（钢铁冶金专业论文）精炼渣对不锈钢夹杂物的影响研究.pdf

l i ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y i n f l u e n c eo fr e f i n i n gs l a go nn o n m e t a l l i c i n c l u s i o n si ns t a i n l e s ss t e e l b yz h a n gn a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gz h o u h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 p毛门“，ii ，i 鼍急 、 - 匕 壅皇垦盘鲎塑鲎垡迨盘 塾剑：堕虚塑：鲎垡迨耋监墨垡旦蕉壑圭 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括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。 学位论文作者签名：张研 日 期：溯一o ；一哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： i j rif命 东北大学硕士学位论文 摘要 精炼渣对不锈钢夹杂物的影响研究 摘要 近年来，不锈钢凶其具有耐腐蚀，高温下耐氧化，低温时延展性好等良好 的性能，被广泛的应用于国民经济各个部门。钢中夹杂物的组成、大小、数量、 形态和分布对钢性能的影响起了决定性作用，一直以来大量的研究人员从各种 理论出发找寻控制夹杂物的方法。 对于奥氏体不锈钢，从应用比较广泛的3 0 4 奥氏体不锈钢中夹杂物的控制 方面进行研究，模拟不锈钢工业冶炼中的a o d 工位，采用常规的硅做终脱氧剂， 选择c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o c a f 2 五元渣系，以碱度变化为依据变换渣系成分， 考察不同碱度渣系对钢液中夹杂物的影响。 从每次实验的精炼过程来看，夹杂物的形貌由条状变为球状，夹杂物的平 均尺寸、总个数、总面积基本是逐渐减少的，最后组成是以s i 0 2 为丰的复合型 夹杂物，说明精炼渣对3 0 4 不锈钢中夹杂物的控制至关重要。 从三炉高供氧条件实验的对比中看，随精炼渣碱度( r ) 的增大，钢中全氧含 量降低，夹杂物的总数、总面积和平均半径减小。说明高碱度渣对3 0 4 不锈钢 中的脱氧产物吸附以及对细小夹杂物的牛成有利。从实验结果分析来看，精炼 渣的碱度r 2 时，更利于牛成细小的夹杂物，同时考虑到还原后期脱硫的问题， 故生产中应选择碱度r 2 的精炼渣系。 对于4 3 0 铁素体不锈钢，模拟现场不锈钢冶炼中的a o d 工位，采用常规的 铝做终脱氧剂，选择c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o c a f 2 五元渣系和无硅渣系，通过考 察渣中a 1 2 0 3 和c a f 2 含量的变化来考察不同成分配比对钢液中夹杂物的组成、 形态、大小的影响。除此之外，考察无硅渣系对钢液中夹杂物的组成、形态、 大小的影响，初步查明精炼渣成分的变化对不锈钢液中夹杂物生成、长大及排 除的影响。 从每次实验的精炼过程来看，夹杂物的平均尺寸、总个数、总面积基本是 逐渐减少的。前三炉五元渣系精炼后得到的是球形硅酸盐复合夹杂物，无硅渣 系精炼后得到的是近似球形的a 1 2 0 3 m g o 夹杂。 从4 3 0 不锈钢五元渣系精炼结果分析来看，更易于牛成细小夹杂物的渣系为 r = 3 ，a 1 2 0 3 = 3 0 的精炼渣系。 关键词：3 0 4 奥氏体不锈钢，4 3 0 铁素体不锈钢，夹杂物，精炼渣 穹1i 、 节，誊；0矿， 、i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n f l u e n c eo f r e f i n i n gs l a go nn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n s t a i n l e s ss t e e l a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，f o rt h ee x c e l l e n t p r o p e r t i e s o fc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，o x i d a t i o n r e s i s t a n c ea th i g ht e m p e r a t u r e ，b e t t e rd u c t i b i l i t ya tl o w t e m p e r a t u r ee t c ，t h es t a i n l e s s s t e e li s e x t e n s i v e l y u s e di nm a n yd e p a r t m e n t so ft h en a t i o n a l e c o n o m y t h e c o m p o s i t i o n ，s i z e ，q u a n t i t i e s ，s h a p ea n dd i s t r i b u t i o no fi n c l u s i o n si ns t e e la r em a i n f a c t o r sw h i c hd e t e r m i n e dt h ep r o p e r t i e so fs t e e l ，a n dl o t so fr e s e a r c h e r ss t u d i e do n i n c l u s i o n sb yd i f f e r e n tk i n d so ft h et h e o r i e sa n dt r i e dt of i n dt h em e t h o d st oc o n t r o l i n c lu s i o n s t h e3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw h i c hi su s e dw i d e l yw a sr e s e a r c h e d ，a n dt h e a o d m e t a l l u r g yp r o c e s sw h i c hi sa l w a y su s e df o rs t a i n l e s ss t e e ls m e l t i n gi n d u s t r y w a ss i m u l a t e d t h et y p i c a lf e s iw a sc h o o s e da st h ed e o x i d i z e r , a n dt h ec o m p o s i t i o n o fs l a gi s c a o - s i 0 2 一a 1 2 0 3 一m g o c a f 2 t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr e f i n i n gs l a g b a s i c i t yo nn o n m e t a l l i ci n c l u s i o nc o m p o s i t i o n sw a ss t u d i e d f r o mt h er e f i n i n gp r o c e s so fe v e r ye x p e r i m e n t ，t h es h a p e so fi n c l u s i o n sw e r e c h a n g e d f r o ms t r i pt og l o b o s i t y , a n dt h ea v e r a g es i z e ，t h eq u a n t i t i e s ，t h et o t a la r e ao f i n c l u s i o n sa r eg r a d u a l l yd e c r e a s e d ，a n dt h ef i n a l c o m p o s i t i o n so fi n c l u s i o n s a r e c o m p o u n di n c l u s i o n sm a i n l yc o n s i s t e do fs i 0 2 a l lt h e s ei n d i c a t e dt h a t i ti sv e r y i m p o r t a n tt oc o n t r o lt h ei n c l u s i o n si n3 0 4s t a i n l e s ss t e e lb yr e f i n i n gs l a g f r o mc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h ef i r s tt h r e ee x p e r i m e n t su n d e rt h eh i g ho x y g e n s u p p l yc o n d i t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fr e f i n i n gs l a gb a s i c i t y , t h et o t a lo x y g e n c o n t e n ti sd e c r e a s e d ，t h ea v e r a g es i z e ，t h eq u a n t i t i e s ，a n dt h et o t a la r e ao fi n c l u s i o n s a r ea l s od e c r e a s e d a l lt h e s ei n d i c a t e dt h a tt h eh i g hb a s i c i t yr e f i n i n g s l a gc a n a c c e l e r a t et h ea d s o r p t i o no fd e o x i d i z a t i o np r o d u c t ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo f f o r m i n gs m a l ls i z ei n c l u s i o n s c o m p a r i n gt h er e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es i z e o fi n c l u s i o n si ss m a l l e rw h e nt h er e f i n i n gs l a gr 2 。 c o m p a r i n gt h ef o l l o w i n gf o u re x p e r i m e n t su n d e rl o wo x y g e ns u p p l yc o n d i t i o n ， w i t ht h e i n c r e a s i n g o fr e f i n i n g s l a gb a s i c i t y , t h et o t a lo x y g e n c o n t e n ti sa l s o d e c r e a s e d ，t h ea v e r a g es i z e ，t h eq u a n t i t i e s ，a n dt h et o t a l a r e ao fi n c l u s i o n sa r e d e c r e a s e d t h e 4 3 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lw h i c hi su s e dw i d e l yw a sa l s or e s e a r c h e d ，a n dt h e a o dm e t a l l u r g yp r o c e s sw h i c hi sa l w a y su s e df o rs t a i n l e s ss t e e ls m e l t i n gi n d u s t r y w a ss i m u l a t e d t h eo x y g e nc o n t e n to f4 3 0s t a i n l e s ss t e e lm e l tw a sc o n t r o l l e db y i i i 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t a l u m i n u md e o x i d a t i o n t h ec o m p o s i t i o no fs l a gw a sc a o s i 0 2 一a 1 2 0 3 一m g o c a f 2 a l s o ，t h er e f i n i n gs l a gw i t h o u ts i 0 2w a su s e d t h ec o m p o s i t i o n so fs l a g sw e r e c o n t r o l l e dp r i m a r i l ya c c o r d i n gt ot h eb a s i c i t ya n dt h er a t i oo fa 1 2 0 3a n dc a f 2o f w h i c h ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr e f i n i n gs l a go nn o n m e t a l l i ci n c l u s i o nc o m p o s i t i o n s w e r es t u d i e dt o4 3 0s t a i n l e s ss t e e l s f r o mt h er e f i n i n gp r o c e s so fe v e r ye x p e r i m e n t ，t h ea v e r a g es i z e ，t h eq u a n t i t i e s ，t h e t o t a la r e ao fi n c l u s i o n sa r eg r a d u a l l yd e c r e a s e d t h ef i n a lc o m p o s i t i o n so fi n c l u s i o n s a r em a i n l yc o n s i s t e do fs i 0 2i nt h ef i r s tt h r e ee x p e r i m e n t su s i n gr e f i n i n gs l a gb e a r i n g s i 0 2 g l o b a la 1 2 0 3 - m g ow a sg o ti nt h ef i n a ls a m p l er e f i n e du s i n gs l a gw i t h o u t s i 0 2 c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h es l a g sb e a r i n gs i 0 2 ，t h em u c hs m a l l e ri n c l u s i o n si s e a s i l yg o tf o rt h es l a go fr = 3 ，a 1 2 0 3 2 3 0 k e yw o r d s ：3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，4 3 0f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，i n c l u s i o n s ， r e f i n i n gs l a g 。i v 二 吁 矿 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用说明书1 摘要i i a b s t r a c t 1 l i 目录v 第1 章绪论l 1 1 课题的背景l 1 2 课题研究的内容2 1 3 课题的意义2 第2 章文献综述3 2 1 钢中夹杂物的来源3 2 2 夹杂物对钢性能的影响3 2 3 典型夹杂物对不锈钢性能的影响4 2 4 减少钢中夹杂物的途径一4 2 4 1 外来夹杂物的控制4 2 4 2 钢液内生夹杂物的控制5 2 5 不锈钢精炼过程中夹杂物的控制6 2 5 1 奥氏体不锈钢精炼过程中的夹杂物控制7 2 5 2 铁素体不锈钢精炼过程中央杂物的控制10 2 6 不锈钢中间包夹杂物的控制1 2 2 7 水口结瘤的控制1 4 2 7 1 复杂氧化物形成的水口结瘤1 4 2 7 2t i n 型水口结瘤1 4 2 7 3c a o t i 0 2 型水口结瘤1 5 2 8 不锈钢脱氧剂的发展l6 2 9 目前研究中存在的丰要问题1 8 第3 章五元精炼渣碱度对3 0 4 不锈钢夹杂物的影响研究1 9 3 1 实验目的l9 3 2 实验设备19 3 3 实验方案和步骤2 0 3 3 1 渣系设计2 0 3 3 2 实验步骤21 v - r、。i，厂 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 实验结果分析21 3 4 1 高供氧条件精炼过程中全氧含量和氮含鼍变化情况2l 3 4 2 低供氧条1 i ，i ：精炼过程中全氧含鼍和氮含量变化情况2 4 3 4 3 高供氧条件精炼过程中硫含量变化情况2 6 3 4 4 精炼过程中央杂物变化情况2 7 3 5 本章小结4 7 第4 章精炼渣成分变化对4 3 0 不锈钢夹杂物的影响研究4 8 4 1 实验目的4 8 4 2 实验设备4 8 4 3 实验方案和步骤4 8 4 3 1 渣系设计4 8 4 3 2 实验步骤4 9 4 4 实验结果分析4 9 4 4 1 精炼过程中全氧含量变化情况4 9 4 4 2 精炼过程中氮含晕变化情况51 4 4 3 精炼过程中夹杂物变化情况5 2 4 5 本章小结6 8 第5 章结论6 9 参考文献一7 0 致谢7 4 作者简介7 5 v i 彳 f 刍 ； ，飞j】1，驴 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着科学技术和现代工业的发展，对各种金属材料的需求量日益增大，对 其质量和性能的要求也不断提高，在许多地方都要求使用优质合金钢或者特种 合金。特别是纯净钢的市场需求不断增加，关于纯净钢牛产技术的研究也越来 越深入。其研究主要包括两方面内容：一是提高钢的纯净度，二是严格控制钢 中非金属夹杂物的数量和形态。 近年来，在以不锈钢为辛的特殊钢领域中对高洁净化的要求也越来越高。 不锈钢具有良好的耐腐蚀、耐高温、耐低温、耐磨损、外观精美等特性，用途 非常广泛，是国民经济各部门发展的重要钢铁材料。不锈钢材料在宇航、原子 能、海洋开发、石油化工、汽车、建筑装璜、家用电器、厨房器皿等行业得到 了广泛应用。 ( 1 ) 有关于夹杂物控制的实验室研究 为提高航空用奥氏体不锈钢l c r l 8 n i 9 t i 的纯净度，崔雅茹等人【2 l 使用真空 感应炉( v l m ) 熔炼1 c r l 8 n i 9 t i ，结果表明：控制c r n i 1 8 0 ，7 7 _ t i c _ 1 5 5 ， a i 0 1 0 ，可以避免晶问腐蚀发牛，并且可以减少管材开裂，提高热塑性，所 生产的钢的纯净度为t o 2 0 x 1 0 击， h 】s 8 1 0 击，【n 】1 6 1 0 击，【p 】 0 0 0 1 0 ， 【s 】 0 0 0 1 0 ，其氧化物夹杂s 0 5 级，硫化物s 0 5 级，能满足纯净钢生产的要求。 f u k u m o t o 等人【3 】用电子束冷坩埚熔炼法熔炼适用于电子元件的奥氏体不锈 钢时，将钢的t 【o 】降低到3 l o 。6 ，钢中的氧化物夹杂丰要来自原始合金中的c a o 夹杂。 都祥元等在2 5 k g 真空感应炉上用镁钙合金对超低碳奥氏体不锈钢 0 0 c r l 8 n i l 0 进行了保碳脱氧研究。通过控制充入纯氩所达到的炉内压力和精炼 时的反应温度，以及调整镁钙合金和助熔剂c a f 2 的比例和数量，可以使得精炼 后0 0 c r l 8 n i l 0 的o 含量降到了4 6p p m ，同时m g 、c a 残余量在痕量范围内， 而增碳甚微1 4 | 。 日本神户制钢的n i s h i 等人 5 】用真空感应炉熔炼出航空工业用的2 5 0 马氏体 时效钢时，t o 】、【s 】和 n 】分别低于5 1 0 而、3 l o 击和9 1 0 。6 ，钢中的夹杂物尺 寸最大为6 8 1 t m ，丰要分布在2 4 1 t m 之间。 ( 2 ) 有关于工j 生产夹杂物的控制 日本新日铁开发了控制钢中夹杂物的新技术，通过向钢水中添加镁，控制 夹杂物的成分，并细化夹杂物颗粒。采用该方法，使夹杂物的变形性能接近铁 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 元素的变形性能，可以提高产品的韧性和加工性能，从而提高产品质量| 1 i 。 1 2 课题研究的内容 针对目前不锈钢中夹杂物研究不够系统、理论和实践方面还存在争议的现 状，在查阅大量国内外文献的基础上，在实验室条件下选取应用比较广泛的3 0 4 不锈钢和对表面质量要求比较高的4 3 0 不锈钢进行夹杂物的研究。 对于应用比较广泛的3 0 4 奥氏休不锈钢，模拟不锈钢工业冶炼中的a o d 工 位，采用常规的硅做终脱氧剂，选择c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o c a f 2 五元渣系，以 碱度变化为依据变换渣系成分，考察不同碱度渣系对钢液中夹杂物的组成、形 态、大小的影响。 对于4 3 0 铁素体不锈钢，模拟现场不锈钢冶炼中的a o d 工位，采用常规的 铝做终脱氧剂，选择c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o c a f 2 五元渣系和无硅渣系，通过改 变渣中a 1 2 0 3 和c a f 2 的含量，来考察不同成分配比的渣系对钢液中夹杂物的组 成、形态、大小的影响，除此之外，考察无硅渣系对钢液中夹杂物的组成、形 态、大小的影响，初步查明精炼渣成分的变化对不锈钢液中夹杂物牛成、长大 及排除的影响。 1 3 课题的意义 钢液中的非金属夹杂大部分是氧化物和硫化物夹杂。钢液的脱氧过程中生 成的脱氧产物来不及排出，残留在钢液中，钢液凝固时析出，对钢性能产生了 不利的影响。因此如何选用合理的精炼渣系和合理的脱氧剂、及时排除脱氧产 物减少其危害，或者将无法排出的夹杂物进行变形、分散处理是一个很有意义 的问题。 控制不锈钢中的夹杂物还可以使不锈钢的品种质量得到提高，同时可以提 高钢厂的冶炼水平和经济效益，因此本课题还具有现实意义。 2 了 f 0 r_，刍 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 钢中夹杂物的来源 钢中的非金属夹杂物来源于两个方面【6 】：一是随冶炼过程产生，即在出钢 时加入铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢水和空气的二次氧化产物，称内生夹 杂，此类夹杂一般颗粒细小，在钢中分布均匀；二是冶炼和浇铸过程中，带入 钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物，称外来夹杂物， 此类夹杂物外形不规则，尺寸较大且分布不均匀。 内生夹杂包括四个方面：脱氧时的脱氧产物，例如在冶炼过程进行合金化 时加入到钢液中的各种铁合金元素( 比如c r 、s i 、m n 等) ，有一定的量被氧化， 形成c r 2 0 3 、s i 0 2 、m n o 、f e o 等。作为脱氧剂加入的a l 生成脱氧产物a 1 2 0 3 ； 钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现 的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢相变溶 解度变化生成的产物【_ 7 1 。钢中外来夹杂和内牛夹杂往往交织在一起。内生夹杂 可以外来夹杂为核心，聚集到后者的颗粒上；外来夹杂物可能与钢液起反应而 被还原，再生成新的内生夹杂。一般外来夹杂颗粒较大，在钢中也较集中，而 内生夹杂物小而分散。 减少钢中夹杂物，最根本的途径，一是尽量减少外来夹杂物对钢水的污染， 二是设法促使已存在于钢水中的夹杂物排出，以净化钢液。 2 2 夹杂物对钢性能的影响 钢中的非金属夹杂物主要是指钢中的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物等。 其中，氧及硫的化合物最主要，对钢性能的影响最大。这些化合物一般不具有 金属的性质，并机械地混杂在钢的组织中，虽然对钢的强度影响很小，但对疲 劳性能、冲击韧性和塑性影响很大。由于夹杂物与基体金属的物性及机械性能， 如弹性、塑性及热膨胀系数均有较大差别，在受力过程中，夹杂物不能随金属 相应变形。变形大的铁就会在变形小的夹杂物的周围产牛塑性流动，它们的连 接处应力的分布不均匀，出现了应力集中【8 】，并急剧地升高，导致微裂纹的发 生，为材料的破坏提供了受力的薄弱区，加速了塑性破裂的过程。因而导致钢 的塑性、韧性及疲劳强度降低，方向性加强，加工性能变坏等。 不锈钢中的夹杂物对钢的机械性能，特别是钢的韧塑性、疲劳性能、冷加 工性能以及切削加工性能等有强烈的影响。在轧制过程中，夹杂物的存在不但 - 3 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 影响不锈钢的内部质量和板材的表面光洁度，而且将降低产品的防锈蚀能力， 目前国内不锈钢由于夹杂导致的产品报废率高达2 0 ，甚至更高，大大降低 了钢j 的牛产效率和经济效益。吲此严格控制夹杂物的类型、大小、数量、形 态和分布，提高钢的纯净度，向“零夹杂钢”努力已经是许多研究者的共识。 因此，炼钢工作者应首先力求降低夹杂物的含量，利用复合脱氧剂，使脱 氧过程中生成的夹杂物尽可能地浮出，并设法降低凝固过程中出现的二次脱氧 产物的形成量。对不可能排除而残留在钢中的夹杂可采用变形处理，改变其存 在状态，以减小其对钢性能的危害性。 2 3 典型夹杂物对不锈钢性能的影响 m g o a 1 2 0 3 尖晶石是a l 作奥氏体不锈钢的终脱氧剂时的主要氧化物夹杂。 含量远远高于用s i 作终脱氧剂的奥氏体不锈钢，不仅对熔融的钢液粒子有危害， 而且对钢的最后性能产生影响，在生产过程中因其产生的水口结瘤问题是极其 严重的。此外，一旦在浸入式水口的内部聚积，就会随熔化的钢液发牛流动， 进入连铸机结晶器，被已凝固的固体坯壳捕获，生成较大的簇状群【1 2 】。如此尖 晶石夹杂成为不锈钢产品中的缺陷，因其较高的熔点，较小的变形率，而降低 不锈钢的疲劳强度，同时在轧制成超薄板坯材料时因其较高的硬度引起条状表 面缺陷【1 3 】。 c r 2 0 3 类夹杂物在含c r 较高的情况下是相当稳定的，且常与t i n 夹杂伴生。 该氧化物的硬度极高，变形程度很差，在压力加工时容易碎裂，因此对不锈钢 的加工性能造成影响。 t i 0 2 类夹杂物因其较高的熔点对不锈钢后来的各种加工操作引起表面缺陷 【1 4 】 o 硫化物类的夹杂丰要是硫化锰，但也含有铬和其他元素。这此硫化物起到 点蚀源的作用，不仅对奥氏体不锈钢而且对所有的不锈钢的抗点蚀性能都有害 0 5 。 2 4 减少钢中夹杂物的途径 2 4 1 外来夹杂物的控制 减少外来夹杂物对钢水的污染，应根据其来源采取相应的措施，对连铸坯 来讲，从出钢到钢水进入结晶器前做好如下工作：控制好出钢时的脱氧操作及 挡渣操作，防止钢包下渣；采用保护浇注，防止二次氧化；采用炉外精炼新技 4 叮 一 - ，己、参 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 术；使用大容量中间包，使夹杂物充分上浮；采用合适的保护渣，高质量的耐 火材料；钢包及中间包等要干净。 2 4 2 钢液内生夹杂物的控制 任何钢的冶炼过程都要脱氧，因此，脱氧产物非金属氧化物的产牛是不可 避免的，彳! 如何控制好内牛非金属夹杂物特别是a 1 2 0 3 夹杂的数量、形态和分 布，合理的选择脱氧剂及脱氧制度具有关键的作用。 2 4 2 1a 1 2 0 3 夹杂物生成的防控 采用有a l 脱氧工艺即用f e a l 或a l 脱氧时，a 1 2 0 3 是常见氧化物夹杂中对 钢质影响最大的一类，它属于脆性不变形夹杂物，与基体的热变形能力差异较 大，在热加工的应力作用下，大块的a 1 2 0 3 等脆性夹杂，经变形破碎成具有尖 锐菱角的夹杂，并成链状分布在基体中，这些坚硬的形状不规则的a 1 2 0 3 夹杂 能将基体划伤，并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂 纹。在中高碳钢，脆性a 1 2 0 3 夹杂是引起浇注过程中水口堵塞的丰要原因。为 减少钢中脆性a 1 2 0 3 夹杂物，国外一些厂家采取了以下措施： ( 1 ) 先用硅脱氧降低钢中溶解氧含量，然后再用铝终脱氧。但所牛成的s i 0 2 起到了二次氧化源的作用，必须降低s i 0 2 的活度以防止其与钢水中铝发牛反应。 对于 s 】= o 1 0 0 3 0 的轴承钢，控制碱度在4 以上可以保持炉渣中s i 0 2 的稳 定，实际操作中炉渣碱度常常控制在5 以上。 ( 2 ) 用碳代替部分铝进行钢水粗脱氧。出钢过程中当钢水量为1 2 时加入碳 脱氧，对 c - - 0 0 3 5 0 0 0 1 2 的钢水，将氧脱至2 2 4 1 0 。6 ，然后加铝终脱氧至1 5 0 1 0 击，最后加s i 、m n 合金化。采用该法可降低钢水脱氧成本8 ，减少钢中 a 1 2 0 3 夹杂，使出钢时钢水吸氮量减少5 0 。 ( 3 ) 对炉渣改性，提高其溶解吸收a 1 2 0 3 夹杂的能力；或在脱氧和精炼中控 n a i 和渣中a 1 2 0 3 含量，从而有效控制钢中夹杂物的成分，得到理想的夹杂物 成分，使脆性夹杂转变为塑性夹杂。 ( 4 ) 对钢液进行钙处理，变固态脆性铝酸盐为液态钙铝酸盐。对钢液进行钙 处理还可以控制炉渣成分、改变脱氧过程的热力学条件，从而牛产氧含量很低 的钢种。以铝脱氧钢为例，1 6 0 0 与钢中【a i s = 0 0 2 - - - 0 0 5 处于热力学平衡 的 0 】s = ( 4 8 ) 1 0 - 6 ；而以c a o a 1 2 0 3 为基的熔渣中a 1 2 0 3 的活度可达o 0 0 l ， 与液态钢中【a 1 s = 0 0 l 相平衡的 o s 1 1 0 击。其前提是改变脱氧产物的形态， 同时形成的脱氧产物能很快进入炉渣【l 6 | 。 5 东北大学硕士学位论丈第2 章丈献综述 2 4 2 2 尖晶石夹杂物的控制 进入九十年代，丰要足进行有关欠品石夹杂物乍成机胖的研究。根据不锈 钢钢水采用a l 脱氧的结果可知，在脱氧初期会牛成氧化铝夹杂物，在渣碱度高 的情况下，随着时间的推移，会变成尖晶石夹杂物。即使用s i 脱氧时，也会生 成尖晶石夹杂物。根据研究可以认为欠晶石夹杂物的牛成机理如下：在采用s i 脱氧的情况下，在脱氧初期会生成m n o s i 0 2 - a 1 2 0 3 系夹杂物；在采用a 1 脱氧 的情况下，会生成氧化铝夹杂物。这些在初期牛成的夹杂物和被渣还原后进入 钢水中的m g 反应后会形成尖晶石夹杂物。 在实际生产中，在发生与上述物质移动有关的变化的同时，还应加上因温 度下降而产生变化的因素。有的文献指出，随着温度的下降，夹杂物中的氧化 铝浓度会由1 0 增加至3 0 左右。 在用s i 脱氧时，为防止尖晶石夹杂物的牛成，应降低渣的碱度，限制f e s i 合金中的微量成分。根据渣碱度和s 分配比的关系可知，随着碱度的下降，s 分配比会下降，结果不利于脱硫。如果用a l 脱氧时，虽然能获得高的s 分配比， 但由于含a l 钢的用途受到限制，因此它不适用于所有钢种。 在用a i 脱氧时，一般是通过c a 处理来对夹杂物进行改质。相反，还有的 文献指出，还原渣中的m g o 会助长尖晶石的生成。最近还有的报告指出，选择 a 1 的添加时间和添加方法也能够防止尖晶石的生成。 2 4 2 3 硫化物夹杂的控制 最大限度地降低钢中硫含量，包括冶炼脱硫及炉外喷粉脱硫等。控制原材 料及配料中的硫含量，使它们带入炉内的硫尽可能减少。调整硫化物夹杂的形 态，如加入稀土和z r ，c a 等元素，使钢中原来以m n s 等为丰的易变形硫化物 夹杂，转变为以稀土为主的不变形球化夹杂物，以改善钢的横向性能，但稀土 或z r 的加入量应适当。 2 5 不锈钢精炼过程中夹杂物的控制 炼钢牛产中应用真空技术、渣洗技术、惰性气体净化、电渣重熔等炉外精 炼技术，可以卓有成效地进一步减少钢中气体和夹杂物。在电炉炼钢时要求炉 渣中产生较多的正硅酸钙，因为它能增大钢渣的界面张力，减少钢中的夹杂物， 有助于提高钢的质量。钢包精炼采用吹氩搅拌为金属夹杂物从钢液中分离上浮 创造了良好的动力学条件，它使钢中的夹杂物变细小，分布均匀，从而减少夹 杂物造成的质量缺陷。钢包精炼采用真空碳脱氧，会发牛【c 】+ 【o 】c o 的反应， 6 - ，。，i矿 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 在真宅条件下，c o 的分压力不断地降低，真空碳脱氧的产物c o 易从钢液中逸 出，并不坫污钢液。研究表明精炼过程可以去除钢液中8 0 f 右的夹杂物【1 7 - 1 8 。 2 5 1 奥氏体不锈钢精炼过程中的夹杂物控制 典型的3 0 4 不锈钢钢液中的氧含量通常是由硅脱氧所控制，采用f e s i 和 s i m n 脱氧后，首先形成含s i 和c r 的夹杂物，其相组成为纯s i 0 2 和纯c r 2 0 3 ( 图 2 1 ) 1 9 】。随着精炼过程的进行，在碱度低的情况下，不锈钢钢液中的夹杂物主 要是理想的硅酸盐系夹杂物，如图2 2 所示，但【s 】含量会升高，因此，在a o d 还原期和脱硫期，渣的最佳组成是不同的。 3 0 4 不锈钢采用铝脱氧时，还会牛成a 1 2 0 3 、m g o a 1 2 0 3 、a 1 2 0 3 s i 0 2 m n o 等复合脱氧产物( 如图2 3 所示) 。 繁纩i ；! s i 0 2 图2 i 奥氏体不锈钢a o d 还原期主要夹杂物 f i g 2 1 t h em a i ni n c l u s i o n si na o d r e d u c t i o np e r i o do fa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l s i 0 2 - m n 0 0 i - 2 0 巷i 图2 2 硅酸盐复合夹杂物 f i g 2 2t h ec o m p o u n di n c l u s i o n so fs i l i c a t et y p e 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 al2 0 3 - s i 0 2 一mn 0 o 图2 3 不锈钢脱氧合金化产生的氧化物夹杂 f i g 2 3t h eo x i d ei n c l u s i o n sp r o d u c e di nd e o x i d a t i o nf o rs t a i n l e s ss t e e l 合金元素( c r 、t i 、s i 、m n ) 部分被氧化形成f e o c r 2 0 3 、s i 0 2 c r 2 0 3 、a 1 2 0 3 c r 2 0 3 、c r 2 0 3 m n s 、t i 0 2 等夹杂物( 如图2 4 所示) 。 图2 4 不锈钢液中合金元素的氧化引起的氧化物夹杂 f i g 2 4t h eo x i d ei n c l u s i o n sp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fa l l o yd e o x i d m i o nf o r s t a i n l e s ss t e e l 钢液在冷却凝固结晶过程中，由于温度下降及局部成分偏析还会形成二次 脱氧产物等，这些产物来不及从钢液内排出，便残留在钢中形成夹杂物( 如图 2 5 所礼 f ，锄，0 锄， 一8 譬 ： _ 参 叮 - 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 ：l z 6 u m j -7。茹 冬 窄- # “一“，。 tn 8 再 ； 妒j ，。 ；一 蠹，= t 扣 ” “ 移 三 ；， 。 。 ? ：“ t ：。 毒“ je 。 i ：“ ， 二j +j 0 。j ， 一 “ 镩： 。 6 差 嬲 纥 # ； ：，；l 幺磊i 缸乏：缸五：缝，麓象牙，：易i ，二：；：。，ji 私磊篆i 兹 图2 5 钢液在冷却凝同结晶过程中二次脱氧产物产生的夹杂 f i g 2 5t h ei n c l u s i o n sp r o d u c e db ys e c o n d a r yd e o x i d a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o n 3 0 4 不锈钢中的氮化物夹杂丰要以t n 的形式出现，它是溶解于钢中的 n 】 以及冶炼和浇铸过程钢液从空气中吸入的氮与钢中t i 元素作用生成的化合物。 该夹杂物熔点高，约2 9 5 0 * ( 2 ，无可塑性，几何形状规则，如方块状、三角状等。 在金相显微镜明场下观察，其颜色随基体金属中碳含量的不同而变化，例如， 在含碳0 1 0 左右的3 0 4 不锈钢中，通常呈金黄色；在暗场下透明；偏光下呈 各向同性，不透明。 硫作为一种杂质存在于奥氏体不锈钢中，或者是为改善钢的切削性能而特 意加入的，其加入量通常为o 3 。由于室温下，硫在不锈钢中的溶解度小于 0 0 1 ，因此，它通常是以金属硫化物的形式存在于钢中。 双相不锈钢采用f e s i 、s i m n 和a l 脱氧时，一般是通过c a 处理来对夹杂物 进行变性。s i c a 变性处理后【1 9 】，钢中发现球状的m g o a 1 2 0 3 c r 2 0 3 c a o s i 0 2 复合夹杂，如图2 6 所示。 图2 6 双相不锈钢s i c a 变性处理后的夹杂物 f i g 2 6t h ei n c l u s i o na t = t e rt h es t e e lt