一部分。 常规夹杂物的分析仅是分析耐酸浸蚀的非金属氧化物夹杂物，其组成为尖晶 石、硅酸盐玻璃、硅铝等复合氧化物。采用电解法分析非金属夹杂物需要将试样 加工成一定的形状并保持一定的光洁度的圆柱形或长方形，整个分析过程手续繁 杂、周期长、批量小。同时，由于取样时不能再进行脱氧，加热锻打后经常出现 裂纹，严重影响分析质量，不能准确及时地提供分析数据。目前已有采用快速法 测定钢中的稳定夹杂物【4 】，即酸溶法分离非金属氧化物。并在破坏碳化物上作了改 进，以求达到快速省时，结果准确的目的。 夹杂物的其它一些较新的检测方法有：定量金相( 图象分析) 、扫描电镜、电 子探针等。定量金相优点是自动化程度高，可获得体积分数、粒度分布直方图等 定量信息，但易受尘埃干扰，细小夹杂可能从磨面脱落，造成检测误差。扫描电 子显微镜能有效地观察夹杂物的立体像，能更好地了解它的分布和形态。应用电 子衍射的反射法，沉淀相或夹杂物不用从基体分离，就能鉴定其结构。而早在六 十年代初期开始用于鉴定夹杂物局部组成的电子探针是鉴定夹杂物很有用的技 术；通过电子探针微区分析大大提高了夹杂物鉴定的准确性。 2 4 钢中非金属夹杂物对钢材性能的影晌 衡量夹杂物对钢的危害时，至少应从两反面进行综合评定，即夹杂物含量、 颗粒大小和分布，以及夹杂物类型、物理性质及其在加工过程中的变形能力。 一8 一 查! ! 垄芏堡主堂堡垒查 2 4 1 夹杂物对钢切削性能的影响 第二章文献综述 钢中增加硫的含量对改善钢的切削性能是有利的。实验观察表明，硫在钢中 全部以硫化物形式存在时，硫含量为o 2 的钢由于硫化物增加对切削性能的提高 是非常有效的，有可能使切削效率提高到低硫钢的2 3 倍。为了促进形成细小的 切削使钢的切削加工更容易，已研究出了快速切割钢，这是指硫含量达o 3 的增 硫钢或合金钢。从而可以认为m n s 类型硫化物夹杂物有利于钢的切削性能，这是 因为当含有m n s 夹杂物的钢锭轧制成条形钢材时，m n s 塑性变形成椭球形，其长 轴沿钢材轧制方向延伸垆】。 一般认为氧化物夹杂物对钢的切削性能是有害的，但各种不同氧化物之间也 有区别，有些氧化物在等于或低于钢的流动区域内可以达到的最高温度的情况下， 都不会产生塑性变形，即在这个温度下，氧化夹杂物的变形指数接近于零，所以 对切削性能是有害的。能够产生塑性变形的夹杂物对切削性能的影响是有利的。 2 4 2 夹杂物对钢疲劳性能的影响 钢中夹杂物数目和分布，对疲劳裂纹的起源具有重要作用。非金属夹杂物在 钢中起着提高应力的作用，钢中的空洞也产生同样影响。钢的扩张强度由于夹杂 物或空洞的存在而不能完全保持。随着钢中缺陷的形状的变化，应力在其周围的 钢相对集中，因而在钢中就产生一种切变现象，由此形成裂纹的核心。 实验结果表明【6 】，比较脆性的且在加工过程中保持原状( r = o ) 的夹杂物，要 比可以塑性变形( r o ) 的夹杂物对疲劳性能更有害，变性指数r = l 的夹杂物的危 害最小。 硫化物的夹杂物在所有温度下，都有高的变形指数。因此在一般情况下，当 钢受到载荷时，这种夹杂与钢之间的界面上没有裂纹扩展。 一般地说，氧化物夹杂物对于钢的疲劳性能是有害的，然而在不同的氧化物 夹杂物之间还存在着差异，而且他们的大小和位置也很重要。对于钢的疲劳性能 最有害的是那些不能变形的球状的钙铝酸盐和m 2 0 3 夹杂物，即变形指数r = o 的氧 化物夹杂物。 来源于渣或耐火材料的那些夹杂物，由于其尺寸较大，形状不规则，对钢的 疲劳性能往往是有害的。 钢的热脆性是指它在热成型温度范围内有脆性断裂的倾向，这种现象主要归 - 9 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 因于硫的作用。 钢表面上不同类型夹杂的存在，对钢的表面光洁度是有影响的。夹杂物的本 性并不很重要，而夹杂物的数量倒是很重要的因素。这个数量与钢中氧含量有密 切的关系，因此为了获得钢的最好光洁度，必须采取能得到最低氧含量的那些脱 氧方法，例如用a l 和用c a - m n s i 脱氧。 2 4 3 夹杂物对钢机械性能的影响 图1 1 是人为地加入a 1 2 0 3 颗粒，对纯铁拉伸性能的影响情况，与烧结铁块的 拉伸曲纠”。对比可以看出当a 1 2 0 3 量从1 增加到7 时出现： 1 ) 上屈服点受到抑制； 2 ) 随a j 2 0 3 夹杂物数目增加，弹性极限和抗拉强度极限下降； 3 ) 塑性也随之下降。 发现金属夹杂物的颗粒大小对金属性能的影响，没有其所占百分数重要。 钢的冲击阻力随夹杂物含量的增加而减少，但转变温度保持不变。轧制钢材 缺口冲击韧性的各向异性多半与夹杂物形状的各向异性密切相关。变形成棒状或 片状的氧化物和硫化物要比不变形的球状夹杂物更为明显。 喜 粲 毒 山o - 嘉囊t 图1 1 a 1 2 0 3 夹杂对轴承钢成套试验寿命的影响 f i g 1 i t h ei n f l u e n c eo f a l 2 0 3t ot e s tl i f eo f b e a r i n gs t e e l 事实证明，钢中大型的外来夹杂物有可能导致裂纹的形成，这类夹杂物很明 显造成了钢中的薄弱区域，不管夹杂物相的本质及其物理性能如何，都会诱发裂 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 纹和导致断裂，非金属夹杂物在钢中能以不同的方式形成解理裂纹的核心。这种 解理裂纹与夹杂物相和钢相之间的相对塑性有关。 2 5 非金属夹杂物的控制 1 ) 央杂物在钢液中的上浮 钢液内形成的不溶解的杂质或夹杂物从钢液中去除的主要方式是上浮( 或沉 淀) ，上浮( 或沉淀) 速度与形成相的比重有很大关系。 夹杂物颗粒上浮遵循式( 1 1 ) 的斯托克斯定钭8 】： v ：三g r 2 d - d 1( 1 1 ) 9 珂 式中v 一上浮速度，c m s ； r 一颗粒平均直径，c m ： d 一颗粒的密度，g c m 2 ； d 钢液的密度，c m 2 ； g - 9 8 1 c m s 2 ： 一钢液的密度系数，c m 。 从式( 1 1 ) 可以看出，夹杂物的尺寸对其上浮速度有很大影响；钢液密度和 夹杂物密度之差是决定上浮可能性的第二个重要条件；第三个条件在公式中未反 应出来，但对夹杂物上浮也有影响，这个条件是夹杂物和钢液的表面张力。表面 张力决定着夹杂物的聚结和他们的形状。因此夹杂物的尺寸愈大、密度愈小、相 间张力愈大，夹杂物上浮也就愈剧烈。 在冶金过程中，使钢液在炉内或盛钢桶内长时间停留，似乎能改变钢的质量 和减少钢中夹杂物的含量。但是延长钢液在炉内停留时间会使炉衬受冲刷而被侵 蚀，且引起炉渣氧化和钢液氧含量增加，从而使钢液增加的夹杂物比上浮去除的 还要多。因此为了确定钢液在炉内和盛钢桶内的停留时间，就必须选择最佳条件。 2 ) 夹杂物的吸附和聚结 夹杂物上浮过程中。吸附过程起了很大作用，夹杂物的上浮还与形成夹杂物 的杂质的表面活度有关，吸附过程发生在所有各种相间边界上：它能使单位表面 自由能下降，并使界面相的极差减少。夹杂物的尺寸决定着夹杂物的上浮，是钢 液净化的重要条件。夹杂物的聚结是促进夹杂物上浮的重要因素。夹杂物的聚结 一1 1 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 与它的物态和相间张力有关。由于气泡比重小，它们的聚结能力相当大，所以气 体夹杂物从钢中清除进行的最剧烈。 在钢液中形成的液相夹杂物，即熔点低于钢液温度的夹杂物，在上浮时也容 易聚结为更大的液滴，钢液与夹杂物液滴界面上相间张力越大，液态夹杂物的聚 结也就越容易发生。 3 ) 炼钢过程中夹杂物的清除 在熔化期和沸腾期中，形成铁、磷、硅和其他一些元素的氧化物。沸腾过程 中有气态氧化物生成，沸腾过程主要促进液体颗粒聚结和上浮。在脱氧期内，夹 杂物的上浮过程继续着，这些夹杂物的性质决定于所采用的脱氧剂。在出钢过程 中，夹杂物可以上浮清除，但与出铜时的污染相比较这种净化意义不大。浇注前 和浇注期内，钢液内夹杂物数量增多。在大钢锭结晶时，由于夹杂物聚结和上浮， 钢液中的夹杂物数量减少。同时，由于杂质在钢液和固体钢中溶解度下降，发生 夹杂物的形成、长大过程。 2 6 非金属夹杂物的去除方法 2 6 1 氧化物夹杂物的去除方法 氧化物是钢中最主要的夹杂物，特别是大型氧化物，常常会造成钢中致命的 缺陷，严重地危害着钢的各种性能和质量。大型氧化物夹杂物的产生极为分散， 主要是在钢熔炼后期的脱氧、浇注过程中形成的，钢中析出的氧化物夹杂主要来 自三部分，一是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产物，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【9 】。因此，必须在炼钢操作中采取各种相应措施，以减少夹杂物在钢 中的生成和数量，改善和稳定夹杂物的等级。现在的炼钢操作中已采取各种相应 措施，以减少氧化夹杂在钢中的生成和数量、改善和稳定夹杂物的等级。包括如 下几个重要环节： ( 1 ) 脱氧制度 从减少氧含量，且决定氧化物夹杂物性质这点上来说，钢的脱氧是冶炼过程 很重要的一个环节。影响钢中夹杂物含量的主要因素是选择合理的脱氧工艺和复 合脱氧剂，炉外精炼如喷粉、喂c a s i 丝和吹氩等，保护渣及是否保护浇注等。复 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 合脱氧剂、喷粉用的粉剂和保护渣中组元的组成、配比及用量是关键。在脱氧方 面，冶金工作已经进行大量的研究。仅脱氧剂就有铝块、硅铝铁、硅铝钡铁、硅 铝钡钙铁、铝锰合金等许多种。目前脱氧方法一般采用喂铝丝，还可喂各种包芯 线及其它金属丝如r e 丝等。钢包喷粉的喷吹量大、温度损失大、存在对钢液的增 氢、增氮以及夹杂物去除的速度慢等问题，加上易堵枪及除尘负担重等原因，使 钢包喷粉设备的使用受到限制。与钢包喷粉工艺相比，喂丝工艺不仅设备和工艺 简单，对钢液扰动较小，降低了钢液的热损失并减小了钢液从大气中吸氧、吸氢 和吸氮，有效地脱除钢中氧，减少钢中夹杂物含量，而且由于芯线和金属丝深深 地喂至钢水中，可以不受上层氧化性顶渣的作用，因而提高了金属的回收率，节 铝近三分之一。在现有铝块和硅铝钡铁合金吨钢加入量下，硅铝钡铁合金更有利 于改善钢水流动性，减少钢中夹杂物的含量，提高钢质，使用在对a 1 2 0 3 夹杂有特 殊要求的钢种上，效益较明显。但它的脱氧效果不如铝块。硅铝钡铁合金中铝含 量较低，不能在要求酸溶铝含量的钢种上使用。从经济效益适应性及冶金效果出 发，无论什么钢种，只要喂丝条件具备，应严格按规定要求喂铝丝，其次是投入 铝块。硅铝钡铁合金容易粉化，很难达到预期脱氧效果，如何经济合理地应用在 转炉炼钢低碳铝镇静钢上，还有待更进一步研究。 ( 2 ) 真空处理 钢液真空处理的主要目的是脱氢和脱氧。目前广泛应用的方法有1 ) 滴流脱气 法：使盛钢桶内的钢液分散成滴状加以处理；2 ) 液面脱气法：搅拌盛钢桶内的钢 液，同时使其表面处于真空条件下；3 ) d h 法：将盛钢桶内的一部分钢液吸起来 加以处理，一部分一部分地依次进行；4 ) r - i 法：把盛钢桶内一部分钢液连续不 断地引入真空室进行脱氧处理，并使钢液不断地在真空室内循环。广泛采用的真 空处理方法主要是d h 法和r h 法。这些方法的处理效果是明显的。以d h 法处理 的钢液含氢量可降到1 5 3 p p m ；r h 法为3 0 7 0 p p m ( 不受原始氧含量的影响) 。 尽管脱氧有扩散脱氧、真空碳脱氧、和沉淀脱氧三种方法，但由于扩散脱氧速度 慢，在生产中主要采用后两种及其结合。真空冶金自问世以来，在降低钢中的氢 含量，防止白点方面的突出效果已被人们所公认，然而在脱氧过程中，真空脱氧 只有与炉渣和沉淀脱氧结合才能充分发挥其作用。 ( 3 ) 钢包精炼 钢包精炼可分为非真空和真空的两种。非真空钢包精炼法有钢液吹氩搅拌； 合成渣精炼；钢包炉精炼( l f 法) ：钢包钢液喷粉和等离子钢包精炼等。l f 法处 理过的钢液有时氧含量可降低到2 0 p p m ，硫含量可降到2 0 p p m 。钢中夹杂物可有 一1 3 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 效去除，l f 炉可以和转炉及电炉双联，