冶金质量分析第六次四、钢中非金属夹杂物的

（四）夹杂物对钢压力加工性能的影响

除在钢中晶界上存在的低熔点夹杂物使钢在热变形加工时可能产生“热脆”破坏外，钢中的非金属夹杂物降低钢在室温时的塑性，也必然使钢的冷变形性能变坏。 钢在冷轧、冷拉、冷挤和冷冲压中，不仅会因表面的非金属夹杂物过多引起表面裂纹而降低钢材（件）的表面质量，而且高硬度的夹杂物也可以使模具损坏

（五）夹杂物对钢切削性能的影响

在易切削钢中，一般要加入S、Te、Ca等元素，使它们在钢中形成有利于切削加工的夹杂物或金属间化合物，提高钢的自动切削速度和程度。

钢的切削性能随脱氧元素的不同而有差别。按照Mn、Cr、Si、Zr、V、Ti、Al的顺序下降（夹杂物硬度↑）（六）夹杂物对钢电磁性能的影响①非金属夹杂物是非铁磁性相，它在钢中的存在减少了铁磁性基体的体积分数，破坏了金属基体的连续性；②夹杂物的存在（在晶界上或晶内）使钢基体内可能产生内应力，因而基体磁化不均匀，磁性下降。

细小分散的夹杂物要比粗大聚集的夹杂物对磁性的危害大； 长条的针状夹杂物比球状的危害大； 多角形铝的氧化物危害最大。（七）夹杂物对钢耐腐蚀性能的影响

在腐蚀介质中工作或表面附着有腐蚀介质的钢制零部件，当其表面存在有大量非金属夹杂物时，由于非金属夹杂物与钢基体的电极电位不同而构成腐蚀微电池，将会在非金属夹杂物与钢基体的交界处发生电化学腐蚀。

钢中的硫化物、氧化物和硅酸盐类夹杂物的电极电位高于钢基体，成为腐蚀电池中的阴极，使钢基体在夹杂物周围产生腐蚀。

（七）夹杂物对钢耐腐蚀性能的影响

钢中的硫化物（FeS、MnS）易于被酸溶解，并且产生硫化氢（H2S），加速钢的腐蚀破坏。 不锈钢中的夹杂物，能破坏不锈钢表面钝化膜的严密性，所以不锈钢的点腐蚀多与其中的夹杂物有关

（七）夹杂物对钢耐腐蚀性能的影响

在腐蚀介质中工作的承受动载荷的零部件，当表面存在有夹杂物时，首先会在夹杂物处引起腐蚀形成缺口，并不断向零部件内部扩展成疲劳裂纹，导致零部件产生腐蚀疲劳破坏。（八）夹杂物对热处理性能的影响

夹杂物在钢中割裂了钢基体的连续性，起着局部缺口的作用。在淬火内应力较大时，就可能使零件以夹杂物处为裂纹发源地而产生淬火开裂。当夹杂物处在淬火零件的截面而突变部位或钢中有大块夹杂物时，零件对淬火开裂尤为敏感。 钢在渗氮热处理时，夹杂物经常引起渗氮件表面“起泡”，降低渗氮质量。

（九）夹杂物对钢焊接性能的影响

非金属夹杂物对钢焊接性能的影响主要是容易引起焊接件在焊缝或焊缝热影响区产生裂纹。①当钢中晶界上存在大量低熔点非金属夹杂物时，在焊接熔池液体凝固和母材冷却的热应力作用下，常会出现沿晶界产生的裂纹。②非金属夹杂物处易于形成高的应力集中，故焊接件母材由于焊接应力的作用，常沿钢中的非金属夹杂物处形成焊接裂纹。

第三章习题电弧炉和氧气顶吹转炉在炼钢设备和操作上有何不同？电弧炉炼钢法有何特点？为什么电弧炉钢中的磷、硫和夹杂物含量一般低于转炉钢？为什么氧气顶吹转炉炼钢速度最快？感应炉熔炼有何特点？产品质量如何？综合分析电弧炉、转炉钢的产品特点（产品范围、气体含量、夹杂物数量及钢产量）?不同炼钢方法的选用原则是什么？四、钢中非金属夹杂物的去除及控制形态四、钢中非金属夹杂物的去除及控制形态

实际生产中不可能完全去除钢中的非金属夹杂物，在这种情况下，就通过采用控制钢中非金属夹杂物的类型、数量、分布形态、尺寸的形式将非金属夹杂物的危害降至最低。（-）夹杂物的去除1.夹杂物浮升去除 浮升去除夹杂物的本质在于非金属夹杂物的密度比熔炼金属液体的小，在有渣覆盖金属液熔炼时，非金属夹杂物上浮至金属熔体与熔渣界面而被熔渣吸收。（-）夹杂物的去除2.渣洗去除夹杂物 电渣重熔过程能有效去除氧化物夹杂，其去除是通过熔滴形成以及通过渣层过渡阶段的渣钢作用。（二）钢中非金属夹杂物的控制

控制夹杂物形态主要是指对氧化物和硫化物形态进行控制

通过向钢液中加入对氧、硫结合力较强的元素，改变原有夹杂物的组成并使其形成为比较理想的夹杂物形态。

（二）钢中非金属夹杂物的控制

——氧化物夹杂物形态的调整与控制(I)1.氧化铝夹杂物形态的调整与控制（1）氧化铝夹杂形态的调整

在铝脱氧的镇静钢液中，夹杂物主要以簇状聚集的Al2O3形态出现，轧制时，簇状聚集的Al2O3沿钢材变形方向延伸成链状夹杂物。这种链状Al2O3夹杂物显著地降低了钢材横向力学性能。 在脱氧时，进行加钙处理，钢中Al2O3数量显著减少，而出现CaO-Al2O3或CaO-Al2O3-CaS系的氧化物和复合硫氧化物。这种球状复合型夹杂，改善了钢材的性能，减少了钢材的力学性能的方向性，当[Ca]/[S]的比值为0.6~0.8时，钢材的力学性能的方向性几乎消失。（二）钢中非金属夹杂物的控制

——氧化物夹杂物形态的调整与控制(I)(2)复合氧化物形态的调整

利用CaO-Al2O3-SiO2三元系中存在CaO·Al2O3·2SiO2(熔点1553℃)和2CaO·Al2O3·SiO2(熔点1593℃)两个区域，在用铝作最终脱氧的钢中，同时加入钙和硅，可以达到改变CaO-Al2O3系氧化物夹杂形态的目的（二）钢中非金属夹杂物的控制

——氧化物夹杂物形态的调整与控制(I)①经硅钙合金和铝处理后，钢中形成的夹杂物是钙铝硅酸盐，其熔点低而且是可变形的夹杂物，在钢材中呈纺锤状或棒状，对钢材的强度和韧性有利。②在易切削钢中，这种夹杂物可在刀具刃部形成保护层，从而提高了刀具的寿命（二）钢中非金属夹杂物的控制

——硫化物夹杂物形态的调整与控制(II)(1)硫化物的形态钢中的硫化物种类主要有FeS、MnS和(Mn，Fe)S

当Mn%＞0.1时，FeS基本消失，因此高锰钢中主要硫化物是MnS

MnS在钢锭中主要以球状不变形硫化锰（对钢材性能比较有利）、链状硫化锰、多角硫化锰形态存在调整硫化物形态目的改变链状和多角硫化锰为球状（二）钢中非金属夹杂物的控制

——硫化物夹杂物形态的调整与控制(II)(2)MnS形态的调整通常调整MnS形态的方法是加入合金元素，将锰从MnS中置换出来，形成硬度高、不变形、呈球状的硫化物

合金元素特点对硫的亲和力比锰强，形成呈球状的不易变形的硫化物，同时不降低钢的加工性能、力学性能

（二）钢中非金属夹杂物的控制

——硫化物夹杂物形态的调整与控制(II)⑴钙调整硫化锰形态①当＞0.4，MnS消失被CaS取代②钢液配合铝进行终脱氧情况下，钢中出现硫化物型夹杂，夹杂物组成如下图。CaO-Al2O3CaS+MnS（二）钢中非金属夹杂物的控制

——硫化物夹杂物形态的调整与控制(II)⑵稀土元素调整MnS形态 随比值的增加，夹杂物在钢材中的形态变化顺序为：细长条MnS→变形能力较低的(RE，,Mn)S→呈纺锤形的稀土硫氧化物RE2O2S→圆形或碎块状不变形的稀土硫化物RE2S3或RE3S4→不规则的点状或串状稀土硫化物RES。

二）钢中非金属夹杂物的控制

——硫化物夹杂物形态的调整与控制(II)

值得注意：稀土硫化物的密度大，接近于钢液密度，不易自钢液排除，容易在钢锭的中、下部产生偏析而影响钢材的质量。

第三节钢中的金属杂质及冶金控制§3钢中的金属杂质及冶金控制

——钢及合金中金属杂质的行为（1）

钢与合金中金属杂质元素是指：铅、锡、铋、锑、砷等 虽然它们在钢及合金中的平均含量极微，但它们容易在晶界处偏聚、其浓度为平均含量的几倍甚至几十倍，而且具有低熔点和气体原子的特征，所以，会使晶界脆化，导致钢及合金的热强性、热塑性以及其他性能下降。表4-1有害元素的熔点和沸点及其在铁、镍中的溶解度

§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量金属杂质对钢与合金性能的影响（2）（一）微量金属杂质对热加工性能的影响 微量有害金属杂质（例如Pb、Sb）对钢或合金的热加工性能的危害极大、其影响程度随钢与合金的化学成分的不同而异。在不同含镍的钢与合金中，确保锻轧加工和热顶锻时不产生裂纹的Pb、Sb允许含量列于表4-2。

Pb、Bi、Sn、Te等元素对17Cr-13Ni-3Mo不锈钢的热塑性的影响如图4-9所示。

断面收缩率（%）ωPb、ωBi、ωTe，（%）§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量金属杂质对钢与合金性能的影响（2）钢热塑性影响折合用铅当量表示§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量金属杂质对钢与合金性能的影响（2）（二）微量有害元素对高温力学性能的影响

Pb、Sn、Sb、Bi等微量有害元素即使在10-4%含量范围内，也会使钢和合金的热强性、蠕变强度和持久强度急剧降低。

t§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量金属杂质对钢与合金性能的影响（2）（三）微量有害元素对室温力学性能的影响 在低合金钢中，铅、锡会降低冲击韧度。 在高合金钢中，As、Sn、Sb等杂质金属元素严重降低钢的韧性。（见图4-11）0.07%§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量金属杂质对钢与合金性能的影响（2）（四）微量有害元素对其他性能的影响 微量有害元素（Sb、Sn、As）提高了回火钢的回火脆性敏感性； 在不锈钢中，微量有害元素对其抗腐蚀性产生有害的影响； 在焊接钢中，降低其焊接性能 在球墨铸铁生产中，微量有害元素对球化过程起反作用。§3钢中的金属杂质及冶金控制

——微量有害元素的允许含量（3） 生产球墨铸铁时，必须控制铁液中微量元素的含量，见表4-3。

§3钢中的金属杂质及冶金控制

——降低微量元素有害影响的方法（4）（一）微量有害元素的真空挥发去除真空感应冶炼是降低合金中微量有害元素最有效的方法真空感应冶炼法可使钢和合金中的Sb比采用大气冶炼降低一个数量级（二）利用微量添加剂来消除杂质的有害影响

这些元素与有害杂质元素形成熔点较高的化合物，从而改变其析出条件，消除杂质沿晶界偏析而引起的脆性。进一步净化和强化晶界

§3钢中的金属杂质及冶金控制

——降低微量元素有害影响的方法（4）（三）限制由原材料带入的有害元素数量 钢及合金中的有害元素往往是在炼钢过程中由原材料（矿石、合金元素、废钢等）带入的。严格选择和控制原材料中有害元素的含量水平，是降低钢与合金有害元素含量的重要途径。

第四章习题1.钢中氢氮对钢性能有何影响？如何减少钢液中的氢和氮含量？2.钢中常见的非金属夹杂物来源于哪些方面？有哪些类型和各有和特点？3.钢中的非金属夹杂物对钢性能有哪些影响？原因何在？4.如何改善和控制钢中的非金属夹杂物？5.微量有害元素对钢质量有何影响？如何控制？举例说明。第五章钢液的炉外精炼及冶金质量炉外精炼：在转炉、电弧炉之外，加上必要的精炼装置，对初炼钢液进行精炼或处理，这一精炼过程，统称为炉外精炼。§1炉外精炼的理论基础 炉外精炼应用真空、钢液搅拌、加热、渣洗等技术，或其组合技术，大大强化了冶金反应过程，最终达到提高钢的纯净度，控制夹杂物的性质和形态等的目的。§1炉外精炼的理论基础

——

真空脱气（I）

真空脱气包括真空脱氧、脱氮和脱氢

冶金过程中的各种化学反应，都是向平衡状态方向自发进行。改变系统压力可以影响化学平衡，例如反应生成物为气体时，减少系统的压力，可以使化学平衡向增多气体物质的方向移动。这就是真空可以使已经达到平衡的脱气、脱碳、脱氧反应继续进行，从而提高钢液的质量。§1炉外精炼的理论基础

——

真空脱气（I） 实际生产过程中在熔池内部，因为生成气泡要克服气相总压力、液体静压力和毛细管压力的作用，CO气泡内的压力必然大大超过金属上面气相中CO的分压力，其CO的气相压力为 式中，p(g)为金属熔池上面的气相压力；ρ为液体金属的密度；H为气泡逸出点上面金属液柱的高度；σ为金属液的表面张力；r为气泡核的半径。§1炉外精炼的理论基础

——

真空脱气（I）

如果向钢液中吹入惰性气体，形成很多小气泡，这些小气泡内CO含量几乎为零，钢液中的碳、氧能在气泡表面生成CO而进入气泡中。直至气泡中的CO分压达到与钢液中的ωC、ωO相平衡的数值为止。这就是吹氩法脱气和脱氧的理论依据。§1炉外精炼的理论基础

——

真空脱气（I）

双原子的气体（N2、H2、O2）在金属中的溶解度与气体压力的平方根成正比。如果对于纯铁来说，当温度为1600℃时，与氢的质量分数0.0002%和氮的质量分数0.0033%的金属液平衡时，气相中氢和氮的分压力应为§1炉外精炼的理论基础

——

真空脱气（I）

氮与钢液中多种元素生成稳定的氮化物，靠真空状态下脱氮，气相中氮的分压力必须低于氮化物的分解压力才有可能。钢液真空脱气与真空脱氧非常相似，特别是脱氮，其热力学条件虽然具备，但实际的脱氮效果很差，原因就在于动力学条件。§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II）钢液搅拌是炉外精炼过程中强化冶金动力学条件的重要手段搅拌是向系统输送能量，使钢液和熔渣产生运动§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II）（一）气体搅拌 气体可通过安装在精炼钢包底部的透气塞、风眼或喷枪来吹入，吹入气体的比搅拌能受吹气量（例如Ar、N2等）、钢液温度和真空度的影响。吹氩的作用：脱氧、脱碳、去气、搅拌钢液及去除夹杂物等

为了达到预定的去气、脱氧的效果，通常把至少必须的吹氩数量称为临界供氩量

表5-1给出了在1600℃、0.1MPa下吹氩去气和脱氧的临界吹氩量的理论计算值。

§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II）（二）感应搅拌 用低频率电流，通过改变熔体中的电磁场来搅拌钢液。

感应搅拌的比搅拌能是线圈电流、线圈与钢液之间距离的函数。§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II）（三）RH循环搅拌和DH提升搅拌RH与DH输入搅拌能可用下式计算式中分别为下降管的线速度、环流量及钢液质量§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II）（四）钢液的搅拌效果

钢液搅拌使精炼炉中的加入物与钢液的混合均匀时间缩短，消除温度、浓度梯度，促进精炼反应。§1炉外精炼的理论基础

——

钢液搅拌（II） 钢包吹氩搅拌能促进脱氧产物（非金属夹杂物）从钢液中分离出去①吹氩的搅拌作用，缩短了夹杂物向钢液表面移动的距离，增大了夹杂物上浮的速度；②增大夹杂物颗粒间碰撞的几率，促进了夹杂物的长大；③使夹杂物附着于气泡表面，起到浮选的作用。图5-3为大冶特殊钢公司60t钢包精炼炉生产高碳铬轴承钢，吹氩搅拌铝脱氧钢液时钢中ωΣO的减少情况。

图5-4钢包吹氩时，Al2O3系夹杂物指数的变化

§1炉外精炼的理论基础

——

精炼炉渣（III）钢液与炉渣相互作用时的脱氧、脱硫速度可用下式表示式中，t为时间(s)； 为渣、钢单位接触面积，等于总接触面积与钢液总体积之比；ωn钢液中硫或氧的质量分数（%）； 为硫或氧的平衡质量分数（%）；βi为取决于渣和钢中的物质扩散速度及搅动功率的传质系数。最佳的炉外精炼渣成分如表5-2所示

§1炉外精炼的理论基础

——

气体稀释脱碳（IV） 向钢液中吹入惰性气体和氧气的混合气体，氧参与脱碳反应，而惰性气体不参与化学反应，从熔池中逸出，它在上升中的气泡相当于一个小真空室，脱碳反应生成的CO气体向氩气泡中扩散，将CO的分压Pco不断降低，这就是促进了金属熔池中下面两个反应的进行§1炉外精炼的理论基础

——

气体稀释脱碳（IV）

熔池中产生的CO气体不断被氩气所稀释，有利于上述反应向右进行，从而使钢液的含碳量很容易降低，同时还能保护钢液中的[Cr]不被氧化，这就是气体稀释法的原理。第二节炉外精炼装置及工艺特点

炉外处理的手段有吹氩、真空、电磁搅拌、渣洗、喷粉、喂线等 炉外精炼技术的发展的三个阶段

真空脱气、加热精炼及优化组合第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）（一）真空液面脱气法、真空浇铸法和滴流钢包脱气法①真空液面脱气法:将具有60~100℃过热度的钢液出至盛钢桶内，然后将盛钢桶放入真空室内或盖上真空密封盖，进行减压状态下脱气和去夹杂处理。

第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）（二）DH、RH脱气法、RH-OB法 在脱气方法的基础上，为了进一步降低处理过程中的温度损失，提高脱气效率，进行成分微调，去除钢中夹杂物，开发出真空提升脱气法-DH和真空循环脱气法-RH

DH、RH特点：借助真空和氩气的受热膨胀，将钢液吸入真空室，进行间歇或循环脱气，为耐火材料吸附夹杂物或上浮创造了良好的条件，去氢效果极佳、温降小第七次课第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）（三）喷粉装置 主要功能是脱硫、脱磷、脱氧、排除钢中夹杂物，改变夹杂物的形态以及微量元素，易氧化元素的合金化。

第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）钢包喷射冶金的特征表现在：①扩大反应面积：1mm以下的粉剂，与块状料相比，反应面积成几十倍甚至几百倍增加，喷入的粉料在钢液内的传质过程可以在粉料或反应产物上浮至钢液表面以前充分进行，甚至在钢液深部完成。②连续的可控供料：连续供料可以均衡冶金反应过程，提高冶炼效果。③解决微合金化元素和易氧化元素的加入问题：对于密度显著轻于或显著重于钢液的合金材料、在炼钢温度下蒸气压很高的元素和有毒气体的元素等第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）④反应在熔池强烈搅动下进行：冶金过程精炼用物料采用粉剂喷吹进入钢液内部，所有反应均在熔池强烈的搅动下进行，可以显著改善冶金反应的热力学和动力学条件。图5-14是钢包喷射冶金的示意图。第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）（四）钙处理技术

加钙处理的目的:脱硫、改善连铸钢液的流动性，改善切削性能，改善横向力学性能。

钢中加钙的作用：①能细化晶粒、脱氧、脱硫，改变非金属夹杂物的成分、数量及形态；②改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温、耐低温性能；③提高钢的塑性、冲击韧性、疲劳强度和焊接性能；④增强钢的抗热裂、抗氢致裂纹和抗层状撕裂等性能。第二节炉外精炼装置及工艺特点

——脱气及炉外处理装置（I）（五）喂线技术 金属钙是一种强脱氧剂和脱硫剂，然而，它是一种非常活泼的金属，在1600℃钙的蒸气压达到156.8kPa，很快气化 用80~300m/min的速度将钙线送到钢液静压力超过钙蒸气压力的深度。在1600℃时，超过金属钙蒸气压力的要求深度为1.5m。第二节炉外精炼装置及工艺特点

——具有加热功能的精炼装置（II）（一）ASEA-SKF法 桶炉由一个钢包（内衬碱性耐火材料）和钢包车、一个电极炉盖和一个真空炉盖所组成，并配有电磁感应搅拌器、蒸气喷射泵，可在桶炉内进行各种不同的冶炼工序，包括：除渣、感应搅拌、电弧加热、脱氧、合金化、脱硫、脱气，最后将钢液注入锭模ASEA-SKF桶炉（Ladlefurnace）真空脱气精炼法，见图5-16。

（二）VAD法一个带多孔塞的钢包、电极加热密封盖、真空室、多极蒸气喷射泵和加料系统组成。（三）LF法四个部分：带有搅拌器的常规钢（氩气搅拌方式）；带有电极孔的钢包加热盖；加热装置；真空系统。（四）CAB法 一种钢包吹氩精炼装置（CAS）和氧枪吹氧（OB）的工艺组合第二节炉外精炼装置及工艺特点

——炉外精炼工艺优化（III）

炉外精炼技术发展的第三阶段，形成了独立而完整的炉外精炼工艺，它表现在根据精炼装置的机能，进行合理的组合与搭配、前后工序的合理配置与完善，即精炼工艺的最优化 在炉外精炼工艺优化阶段，多种精炼装置的合理组合搭配，及喷粉、钙处理、喂线技术与连铸机或VOD、LF等炉外精炼设备的配合，生产高质量钢。山阳特殊钢公司炉外精炼工艺的特点冶炼设备有：一台90tUHPEAF及一台LF炉、一台三流370mm×470mm大截面垂直式连铸机（84万t/年）。随着炉外精炼技术的发展，对钢的生产工艺进行过三次大的技术改造，使熔炼工艺得到了优化。第一阶段：1964年采用60t电弧炉钢包脱气处理。1968年从原联邦德国引进RH装置与60tEAF配合，真空度13Pa，氧的质量分数比钢包坑脱气处理大大降低，达到15×10-4%左右。第二阶段：70年代中期，LF炉与RH装置配合，其工艺为：60tUHPEAF-LF-RH-IC(钢锭模下注)。由于LF炉的加热，使得目标温度、浇铸时间有可能进行控制，大大提高了钢的纯净度，在模注条件下氧的质量分数降到8.4×10-4%（轴承钢）。第三阶段：1982年电弧炉容量扩大到90t，加上大截面垂直连铸机的采用，到80年代中后期，并将电弧炉改造成偏心炉底出钢，再加上连铸系统的全密封装置，山阳特殊钢公司的炉外精炼工艺达到最优化，氧的质量分数稳定地降到5.4×10-4%（指轴承钢）§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量

——炉外精炼方法的选用原则

(I)

炉外精炼技术开发的初始目的是为了解决品种和质量，用以获得高纯洁度、高均匀性和高精度的钢材。

选择炉外精炼方法时，提高钢的纯洁度与提高生产效率和经济效益应该同时考虑 在选择炉外精炼方法时，不仅为了满足钢的纯洁度及更精确地控制化学成分，有效地改善钢的力学性能，以适应多种复杂和恶劣的工作条件的要求，同时还要满足钢生产的本身来自连铸、压力加工、热处理等后步工序的要求。表5-3列出了几类炉外精炼装置的处理时间范围炉外精炼装置所能达到的成分控制指标见图5-4§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量

——高质量钢的生产技术及精炼效果

(II)(一)EF-VAD-IC工艺效果工艺一：50t高功率电弧炉熔化废钢，氧化脱碳、脱磷、自由放渣，最后将炉渣碱度调整到R=1.0~2.5，翻炉出钢，钢包合金化，接着加热，调整钢液成分（包括补加脱硫剂调整钢液含硫量），在真空下脱气精炼。工艺二：将真空精炼改为非真空加氩搅拌精炼

精炼时间都在60min左右§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量

——高质量钢的生产技术及精炼效果

(II)炉外精炼工艺特点：⑴初炼钢液事先用铝沉淀脱氧，然后再进行精炼。⑵真空精炼与非真空吹氩搅拌精炼的脱氧、去除夹杂物的效果没有差异⑶将精炼渣的碱度控制在1.0~2.5范围内，可以减少钢液中的含钙量（≤20×10-4%），从而导致高碳铬轴承钢不会出现不变形的球状夹杂物，提高了轴承钢的疲劳寿命。表5-5为高碳铬轴承钢采用大气下熔炼和炉外真空精炼的气体和夹杂物的测定结果。采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的氧含量及非金属夹杂物含量与其尺寸分布列于表5-6采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的力学性能及淬透性列于表5-7

采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的疲劳寿命列于表5-8

采用氩气搅拌方式的炉外精炼工艺生产高质量钢，影响其质量的主要因素⒈精炼渣氩气搅拌方式有利于渣-钢间的物理化学反应。要求深度脱硫的钢种，既要控制精炼渣的碱度，同时还应控制渣中Al2O3的含量；在精炼高碳铬轴承钢时，渣的碱度控制在较低的范围内(1.0~2.5)。⒉搅拌强度不管是真空精炼或非真空下的吹氩搅拌精炼，一定的搅拌强度是获得高质量钢的必备条件。(见图5-3)⒊吹氩搅拌时间60t钢包精炼炉以70~200L/min吹氩搅拌，搅拌时间是影响氧含量的主要因素（见图5-3）。80tEF-ASEA、SKF加吹Ar下注3.4t锭工艺生产的高碳铬轴承钢（SKF3）的氧含量和夹杂物含量（按JK图评定）列于表5-9EF-LF-RH-CC工艺特点

⒈扩大炉子容量、采用偏心炉底出钢系统炉子容量的扩大，提高了生产效率。采用偏心炉底出钢系统，减少了钢液的二次氧化，同时能隔开氧化渣，有利于无渣出钢，使在精炼包内的还原过程更容易进行。⒉采用LF钢包炉加热精炼钢包炉的加热功能使温度和浇铸时间的控制成为可能⒊RH真空循环脱气 避开精炼渣，只对钢液进行循环脱气和去除夹杂物。⒋大截面连铸机浇铸钢坯带有两段或三段电磁搅拌，可使残留于与钢液中的夹杂物在浇铸过程中继续上浮组合炉外精炼法生产超纯钢技术应考虑条件1）单个操作的设备容量2）多个工序的配合3）原材料的质量和价格4）设备灵活性以及相应的工艺选择5）组合后的生产稳定性和可控制程度组合炉外精炼法生产超纯钢技术生产工艺特点（1）铁水预处理处理后的铁水P、S的质量分数均可以达到0.010%以下（2）转炉复合吹炼经过预处理后的铁水，在少渣量吹炼下向转炉中加入铬铁，铁合金中的钛可以有效地被氧化去除，而达到15×10-4%以下的水平。（3）转炉钢液除渣在转炉吹炼后的钢液与炉渣，通过换包法去除含有低级氧化物的转炉渣，然后进入精炼炉。（4）钢包加热人工配置碱度大于3的精炼渣，加入精炼钢包进行电弧加热和电磁搅拌组合炉外精炼法生产超纯钢技术生产工艺特点（5）真空脱气

在真空下通过强力电磁搅拌，不仅可以有效地降低钢液的含氢量，而且可以使悬浮于钢中的夹杂物充分上浮分离，钢中氧的质量分数可以控制在9×10-4%以下。（6）连铸在连铸机的结晶器内和凝固末端安装电磁搅拌装置。 在结晶器内搅拌钢液，促进非金属夹杂物上浮分离，提高钢的纯洁度； 凝固末端电磁搅拌可以防止白带的产生，改善中心偏析。AOD炉形见图5-21

VOD法脱气特点

⑴吹氧精炼用的氧枪通过真空室上盖的密封圈时必须自由升降；⑵为排除大量的CO气体，真空系统的抽气能力比钢包脱气法应有所提高VOD装置如图5-22第五章习题1.钢液真空处理的原理是什么？效果如何？2.钢液炉外精炼技术有何特点？3.炉外精炼的方法主要有哪几种？对钢的质量有何影响？4.喷粉冶金的目的何在？各种喷粉技术的效果如何？5.炉外精炼方法的发展过程？如何选择？第六章铸锭及质量控制基本概念铸锭是把在炼钢炉中冶炼好的钢水倒入盛钢桶内，进行最后的脱氧、调整成分和调整温度处理后、注入钢锭模中凝固成为钢锭；或是在连续铸钢设备中铸成钢坯。 钢液注入一定形状的模型中直接得到冶金产品的过程称为铸钢。铸锭过程是钢液从液相结晶成为固相的过程 由于铸锭的失误，能把精炼合格的钢液报废，在铸锭过程中产生的缺陷可以使后续的锻造或轧制等压力加工不能实现；或者使成品的合格率降低。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固的一般规律(I)⑴晶核的形成 钢液凝固的第一步是固体铁从钢液中结晶形核，它对凝固组织的形成和偏析现象影响很大。 从液态金属中结晶出固体，借助于不同介质结晶形核的称为非均质形核

直接生成核心的，叫自发形核； 依附于现成表面（如悬浮的夹杂物或钢锭模表面）形成的晶核称为非自发晶核无论哪种晶核，晶核形成的推动力是过冷度6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固的一般规律(I)⑵晶体的生长

获得一定过冷度的钢液，并不是一瞬间整个凝结成固体，而必须经历晶核的形成和长大的过程。形核率：单位时间内的形核数目形核速度：单位时间内晶体的长度增加量形核率（N）和长大速度v与过冷度（△T）的关系，基本上如图6-1所示。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固的一般规律(I)⑶过冷度对树枝晶生成的影响 在通常的过冷度下，金属都以树枝状结构进行结晶，即首先形成具有规则几何外形的极小晶体，随后在某些突出部分生成枝芽并成为一次结晶轴，以后又在一次轴上生出二次轴，再在二次轴上生出三次轴等等，如此形成有规则结构的树枝状格架。树枝状格架不断扩张直至与相邻晶体相碰为止，同时也不断生出多次轴并长粗，直到相邻轴相遇或液体耗尽为止。

树枝状结构结晶的原因

一是晶体生长有潜热放出，突出部分比平面散热更有利；二是晶轴突入液体中有较大的表面积取得原子供应；三是顶角及棱边上晶体缺陷较多，更有利于将添加上来的原子抓住。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固的一般规律(I)界面富集、成分过冷学说

在钢液凝固时，固-液界晶的稳定性受过冷度的影响而发生变化，使得有的生成胞状组织，有的生成树枝状组织 在柱状晶生长时，在固-液界面处溶质元素富集，并在富集区发生熔体的实际温度低于平衡凝固温度的现象，即出现所谓成分过冷现象

6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢锭的凝固组织及控制(II) 当钢液进入锭模时，表层钢液因模壁的激冷作用获得较大的过冷度（△T），从而达到临界晶粒尺寸（r*）的数目较多，其关系式为式中，σ为界面能，Tm为熔点，△H为凝固潜热 随着激冷层的形成，模壁因温度迅速升高而膨胀，钢锭表面则因凝固冷却而产生线收缩，于是钢锭与模壁之间出现了一个小间隙。粗大的柱状晶见图6-2所示

6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢锭的凝固组织及控制(II) 随着柱状晶的发展，前沿钢液中富集了愈来愈多的气体杂质及低熔点组元，因而相对降低了其熔点和过冷度；同时因冷却收缩使激冷层与模壁间产生的缝隙进一步扩大，加上结晶层的不断加厚等，使热的传递不断减慢，从而不利于柱状晶的发展，并随中心部位与柱状晶前沿钢液的温度差逐渐减小，致使柱状晶停止向内生长。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢锭的凝固组织及控制(II)有时模壁散热很快（如用水冷），柱状晶长大速度很高，或液体温度较高，这样中心部位的液体来不及形核长大就完全生成柱状晶，这样的结晶称为“穿晶”。 钢锭的结晶在前期因温度梯度较大而由表及里顺序进行，形成晶体定向生长的激冷层和柱状晶区；在后期则因温度梯度很小而得以普遍形核，形成定向的粗大晶区。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢锭的凝固组织及控制(II)上下结晶先后相差较大（即纵向凝固速度较小）时，能较充分地获得钢液来填补枝晶间因冷凝收缩所造成的空隙，这就使得钢锭的下部有一个致密组织区；在帽口下面也出现致密组织区；钢锭中上部轴心处的组织，则因纵向凝固速度较大，得不到钢液的充分填补而较疏松，并因向下收缩呈V形分布，且随钢锭的高宽比增大和锥度减小而愈显著。钢锭的凝固组织示于图6-3中。

在结晶过程中，含低熔点组元而密度较小的富化钢液可能上浮，密度大于钢液的自由晶体可能下沉，这些现象常被用作解释钢锭组织和成分不均匀分布的理由控制钢锭凝固组织的主要方法

用快冷法增加液体过冷度和用机械或超声波振动法来加速钢液中的形核作用，以及添加孕育剂与表面活性物质来促进钢锭晶粒细化。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固结晶过程的宏观现象(III)⑴钢液凝固时的传热

凝固时传热计算分析，如图6-4所示

锭模或结晶器内钢液凝固厚度（Xt）服从平方根定律6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固结晶过程的宏观现象(III)6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固结晶过程的宏观现象(III)⑵钢液凝固时的收缩 钢液冷凝过程中体积和线度的减少称为钢的收缩，其总收缩量△V总由三方面组成，即液态收缩(△V液)、凝固收缩(△V凝)和固态收缩(△V固)

钢的收缩分为两种：一种是集中收缩，在钢锭中表现为缩孔；另一种是分散收缩，在钢锭中表现为微收缩，称为疏松。 由液态转变为固态的凝固收缩和从浇注温度冷却到凝固温度时的液态收缩所造成6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固结晶过程的宏观现象(III)⑶钢液结晶过程中的偏析

钢液结晶过程中出现化学成分和非金属夹杂物或相分的不均匀现象称为偏析，是指化学成分的不均匀性钢液凝固时产生的偏析可分为①化学偏析（区域偏析）：钢锭各个结晶带间的化学不均匀性（宏观偏析）②树枝偏析（晶间偏析）：树枝晶体的枝干与枝间部分在1~2mm范围内的化学不均匀性，它是只有在显微镜下才能确定的偏析（显微偏析）钢锭出现偏析现象的原因 钢液凝固时具有选分结晶、溶解度的变化和密度的差异等特性而产生的。6.1钢锭的凝固与结晶组织

——钢液凝固结晶过程的宏观现象(III)偏析度（k）和偏析系数（1-k）来表示元素的偏析倾向 其k为固体中的元素与原始液体中元素含量的比值，当k＞1为正偏析，k＜1为负偏析

在钢中溶解度小的元素或使钢液熔点降低的元素偏析程度较大镇静钢的特点是有两个正偏析层和沉积锥区域呈现的负偏析。沸腾钢锭在边部呈负偏析，在内部呈正偏析。半镇静钢锭兼有上两者偏析特点。

6.2钢锭模铸技术及结构特点

钢的浇注主要有钢锭模铸法、连续铸钢法和成型铸钢法模铸，就是把在各种炼钢炉中熔炼合格的钢液倒入盛钢桶内，然后注入到具有一定形状的钢锭模中，使之凝固形成钢锭的工艺过程。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I)1.盛钢桶盛钢桶是用来盛装炼钢炉放出的钢液以进行浇注的重要设备（图6-6）。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I) 滑动水口由上水口、上滑板、下水口、下滑板组成。浇注时，通过滑动机构的作用，借助于上下滑板铸孔的错位，可以控制钢流，如图6-7所示。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I)滑动水口的优点：⑴因取消了塞杆，从根本上消除了塞杆插头、蚀断等事故；⑵避免了桶内的高温作业，大大改善了劳动条件；⑶盛钢桶可连续使用，加快周转速度和提高寿命；⑷降低燃料消耗，节约耐火材料，也有利于钢质量的提高。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I)2.钢锭模 钢锭模是钢液凝固成锭的模型，根据冶炼钢种以及钢锭的用途、特性和尺寸不同，可采用各种类型的钢锭模。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I)3.保温帽由铸铁外壳内敷耐火衬制成。它的作用：一是使钢锭头部钢液较长期地保持液体状态，以填充钢锭凝固时产生的缩孔，使钢锭具有致密的组织。二是收集上浮的气体和夹杂物，使偏析提升至锭身上部，以保证锭体的内部质量。第八次冶金质量分析6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭设备(I)4.下铸底盘和中注管底盘由生铁铸成，是下注时放置钢锭模的必需设备。中注管是下注时将钢液引入锭模的总通道，由漏斗砖、注管砖和铸铁外壳组成。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——浇注方法(II) 钢锭模铸法按照钢液注入方式的不同，分为上注法和下注法（见图6-8）上注法

上注法是将盛钢桶内的钢液直接从钢锭模上口注入，每次只浇铸一个钢锭，对于小熔量炉冶炼的钢水采用上注法为多。

优点是准备工作简单，钢锭成本低，钢质较纯净，由于高温钢水始终在钢锭模上部，因而减少了某些缺陷的产生。

缺点是浇注时钢液飞溅至模壁，易引起结疤，影响钢锭的表面质量。下注法

下注法是将盛钢桶内的钢液浇入安置在下注底盘上的中心注管内，使钢液从中注管底部流出，沿着砌在底槽中的流钢砖流至钢锭模底部，并自下而上进入钢锭模内。 优点：一次可浇注几个至几十个钢锭，生产效率比上注法高，表面质量好。 缺点：耐火材料消耗多，钢液损失大，成本高，且由于耐火材料与钢液相接触，常导致钢中非金属夹杂物增加，降低了钢的质量。

6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III) 为了减少和防止钢锭的偏析、缩孔、重皮、裂纹和夹杂物等缺陷，需要从铸锭质量和合格率与生产率上综合考虑采取措施，必须严格控制铸锭工艺操作6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)⑴铸锭前的准备工作①盛钢桶的准备主要是耐火砖衬的砌筑、干燥和预热②钢锭模的准备

一是锭形和锭重。钢锭模的断面形状及各尺寸间的关系对钢锭质量和钢材质量均有重要影响。二是改善钢锭的表面质量。钢锭模内壁要光滑、干燥，不存在粗大的网状裂纹、结疤等缺陷，还要无锈迹。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)③中注管应垂直安放在铁套中，不得与钢套相碰，保证它对各锭模内的钢水有一定的压力，以补充缩孔，获得致密的钢锭。

垂直的中注管作用：一方面能使各个汤道钢液压力一致，各模内液面上升情况相同；另一方面减少钢流对中注管的冲击，降低非金属夹杂物混入钢水。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)④保温帽和发热剂的准备：浇注上大下小的镇静钢锭时，锭模头部要装保温帽。使用前必须保证帽口内壁平整、光滑、干燥，以减少钢中夹杂物及脱帽顺利。加入发热剂，以提高帽口保温作用，使气体和夹杂物上浮，保证锭体质量。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)⑵钢液的静止及浇注操作将炼钢炉冶炼好的钢水流出到钢包的过程称为出钢。钢液在浇注前要静止一段时间，依钢液温度、钢种及浇铸系统情况而定。镇静操作的主要目的：促进夹杂物集聚并上浮、有利于气体排除而净化钢液、使钢水成分均匀及调节钢水温度。钢液在盛钢桶内静置处理后，迅速将钢包水口对准正浇口中心，使之与钵子砖保持150~200mm的距离，以保证钢流以稳定的层流状态进行浇铸。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)⑶浇注温度和浇注速度的控制 钢水的浇注温度一般用光学温计测量，也可以观察在锭模内上升的液面状态来判断。钢液碳含量、出钢温度和浇注温度的关系如图6-9所示。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III) 钢液浇注的速度以钢液在模内上升速度（m/min）来计算，保证平稳的浇注，不得断流和过速。浇注温度和速度随钢液种类、钢锭的形状和浇注方法不同而异浇注温度和速度要合理相互配合，可从下面三个方面考虑：（1）浇注温度较高的钢水温度应配以较低的注速。（2）浇注方法上注时应采用较高的注速，一般为0.6~0.9m/min，而下注法一次浇注数根钢锭，故应采用较低的注速，一般为0.2~0.35m/min。（3）钢种有的钢种可塑性较好，强度较高，不易产生裂纹，因此，可采用较高的注速和较高的浇注温度，而对裂纹敏感性大的钢种，如合金钢等不适于高速浇注。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)⑷注流保护浇注钢水在浇注过程中存在明显地二次氧化现象，所谓二次氧化指的是由水口流出的钢液吸收空气的氧和水，以及钢锭模内的钢液吸收空气中的氧和水分而造成的，这将导致钢中气体和非金属夹杂物含量增加，使钢的表面质量和低倍组织变坏。为防止浇注过程中钢液的二次氧化现象，在水口或锭模内采取了许多防止氧化的措施，主要有气体保护法、液体保护法和固体保护法三种方式。6.2钢锭模铸技术及结构特点

——铸锭工艺操作对钢锭质量的影响(III)⑸脱模操作与钢锭冷却制度 对沸腾钢、半镇静钢钢锭来说，当生成的凝固壳的厚度达钢锭厚度的70%~80%左右时，是最适宜的送锭时间，对镇静钢来说，要完全凝固后在脱模。 对部分钢种的冷却和退火制度见表6-1所示。钢锭冷却制度第八次课冶金质量分析6.2钢锭模铸技术及结构特点

——钢锭结构特点(IV) 通过脱氧以控制气孔生成使钢锭有三种结构：镇静钢、半镇静钢及沸腾钢，钢锭在浇注前其含氧量分别为15~80×10-4%，40~200×10-4%及150~450×10-4%，它们的特性见表6-26.2钢锭模铸技术及结构特点

——钢锭结构特点(IV)⑴沸腾钢锭

沸腾钢是一种在浇注前不脱氧或仅用锰铁进行轻度脱氧的钢。由于脱氧不完全，使钢液中残留有相当数量的氧。当钢液注入锭模后，在凝固过程中随着温度下降钢液中的碳氧发生反应，即通过[C]+[O]→CO反应，生成大量的CO气体，在钢锭模内产生激烈的沸腾搅拌作用，致使钢液一面沸腾，一面凝固，故称为沸腾钢。 图6-10为压盖封顶的沸腾钢锭纵剖面图⑵镇静钢

在出钢时进行充分脱氧的钢。这种钢氧的质量分数不超过0.01%（一般在0.002%~0.003%），钢液在凝固时不析出一氧化碳气体，因而平静地凝固成锭，故称之为镇静钢。 镇静钢钢锭结构的纵剖面图如图6-11所示。⑶半镇静钢

半镇静钢的脱氧程度较镇静钢弱，比沸腾钢强。钢水氧含量接近或略高于与碳相平衡的含量。凝固后期排出少量气体，在模内进行短时间的微弱沸腾，因此钢锭中气泡的容积与钢水的冷凝收缩大致相等，不致出现明显的缩孔和上涨，所以半镇静钢亦称为“平衡钢”。 半镇静钢锭的结构与沸腾钢相似，有少量气泡而无或少缩孔（图6-12）6.3铸锭质量控制 钢锭在铸模中随T↘，由液态→固态，并冷却到室温，存在一系列复杂的物理、化学及热学反应，反应产物及钢水降温时的性质变化，特别是钢水凝固时产生的各种现象，对造成浇铸过程中的冶金质量问题是可想而知的。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）

铸锭缺陷是指钢中连续性、致密性、纯净性和均匀性遭到破坏的部分。 常用的铸锭缺陷有裂纹、残余缩孔、疏松、白点、发纹、气泡、结疤、偏析、翻皮、非金属夹杂物等6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（一）缩孔 钢液凝固时体积收缩而形成的孔洞，缩孔的大小和深浅受到锭模形状、浇注温度、冷却速度、钢种种类等因素的影响。

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）缩孔危害 锭模设计不当，或体积收缩过大填充不良时，在锭中可能出现穿透性的缩孔，使钢锭报废

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）减少缩孔的办法

1）采用合适的锭模，要求上大下小，锭型较大为宜，使上面有较多的钢液往下填充。2）浇注时控制注速和注温，一般采用下限操作，即采用锭铸、慢铸及偏低温度铸。3）锭模顶部保温及加热，主要的是使用保温帽及在帽内添加发热剂，这样能更长时间地保证钢液向下流动，以补充下部的收缩，同时使锭从下向上凝固，可保证钢锭的致密性。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（二）疏松

产生原因：凝固时钢液补充不足而残留下局部的缝隙，或是钢水中夹杂物和气体造成的孔洞。特征：低倍特征是在横向酸蚀面上，有如海绵状的深色点子与小孔隙。 集中在轴心区域的叫中心疏松，其余称为一般疏松，若在纵向酸蚀面上观察疏松在顺延展方向呈细小的深色线条，形成所谓疏松线。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）减少疏松的方法：⑴减少钢水气体含量，提高钢的纯净度可防止疏松；⑵选用较小锭型，降低注温、注速等加快冷却结晶的措施也是减轻疏松的重要途径。⑶钢锭后续的热压力加工过程的较大压延比，能使部分疏松缺陷密合。在一定程度上也能减轻疏松这种铸锭缺陷。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（三）轴心晶间裂纹 特征是横向断面的中心处，呈链珠状，断续排列成放射状或蜘蛛网状细小裂纹，因其分布在轴心粗大树枝状晶的晶界上，故得名，如图6-13所示。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）产生原因： 钢锭中心以外部位在较先结晶的过程中，把非金属夹杂物和低熔点组元推挤到后结晶的轴心和上部处。中心部位结晶时，由于外部结晶产生的热应力和相变应力作用在轴心部冷固区，使轴心部应力集中而沿非金属夹杂物及粗大枝晶间形成裂纹。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）采取的措施：⑴通过改变钢液结晶条件，以阻止轴心晶间疏松与偏析的严重发展；⑵钢锭凝固后，注意钢锭的缓冷或退火，以减小应力；⑶采取有效措施降低钢水中气体和夹杂物含量及增大热加工压延比，能防止或显著减轻轴心晶间裂纹。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（四）皮下气泡和内部气泡 皮下气泡是单个的或成簇的纺锤形小孔洞分布在钢锭表皮下一定深度处，通常是在距表皮几毫米的区域为多，有时穿透钢材表皮呈小裂缝，但其末端呈圆角。 皮下气泡的宏观特征见图6-14。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）皮下气泡产生原因：钢水去气不良，脱氧不当造成的。消除皮下的气泡的措施：⑴应将钢水很好地脱氧，使浇注时钢中碳和氧不再进行反应，从而不能产生一氧化碳、二氧化碳这类气体。⑵在浇注中还应注意降低中注管和锭模内钢液的静压力，使气体容易外逸。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）

内部气泡多见于镇静钢的横向酸浸片上，呈现放射状裂纹（见图6-15） 同时伴随有严重的点状偏析，也有叫做蜂窝状气泡的内部气泡，是镇静钢中不允许存在的缺陷。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）产生原因：由钢液中含有大量气体而造成的。在铸锭过程中，随温度降低，气体溶解度降低，故有大量气体排出，而残留钢锭内保留成气泡。采取措施：加强炼钢原料的烘烤，保证冶炼浇注系统的清洁干燥，认真做好钢液精炼、沸腾去气。浇注前加强钢液脱氧，并采用保护浇注等措施

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（五）偏析 绝大部分钢及合金，属于液态二组元完全互溶而在固态二组元部分互溶的类型，因此在铸锭凝固过程中，主要产生晶体偏析及化学偏析两种现象。

偏析宏观的形态随成分、冶炼工艺和锭型大小等的不同而有点状偏析（图6-16）、波纹状偏析（图6-17）、方框形偏析（图6-18）等。

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）方框形偏析成因：钢水在锭模内凝固结晶过程中，由于柱状晶的末梢与中心等轴晶交界处凝固较晚，而在此区域富集较多气体和低熔点物质而形成一种具有锭模外形的区域偏析。消除方框形偏析的措施：可由减少钢中气体和杂质含量以及缩短凝固时间等方法控制。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）点状偏析成因：由于钢中气体过多，钢液粘稠，气体排不出去，因此气泡被一层钢液包围，由于气泡导热性差，致使它周围的钢液降温缓慢，大量低熔点物质和夹杂物在此聚集而最后凝固形成点状偏析消除方法：做好钢水的精炼及加强去气措施

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）波纹状偏析成因：由钢锭模在浇注中不够稳定，钢水结晶时温度较高，钢液紊流未消除而产生的一种凝固偏析。而在电渣重熔时，则是由于电流、电压的波动所引起的热波动，致使结晶速度急剧减慢而造成的结晶偏析。消除的措施：通过改进供电系统、稳定重熔过程及采用适量高发热渣系，使结晶平稳进行

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）减少偏析的方法：提高钢液纯度，减少钢中气体和杂质；采用快速冷却，抑制选分结晶，缩短凝固时间；选用合理的钢锭模，减少模内温度梯度；采用较大锻压比进行锻造等可减少偏析。

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（六）非金属夹杂物来源：⑴由脱氧反应等产生的内在夹杂物⑵钢液在空气中被氧化及耐火材料蚀损与机械混入等引起的外来夹杂物

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（1）内在夹杂物钢锭中内在夹杂物以脱氧产物生成时期的不同，可分一次脱氧产物及二次脱氧产物两类。此外，它还包括通过添加合金元素而生成的硫化物、氮化物以及它们的复合化合物（见图6-19）。

6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（2）外来夹杂物钢液在出钢后至浇注前，要与盛钢桶、塞棒、水口及汤道等耐火材料接触，因而，耐火材料要受到机械的或化学的蚀损，而成为夹杂物的来源。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）

当钢液中Mn含量高时，将发生反应：（SiO2）+2[Mn]→2（MnO）+[Si]，使耐火材料受到化学侵蚀。 当把钢液浇入钢锭模时，因空气氧化生成氧化物，这种氧化物上浮分离的时间不充分，可能成为非金属夹杂物而残留在钢锭中（图6-20）。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I） 当冶炼操作不当，致使添加的合金元素未能全部熔化而保留在钢中，或在浇注过程中混入保护渣和发热剂中的金属粒摔入钢流使之产生异金属夹杂，如图6-21所示。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I）（七）钢锭裂纹钢锭的表面裂纹有龟裂状及放射状等多种形式产生原因：⑴由于高温、高速浇注使凝固壳层变薄，不能承受钢液静压力，以致破裂；⑵由于钢锭模具设计不当以及钢锭模的底盘、钢锭模与保护帽之间产生飞刺，阻碍了钢锭收缩。⑶因钢锭受急冷急热而引起的热应力、相变应力等也能产生裂纹。6.3铸锭质量控制

——铸锭缺陷分析（I） 通过改进锭模设计和控制注温、注液等工艺操作来消除裂纹的产生（八）表面缺陷钢锭表面缺陷有：翻皮、皱纹、表皮污染等形成原因：⑴由于铸锭时钢液飞溅、起泡及低温低速浇注而引起的钢液表面翻皮所致

⑵因使用有缺陷的钢锭模（熔损、裂纹、污染）造成6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）铸钢系指直接铸造成型的产品

分为碳素铸钢、合金铸钢及特殊性能铸钢

钢锭经过后续一系列塑性加工能使某些铸锭缺陷得到消除和改善；而铸钢件是不经过任何塑性加工的，要获得高质量的产品，达到以铸代锻的目的，应在铸钢冶炼、铸造及热处理各个环节进行质量控制。

6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）（一）铸钢的冶炼质量控制1.化学成分的控制对硫、磷、氧等有害元素的控制

在炼钢之前应控制好炉料的磷的质量分数，平均含量应在0.06%以下应控制炉料平均硫的质量分数在0.06%以下 钢中的氧使钢液的流动性变差，非金属夹杂物增多，使铸钢产生气体缺陷因此脱氧达不到要求的必须重新脱氧6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）2.稀土元素对铸钢质量的影响在铸钢生产中，稀土元素除了变质作用外，还能起到净化钢液及提高铸造性能的作用1）稀土元素与硫、氢、氧、氮有很大的亲和力，故能起脱硫、去气和除夹杂的作用。2）稀土能与钢中的铅、锑、铋、砷等低熔点有害元素形成高熔点化合物，以消除这类有害元素的脆性影响。3）稀土对铸钢中第二相有变质作用，在高磷ZG45中加入稀土，使沿晶界连续分布的磷共晶变为均匀分布于晶内的球状颗粒。6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）4）稀土提高铸钢的综合力学性能5）用稀土处理的钢液能改善铸钢的铸造性能，尤其是使钢的流动性和抗热裂倾向性能显著提高6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）（二）铸钢的铸造质量控制1.铸钢流动性的改善⑴铸钢流动性好就能保证钢液很好地充满铸型，获得尺寸准确、轮廓清晰的铸钢件；⑵流动性好还有利于钢液中气体和非金属夹杂物的排除及改善补缩条件，提高铸钢的致密性。6.3铸锭质量控制

——铸钢质量控制

（II）2.铸钢缩孔的改善3.铸钢热处理的作用

铸钢常用的热处理工艺有退火、正火及淬火加回火及高锰钢的水韧处理等，使之改善铸态组织，消除铸造内应力和提高力学性能。6.3铸锭质量控制

——提高铸锭质量的新技术

（III）1.加压铸锭法 压力浇注与通常的重力浇注不同，可直接铸坯，如图6-22所示。6.3铸锭质量控制

——提高铸锭质量的新技术

（III）2.加压凝固法将锭模置于压力容器内，在加压状态下使钢液凝固，或在帽口处部分加压使其凝固。

3.超声波铸锭法是一种振动凝固法，对质量为15kg的钢锭，用800Hz、75~150kw的超声波处理4~5min，即可得到极其细微的凝固组织。6.4连续铸钢及其质量分析 连续铸钢（ContinuousCasting简写成CC）是一项把钢液直接浇铸成钢坯的新工艺，它是继氧气炼钢之后，钢铁工业中最重要的技术进步之一。 连铸省掉了铸锭和初轧开坯的工序，从根本上改变了长期以来占统治地位的模铸工艺，大大地简化了从钢液到钢坯的生产流程6.4连续铸钢及其质量分析连铸机的布置类型有立式、立弯式、圆弧形式、椭圆形式和水平式（见图6-23）

6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸机的结构(I)

弧形连铸机由浇注设备、结晶器及振动装置、二次冷却装置、矫直机、切割机、运输辊道及后续工序设备等几部分组成，如图6-24所示主要部件的作用：（1）中间罐中间罐承纳由盛钢桶转来的待浇钢液，并对盛钢桶内钢液减压，以保证向结晶器供应平稳的钢流。图6-24弧形连铸机组成示意图6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸机的结构(I)（2）结晶器及振动装置

①铜制水冷结晶器主要任务是保证钢液迅速冷却，形成足够强度的外壳，它的作用相当于一个铸模。 ②振动装置主要作用是使坯壳脱离结晶器壁，减少坯壳与结晶器之间的粘结力和摩擦力，从而避免漏钢，以及改善铸坯表面质量。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸机的结构(I)（3）二次冷却装置铸钢从结晶器中拉出时，坯壳厚度约为15~25mm，中心部分仍是钢液。（4）拉拔矫直装置主要用于将钢坯拉出并进行矫直平稳（5）切割装置目前有机械切割和火焰切割两种。其作用是将铸坯按工艺要求，在规定的区域内切成定尺板坯。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)（一）连铸坯的凝固过程及工艺操作

钢液由中间罐流入结晶器后，被水冷结晶器迅速带走热量，并沿结晶器四周边开始凝固，这个凝固过程在钢液运动中进行。 即结晶器一边接收新钢液，一边凝成坯壳，并同时进行拉坯。

6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II) 从结晶器下口拉出来的具有一定凝固厚度的液芯铸坯进入二次冷却区后，靠喷水雾化进一步冷却，以加速铸坯尽快地凝固。 当铸坯内部完全凝固后，由拉坯矫直机对铸坯进行校直，再经切割装置割成所需长度，成坯经地辊道运至坯场堆放或直接红送到热轧厂。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)（二）连铸工艺参数 连铸工艺参数主要有铸温、铸速、拉坯速度和二次冷却制度，它们随钢种特性、铸坯断面形状和尺寸而变化。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)1.浇注温度t注=t出-Σ△t=1536-Σωit+εt过式中，t出为出钢温度；Σ△t为出钢浇注过程的温度降；ωi为钢中各元素的质量分数（%）；t为每1%的元素含量使钢的熔点降低值，t过为浇注要求的过热度；ε为调整系数。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)

⑴流动性差的钢（低碳钢、不锈钢等）铸温应适当高些； ⑵流动性好、收缩性大、导热性差的钢（高碳高硅钢等）铸温应适当低些。 ⑶铸温过低，会出现冷凝，容易结瘤，甚至产生断裂现象，铸坯表面容易出现结疤、重皮等缺陷。 ⑷铸温过高，结晶器内铸坯外壳过薄，易造成拉断漏钢事故，铸坯中心会产生疏松、缩孔、偏析也会严重，还易产生裂纹。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)2.注速和拉坯速度 钢液注入结晶器内的速度是与自结晶器内拉出铸坯的速度一致的，所以连铸中的铸速就是拉坯速度根据结晶器出口处坯壳厚度（δ）得最大可能拉坯速度v（m/min）

v=L/(δ/k)26.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)2.注速和拉坯速度 钢液注入结晶器内的速度是与自结晶器内拉出铸坯的速度一致的，所以连铸中的铸速就是拉坯速度根据结晶器出口处坯壳厚度（δ）得最大可能拉坯速度v（m/min）

v=L/(δ/k)2L、k及t分别为结晶器长度（mm）；凝固系数（mm/min1/2）及凝固时间（min）。其k值变化范围为24~34mm/min1/2。L、k及t分别为结晶器长度（mm）；凝固系数（mm/min1/2）及凝固时间（min）。其k值变化范围为24~34mm/min1/2。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸工艺及操作特点(II)3.二次冷却制度二次冷却区的冷却强度及坯面冷却水量的分配叫二次冷却制度。二次冷却强度通常波动在0.3~1.2kg/t钢之间6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)

（一）连续铸钢的特点1.连铸坯的凝固特点（1）连铸坯凝固时，坯壳是在不断移动和结晶振动的条件下进行的，任何本部分钢液都是在稳定状态下进行凝固。因此，在长度方向上铸坯的结构比较均匀。（2）连铸坯凝固时，冷却强度均比模铸钢锭大，所以连铸结晶时间短，结构致密，同时还可通过改变冷却制度来影响铸坯结构。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)2.连铸坯的结构特点（1）镇静钢铸坯结构同样是由三层不同的结晶组织构成。连铸坯表层凝固速度比钢锭高10%~30%，故激冷层较厚。（2）沸腾钢铸坯结构主要表现在内部气泡分布规律也和同类模铸钢相同。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)3.连铸技术的经济特点（1）连铸坯质量优于铸锭在连铸过程中除工艺优点外，不需要锭模，从根本上避免了耐火材料的污染，所以铸坯中夹杂物较少，偏析程度较轻，其组织致密，纯净度高。（2）钢液收得率高与铸锭相比，连铸钢坯无切头，无浇注系统中的钢液损失，所以金属的收得率提高10%~15%以上。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)（3）连铸钢种不断增多目前用连铸生产的钢种已达500种。（4）连铸可节能降耗与模铸相比，连铸生产工序少，可节约劳力75%；厂房建设投资可减少30%；降低能耗，可节能70%~80%，易于实现机械化和自动化，提高生产率。6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)（二）连铸坯常见缺陷及质量分析连铸坯的缺陷同样包括表面缺陷和内部缺陷。⑴连铸时的振动会使铸坯产生振动波纹；⑵在强度较低的高温状态下拉坯并激冷，容易导致铸坯出现裂纹；⑶连铸坯如凝固过快，又易造成中心偏析和缩孔等缺陷；⑷以及因连铸过程的钢液氧化等因素，造成连铸坯中夹杂物的产生。⑸常见缺陷还有表面凹坑、夹渣、气泡、鼓肚及中心疏松、中心裂6.4连续铸钢及其质量分析

——连铸的特点及铸坯质量分析(III)（1）铸坯裂纹的控制连铸坯的裂纹可分为表面裂纹（横裂、纵裂、龟裂）和内部裂纹等。（