（钢铁冶金专业论文）钢中非金属夹杂物来源系统研究.pdf

摘妻 摘要 钢中非金属夹杂物对钢材的品质有很大影响，针对石家庄钢铁有限责任公司的 g c r l 5 ，唐山钢铁有限公司的s s 4 0 0 和唐山津西钢铁有限公司的0 2 3 5 b 等低o 】、 中r i o 和高r i o 钢种展开钢中非金属夹杂物来源研究，利用看：! 嚷法追踪夹杂物来 源，并利用定量检测方法分析钢中研o 】，大样电解法分析钢中岁、型夹杂物含量，金 相观测钢中显微夹杂物，并利用s e 岫s 对钢中夹杂物傲进一步分析，研究钢中 夹杂物来源及熔渣、耐火材料、吨钢表面积对钢水的污染规律 实验在钢包渣、中间包覆盖剂和中间包衬中分别配入示踪元未b a 、l a 和c e ， 追踪钢包渣、中间包覆盖剂和中间包衬对钢水的污染，并利用纪。一a 器保护渣中固有 的k 、n a 分析结晶器保护渣对钢中非金属夹杂物的影响。 研究结果表明：钢中夹杂物主要来源于脱氧过程，其次为鲇a 器保护渣卷渣和 中间包覆盖剂卷渣。熔渣及耐火材料对钢中夹杂物污染程度最凡的是结晶器保护 渣，其次是中间包覆盖剂和钢包渣。 钢中大部分夹杂含有两种以上示踪元素，有多种来源并在钒坡中相互碰撞集聚 长大，是由脱氧产物和多种熔渣及耐火材料相互吸附聚集而形成复合夹杂。 通过对非金属夹杂物中示踪元素的分析，对低r i o 的g - c r l 5 ，熔渣和耐火材料 的残存量占非金属夹杂物总量的8 8 9 ，影响很大，要减少钢r | i 必杂物需使用优质 的熔渣和耐火材料；对中r i o 的s s 4 0 0 ，熔渣和耐火材料的残存置占非金属夹杂物 总量的2 4 6 ，影响较大，提高保护浇注水平减少非金属夹杂物的首选措施；对高 玎o 】的q 2 3 5 b ，熔渣和耐火材料的残存量占非金属夹杂物总量的1 8 1 ，影响较 小，加大脱氧程度能有效减少钢中非金属夹杂物。 c r c r l 5 铸坯内体积率k 为0 0 3 1 ，s s 4 0 0 钢中非金属夹杂物的总体积率为 0 0 2 4 ，q 2 3 5 b 钢中非金属夹杂物的总体积率为o 1 5 。 转炉和中问包吨位小，吨钢接触渣气相的相对表面积大，不利于减少钢中非 金属夹杂物，使钢水洁净度提高受到影响。 图5 0 表5 l 参5 2 关键词：夹杂物来源；示踪法；非金属夹杂物；钢水洁净度 分类号：t f 7 7 7 ；4 5 0 3 5 2 0 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fs t e e lp r o d u c t sa r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yn o n m e t a l l i c i n c l u s i o n , i n c l u s i o n ss o u r c eo fs t e e lp r o d u c t si ss t u d i e di ng c r l 5b e a r i n gs t e e lp r o d u c e db y s h i j i a z h u a n gi r o n & s t e e lc o l t d ，s s 4 0 0p r o d u c e db yt a n g s h a ni r o n & s t e e lc o l t da n d q 2 3 5 bp r o d u c e db yh e b e ij i n x is t e e ls t o c kc o l t d ，w h i c ha r ei nl o w 印】，m i d d l er i o 】 a n dh i g h 玎0 】s e p a r a t e l y u t i l i z i n gt r a c e rm e t h o df o l l o w st h ei n c l u s i o ns o u r c e ，e l e c t r o l y t i c s a m p l ea n a l y s e sl a r g e s i z e di n d u s i o n sc o n t e n t , f i xq u a n t i f ye x a m i n em e t h o dm e a s u l ：ez i o i ns t e e l ，m e t a i l o g r a p h i ca n a l y s i so b s e r v e sm i c r o - i n c l u s i o na n du t i l i z es e m e d st om a k e f u r t h e ra n a l y s e s t h ep o l l u t er e g u l a r i t yo fm o l t e ns l a g , r e f r a c t o r ym a t e r i a la n ds u r f a c e a c r e a g eo f e a c ht o ns t e e la n d s o u r c eo f i n c l u s i o n 眦s t u d i e di nt h i sp a p e r , t r a c e re l e m e n tb a , l aa n dc ea r es e p a r a t e l ym i x e di nl a d l es l a g t u n d i s hc i n d e r s c o v e ra n dt u n d i s hi n w a i li no r d e rt on l a k ew a e k so f p o l l u t i o nw h i c h i sc a u s e db yt h e m k a n dn ai nm o u l df l u xa r eu t i l i z e di no r d e rt oi n f e rt h ei n f l u e n c et on o n m e t a l l i ci n e l u s i o n w h i c ha r ec o m ef r o mm o u l df l u x t h er e s u l to fs t u d ys h o w s ：i n c l u s i o ni ns t e e la r cm a i n l yc o m ef r o md e o x i d a t i n g p r o c e s s , s e c o n d l yc o m ef i o mm o u l df l u xa n dt u n d i s hc i n d e r sc o v e r t h am o s tp o l l u t i o n s o u i v 沱o f i n c l u s i o ni ns t e e li sm o u l df l u x ，s e c o n d l yi st u n d i s hc i n d e r sc o v e ra n dl a d l es l a g m o s to ft h ei n c l u s i o ni ns t e e lh a v et w ot r a c i n ge l e m e n to rm o r e , t h e yh a v em o r e s o u r c ea n dg r o wl 巾i nl i q u i ds t e e lw h i c hc o m ef r o mt h ec o m p l e xo i m 舢eo fd e o x i d a t e o u t c o m e ，m o l t e ns l a ga n dr e f r a c t o r ym a t e r i a l t h er e m a i n i n gq u a n t i t yo fm o l t e ns l a ga n dr e f r a c t o r yt a k e st h em o s ti n f l u e n c ei n g - c r l 5 i ta c c o u n tf o r8 8 9 o ft o t a li n c l u s i o n , l l i g hq u a l i t ym o l t e ns l a ga n dr e f r a c r o r yi s n e e d e di no r d e rt oi m p r o v et oq u a l i t yo fs t e e l t h er e m a i n i n gq u a n t i t yo fm o l t e ns l a ga n d r e f r a c t o r yi ns s 4 0 0a c c o u n tf o r2 4 6 o ft o t a li n c l u s i o n , t h ei m p m v eo fp r o t e c tc a s t i n g l e v e li st h ep r i n c i p a lm e t h o dt or e d u c en o n m e t a l l i ci n c l u s i o n t h er e m a i n i n gq u a n t i t yo f m o l t e ns l a ga n dr e f r a c t o r yi nq 2 3 5 ba c c o u n tf o r1 8 1 o ft o t a li n c l u s i o n , i n t e n s i f y d e o x i d a t i o ne a nr e d u c en o n m e t a l l i ci n c l u s i o ne f f i c i e n t l y v o l u m ep e r c e n t i g eo f m i c r o - i n c l u s i o ni ng c r l 5s t e e l ，s s 4 0 0s t e e la n dq 2 3 5 bs t e e li s o 0 3 1 o 0 2 4 a n d0 。1 5 s e p a r a t e l y a b s t r a e t l o wc o n t e n to f c o n v e r t e ra n dt u n d i s hm a k et h es u r f a c ea 嗍b t w e e ne a c ht o ns t e e la n d s l a g - a i r ep h a s el a r g e , i t sn o tb e n e f i tt or e d u c en o n m e t a l l i ci n c l u s i o nw h i c hi n f l u e n c e dt h e p u r i t yo f s t e e l f i g u r e5 0 ；t a b l e5 1 ；r e f e r e n c e5 2 k e y w o r d s ：s o u 雠o fi n c l u s i o n , t r a c e rm e t h o d , n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n , p u r i t yo f c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 7 7 7 ：4 5 0 3 5 2 0 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：习墼一日期：三盟年朋么日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：臼雏导师签名：塑型缓日期：狲竺月丛日 引言 引言 钢中非金属夹杂物不仅对钢材使用加工性能有很大危害，而且对连铸生产本身 也有着不可忽视的影晌，随着生产发展，技术进步，用户对钢中菲金属夹杂物的要 求越来越高，而连铸生产发展特别是高效连铸技术的进步，使连铸生产本身对钢中 非金属夹杂物的要求也越来越严格。因此，如何减少钢中非金属夹杂物的危害，提 高钢水洁净度成为各个钢铁企业要研究的主要任务之一 钢中非金属夹杂物来源复杂，冶炼、浇注及凝固的各个环节都能产生夹杂物并 存留于铸坯中，熔渣卷渣，耐火材料剥落和侵蚀也会形成非金属夹杂物，影响钢水 洁净度。为了确定钢中非金属夹杂物的来源，确定钢包液面、中间包液面、结晶器 液面、耐火材料和吨钢表面积对钢中非金属夹杂物的影响，对不同o 】量的钢种的 污染规律进行系统研究，与石家庄钢铁有限责任公司、唐山钢铁有限责任公司和津 西钢铁有限责任公司展开合作，用示踪法分别追踪低研o 】、中z 1 0 】和高丁p 】钢种中 的非金属夹杂物，利用综合分析手段，分析钢中n o 】含量、非金属夹杂物总量和大 型夹杂物及显微夹杂物的来源，并对卷渣量造成的非金属夹杂进行量化，得到各部 分耐火材料和熔渣形成的钢中非金属夹杂物所占比例。 本文为进一步提高钢的品质提供了技术资科，对指导生产，开发工艺有着重要 的意义。 河北理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 提高钢质量的意义 随着连铸坯适用范围的扩大和对钢质量要求的不断提高，尤其是新钢种的开 发，人们对钢中非金属夹杂物对钢材的危害越来越重视。钢中的夹杂物有两个突出 的特点：一是来源复杂，二是进入结晶器后从钢水中分离上浮出来较困难。同时钢 中的夹杂物在深加工过程中也难以去除。 钢的洁净度与产品制造过程中出现的众多缺陷密切相关，一些厂家对某些高洁 净度钢种发生缺陷所做的调查如表l 【ij 所示。 表1 一些钢厂生产的洁净钢水平 t a b l e ll e v e lo f c l e a ns t e e li ns o m ef l e e lw o r k s 降低钢中s 、p 、n 等杂质含量，可以提高钢材的强韧性。当钢中【s 】卯0 0 4 时，n i c r m o 钢的平均冲击韧性明显提高；对a i s l 4 3 4 0 钢，【p 1 从0 0 3 下降到 o 0 0 3 ，室温v 型缺口冲击性能约提高2 0 。对于含硼钢，控制咖电o 1 0 - 6 ，可获 得高的强度和低温韧性。 对于轴承钢，降低钢中玎o 】含量，可以明显提高轴承钢寿命。因此，高质量轴 承钢要求钢中i o 1 0 x1 0 击。同时，钢中夹杂物的尺寸、分布与性质对钢材的疲劳 极限也有很大影响。降低钢中夹杂物，有利于提高钢材的疲劳强度【2 】。 - 2 一 1 文献综述 1 2 耐火材料及熔渣对钢质量的影响 耐火材料及熔渣在与钢水的接触过程中，不可避免的要与钢水中各组分发生反 应，此反应侵蚀了耐火材料及熔渣 3 - h i ，同时也会对钢水的成分及质量产生影响。 由于耐火材料与钢水发生反应时，耐火材料首先要变为熔融状态，这与熔渣的 性质类似，二者反应机理相同，因此仅讨论耐火材料与钢水之间的作用，它包括以 下几个方面： 1 由于钢水的冲刷、剥落造成耐火材料整块的落入钢水中，形成较大的外来夹 杂，这一过程为物理过程。 2 耐火材料的组成元素溶解到钢水中，包括耐火材料的构成氧化物或氮化物、 碳及各种结合剂与添加剂。这些元素溶入钢中会改变钢水的组成，特别是对洁净钢 及超洁净钢的质量产生较大影响，这一过程为物理化学过程。 3 耐火材料，尤其是耐火材料与钢水界面上形成的液相可以吸附钢中的夹杂， 从而提高钢的质量。 高温下耐火材料与钢水之问的反应模型可以用图1 1 1 习表示，反应分为下列几个 步骤： 圈i 耐火材料与钢水间反应模型 f i g ir e a c t i o nm o d e lb 咖e e 4 nr e f r a c t o r ym a t e r i a la n dl i q u i ds t e e l 首先，在反应初期，耐火材料直接溶入钢水，即： m x o y ( s ) - - x m + y 【o 】( 1 ) 或m x o y n ：x r m + y 【o 】+ z 【n 】( 2 ) 进入钢水的氧与钢中金属元素结合形成单一氧化物或复合氧化物夹杂： 3 河北理工大学硕士学位论文 【o 】+ 【a 】= a 0 ( s ) ( 3 ) 2 【o 】+ 【a 】+ p 以】= ( m 0 - a o ) ( s ) ( 4 ) 钢水中的成分，如a i 、s i 、m n 、f e 等可与0 等结合成夹杂而被耐火材料吸 收： x a 】+ y 【o 】= a x o y ( s ) ( 5 ) 当反应进行到一定程度后，在钢水与耐火材料问存在一液相隔离层。此隔离层 一旦形成，对耐火材料与钢水之间的反应机制产生很大影响。 当隔离层由高纯度、高熔点的物质构成时，在使用条件下仍以固态存在，此时 耐火材料与钢水之间的反应分为两种类型： 1 反应产物在耐火材料颗粒表面形成一个固相产物层。耐火材料的构成元素需 要扩散通过这一产物层才能溶入钢水中。固相中的扩散速度慢，因而耐火材料的溶 解速度会大大减慢。 2 钢水通过耐火材料的气孔渗透，与内层耐火材料反应。此反应受耐火材料润 湿能力及气孔孔径等诸因素影响。 如果边界层是低熔点物质，在高温下转为液相，将耐火材料与钢水隔开，阻止 了耐火材料向钢水直接溶解。因为，这种液相是由各种氧化物构成的熔体，具有离 子结构，即由金属阳离子、氧离子及它们的离子团构成。钢水属金属结构，根据冶 金物理化学的基本原理，这两种熔体是不能互溶的。因此这一边界层就变成了隔离 层，它将耐火材料与钢水隔离，使其直接反应停止。此时耐火材料与钢水的传质的 传质包括以下几个部分t 1 在耐火材料与液相隔离层界面上，耐火材料与液相间发生的界面反应。耐火 材料与液相的组成、温度对此界面有很大影响。 2 反应产物由耐火材料与液相隔离层的界面向液相与钢水的隔离层界面扩散。 扩散速度可以用式( 6 ) 表示： n f 等( q g ) ( 6 ) 口 式中： 讨散速度，g c l r l 2 s ； d 扩散系数，c m 2 s ： 占扩散层厚度，即隔离层厚度，c m ； c l c 瑚别为隔离层耐火材料侧及钢水侧某物质的质量浓度。 4 一 l 文献综述 3 钢水与液相隔离层之间的界面反应。 4 界面反应产物沿耐火材料中的液相向耐火材料内部扩散及向钢水内部扩 散。 1 3 钢中非金属夹杂物 连铸坯内存在着非金属夹杂物，这些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【1 6 。2 5 。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 2 6 - 3 2 1 。 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0 3 - - 3 7 1 ： 1 转炉出钢下渣 挡渣出钢效果相对较差，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，也造成钢水的污染。 2 钢包、中问包包衬侵蚀物 在生产过程中如果钢包包衬侵蚀物进入钢水，尤其是l f 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( 粘土砖 粉) 和绝热板残块进入钢水也会造成污染，而被中间包填充料污染的钢水极易通过 浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物的尺寸也是最大的，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 钢水由大包到中蜘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。 5 河北理工大学硕士学位论文 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拉速调整是由人工控制，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侧弧板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初生坯壳皮下裹 渣。 1 3 2 夹杂物类型 通常，钢中氧化物夹杂可分为内生夹杂、外来夹杂和由内生、外来相互交错形 成的相互反应夹杂p 删。钢中夹杂物主要以非金属化合态存在，如氧化物、硫化物、 氮化物等网。按具体条件来分，有如下分法： 1 夹杂物按其形成时间的不同，又可分为四个阶段的夹杂物： 一次夹杂物( 原生夹杂物) ；向炉内或钢包内加入脱氧剂后立即生成夹杂物 二次夹杂物：出钢和浇注过程中，冷却到液相线之前，由于温度下降平衡移动 产生的夹杂物。 三次夹杂物：凝固过程中生成的夹杂物又称为再生夹杂物。 四次夹杂物：固态相变时因溶解度发生变化生成的夹杂物。 2 夹杂物按其形态大致分为以下几种： 1 ) i 类球形夹杂： 金相定性为含s i 0 2 较高的硅酸盐玻璃相。电镜分析为含铝锰硅酸盐。 2 ) i i 类球形夹杂： 金相定性为锰硅酸盐夹杂，但含锰相对增加，含s i 相对减少。电镜分析与日 者 相比，s i 有所下降，而a i 有所增加。 6 - l 文献综述 3 ) 大球形复合夹杂： 尺寸较大，但数量很少。该类夹杂大致为含c a l 2 2 1 的硅酸盐夹杂及硅锰酸盐 的基体上有z r o ，a 1 2 0 3 及稀土复合相的复合型夹杂。 4 ) 角粒形夹杂： 金相定性为高熔点脆性夹杂。但未发现有成簇的分布状态。电镜分析为铁铝尖 晶石类夹杂。 3 硫化物夹杂： 钢中硫化物主要是m n s 、f e s 、( m n 、f e ) s 和c a s 夹杂硫化物夹杂是钢中主 要的夹杂物之一，对钢材的性能有很大的影响。硫化物在金相明场下为淡黄色，在 暗场下不透明，在偏振光下有强的各向异性。 硫化物夹杂按其形态可分为三种： i 类硫化物的特征为球状，无规则分布，多为单相； i i 类硫化物沿晶界分布或呈扇状； i 类硫化物呈块状或角形，无规则分布。 对于硫化物形态影响的因素有很多。其中，氧是影响形态最显著的因素：已经 发现，钢中氧含量大于0 0 1 2 时，形成i 类硫化物，小于0 0 0 8 时，形成i 类硫 化物，在0 0 0 8 至0 0 1 2 之间时，形成i l 类硫化物。l 类、l i 类硫化物都是在钢 水凝固时析出的，类硫化物是从熔液中呈固态沉淀的。另外有人认为，慢冷时形 成i 类或类硫化物，快冷时形成n 类硫化物。而且硫化物的数目和颗粒大小也受 冷却速度的影响。其中，随着基本冷却速度的增大，硫化物的数目明显增多。为了 减小由于硫化物的取向不同造成的各向异性对钢材性能的影响，可采取加一些合金 元素的方法来控制其形态。 4 氧化物夹杂： 包括m n o 、f e o 及( f e 、m n ) o 夹杂。它们在室温下能和金属一起变形，随温度 升高逐渐丧失变形能力。 氧化物夹杂是钢水中存在的主要夹杂之一。钢中析出的氧化物夹杂主要来自三 部分： 1 ) 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。 1 河北理工人学硕士学位论文 2 ) 钢水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。 3 ) 钢水从液相线温度冷却到固相线温度过程中析出的脱氧产物，称为三次脱氧 产物。 此外，根据非金属夹杂物在材料热加工温度下相对变形程度的不同，可将非金 属夹杂物分为以下三类【3 8 1 。 1 脆性夹杂物：一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物( 如a 1 2 0 3 、 c r 2 0 3 、z r 0 2 等) ，双氧化物( 如f e o a 1 2 0 3 、m g o a 1 2 0 3 、c a o 6 a 1 2 0 3 等) ，氮化 物( 如t i n 、t i ( c n ) 等) 和不变形的球状( 或点状) 夹杂物( 如球状铝酸钙和含 s i 0 2 较高的硅酸盐等) 。 2 塑性夹杂物：这类夹杂物在钢经受加工变形时，具有良好的塑性，沿着钢塑 性流变的方向延伸成条带状，属于这类夹杂物的有：含s i 0 2 量低的铁锰硅酸盐和硫 化锰m n s 、( f e m n ) s 等。 3 半塑性变形夹杂物：指各种复合的铝硅酸盐类夹杂。其中作为夹杂物的基体 铝硅酸盐玻璃一般在钢经受热加工过程中产生塑性变形，但是在基体上分布的夹杂 物( 如刚玉、尖晶石类氧化物) 不变形。 1 3 3 夹杂物控制措施 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p 9 - 4 2 | 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m g o 含量和碱度，减少下渣。 3 ) 采取出钢挡渣、扒渣和炉渣变性。 4 ) 转炉出钢过程中渣沈脱硫，降低钢水硫含量，抑制硫化物央杂危害。 - 8 一 l 文献综述 5 ) 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，促进钢中夹杂物交性。 2 精炼过程及中间包内的夹杂物控制【4 3 , 4 4 1 精炼过程可采取的控制措施包括，真空吹氩搅拌去除夹杂物，加入粉剂进一步 去除钢中的杂质元素，钢液中夹杂物的变性，造合适的精炼渣去除夹杂物。 中问包可采取的控制措施包括： 1 ) 保证足够的停留时间，使夹杂物充分上浮。 2 ) 采用长水口氩封保护浇注，减少来源于气体的污染。 3 ) 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。 4 ) 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。 5 ) 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。 3 结晶器内的夹杂物控制h 5 ，拍j 结晶器内钢液流动状况、拉坯速度、夹杂物粒径、夹杂物停留时问、水口张角 等因素都会对夹杂物的去除率产生影响，夹杂物上浮速度随着粒径的增大而增大， 随着夹杂物密度的增大而减小。拉速太大会使液面钢渣卷混现象严重，钢液流速加 大，使夹杂物上浮去除的凡率减小，因此要确定合适的拉速；增大侵入式水口的插 入深度可以避免卷渣的产生下倾水口张角较小时容易产生钢渣卷混现象，下倾水口 张角越大，会使钢液中的夹杂物在结晶器内停留的时间越短，去除率也增大。 1 4 实验研究方案 本文分别以石家庄钢铁公司g c r l 5 轴承钢、唐山钢铁公司一钢轧厂s s 4 0 0 钢及 唐山津西钢铁有限公司炼钢厂q 2 3 5 b 等各钢厂重点钢种为研究对象，采用示踪法追 踪夹杂物来源，通过多组实验，分析低o 】、中玎o 】及高0 】条件下，钢中夹杂物 来源，为现场生产提供基础数据。 9 河北理工人学硕士学位论文 1 4 1 生产工艺流程及设备参数 由于钢种及实际生产状况的不同，各厂所采用的生产工艺流程也有所区别。为 便于分析，将各厂所采用的生产工艺流程，转炉生产条件，出钢后处理方式及设备 参数等整理成表，如表2 表7 所示。 表2 各厂生产工艺流程 t 曲l e 2c r a r w o r ki nd i f f e r e n tf a c t o r y 厂家钢种 工艺流程 石钢g c r l 5铁水预处理一4 0 i 顶底复吹转炉一l f - _ 、，d 处理一方坯连铸 唐钢 s s 4 0 0 铁水预处理一1 5 优顶底复吹转炉一l f 处理一f t s c 连铸 津西 q 2 3 5 8 铁水预处理一l o o t 转炉一吹氲一异型坯连铸 表3 转炉生产条件 t a b l e 3p r o d u c i n ge o n d i t i o no f c o n v e r t e r 一 钢种 公称容_ 量，t吹炼方式出钢方式 一卜渣晕t g c r l 5 4 0 顶底复合吹炼挡渣出钢 一 s s 4 0 01 5 0顶底复合吹炼挡渣出钢 5 0 p m 的大型夹杂物。 2 实验步骤 大样电解的实验步骤为，将试样用车床或线切割加工成l k g 重的圆柱体，圆柱 体顶端连接导线，表面清理干净，置入充满电解液的电解槽内进行电解。电解槽内 配入的溶液为1 3 l ，其中含f o s 0 4 7 i - 1 2 02 0 0 0 9 ，z n c l 25 0 0 9 ，柠檬酸2 0 0 9 及浓盐酸 2 0 0 m l 。试样经5 天一l o 天完全电解后，将收得的阳极泥经淘洗、烘干，分离，可 得到大型非金属夹杂物。将大型非金属夹杂物称重计算，获得钢中非金属夹杂物含 量水平。 3 2 大型非金属夹杂物含量 钢中大型非金属夹杂物含量一般以r a g 1 0k g 为单位，将试样电解前的重量设定 为g i ，电解后剩余重量设定为g 2 ，分离出的非金属夹杂物重量设定为g 3 ，由此得 到非金属夹杂物含量计算式，如式( 7 ) 所示。 k 矗刈酽( 7 ) 式中： 2 0 一 3 钢中非金属夹杂物总量分析 卜铸坯中非金属夹杂物的含量，m g 1 0k g ； g 广电解前试样重，g ； g 2 一电解后试样重，g ； g 3 一非金属夹杂物总重，n a g 。 3 2 1g c r l 5 非金属夹杂物总量分析 将取自g c r l 5 钢的试样按前述实验步骤进行加工、电解、分离、称重，根据式 ( 7 ) 计算钢中非金属夹杂物的含量，非金属夹杂物总量统计结果如图8 和表1 7 所 示。 袭1 7g c r l 5 铸坯大样电解统计表 t a b l e l 7s t a t i s t i c so f g c r l 5e l e c t r o l y t i cs a m p l e 竺姿塑望竖! ! 垒皇竺竺差竺堡查竺竺曼嫂羔黧璺釜： 稳态1 0 8 1 43 6 1 80 1 0 91 5 非稳态 9 9 5 03 1 5 90 1 2 21 8 图gg c r l 5 铸坯内非金属夹杂物含量 f i g 8i n c l u s i o nc o n t e n ti ng c r l 5s t r a n d 由图8 和表1 7 可知，g c r l 5 铸坯在稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量 = 1 5 r a g 1 0k g ，非稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量1 2 = 1 8 m g 1 0k g ，钢水洁净 度达到了较高的水平。 非稳态浇注时大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属夹杂物含量的1 2 倍，非稳态浇注对钢中大型非金属夹杂物含量有较为明显的影响。提高操作水平， 降低非稳态浇注对钢水质量造成的影响尚有一定潜力。 2 1 河北理工人学硕士学位论文 3 2 28 s 4 0 0 非金属夹杂物总量分析 将取自s s 4 0 0 钢的试样按前述实验步骤进行加工、电解、分离、称重，根据式 ( 7 ) 计算钢中非金属夹杂物的含量，非金属夹杂物总量统计结果如表1 8 和图9 所 刁写。 表1 88 s 4 0 0 铸坯大样电解统计表 t a b l e l $ s t a t i s t i c so f s s 4 0 0e l e c t r o l y t i cs a m p l e 炉次 电解前样重g i g 蝴样重g 2 g 夹杂物重岛，m s 甾蓦嚣7 稳态 1 0 7 0 i5 0 60 2 40 2 4 非稳态1 0 7 5 i 4 9 8o 2 70 2 6 圈9 $ $ 4 0 0 铸坯内非金属夹杂物含量 f i g 9i n c l u s i o nc o n t e n ti ns s 4 0 0s l a b 由表1 8 和图9 可知，s s 4 0 0 铸坯中稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量 = o 2 4 m g 1 0k g ，非稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量为2 = 0 2 6 r a g 1 0k g ，钢水洁 净度水平很高。 非稳态浇注时钢中大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属央杂物含量 的1 0 8 倍。非稳态浇注对钢水质量的影响不大。大吨位冶炼设备吨钢接触渣一气相 的相对面积小，钢水受污染程度小，有利于减少钢中非金属夹杂物含量。 3 2 3q 2 3 5 b 非金属夹杂物总量分析 1 中间包内非会属央杂物总量分析 2 2 3 钢中非金属夹杂物总量分析 中间包内分离出的大型非金属夹杂物形貌如图l o 所示，由图1 0 可知，中间包 内大型非金属夹杂物主要为块状和球状，且粒度较大非金属夹杂物总量统计结果 如图1 1 和表1 9 所示。 图l o 中间包内非金属夹杂物的形貌 f i g 1 0 a p p e a r a n c e o f i n c l u s i o n i n q 2 3 5 b t u n d i s h 表1 9 中间包内大样电解统计表 t a b l e l 9s t a t i s t i c so f q 2 3 5 be l e c t r o l y t i cs a m p l ei nt u n d i s h 炉次 电解前样重g l ，g 电解后样重g 2 ，g 夹杂物重g 3 ，m g 篙挈嚣7 第一炉初期11 2 6 61 5 5 9 1 5 51 4 91 5 3 5 0 第一炉中期 1 1 4 16 7 5 5 3 2 i i 21 1 5 3 8 第一二炉交接处 l1 0 0 6 1 2 6 6 7 0 81 3 71 4 0 6 7 第二炉中期1 0 4 06 1 4 3 5 41 0 0 1 0 2 1 9 图l l 中间包内非金属夹杂物平均含量 f i g 1 la v e r a g ei n c l u s i o nc o n t e n ti nq 2 3 5 bt u n d i s h 2 3 河北理工人学硕十学位论文 由图1 1 和表1 9 可知，q 2 3 5 b 中间包内试样，在稳态浇注条件下大型非金属夹 杂物的平均含量五= 1 0 8 7 9 m g 1 0l 【g ，非稳态浇注下大型非金属夹杂物的平均含量 五= 1 4 7 0 9 r a g 1 0 k g ，中间包内非金属夹杂物含量很高。 非稳态浇注时中间包内大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时中间包内大型非金 属夹杂物含量的1 3 5 倍，非稳态浇注对中间包内钢水质量的影响较大，提高操作水 平，保持换包时液面稳定，有利于进一步减少非稳态中间包内非金属夹杂物含量。 中间包内大型夹杂含量较高，这与q 2 3 5 b 没有采用炉外精炼有关，同时钢包与 中间包有卷渣现象，滞留在钢中的渣子未能充分上浮，很大程度上影响着中间包内 钢水的洁净度水平，对中间包流场进行优化，并强化脱氧，能减少中间包内大型非 金属夹杂物含量。 2 铸坯内非金属夹杂物总量分析 铸坯内分离出的大型非金属夹杂物形貌如图1 2 所示，由图1 2 可知，铸坯内大 型非金属央杂物主要为球状，粒度明显小于中日j 包内的非金属夹杂物，数量多、粒 度小是铸坯内非金属夹杂物的特点。非金属夹杂物含量统计结果如图1 3 和表2 0 所 示。 袭2 0q 2 3 5 b 铸坯大样电解统计表 t a b l e 2 0s t a t i s t i c so f q 2 3 5 be l e c t r o l y , i cs a m p l ei ns t r a n d 炉次 电解前样重g l ，g 电解后样j ；0 2 g 夹杂物重g 3 ，m g 甾搿7 第一炉1 流稳态 1 0 4 7 s6 5 6 5 3 38 48 5 5 3 第一炉2 流稳态 一二炉交接处 l 流非稳态 一二炉交接处 2 流非稳态 第二炉l 流稳态 第二炉2 流稳态 1 0 7 9 0 1 0 6 3 1 1 0 7 5 2 1 0 6 0 4 1 0 7 7 1 9 7 7 9 6 4 8 5 2 5 8 7 9 9 8 7 7 4 8 3 7 0 1 3 9 6 7 7 5 0 7 | 67 7 4 6 1 1 41 1 6 劢 1 4 01 4 3 5 8 7 37 5 4 9 7 5 7 6 5 1 2 4 3 钢中非金属夹杂物总量分析 闰1 2 铸坯内非金属夹杂物形貌 f i g 1 2a p p e a r a n c eo f i n c l u s i o ni nq 2 3 5 bs t r a n d 田1 3 毪态条件下铜中大型非金属夹杂物含量变化 f i g 1 3v a r i a t i o no f i n c l u s i o nc o n t e n ti nq 2 3 ms l a a n dms t e a d ys t a t e 稳态浇注条件下，钢中非金属夹杂物含量由第一炉至第二炉逐步降低，由中问 包至铸坯逐步降低。说明在第一炉浇注条件下，钢水与中间包空包内的空气接触， 钢水吸氧量大于后续炉次，同时中间包制备过程中存留在包内的尘屑未完全上浮也 对钢水造成了污染。 由图1 4 ，对比q 2 3 5 b 稳态坯和非稳态坯，在稳态浇注下铸坯内大型非金属夹 杂物的平均含量五= 7 8 7 5 r a g 1 0k g ，非稳态浇注下铸坯内大型非金属夹杂物的平均 含a ? 2 = 1 3 0 0 9 r a g 1 0k g ，铸坯中非金属夹杂物含量较高。 一2 5 河北理工人学硕士学位论文 圈1 4 非稳态与稳态铸坯非金属夹杂物含量比较 f i g 1 4c o m p a r i s o no fi n c l u s i o nc o n t e n tb f t w e e q ls t e a d ys t a t ea n du n s t e a d ys t a t e q 2 3 5 b 在非稳态浇注时铸坯内大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属 夹杂物含量的1 6 5 倍。非稳态浇注对铸坯质量影响很大，提高操作水平，保持换包 时中间包液面和结晶器液面稳定，减少卷渣和吸氧，有利于进一步减少非稳态浇注 时铸坯内非金属夹杂物含量，稳定产品质量。 3 3 本章小结 1 g c r l 5 铸坯在稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量l l = 1 5 m e , 1 0k g ，非稳态浇 注下大型非金属夹杂物的含量1 2 = 1 8 m g 1 0k g 。 非稳态浇注时大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属夹杂物含量的1 2 倍。非稳态浇注对钢中大型非金属夹杂物含量有较为明显的影响。 2 s s 4 0 0 铸坯中稳态浇注下大型非金属夹杂物的含量 = o 2 4 m g l ol g ，非稳态 浇注下大型非金属夹杂物的含量为2 = o 2 6 m g 1 0k g 非稳态浇注时钢中大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属夹杂物含量 的1 0 8 倍。非稳态浇注对钢水质量的影响不大。 3 q 2 3 5 b 铸坯中稳态浇注下大型非金属夹杂物的平均含量五= 7 8 7 5 r a g 1 0k g ， 非稳态浇注下大型非金属夹杂物的平均含量元= 1 3 0 0 9 m g l ok g ，铸坯中非金属夹 杂物含量较高。 非稳态浇注时大型非金属夹杂物含量是稳态浇注时大型非金属夹杂物含量的 1 6 5 倍。非稳态浇注对铸坯质量影响很大。 2 6 4 钢中大型非金属夹杂物分析 4 钢中大型非金属夹杂物分析 由大样电解分离出的非金属夹杂物，由k y k y - 2 8 0 0 型s e m ，e d s ( 扫描电子 显微镜能谱分析仪) 进行进一步的分析，获得非金属夹杂物形貌及其组成，为判 明其来源提供依据。并根据不同类型的非金属夹杂物中不同的示踪剂含量，分析出 不同来源的非金属夹杂物各自所占比例及其对钢水的污染程度。 4 1g c r l 5 钢中大型非金属夹杂物来源分析 4 1 1l f v d 精炼后大型非金属夹杂物s e m e d s 分析 g c r l 5 轴承钢在l f v d 精炼处理后，在钢中检测出两类夹杂，分别为c a o s 1 0 2 - a 1 2 0 3 m g o