（冶金工程专业论文）通钢45钢方坯洁净度研究.pdf

卜a ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g i c a le n g i n e e r i n g s t u d y o nb i l l e tc l e a n l i n e s so fg r a d e4 5i n t o n g g a ng b yx i nl i h u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h o n gl i a n g c a i s e n i o re n g i n e e rg u a nc h u n l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 。 二矗： 思。 独创性声明 的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 学位论文作者签名：身童矢 日 期：z q 。夕石v 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， 1 东北大学硕士学位论文 摘要 通钢4 5 钢方坯洁净度研究 摘要 通钢生产的4 5 钢的成品中夹杂物含量过高，造成一定的经济损失。钢材中的夹杂 物已经成为制约通钢提高钢材质量的一大障碍。因此急需研究减少铸坯中夹杂物的措 施。 本文主要是对铸坯内部洁净度进行研究。通过对l f 精炼钢包钢水和浇注过程中间 包钢水、铸坯取样检验，综合分析，得出夹杂物水平以及演变规律。对从转炉出钢到最 终铸坯的生产过程进行钢水氮、氧含量的分析，来研究它们的变化规律。并对中间包钢 水夹杂物去除、钢水二次氧化、浇铸过程下渣等问题，以及连铸坯中夹杂物来源等问题 进行了分析研究。 研究结果表明，连铸方坯中夹杂物的分布具有明显的规律性，在铸坯厚度方向距内 弧1 4 处，出现夹杂物的集聚。夹杂物含量和拉速之问的关系是拉速过高或过低，铸坯 洁净度下降；在过热度允许的条件下，高的浇铸温度有利于夹杂物上浮。另外，发现吹 氩有利于钢水总氧降低，但氮含量升高；喂线导致钢液中氮含量增加。 根据本研究结果，在目前通钢的工艺条件下，为了生产高质量的4 5 钢，提出了针 对性的改进措施。应规范操作制度，避免钢液的二次氧化，以降低钢液中的总氧，可以 防止生成三氧化二铝夹杂；钢包要全程底吹氩，吹氩量以使钢液面微动，钢水不裸露为 宜；在l f 处理时要保证软吹时间不低于1 0 分钟，以保证夹杂物的充分上浮。喂线时， 保证c a o 和a 1 2 0 3 的摩尔比为n c a o ：n a i 2 0 3 = 1 2 ：7 时可有效减少钢包水口堵塞现象；浇铸 过程中钢包加盖，可防止钢包钢水的二次氧化；加强中间包保护浇注，防止中间包钢水 二次氧化。对于通钢8 机8 流的连铸机浇注4 5 钢，将过热度控制2 0 - - - - 3 5 范围，拉速 控制在1 6 - - 3 o m m i n 时可提高铸坯洁净度。 关键词：4 5 钢；钢水；铸坯；洁净度：工艺参数 i i “1 1 东北大学硕士学位论文 r a b s t r a c t s t u d y o nb i l l e tc l e a n l i n e s so fg r a d e4 5i n t o n g g a n g a b s t r a c t t h ei n c l u s i o nc o n t e n to ft h eg r a d e4 5i nt o n g g a n gi st o oh i g ha n di tc a u s e sab i g e c o n o m i cl o s st ot h e c o m p a n y t h ei n c l u s i o n si n s t e e lh a v ef o r m e dab a r r i e rt ot h e d e v e l o p m e n to ft o n g g a n g t h e r e f o r et h em e a s u r e so fr e d u c i n gt h ei n c l u s i o n sa r eu r g e n t l y n e e d e dt os t u d y t h ei n t e m a lc l e a n l i n e s si ss t u d i e di nt h i sp a p e r s y s t e m a t i cr e s e a r c hi sd o n eb ya n a l y z i n g t h ei n c l u s i o nc o n t e n ti nt h es a m p l e st a k e nf r o mt u n d i s ht ob i l l e t t o 】a n dni nt h es t e e la r e a n a l y z e db yt a k i n gs a m p l e sf r o mb o ft ot h eb i l l e t i n c l u s i o nr e m o v a la n dr e o x i d a t i o no f m o l t e ns t e e l ，a n dt h eo r i g i no ft h ei n c l u s i o n si nt h eb i l l e ta r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h es t e e lc l e a n l i n e s si nt h eb i l l e ti s v e r yr e g u l a r l y t h ep e a ko ft h e i n c l u s i o n sa m o u n ta p p e a r si nt h e1 4t h i c k n e s so ft h eu p p e rb i l l e t t h ec l e a n l i n e s so ft h eb i l l e t i sw o r s e nw i t ht o oh i g ho rt o ol o w c a s t i n gs p e e d i n c l u s i o n so fm o l t e ns t e e la r ee a s yt of l o a t u pw i t ht h el l i g h e rc a s t i n gt e m p e r a t u r e t o 】c o n t e n to fs t e e li nl a d l ec a nb ed e c r e a s e db ya r b l o w i n g ，b u ti n 】c o n t e n tw o u l db e c o m eh i g h c o r e d l i n ef e e d i n gc a nc a u s e n 】c o n t e n t i n c r e a s i n g a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，s o m em e a s u r e m e n t sa n ds u g g e s t i o n sf o rm o l t e ns t e e la n d b i l l e tc l e a n l i n e s s i m p r o v e m e n ti nt o n g g a n gc a nb ep u tf o r e w o r d o p e r a t i o nr e g u l a t i o n s s h o u l db es t r i c t l ye x e c u t e d ，a n dr e - o x i d i z a t i o no fm o l t e ns t e e ls h o u l db ea v o i d e dt op r e v e n t t h ef o r m a t i o no fa 1 2 0 3i n c l u s i o n s l a d l es h o u l db es t a m p e df o rb e t t e rp r o t e c t i o no fm o l t e n s t e e ld u r i n gc a s t i n g t h el a d l en e e d sb o t t o ma r g o nb l o w i n gi nt h ew h o l ep r o c e s s ，a n dt h e o p t i m a la m o u n to fa r g o nb l o w ni s t ol e tt h el i q u i ds t e e ls u r f a c em o v eal i t t l e ，n o ts e et h e m o l t e ns t e e l a tt h es a m et i m ei nt h el ft r e a t m e n t ，t h et i m eo fs o f tb l o w i n gs h o u l db en o tl e s s t h a n10m i n u t e st oe n s u r et h ei n c l u s i o n sf l o wu pt ol i q u i ds u r f a c e i nc o r e d - l i n ef e e d i n g ，t h e m o l a rr a t i oo fc a ot oa 1 2 0 3 ，n c a o ：n a l 2 0 3 ，s h o u l db ee q u a lt o12 ：7 ，w h i c hc a nb ee f f e c t i v ei n r e d u c i n gt h ep h e n o m e n o no fl a d l eo u t l e tc l o g g i n g t h es u p e r h e a td e g r e er a n g eo f2 0 3 5 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a n dt h ec a s t i n gs p e e do f1 6 。3 0 m m i nc a l li m p r o v et h ec l e a n l i n e s so ft h eb i l l e tf o r4 5s t e e l c a s t i n gw i t h8 - s t r a n dc a s t e ri nt o n g g a n g k e yw o r d s ：4 5s t e e l ；m o l t e ns t e e l ；b i l l e t ；c l e a n l i n e s s ；p r o c e s sp a r a m e t e r i v ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪言1 1 14 5 钢的用途1 1 24 5 钢的生产技术1 1 2 1 转炉冶炼生产技术。1 1 2 2 精炼生产技术2 1 2 3 连铸生产技术2 1 3 研究背景和主要研究内容3 1 3 1 研究的背景和意义3 1 3 2 主要研究内容。4 第二章文献综述5 2 1 国内外连铸技术的发展5 2 2 钢材对钢洁净度的要求5 2 3 钢中非金属夹杂物的来源和分类7 2 3 1 钢中非金属夹杂物的来源7 2 3 2 钢中非金属夹杂物的分类8 2 3 3 钢中非金属夹杂物的分布9 2 3 4 钢中非金属夹杂物对钢质量的影响9 2 4 钢中夹杂物的控制1 1 2 4 1 转炉工序的控制。1 1 2 4 2 精炼工序的控制1 2 2 4 3 连铸工序的控制l3 v 东北大学硕士学位论文目录 2 5 钢中夹杂物的去除机理1 5 2 5 1 上浮去除1 5 2 5 2 碰撞去除1 6 2 5 3 粘附去除。1 7 2 5 4 气泡去除1 7 2 6 结晶器控制夹杂物技术1 7 2 7 国外改善铸坯纯净度的技术及效果1 9 第三章4 5 钢洁净度的研究方案2 1 3 1 生产工艺2 l 3 2 产品规格及品种2 1 3 3 研究方法2 2 3 3 1 取样方案2 2 3 3 2 试样的分析方法。2 2 3 3 3 扫描电镜( x 射线能谱) 分析2 3 第四章冶炼过程中洁净度研究2 5 4 1 转炉冶炼各环节钢中t o 】、【n 】的控制2 5 4 1 1 转炉吹炼终点氧控制2 5 4 1 2l f 炉处理前后钢中t 【o 】、 n 】的变化2 6 4 1 3 中间包钢水中t 【o 】、 n 】的变化2 7 4 1 4 保护浇注与二次氧化2 8 4 1 5 生产各工序t o 】、i n 】的变化2 9 4 2 转炉冶炼各环节夹杂物的控制3 1 4 2 1 精炼前后显微夹杂物数量的变化3 l 4 2 3 中间包浇注中、后期夹杂物数量的变化3 3 4 2 4 中间包钢液中典型夹杂物分析。3 4 4 34 5 钢生产工艺优化3 5 4 3 1l f 钢液精炼吹氩工艺3 5 4 3 2l f 喂线操作3 6 4 3 3 保护浇注操作3 7 v i 一 l l lllllll【llllllllllllllllllllillllilllllllllilllliillllllilllllllll-l_lll_卜 目录 3 7 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 4 2 5 4 不l 司拉速条件f 铸坯洁净度分析4 5 5 5 小结4 7 第六章结论4 9 参考文献51 致谢5 3 攻读学位期间的成果5 5 论文包含图、表、公式及文献5 7 v h ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪言弟一早瑁百 1 14 5 钢的用途 随着工业化和现代化的发展，市场对钢材的品种结构和质量水平提出了越来越高的 要求，即要求钢材品质向优质、多功能、高技术含量和高附加值方向发展。洁净钢具有 广阔的市场，广泛用于汽车、家电、食品工业乃至海洋结构、耐酸管线以及在苛刻条件 下的其他用途。 优质碳素结构钢是我国优质钢中最基础的钢种，应用面广、需求量大，是工业、农 业及国防建设等国民经济各部门必不可少的基础材料。在机械工业中，优质碳素结构钢 是主要钢铁材料之一。各种机器和生产设备、交通运输车辆、船舶、工具、农业机械等， 从最小的垫圈、螺栓、螺帽，到机器的轴、拉杆、齿轮等零部件，以及机械的机座、壳 体、容器、管路等构件。都需要不同品种、规格的优质碳素结构钢钢材或铸件。因此， 优质碳素结构钢的产量、品种、规格和产品质量，对我国国民经济各部门和军工产品的 发展具有重要的作用。优质碳素结构钢中用量最大的是低碳钢和中碳钢，而4 5 钢是最 典型的优质碳素结构钢，是优质碳素结构钢中使用量最大的钢种之一。 4 5 钢是结构钢中应用最广泛的材料之一，多用于汽车、船舶、机械等领域，它以较 低的生产成本占领着广阔的市场。随经济飞速发展，交通、工具对这些钢的应用与日俱 增。所以提高以4 5 钢为代表的钢种质量和适用性，降低生产成本便成为人们关注的焦 点。 1 24 5 钢的生产技术 1 2 1 转炉冶炼生产技术 转炉冶炼的主要任务是为精炼提供成分与温度合适的钢水。转炉冶炼的关键有： ( 1 ) 终点c 的控制 4 5 钢冶炼的关键是成分控制，转炉钢水成分控制能力的好坏是能否保证生产线顺行 的关键，尤其是对碳的控制。碳是影响4 5 钢性能的关键元素，也是炉前控制的难点。 因为在高温氧化气氛下，c 和o 发生剧烈的氧化反应而烧损，由于各炉的具体情况不同， 碳的吸收率随之波动的范围是比较大的。所以在4 5 钢的冶炼中把终点c 都控制比较低 的范围，之后在出钢过程中增碳。 ( 2 ) 快速化渣 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于精炼造渣为低碱度还原渣，脱磷难度大，因此转炉冶炼应作好前期脱磷工作。 顶吹转炉的供氧时间只有十几分钟，在此时间必须快速化渣，使炉渣具有一定的碱度、 流动性和氧化性，以便快速的降低铁水中的磷、硫等杂质元素，这是保证炼出合格钢水 的关键。 ( 3 ) 枪位高低及保持时间 氧枪变化受多种因素的影响，其基本原则是：早化渣，化好渣，减少喷溅，有利于 脱碳和控制终点。单渣操作时，一般是先高枪化渣，后降枪去磷，转炉停吹前，一般都 降枪吹炼，其目的是充分的搅拌钢液，提高温度：同时也有利于炉前操作，观察火焰， 以便确定合适的吹炼时间。总之，枪位的高低以及保持枪位时间的长短受钢种、铁水成 分、温度、炉内渣量等多种因素的影响，所以根据生产的实际情况，灵活调节，以保证 冶炼的顺利进行。 在冶炼4 5 钢过程中，应严格控制枪位，调整炉渣氧化性，保证渣中氧化铁含量及 碱度。 1 2 2 精炼生产技术一一一 一一 l f 精炼主要是靠钢包内的白渣在低氧分压的炉子中( 氧分压不超过5 ) 。由包底吹 氩气进行搅拌，并由石墨电极对经过初炼的钢水进行温度补偿，可以保证较长的精炼时 间，从而可使钢中的氧、硫含量降低、夹杂物减少。 l f 可以和电炉配合，以取代电炉的还原期，还可以与氧气转炉配合，生产优质合 金钢。此外，l f 还是连铸车间特别是合金钢连铸生产线上不可缺少的控制钢水成分、 温度及保存钢水的设备。 在炉内加入还原性的渣，以及在加热时石墨电极与渣中的f e o 、m n o 等氧化物作 用生成的c o 气体，保证了炉内的还原气氛，钢水在还原气氛条件下，可进一步的脱氧， 脱硫，去除非金属夹杂，可提高钢水质量。 良好的吹心搅拌，可以有效对钢水进行脱氧，脱硫。同时可以均匀钢水成分以及 温度，此外还可以加速某些氧化物的还原，以微调合金成分。 1 2 3 连铸生产技术 ( 1 ) 二冷制度 4 5 钢的碳、锰含量较高，易偏析，但其裂纹敏感性较低，传热性较好，所以适于采 用早期强冷后期回温的二冷制度。 ( 2 ) 二冷比给水量 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 比给水量的合适与否，直接影响到4 5 钢铸坯偏析程度的大小，对于细化奥氏体晶 粒，抑制晶粒析出都将产生影响，因此要选取合适的二冷比给水量，保证矫直点的铸坯 温度较高，以有利于防止矫直裂纹的产生，同时又要尽量避免带液芯矫直，以减少组 织缺陷。 ( 3 ) 保护渣 保护渣的性能对卷渣影响较大，是影响铸坯质量的主要原因，所以要选择合适的低 熔点的优质保护渣。 ( 4 ) 过热度 当过热度太大时，虽对平均热流影响不大，但会增加浇注时某一面处的最大热流， 这样有时会降低保护渣的粘度，从而使渣膜减薄，分布不均匀，对表面质量产生影响。 低的过热度有利于改善铸坯质量，实现高效连铸。 ( 5 ) 铸坯的质量控制 铸坯的质量主要是指：清洁度( 央杂物的含量、形态及分布) ，表面缺陷( 裂纹、夹杂、 皮下气泡等) 及内部缺陷( 裂纹、偏析、疏松等) 。 铸坯的表面质量决定于钢液在结晶器中的凝固过程，它与结晶器内坯壳的形成、结 晶器的振动、保护渣的性能、浸入式水口的设计及钢液面的稳定等因素有很大关系。严 格控制铸坯表面质量，生产出无缺陷的铸坯，是热送和直接轧制的前提。 铸坯的内部质量决定于铸坯在二冷区凝固冷却过程和铸坯支撑系统的对中精度。因 此合理的二冷制度，精密的铸坯支撑系统是保证铸坯内部质量的关键。 1 3 研究背景和主要研究内容 1 3 1 研究的背景和意义 在通钢炼轧厂现有的生产工艺条件下，生产出来的4 5 钢1 5 0 x 1 5 0 m m 的小方坯质量 存在一定问题。主要是夹杂物对产品性能和质量有严重的影响。为解决这种问题，分析 其产生的原因，给出改进的合理方案。通过了解夹杂物的来源、类型、分布以及对钢的 性能质量方面的危害，根据中间包和结晶器控制夹杂物和提高洁净度的一些方法，为通 钢炼轧厂的连铸提供理论指导。通过从钢包、中间包及铸坯中分别取样，分析夹杂物的 含量、类型，并根据研究结果，提出有针对性的工艺改进措施，以提高连铸方坯的洁净 度水平。 另外，通过4 5 钢的洁净度研究为下一步开发弹簧钢等高附加值产品做准备。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 本研究的成果将对通钢炼轧厂4 5 钢小方坯提高产品质量和生产效率提供较大的理 论指导意义和实用价值。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 4 5 钢冶炼过程中钢水氮、氧研究，找出冶炼过程中它们的成分变化规律，并 提出有效的改进措施； ( 2 ) 4 5 钢冶炼过程中钢水中夹杂物研究，研究了整个冶炼过程中，钢水中夹杂物 含量、夹杂物的形态和成分，并提出工艺优化策略； ( 3 ) 4 5 钢铸坯洁净度研究，研究不同过热度、拉速对铸坯洁净度的影响，以及铸 坯中夹杂物的分布规律，以确定合理的工艺参数； ( 4 ) 4 5 钢铸坯洁净度与过热度的关系： ( 5 ) 4 5 钢铸坯洁净度与拉速的关系： ( 6 ) 根据研究结果提出4 5 钢生产技术改进措施。 li【lllllllllllllllllllllliiilllillilllllllllllili-卜 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 帚一早 义l 颚综怂 2 1 国内外连铸技术的发展 连铸与模铸相比较具有成品率高，速度快，成本低等优点。连铸是连续铸钢的简称。 早在1 9 世纪中期美国人塞勒斯、赖尼和英国人贝塞麦就曾液体金属的初步设想，并用 于低熔点有色金属的浇注，但类似现代连铸设备的建议是由美国人亚瑟和德国人戴伦提 出来的。本世纪5 0 年代以来连续铸钢开始应用于钢铁的生产。连续连铸自问世以来， 就在各国得到了迅速的发展。由于它具有节能、金属收得率高等优点，因而发展速度很 快，目前己成为现代钢铁工业的重要组成部分。钢种不断增加，连铸坯的质量也不断提 高。1 9 9 0 年全世界的连铸比已达到6 4 1 ，目前先进钢铁生产国的连铸比已接近1 0 0 。 我国的连铸比也有很大的发展【l j 。 2 2 钢材对钢洁；争度的要求 钢铁工业的竞争同趋激烈，钢铁工业将以调整结构，适应市场为主。从根本上讲， 钢铁材料的竞争立足于新一代生产力的竞争，而新一代生产力的获得取决于先进的生产 工艺、生产技术和正确的市场决策、投资决策。成品质量将成为新世纪钢铁工业的核心 因素。提高钢铁材料的洁净度、强化钢铁材料的成分控制，改善铸坯的质量，进一步开 发“高技术经济效益钢材将刻不容缓。 从当前的连铸实际生产和进一步发展看，像高速连铸、近终形连铸、连铸坯热送热 装工艺、连铸坯直接轧制工艺以及连铸钢种和品种的增多均是以铸坯的高质量为前提， 因此确保连铸坯质量将成为连铸技术的关键环节。 钢的性能主要决定于钢的化学成分和组织。现在对钢的强度、韧性、寿命和加工性 能等要求日益严格，对钢的化学成分和组织均匀性的要求也日益严格。钢种非金属夹杂 物的存在是钢制品性能的重要因素，有时甚至是决定性因素 1 】。夹杂物对钢力学性能和 工艺性能的影响，主要是降低材料的塑性、韧性、疲劳性能和耐腐蚀性能，尤其当夹杂 物以不利的形状及分布特征存在时，对材料的机械性能影响更为严重。统计结果表明， 机器零件的失效，疲劳破坏约为9 0 以上【2 1 。钢中非金属夹杂物，如氧化物、硫化物等 危害性就在于都呈独立相存在，破坏了钢基体的均匀连续性，造成了应力集中，促进了 疲劳裂纹的产生，并在一定条件下加速了裂纹的扩展，从而加速了疲劳破坏的过程。 目前对钢中杂质元素和非金属夹杂物的要求如表2 1 所示。由表中可知：对钢洁净 度要求一是钢中夹杂物量要少、总氧量t 【o 要低；二是夹杂物尺寸要小。 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 表2 1典型洁净钢的洁净度和洁净度要求【3 叫 t a b l e2 1c l e a n l i n e s sa n di t sr e q u i r e m e n to ft y p i c a lc l e a ns t e e l ! 兰鲎( p p m )璺l a m 釜鍪1o ! p p m ：)燮 【d ， ； 【j ， 。吊见猷哟 汽车板 【c 3 0 ，【n 】 3 0 d i 罐 大规模集成电路用引线枢i n 5 0 显象管阴罩用钢 轮胎钢帘线，大桥悬索用冷 拉钢线 滚珠轴承 【t i 15 管线钢 钢轨 t o 2 0 ，d 1 0 0 t o 2 0 ，d 2 0 d 5 d 5 t o 2 0 ，d 2 0 不含或含极少不变形夹杂物 t o 1 0 ，d 1 5 【s 1 0 ，i n 5 0 d 1 0 0 ，氧化物形状控制 t o 2 0 ，单个d 1 3 ， 链状d 2 0 0 高强度级觚海军舰撇篙：需；l 超深冲，非时效性， 较高抗拉强度 防止飞边裂纹 防止冲压成型裂纹 防止图像侵蚀缺陷 防止冷拔断裂 滚动接触寿命长 防止因氢致裂纹，酸 性介质输送 防止断裂 t o 1 0 ，低的不变形夹杂 高强度，良好的低温 物，d 7 0 ) 的硅酸盐、钙的铝酸 盐( c a o a 1 2 0 3 、c a o 2a 1 2 0 3 ) 玻璃、纯硅酸铝等。 第四类半塑性夹杂物。指各种复相的铝硅酸盐夹杂。其基底铝硅酸盐玻璃一般 在钢经受热；0 n z i ：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。 2 3 3 钢中非金属夹杂物的分布 根据大量的研究和实测，铸坯内夹杂物聚集的位置、数量、粒度分布等与连铸机的 机型、进入结晶器内钢水中夹杂物的数量、钢水在液相穴的运动状态有关。 对弧形连铸机，夹杂物沿铸坯厚度方向从内弧到外弧分布是不对称的。不管浸入式 水口形状如何，大颗粒夹杂集聚位置是离内弧表面4 0 - - 6 0 m m ，约是铸坯厚度的1 4 处。 内弧侧夹杂物的集聚是弧形连铸机一个重要特点，这也是铸坯质量的一个致命弱点。 夹杂物沿内弧的集聚程度还决定于铸机的弧形半径。随弧形半径增加，大于5 0 1 a n 的夹杂物向内弧面集聚几率减少，而小于2 0 p m 的单相a 1 2 0 3 夹杂集聚与弧形半径无关。 2 3 4 钢中非金属夹杂物对钢质量的影响 ( 1 ) 对钢的疲劳强度和疲劳寿命的影响 钢中非金属夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形 状和分布；另一方面取决于钢基体的组织和性质。与基体结合力弱且尺寸大的脆性夹杂 物和球状不变形的夹杂物危害最大。而且，钢的强度水平越高，夹杂物对疲劳极限的危 害愈大。 ( 2 ) 夹杂物变形率的影响 夹杂物对疲劳性能影响的重要方面之一是夹杂物的变形率。在高强度钢疲劳断裂时 成为断裂源的夹杂物大多数在热轧时难以变形，如变形率低的a 1 2 0 3 系或t i n 系夹杂物。 变形率低的夹杂物诱发钢种疲劳裂纹的原因之一是它不能传递钢基体中存在的应力。另 外由于夹杂物与钢基体的热膨胀系数不同而在夹杂物周围基体中产生种径向的拉伸 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 力。这种应力的出现和存在将帮助所施加的循环应力而促使疲劳裂纹优先在靠近夹杂物 的基体中形成【1 4 】。 对于弹簧钢中变形率较高的硫化物夹杂，在一般承受载荷情况下，在硫化物与钢基 体之间界面上没有裂纹产生。这是因为冷却时在热膨胀系数较高的硫化物周围产生了残 余压应力；同时在钢加工的各个阶段硫化物都参与钢的变形，使硫化物与钢基体之间界 面的结合力不被破坏，也没有形成空洞的倾向。 理论计算表明，降低夹杂物的熔点( 即软化夹杂物) 不仅可以有效地增加其塑性变形 能力，细化夹杂物，而且还可以有效地消除应力集中【1 5 1 。 ( 3 ) 夹杂物数量和尺寸的影响 夹杂物尺寸对疲劳极限的影响要比夹杂物含量变化的影响显著得多。在夹杂物形状 不变的条件下，夹杂物尺寸对疲劳极限的影响如图2 2 所示。可见，随夹杂物尺寸增大， 疲劳极限线性地降低。钢的强度水平愈高，夹杂物尺寸变化的影响也就愈明显【l6 1 。 夹杂物互径t t - 图2 2 弯曲疲劳极限与成为疲劳破坏起点的夹杂物平均直径间的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eb e n d i n gf a t i g u el i m i tw i t ht h em e a nd i a m e t e ro ft h ei n c l u s i o n 夹杂物尺寸小于其临界值，则对疲劳寿命无影响。有研究指出，当夹杂物尺寸小于 几微米时，夹杂物萌生疲劳裂纹的几率非常小；当夹杂物尺寸大于1 0 p m 时，疲劳裂纹 则在夹杂物周围萌生。当应力水平增加时，夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响更加严重。 夹杂物的临界尺寸决定于夹杂物的化学成分和夹杂物距试样表面的距离。随着距离 试样表面深度的增加，引起疲劳破坏的夹杂物平均尺寸增大。因而表面夹杂物较之次表 面夹杂物危害更大。大多数疲劳破坏起源于表面或表面的单个夹杂物。在这种情况下， 萌生疲劳裂纹的表面或表面附近的夹杂物尺寸并不太重要。 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 ( 4 ) 夹杂物形状及分布的影响 夹杂物的形状在钢基体中所引起的应力集中程度与夹杂物的形状有密切的关系。夹 杂物的曲率半径愈小，引起的应力集中愈严重。在交变应力作用下，裂纹优先在垂直于 拉应力的方向的夹杂物尖角处萌生，裂纹扩展速率也比球状夹杂物快得多。即形状不规 则和多棱角的夹杂物较曲率半径大的球形夹杂物对疲劳性能的危害更大【1 7 】。 2 4 钢中夹杂物的控制 2 4 1 转炉工序的控制 从控制夹杂物的角度，转炉终点应考虑两个因素：终点钢水的氧含量和终渣的氧化 性，常用溶解氧活度口【o 】和渣中( f e o + m n o ) 含量来表示其高低。 终点钢水的氧含量是钢中内生夹杂物生成的基数，是研究钢中夹杂物的起点。氧含 量高则所生成的一次脱氧产物和二次脱氧产物就多，后续精炼和连铸采取的各种方法只 是尽量使所生成的夹杂物去除而已。 终点钢中的氧含量和终渣的氧化性是密切相关的。理想的终点是合适的碳当量、较 低的氧含量和炉渣氧化性。生产中常采用以下方法来降低终点钢水的氧含量和炉渣的气 体性： ( 1 ) 铁水预脱磷处理：铁水预脱磷减轻了转炉冶炼后期脱磷的负担，因而不需通 过提高炉渣的氧化性来提高炉渣的脱磷能力。 ( 2 ) 采用复合吹炼技术：复合吹炼更有利于熔池中钢渣反应接近平衡状态，同时 吹炼末期降低顶吹氧流量并利用底吹气体进行强搅拌，也有利于降低终渣氧化性。 ( 3 ) 采用动态吹炼控制模型：吹炼后期的补吹对钢水的氧含量尤其不利，采用动 态吹炼控制模型可以减少补吹甚至取消补吹。 目前国内钢厂普遍存在后吹严重，终点温度、钢水氧含量和炉渣氧化性偏高等问题。 从某种意义上讲，转炉终点的控制不仅仅是一个动态控制模型的问题，更是质量意识的 问题。 转炉终点控制可降低渣中的( f e o + m n o ) 含量，出钢挡渣则可减少渣进入钢包的 绝对数量。出钢过程中进入钢包的氧化性炉渣至少有以下危害 1 8 1 ： ( 1 ) 降低脱氧合金的收得率； ( 2 ) 成为脱氧后钢水的二次氧化源； ( 3 ) 可能造成钢水回磷； ( 4 ) 降低钢包精炼效果。 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 为此常采用以下方法防止出钢过程的下渣： ( 1 ) 提高转炉终渣碱度和( m g o ) 含量，从而使炉渣固化。有研究表明，当终渣 碱度在5 o 以上时，可使下渣控制在3 k g t 以下。 ( 2 ) 采用各种挡渣方法：常用挡渣帽阻挡一次下渣，针对二次下渣有挡渣球法、 滑板法、挡渣块法、挡渣塞法、气动挡渣法等。挡渣的效果取决于所采用的方法、工人 的操作和出钢口的维护等因素，国外较先进的水平是钢包渣厚小于5 0 m m ，渣量小于 3 k 卧钢；国内钢包渣厚一般在8 0 2 5 0 m m ，且挡渣效果不够稳定。 挡渣最难的是出钢后期的涡流下渣，出钢后期钢、渣的流出并没有明显的转换时间， 涡流一旦产生，钢、渣即出现混出。从这个意义上讲，防止出钢后期涡流的产生，或即 使涡流产生但涡流表面无渣的挡渣方法才是最佳的解决措施。 2 4 2 精炼工序的控制 钢包精炼是获得洁净钢水必不可少的手段，精炼过程吹入气体造成的搅拌可使夹杂 物有效凝聚、合并和上浮，真空则可进一步脱氧。通过精炼可使钢中t 【o 】小于2 0 x 1 0 由， 甚至于1 0 x 1 0 击。即使简单的吹氩也有很好的去除夹杂的效果。 精炼过程主要的不利因素是渣中或耐材中的氧对钢水的污染，即使在渣与金属界面 间没有特别搅动的r h 真空精炼中，也不能无视渣中氧对钢水的污染，在吹氩处理时更 应注意合适的吹氩流量，以避免卷渣和钢液面过分的暴露引起的氧化。 一般而言，精炼的极限氧含量取决于搅拌、吹气、真空等手段使夹杂物去除的速度 与渣或耐材供氧污染速度之间的平衡。即使采用强化搅拌等方法提高夹杂物去除速度， 但如果不考虑渣的污染，也不能提高钢水的洁净度。因此，控制合适的钢包精炼渣成分 是获得洁净钢的基础 1 9 1 。合适的钢包精炼渣成分为：c a o a 1 2 0 3 = i 5 1 8 、c a o s i 0 2 - - 8 1 3 ，由此可得到高碱度、低熔点、低( f e o + m n o ) 、富c a o 的钙铝酸精炼渣，能 有效吸收夹杂物，降低钢水的氧含量。 转炉出钢时完全挡住终渣是很困难的，为此国外钢厂在降低转炉终渣氧含量和提高 挡渣效果的同时，积极开发炉渣改性技术，其目的一是降低炉渣的氧化性，减少其污染； 二是营造合适的具有去除夹杂元素、吸收夹杂的精炼渣。所采用的改性方法有【1 8 d 9 】： ( 1 ) 渣稀释法：出钢时添加石灰、萤石或铝矾土等，如添加4 - - - 5 k g c a o t + 0 9 8 k g c a f 2 t ， 或5 0 a l + 2 5 a 1 2 0 3 “5 s i 0 2 的铝渣等还原剂。 ( 2 ) 渣还原处理：出钢结束后，添加1 - 2 k g c a c 0 3 t + a l 粉，或c a o + a 1 粉做成的 压块，或5 0 a l + 2 5 a 1 2 0 3 + 4 5 s 1 0 2 的铝渣等还原剂。 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 为得到良好的改性效果，改性前进行钢包扒渣不失为一种很好的辅助方法。改性后 渣中( f e o + m n o ) 含量应小于5 ，国外甚至要求小于2 。 另外，钢包顶渣的氧势和精炼后钢水t o i 含量基本呈现线性对应关系，即随着渣的 氧势的降低，精炼后钢水的t o 】含量也在降低，所以钢包渣中( f e o + m n o ) 的降低为 钢包精炼取得良好的精炼效果创造了前提条件。一些钢包精炼( 如l f 、r h ) 未能取得 预定效果，精炼后t 【o 】较高，与渣中( f e o + m n o ) 含量过高有很大的关系。对于营造 具有良好吸附夹杂物的精炼渣，国内不少钢厂更是没有引起足够的重视。 2 4 3 连铸工序的控制 经过精炼后的钢水洁净度得到提高，如何保持、甚至更进一步提高钢水的洁净度， 是连铸工序操作中需要控制的重点。 ( 1 ) 钢包一中间包的保护浇注 为防止钢水二次氧化，广泛采用钢包钢流的保护浇注技术，同时在中问包钢水表面 加覆盖剂来隔绝空气。 保护铸流的方法很多，国内大多采用长水口+ 吹氩技术，密封的效果与水口接合部 的设计、所采用的密封材料以及工人的操作密切相关。所存在的问题是效果不够理想， 并且不够稳定；而国外钢厂现在追求的目标是零吸氮量。 ( 2 ) 中间包夹杂物的去除 中间包的夹杂物去除的方法有很多种，列举如下： ( a ) 中间包内吹氩 通过吹氩来净化钢液的效果是公认的事实。这种方法在钢包精炼中得到充分的运 用。根据相同的原理，可在连铸中间包内通过吹氩促进夹杂物的去除。 中岛等人【2 0 】所做的吹氩搅拌法，该方法的特征是包衬中埋设2 0 0 9 m 的细管，吹入 最佳氩量，促进夹杂物的上浮。若吹氩量过大，会使钢液流动过快，反过来会使已经浮 上来的夹杂物又卷入钢中，造成钢液的劣化。也有通过旋转水口生成微细气泡，除去夹 杂物的方法。它特别对去除小于5 0 1 t m 的夹杂物效果显著。有报告说，这样做可使这类 夹杂物的缺陷发生量减少一半。已证明该法用于实践时，将有效地减少浸入式水口内粘 附地a 1 2 0 3 量。 ( b ) 中间包内钢液加热 中间包内钢液加热控制的主要目的是减轻连铸坯的中心偏析，已应用于生产实践。 加热法分为等离子加热和高频感应加热二大类。这些夹杂物减少的物理原因，目前还不 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 十分清楚。但可以认为通过高频感应加热，在中间包内产生热对流促进了夹杂物的上浮 或是通过感应加热使夹杂物凝聚长大后上浮，达到了去除夹杂物的效果。 ( c ) 中间包控流装置 设置中间包控流装置的目的是控制中间包内钢液流动，有各种形式的控流装置应用 于实际生产中。特别是d i 罐等要求高纯净的钢种几乎都使用中间包控流装置。在各种 中间包内选择最佳的控流装置结构和安放位置，对于得到最适合的中间包钢液流动很重 要。 挡墙是沿中间包宽度方向上放置的露出液面的墙，液体仅能从挡墙下部的通道中流 出。挡墙的作用是限制钢包注流冲击区的紊流传递到挡墙的下游，防止表面渣卷入液体 内部。这种控流装置增加了钢液和渣子的接触时间，有利于夹杂物的上浮。其关键是挡 墙安放位置和浇注速度要有很好的配合。 在中间包底部沿宽度方向上砌筑一定高度的障碍物称之为坝，它可以有各种不同的 形状和结构，可以与挡墙联合使用。挡墙和坝的联合使用，消除了死区，钢液平均停留