（钢铁冶金专业论文）不锈钢液中非金属夹杂物成分的动力学计算.pdf

00s 乏二f 工 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 d y n a m i c sc a l c u l a t i o no f t h ec o m p o n e n t so f n o n m e t a l l i ci nc l u s i o n s i ns t a i n hs t e e lm e l t s n l e s ss t e e le l t s b y y o u m e i y i n g 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 p r e l e c t o rl iy a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 9 一 l 一h o 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 二血 思0 学位论文作者签名 f 孑 茅匆炱 日期 矽矿 7 2 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 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年 一年一年半两年 学位敝作者签名 铆柏炎 导师签名 多坼 签字日期 2 7 z 签字日期 一罗7 名 东北大学硕士学位论文摘要 不锈钢液中非金属夹杂物成分的动力学计算 摘要 近年来 国内外市场对不锈钢质量的要求在迅速提高 为满足用户的需求及提高自 身产品的竞争力 提高不锈钢连铸坯的洁净度已成为各生产企业的一个重要课题 不锈 钢冶炼过程中以夹杂物控制为中心的高洁净化也越来越引起人们的重视 以非金属央杂物的热力学性质为理论依掘控制其类型及形态是主要研究方向 并已 取得了一定进展 根据热力学计算 认为炉渣 钢液 夹杂物三者之间达到完全平衡 而 在实际冶炼过程中 由于传输和动力学条件的制约 不可能完全满足炉渣与钢液 钢液 与夹杂物之间元素迁移所需的足够时间 则不可能达到上述三者的完全平衡 非金属夹 杂物在钢液中的成分也就不能完全等同于炉渣的成分 结合前人对夹杂物的热力学研究 成果 充分考虑到冶炼过程中的动力学条件 进行不锈钢液中非金属夹杂物成分的动力 学计算具有重要的指导意义 本课题的目标是结合冶金热力学的平衡计算 运用冶金动力学的理论和研究方法 研究不锈钢液脱氧时夹杂物的动力学形成机制 本课题用相互作用系数法计算钢液组元 的活度 用高阶亚正规溶液模型计算s i 0 2 一a 1 2 0 3 一c a o m g o 渣系和m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o 渣系组元的活度 并基于该溶液模型建立了钢液脱氧和氧化物夹杂控制的热力学模型 应用于不锈钢脱氧过程的渣 金平衡 钢液 氧化物夹杂平衡的计算 分析非金属夹杂物 的动力学形成机制 本课题以计算机仿真为主要手段 运用冶金热力学和动力学的理论和研究方法 对 不锈钢脱氧过程进行分析 建立不同脱氧条件下夹杂物形成的动力学计算模型 应用 v b 编制了该模型的计算软件 模型计算结果如下 1 对4 3 0 铁素体不锈钢铝脱氧时镁铝尖晶石的动力学形成机制研究表明 金属 相传质是渣中m g o 还原的速率控制环节 m g 在钢液边界层的扩散为钢液一夹杂物反应 的速率控制环节 而对整个系统来说 m g 在渣 金界面钢液边界层的扩散是夹杂物生成 过程的速率控制环节 2 为了减少m g o a 1 2 0 3 尖晶石的形成 应提高炉渣中s i 0 2 的含量 降低炉渣碱 度 3 铁素体不锈钢用铝脱氧时 最终可形成m g o 浓度达到饱和的镁铝尖晶石夹杂 4 对3 1 6 奥氏体不锈钢硅脱氧时硅酸盐类夹杂物的动力学形成机制的研究表明 钢液中s i 氧化和渣中m n o 还原的反应速率控制环节为渣相的传质 而渣中a 1 2 0 3 和c a o i l i 东北大学硕士学位论文摘要 还原的反应速率控制环节为金属相的传质 而对整个系统来说 渣 金反应是夹杂物 包 括a 1 2 0 3 c a o 生成过程的速率控制环节 5 奥氏体不锈钢用硅脱氧时 可认为最终夹杂物由c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 复合物组成 夹杂物内c a o 含量可达4 5 a 1 2 0 3 为4 左右 关键词 不锈钢 非金属夹杂物 热力学模型 动力学模型 i v 东北大学硕士学位论文 d y n a m i c s c a l c u l a i n c l u s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ed e m a n d sf o rt h eq u a l i t yo fs t a i n l e s ss t e e li n c r e a s er a p i d l yb o t hi n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fu s e r sa n de n h a n c et h e c o m p e t i t i v e n e s so ft h e i rp r o d u c t s t h ec l e a n l i n e s si m p r o v e m e n to fs t a i n l e s ss t e e lb i l l e t h a s b e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci ne a c hp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s a n dt h eh i g hp u r i f i c a t i o nw h i c h f o c u sa tt h ei n c l u s i o n sc o n t r o li nt h es t a i n l e s ss t e e ls m e l t i n gp r o c e s sh a sa t t r a c t e dp e o p l e s a t t e n t i o ni n c r e a s i n g l y t h ec o n t r o lo fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s t y p ea n ds h a p eb a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e sa st h et h e o r e t i c a lb a s i sa r et h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n s a n ds o m ep r o g r e s s e sh a v e b e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n i th o l d st h a tt h et h r e eo fs l a g m o l t e n s t e e l i n c l u s i o na c h i e v ec o m p l e t eb a l a n c e b u ti nt h ea c t u a lr e f i n i n gp r o c e s s b e c a u s eo ft h e r e s t r a i n to ft r a n s m i s s i o na n dd y n a m i c sc o n d i t i o n s i tc a n tf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to f s u 衢c i e n tt i m ef o re l e m e n t st om i g r a t eb e t w e e ns l a ga n dm o l t e ns t e e l m o l t e ns t e e la n d i n c l u s i o n a n dt h ea b o v e m e n t i o n e dt h r e ec a n ta c h i e v ec o m p l e t eb a l a n c e a sw e l la s t h e c o m p o s i t i o no fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nm o l t e ns t e e lc a n tb ee x a c t l yt h es a m ea s t h e c o m p o s i t i o no fs l a g c o m b i n gw i t hp r e v i o u st h e r m o d y n a m i c s r e s e a r c hr e s u l t so nt h e n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n t a k i n gt h ed y n a m i c sc o n d i t i o n si n t oa c c o u n tf u l l yi nt h ep r o c e s so f r e f i n i n g t h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o no f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nt h es t a i n l e s sm e l t si so fg r e a t g u i d i n gs i g n i f i c a n c e t h ep a p e r sg o a li st or e s e a r c ht h ed y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn 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 lm e t l su n d e rd i f f e r e n td e o x i d a t i o nc o n d i t i o n sb yc o m b i n gt h e b a l a n c ec a l c u l a t i o no fm e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n du s i n gt h ed y n a m i c st h e o r ya n d r e s e a r c hm e t h o d s t h ep a d e ru s e dt h ei n t e r a c t i o nc o e m c i e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h ea c t i v i t y o fe l e m e n t si nm o l t e ns t e e la n dt h eh i g h 1 e v e ls u b r e g u l a rs o l u t i o nm o d e lt oc a l c u l a t et h e a c t i v i t yo ft h ee l e m e n t si nt h es i 0 2 一a 1 2 0 3 一c a o m g os l a ga n dm n o s i 0 2 一a 1 2 0 3 c a os l a g b a s e do nw h i c ht h ep a p e re s t a b l i s h e dt h et h e r m o d y n a m i cm o d e lo ft h ed e o x i d i z a t i o no f m o l t e ns t e e l t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o n i n c l u s i o n sb y u s i n gt h et h e r m o d y n a m i cm o d e lt oc a l c u l a t et h eb a l a n c eb e t w e e ns l a ga n dm e t a l m e t a la n d o x i d e si n c l u s i o ni nt h ed e o x i d a t i o np r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e l t h ep a p e ru s e dc o m p u t e rs i m u l a t i o na st h em a i nm e a s u r ea n da p p l i e dt h et h e o r ya n d r e s e a r c hm e t h o d so fm e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c s a n a l y s e dt h ed e o x i d a t i o n p r o c e s so fs t a i n l e s ss t e e l e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ef o r m a t i o no f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n su n d e rd i f f e r e n td e o x i d i z a t i o nc o n d i t i o n s a n dp r o g r a m m e dt h e c a l c u l a t i o ns o f t w a r eo ft h em o d e lb yu s i n gv bl a n g u a g ep r o g r a m m i n gd e s i g n n em o d e l c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 f r o mt h es t u d yo fd y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fm g o a 1 2 0 3s p i n e li n4 3 0 v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e ld e o x i d i z e db ya l u m i n u m i ts h o w st h a tm a s st r a n s f e ro nt h em e t a lp h a s e i st h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h er e d u c t i o no fm g oi nt h es l a g m gd i f f u s i o ni nt h e b o u n d a r yl a y e ro fm o l t e ns t e e l i sr a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h em e t a l i n c l u s i o n sr e a c t i o n a n d f o r t h ew h o l e s y s t e m m g d i f f u s i o ni nt h eb o u n d a r ya tt h e s l a g m e t a l i n t e r f a c ei s r a t e d e t e r m i n i n gs t e p 2 i no r d e rt or e d u c et h ef o r m a t i o no fm g o a 1 2 0 3s p i n e l i ts h o u l di n c r e a s et h ec o n t e n t o fs i o i nt h es l a ga n dl o wt h eb a s i c i t yo fs l a g 3 w h e nf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e li sd e o x i d i z e db ya l u m i n u m i tc o u l df o r mt h em g o a 1 2 0 3 s p i n e li n c l u s i o nw h i c hi ss a t u r a t e db ym g o i nt h ee n d 4 f r o mt h es t u d yo fd y n a m i c sf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs i l i c a t e t y p ei n c l u s i o n si n316 a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e ld e o x i d i z e db ys i l i c o n i ts h o w st h a tm a s st r a n s f e ro nt h es l a gp h a s ei s t h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h eo x i d i z a t i o no fs i l i c o ni nt h em o l t e ns t e e la n dt h er e d u c t i o no f m n oi nt h es l a g a n dm a s st r a n s f e ro nt h em e t a lp h a s ei st h er a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o rt h e r e d u c t i o no fa 1 2 0 3a n dc a oi nt h es l a g a n df o rt h ew h o l es y s t e m t h es l a g m e t a lr e a c t i o ni s r a t e d e t e r m i n i n gs t e pf o r t h ei n c l u s i o n sf o r m a t i o n i n c l u d i n gt h a to f a l 2 0 3a n d c a o 5 1w h e nt h ea u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e li sd e o x i d i z e db ys i l i c o n i tc a nb ec o n f e r r e dt h a tt h e f i n a li n c l u s i o ni sc o m p o s e do fc a o s i 0 2 一a 1 2 0 3c o m p l e x a n dc a oc o n c e n t r a t i o nc a nr e a c h 4 5 a 1 2 0 1c o n c e n t r a t i o ni sa b o u t4 k e yw o r d s s t a i n l e s ss t e e l n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n t h e r m o d y n a m i c sm o d e l d y n a m i c sm o d e l v i 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 i a b s t r a c t v 目录 v i i 第1 章绪论 1 1 1 课题的背景 l 1 2 课题研究的内容 1 1 3 课题的意义 2 第2 章文献综述 3 2 1 不锈钢冶炼操作中夹杂物的产生 3 2 2 典型夹杂物对不锈钢性能的影响 3 2 3 不锈钢夹杂物的控制 4 2 3 1 不锈钢a o d 精炼工艺中夹杂物的控制 4 2 3 2 不锈钢中间包夹杂物的控制 6 2 3 3 连铸过程中水口结瘤的成因与控制 7 2 4 组元活度的计算 7 2 4 1 铁基合金中组元活度的计算 9 2 4 2 熔渣组元活度的计算 1 2 2 4 3t h e r m o c a l c 热力学计算软件 1 6 2 5 动力学计算 1 6 2 5 1 双膜理论 1 6 2 5 2 未反应核模型 18 2 6 目前研究中存在的主要问题 1 8 第3 章热力学模型和动力学模型的建立 1 9 3 1 热力学模型的建立 1 9 v 1 1 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 钢液组元活度的计算 1 9 3 1 2 炉渣组元活度的计算 2 0 3 2 动力学模型的建立 2 2 3 2 1 渣 金反应模型 2 3 3 2 2 钢液 夹杂物反应模型 2 5 第4 章夹杂物计算的界面实现 2 7 4 1 启动介面 2 7 4 2 模型主窗体 2 7 4 3 组元活度计算窗体 2 9 4 3 1 钢液组元活度计算窗体 2 9 4 3 2 炉渣组元活度计算窗体 3 0 4 4 渣 金界面反应计算窗体 3l 4 5 钢液 夹杂物反应计算窗体 3 3 4 6 总反应 3 3 第5 章铝脱氧不锈钢中镁铝尖晶石的动力学形成机制 3 5 5 1 渣中m g o 的还原机制 3 5 5 1 1 渣 金界面反应 3 5 5 1 2 炉渣组成对钢液中m g 浓度增加的影响 3 8 5 2 钢液 夹杂物的反应机制 4 0 5 2 1m g 在夹杂物层的扩散为速率控制环节 4 0 5 2 2m g 在钢液边界层的扩散为速率控制环节 一4 1 5 3 总反应 4 2 5 4 本章小结 4 3 第6 章硅脱氧不锈钢中硅酸盐类夹杂物的动力学形成机制 一4 5 6 1 渣 金界面反应 4 5 6 2 钢液 夹杂物的反应机制 4 9 6 2 1 夹杂物中a 1 2 0 3 的生成机制 5 0 6 2 2 夹杂物中c a o 的生成机制 5 1 6 3 总反应 5 2 v i i i 东北大学硕士学位论文 目录 6 3 1 总反应中a 1 2 0 3 夹杂的浓度计算 5 2 6 3 2 总反应中c a o 夹杂的浓度计算 5 3 6 4 本章小结 5 4 第7 章结论 5 5 参考文献 5 7 致谢 6 3 作者简介 6 5 论文包含图 表 公式及文献 6 7 i x 数量和形态 当前不锈钢的冶炼技术在降低不锈钢中碳 氮 氢 硫等有害成分上都可以采取有 效措施 虽然脱磷操作仍是不锈钢冶炼的难点之一 但磷含量的控制是可以通过严格控 制冶炼原料中磷的配入来实现 夹杂物的存在不但严重影响了不锈钢的内部和表面质 量 而且使不锈钢产品的耐腐蚀能力降低 因此 不锈钢冶炼过程中以夹杂物控制为中 心的高洁净化越来越引起人们的重视 夹杂物控制的核心是要掌握在钢冶炼过程夹杂物的生成 并在随后过程的演变过 程 包括长大 合并 进一步反应导致成分变化 上浮去除等变化规律和影响因素 因 此 必须打破只采用平衡热力学计算预报夹杂物成分的传统思路 将冶金动力学用于计 算和预报夹杂物成分 这是因为一方面在实际生产中炉渣 钢液 夹杂物之间是没有达到 平衡的 另一方面在实际过程中央杂物的成分从生成开始到精炼结束甚至在凝固前其成 分和形态是不断变化的 因此 夹杂物与钢水之间的反应始终在不断的进行 它直接受 到钢水成分 尤其是微量脱氧元素 和温度的影响 而炉渣 耐火材料和炉内气氛则由 于钢液之间的反应或物质交换改变钢液的微量脱氧元素 从而对夹杂物的行为产生间接 的影响 因此 为了更好地了解不锈钢脱氧的动力学条件并为进一步研究确定基础 必须通 过确定冶炼过程各参数来建立夹杂物形成的动力学计算模型 另一方面 通过数学模型 的建立来控制精炼操作步骤 以获得夹杂物的数量和形态合适和洁净度高的钢种 1 2 课题研究的内容 本课题研究的目标是结合冶金热力学的平衡计算 运用冶金动力学的理论和研究方 法 研究不锈钢脱氧下夹杂物的动力学形成机制 本文研究用相互作用系数法计算钢液 组元的活度 用高阶亚正规溶液模型计算s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o m g o 渣系和 m n o s i 0 2 a 1 2 0 3 c a o 渣系组元的活度 并基于该溶液模型建立了钢液脱氧和氧化物夹 杂控制的热力学模型 应用于不锈钢脱氧过程的渣 金平衡 钢液 氧化物夹杂平衡的计 算 分析非金属夹杂物的动力学形成机制 并用v b 编制该模型的计算软件 具体研究内容如下 1 计算不锈钢钢液中各组元的活度和精炼渣中各组元的活度 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 运用渣 金平衡反应 钢液与夹杂物平衡反应的热力学和动力学条件 研究铁 素体不锈钢a l 脱氧条件下 镁铝尖晶石的动力学形成机制 3 运用渣 金平衡反应 钢液与夹杂物平衡反应的热力学和动力学条件 研究奥 氏体不锈钢s i 脱氧条件下 硅酸盐类夹杂物的动力学形成机制 1 3 课题的意义 以非金属夹杂物的热力学性质为理论依据控制其类型及形态是主要研究方向 并已 取得了一定进展 根据热力学计算 认为炉渣 钢液 夹杂物三者之间达到完全平衡 钢 液中非金属夹杂物的成分就与炉渣成分完全相同 而实际情况是不同的 因为在实际冶 炼过程中 由于传输和动力学条件的制约 不可能完全满足炉渣与钢液 钢液与夹杂物 之间元素迁移所需的足够时间 则不可能达到上述三者的完全平衡 非金属夹杂物在钢 液中的成分也就不能完全等同于炉渣的成分 因此 由于前人的研究未充分考虑动力学 的影响 无法准确预测或了解实际生产过程中央杂物的生成和变化规律 综上 结合前人对夹杂物的热力学研究成果 充分考虑到冶炼过程中的动力学条件 进行不锈钢液中非金属夹杂物成分的动力学计算具有重要的指导意义 2 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 不锈钢冶炼操作中夹杂物的产生 目前世界上不锈钢的冶炼有三种方法 采用电炉一步法冶炼不锈钢的方法由于成本 高 周期长 产品质量差等诸多缺点 目前很少采用此法生产不锈钢 1 9 6 5 年和1 9 6 8 年 v o d 和a o d 精炼相继产生 它们对不锈钢生产工艺的变革起了决定性作用 电炉 a o d 或电炉 v o d 的不锈钢二步法生产工艺随之发展起来 三步法即电炉 复吹转 炉 或a o d v o d 三步冶炼不锈钢 该工艺适合采用高碳铁水作原料生产超低碳 氮不锈钢 在不锈钢的冶炼过程中 内生夹杂主要是进行脱氧合金化操作时 加入到钢液中的 脱氧剂 a 1 f e s i s i m n 等 被氧化生成了a 1 2 0 3 s i 0 2 以及m g o a 1 2 0 3 s i 0 2 m n o a 1 2 0 3 s i 0 2 m n o 等复合脱氧产物 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 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 当这些产物来不及从钢液内排 出 便残留在钢中形成内生夹杂 a l 具有较强的脱氧能力 但其脱氧产物a 1 2 0 3 对多数牌号的不锈钢性能有不良影响 因此在不锈钢冶炼过程中的使用受到很大限制 从国内外相关研究中发现 2 d 在综合 考虑不锈钢液的脱氧 脱硫和脱磷效果时 可以选择含有碱土金属元素 钡 钙和镁 和稀土等的复合精炼剂 它们不仅有很强的脱氧 脱硫和还原脱磷能力 而且其脱氧产 物的上浮速度快 在钢中几乎没有残留 遗憾的是 这方面的研究目前还多处在实验室 研究阶段 很少在不锈钢的实际生产中得到应用和推广 不锈钢成品中的外来夹杂是在冶炼和浇注过程中 耐火材料的冲刷和侵蚀带入钢液 的大型夹杂物 混入钢液的炉渣 如a o d 出钢过程的钢渣混出 以及在钢液的运输和 浇注过程中的二次氧化等 不锈钢液中的氮化物主要是以t i n 的形式出现的 它是溶解于钢中的 n 以及冶炼 浇注过程中 钢液吸入空气中的n 2 与钢中 t i 作用的产物 另外 在钢液的凝固过程 中 还会有c r n c r 2 n 等其它类型的氮化物产生 2 2 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 作为不锈钢终脱氧剂时的主要氧化物夹杂 含量远远高于 用s i 作终脱氧剂的不锈钢 不仅对熔融的钢液粒子有危害 而且对钢材的性能产生影 响 m g o a 1 2 0 3 尖晶石属脆性夹杂 因其较高的熔点 较小的变形率 会降低不锈钢的 疲劳强度 而在生产过程中因其产生的水口结瘤问题也是极其严重的 从而降低生产力 和过程的有效性 m g o a 1 2 0 3 尖晶石一旦在连铸机浸入式水口的内部聚积 当增加到一 定厚度就可能脱离水口 并随着钢液流进铸模 如果被已凝固的固体坯壳捕获 则会在 3 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 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 4 l c r 2 0 3 类夹杂物在含c r y 2 高的情况下是稳定的 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连铸以后的各种加工操作引起表面缺陷d i 硫化物类的夹杂主要是硫化锰 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胂1 1 厶匕1 化都有害 6 2 3 不锈钢夹杂物的控制 2 3 1 不锈钢a o d 精炼工艺中夹杂物的控制 炼钢生产中应用真空技术 渣洗技术 惰性气体净化等炉外精炼技术 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 吹氩搅拌为金属央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 生 c o 卜c o 的反应 在真空条件下 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 并不玷污钢液 研究表明精炼过程可以去除钢液中8 0 左右的夹 杂物 7 1 典型的3 0 4 不锈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 引 随着精炼过 程的进行 在低碱度的情况下 不锈钢液中的夹杂物主要是理想的硅酸盐系夹杂物 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 图2 1 奥氏体不锈钢a o d 还原期夹杂物 f i g 2 1i n c l u s i o n si na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l i nt h ea o dr e d u c t i o np e r i o d 图2 2 双相不锈钢s i c a 变性处理后的夹杂物 f i g 2 2i n c l u s i o n si nd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l a f t e rs i c am o d i f i c a t i o n 在用s i 脱氧时 为防止尖晶石夹杂物的生成 应降低渣的碱度 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 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 3 1 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 图2 2 4 獭碜墨凄叠蓬勃 垂1 缈 势 瓤 o r i 帮红 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 k i m 等 1 9 1 典型不锈钢中c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o t i 0 2 夹杂物是通过a l t i 脱氧 所形成的 并作为a o d 渣滴的形核核心而形成多相复合夹杂物 图2 3 为a l 脱氧不锈钢 中 o 0 0 3 a 1 0 0 1 4 t i 典型夹杂物扫描电镜照片和相分析 其中包含3 个不同相 a c a o s i 0 2 一m g o b m g o a 1 2 0 3 c t i 0 2 夹杂物中的高熔点相 例女h m g o a 1 2 0 3 t i 0 2 是钢材在冷轧或热轧过程中导致表面缺陷的主要原因 图2 3 导致表面缺陷的典型夹杂物扫描电镜照片和相分析 f i g 2 3s e mm i c r o g r a p ho fat y p i c a li n c l u s i o nc a u s i n gd e f e c t so nc o i ls u r f a c e a n de d so f e a c hp h a s e 根据不锈钢液采用a l 脱氧的结果可知 在脱氧初期会生成氧化铝夹杂物 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 尖晶石夹杂物的生成机理如下 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 l 脱氧的情况下 会生成氧化铝夹杂物 这 些在初期生成的夹杂物与渣被还原后进人钢水中的 m g 反应后会形成尖晶石夹杂物 表2 1 铝脱氧不锈钢的渣成分与夹杂物组成的比较 t a b l e2 1c o m p a r i s o no f t h ec o m p o s i t i o no fi n c l u s i o n si nt h ed i f f e r e n ts l a gc o m p o s i t i o n i nt h es t a i n l e s ss t e e ld e o x i d e dw i t ha l a o d 精炼渣成分对不锈钢中夹杂物生成影响的研究表明 不锈钢液用a l 脱氧时生成 团簇状的a 1 2 0 3 同时 由于渣中i 拘m g o 被还原 钢液中的 m 朗含量升高 夹杂物同时 转变 戎为m g o a 1 2 0 3 当渣中不含s i 0 2 时 可以转变成为m 9 0 或液态c a o a 2 0 3 一m g o 夹 杂 而渣中含有s i 0 2 时 夹杂物不发生转变 仍然为m g o a 1 2 0 3 尖晶石夹杂物 见表2 1 值得注意的是 即使钢液中的铝含量只有0 0 0 3 夹杂物中的a 1 2 0 3 也足以生成 5 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 m g o a 1 2 0 3 因此 为降低夹杂物中的m g o a 1 2 0 3 必须降低钢液中的铝含量和a o d 渣 中的m g o 含量 m a s a t a k e 等人进一步认为应降低a o d 渣中i 拘m g o 和a 1 2 0 3 含量 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 3 2 不锈钢中间包夹杂物的控制 由于a o d 没有专用的出钢口 e a f a o d c c 炼钢流程的一个特点就是渣钢混出 因 而其中间包夹杂物的成分和形成机理与低碳铝镇静钢是不同的 在奥氏体不锈钢中间包内取样发现 夹杂物中主要包括s i s a i m g m n l l c r 图2 4 另外一种类型是s i 0 2 a 1 2 0 3 夹杂物 但数量不多 铁素体不锈钢中间包内的 夹杂物则主要由a 1 2 0 3 c r 2 0 3 和纯m 9 0 a 1 2 0 3 尖晶石组成 7 图2 5 图2 4 奥氏体不锈钢中间包内的夹杂物 f i g 2 4i n c l u s i o n so ft h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e li nt h et u n d i s h 图2 5 双相不锈钢中间包内的夹杂物 f i g 2 5i n c l u s i o n so f t h ed u p l e xs t a i n l e s s s t e e li nt h et u n d i s h h o j o 等人 1 4 1 通过向a o d 渣中加入示踪剂的方法来考察不锈钢中夹杂物的来源 发现 不锈钢中的夹杂物主要是由于卷入钢中的a o d 渣进入中间包 且未得到及时上浮而形成 的 增加中间包内钢水的重量和停留时间 可以有效地促进大型夹杂物的上浮 季志雷等人 l5 j 对1 c r l 8 n i 9 t i 的研究结果发现 钢中的氧化夹杂物来源于炼钢渣 即 钢包中的炼钢渣通过中间包进入连铸结晶器 随结晶器内钢液的流向集中到连铸坯的两 侧 当中间包中的炼钢渣进入较多时 钢水中的夹杂物含量增多 这些夹杂物中只有部 分靠浮力从钢中分离 未分离的夹杂物留在钢中进入结晶器 改进措施为严格控制钢包 下渣 钢包在转换平台调换时 保证足够的中问包剩余钢水量 减少中间包液面波动 完善心封套管 避免负压浇注 以免恶化钢水质量 国内太钢生产的0 0 c r l 2 t i 不锈钢连铸坯内部的夹杂物为含t i 球状夹杂 直径约为 l o g m 1 6 为使中间包内夹杂物充分上浮 采取以下措施 1 增加钢水在中间包平均 停留时间 使夹杂物有足够的时间上浮 2 改善液体流动轨道 在中间包加挡墙和坝 消除中间包死区 3 中间包液面高度由6 0 0 7 0 0 m m 变为1 0 0 0 1 2 0 0 m m 中间包深度加大和挡墙 坝的配合使钢水停留时间加长 有利于夹杂物的上浮 但 是 中间包的高度并不是越深越好 合适的中间包钢液深度减少了夹杂物的上浮距离 6 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 同样有利于夹杂物的去除 h i r a k i 等人 l7 研究认为采用大容量中间包提高了薄板坯 厚 为9 0 1 0 0 r a m 的纯净度 同时进行相对低液位操作促进了夹杂物的上浮 2 3 3 连铸过程中水口结瘤的成因与控制 目前关于不锈钢连铸浸入式水口结瘤机理的普遍看法是钢液流过浸入式水口时 钢 中的a 1 2 0 3 m g o a 1 2 0 3 等夹杂物部分沉积附着在水口内壁上形成结瘤 此类水1 3 结瘤 可以通过前面所述的降低a 1 2 0 3 及m g o a 1 2 0 3 的措施和方法来减轻其危害 非a 1 2 0 3 所导致的水口堵塞的结构更复杂些 图2 6 为由复杂的氧化物构成的水口 堵塞的扫描电镜照片 1 8 看起来更像一整块巨石 简单的颗粒沉积粘连理论不足以解释 图片中所观察到的水口堵塞结构 有关研究表明 钛稳定化不锈钢在连铸过程中浸入式 水口易结瘤 钢中存在的大量含芯t i n 与因温度降低而析出的t i n 一齐呈网状结构附 着在水口内壁形成结瘤物 图2 6 由复杂的氧化物构成的水1 3 堵塞图2 7 c a o t i 0 2 型水口结瘤的扫描电镜照片 f i g 2 6o u t l e tp l u gc a u s e db yt h ec o m p l e xo x i d e sf i g 2 7s e mp h o t o so fc a o t i 0 2 一t y p eo u t l e t n o d u l a t i o n 另外一种c a o t i 0 2 型水口结瘤的成因为钢中部分c a o t i 0 2 m g o a 1 2 0 3 双相夹杂物 沉淀附着在水口内壁 形成树枝状结构与凝固金属一起形成结瘤物i l9 1 如图2 7 所示 c a o t i 0 2 型结瘤的控制分两种情况 1 不加a l 并采用低铝硅铁还原 控制钢中 a i 0 1 3 且通过喂钛线前的吹氩弱搅拌 有效地排除钢中含c a o 的夹杂物 就能避免喂钛线后生成大量的c a o t i 0 2 m g o a 1 2 0 3 双相夹杂物 也不会导致严重的水口结瘤1 2 0 1 2 4 组元活度的计算 冶金熔体的组元活度一直是冶金热力学研究的核心问题之一 尽管活度这一概念是 人为设定的 但借助于活度理论可成功地解释在冶金过程中诸如相平衡与转变 元素在 不同相间的分配与迁移 化学反应的方向与限度等一系列重要现象 从而为冶金学由基 7 o 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 于经验的 f j 技艺发展成为一门完整的工程学科奠定了基础 事实上 关于稀溶液组元活度的问题早已成熟 这就是众所周知的相互作用参数方 法 然而该方法不能用于多元 高浓度也已是公认的观点 因此 人们才转而从溶液模 型去寻求出路 在热力学上 溶液模型借助于有关溶液微观构型的假设 对溶液的热力学性质进行 宏观的唯像描述 最终给出溶液热力学性质与其组成的定量关系 有几类热力学模型经 常被引用 他们