第6讲：中高碳钢夹杂物的控制.ppt

1、第6讲：中、高碳钢夹杂物的控制,2,中、高碳小方坯中的夹杂物包括复相硅酸盐夹杂、硫化物及由它们相互形成的复相夹杂物，小尺寸外来夹杂物多以形核中心的形式存在于复相夹杂物内。钢水中夹杂物主要来源于脱氧产物、吹氩降温过程中的二次氧化、钢包到中间包敞流浇注的二次氧化、钢包和中间包耐火材料的侵蚀、剥离。保护渣卷入可也导致钢中夹杂物数量增加。,夹杂物的类型及来源,3,1 钢中夹杂物的分类及特点,夹杂物来源及分类,4,钢中的夹杂物按照来源可以分为内生夹杂物和外来夹杂物。 内生夹杂物包括在脱氧、二次氧化或钢液冷却和凝固过程中生产的氧化物，外来夹杂物包括炉渣卷入或耐火材料侵蚀卷入钢液。 夹杂物的来源和分类如上图

2、所示：,1.1 夹杂物的分类,5,1.2 内生夹杂物,内生夹杂物是脱氧产物或者是钢水冷却凝固过程中的析出物，包括脱氧产物以及在钢水冷却和凝固过程中产生的沉淀析出夹杂物。,6,1.3 外来夹杂物,外来夹杂物主要是钢水和外界（卷渣及耐火材料侵蚀）之间偶然的化学和机械作用产物。在产品机械加工时，钢中的这类夹杂物可产生噪音，在机加工表面形成凹坑和划痕，容易引起断裂，以及造成工具磨损。钢中外来夹杂物的含量可通过大样电解的方法测定。,7,8,2 中、高碳钢中常见夹杂物的形貌及能谱特征,（1）中、高碳钢中常见夹杂物有：单纯的Al2O3夹杂、Al2O3 、SiO2、CaO、MgO与硫化物的复合夹杂、Al2O3

3、与硫化物的复合夹杂、Al2O3、SiO2 、MnO的复合夹杂等。 其形貌如下图所示。,9,10,（2）夹杂物的能谱特征 对外来夹杂物进行能谱分析发现，不同来源的夹杂物具有不同的能谱特征，主要差别是保护渣卷入时，有明显的Na峰，而炉渣和耐火材料无此峰；耐火材料带入的夹杂物Al峰较高，这是区别与其它夹杂物的特征元素；炉渣卷入时，保留了原始炉渣Ca峰较高的特征，但也有明显的Al峰。外来夹杂物的能谱特征对区分钢中大型夹杂物的来源有帮助，可以有针对性地来采取措施，进一步降低外来夹杂物。,11,3 钢中夹杂物的分布,夹杂物在钢中不是均匀分布的，它的分布状况与冶炼浇注条件有关，而且，这种分布不均匀状态从铸锭

4、到最终产品都始终是存在的。就成品材而言，如板材、滚珠轴承钢、重轨用钢等，存在于钢表层的夹杂物危害显著，因为它直接损害工件的疲劳寿命和其他性能，对汽车薄板来说直接影响表面涂层。存在于钢材深部的细微夹杂物影响则比较小。,12,连铸板坯中大型夹杂物的尺寸分布,13,4 夹杂物对中、高碳钢性能的影响,钢中非金属夹杂物的存在是影响钢制品性能的重要因素，有时甚至是决定性因素。非金属夹杂物对钢性能的影响程度与夹杂物本身的性质，更确切地说与其相对于周围金属基体性质的差异有密切关系。这里所说的性质差异主要包括： 1)各种温度下弹性模量的差值， 2)各种温度下形变能力的差值。 其原因在于当钢基体热加工时，由于夹杂

5、物与基体的热物性和界面特性不同，必然影响到夹杂物与基体间的连接情况，从而导致夹杂物周围应力集中。,14,4.1 夹杂物与基体相对塑性,钢中不同类型的夹杂物在各种温度下的相对变形率如图所示：,15,由图可以看出： 1）FeO，MnO，（Fe，Mn）O在室温时容易变形，随着温度的升高值逐渐降低； 2）Al2O3和铝酸钙（ 高Al2O3含量）在整个温度范围内都是不变形的； 3）尖晶石型氧化物在通常钢的热变形温度范围内不变形，但大于1250温度时稍有变形； 4）硅酸盐在室温下本是不变形的，但在8001300温度范围内依其组成不同，可以变成塑性良好的物质，钢的热加工温度刚好处于上述温度范围内； 5）Mn

6、S夹杂在1000以下具有很高的塑性，超过1000以后，随着温度的上升，塑性逐渐减小。,16,4.2 热膨胀系数差值的影响,各种类型夹杂物在0800的膨胀系数,17,由于基体与夹杂物热膨胀系数不同，可在夹杂物影响区（球形夹杂半径为r的4倍的区域）引起复杂应力场。例如铝酸盐，Al2O3，硅酸盐在钢的冷却过程中比基体膨胀系数小，夹杂物周围的基体很容易遭受拉应力。相反，MnS夹杂由于它的热膨胀系数比钢大，冷却时在MnS周围便可能形成空洞 因此，在夹杂物影响区内，由于热膨胀系数的差别而形成了一个所谓预破坏区，这对断裂的发生和发展有着决定性的作用。,18,4.3 夹杂物和疲劳性能,一个非金属夹杂物被看作是

7、一个形状相当的空洞（机械切口），因此，夹杂物尺寸越大，疲劳裂纹应越容易在材料中最大夹杂周围区域形成。 各类夹杂物对疲劳性能危害的程度排序如下：Al2O3SiO2TiN,19,5 对中、高碳钢中夹杂物的控制,5.1 精炼渣系对钢中夹杂物的影响,精炼渣系一般选用CaO-Al2O3-SiO2三元低熔点渣系，精炼渣功能首先是脱硫、脱氧，去除钢中的夹杂物，其次是保护包衬，提高热效率，防止钢液吸气。对金属制品用材，如中高碳硬线、轴承钢，弹簧钢等，不仅要降低钢中夹杂总量，更要注意控制氧化铝及含铝复合夹杂物的线度及在铸坯中的分布，以保证钢材的拉拔性能、铰线性能及疲劳性能。,20,研究表明下表中所列3种精炼渣配

8、方可作为开发LF埋弧精炼技术的基础渣成分的主要依据，这种配方具有最佳的发泡指数。,21,5.2 吹氩对夹杂物去除的影响,钢包底吹氩条件下钢液中夹杂物的去除主要依靠气泡的浮选作用，即夹杂物与气泡碰撞并粘附在气泡壁上，然后随气泡上浮而被去除。降低吹氩流量和增加透气砖的面积或增加透气砖数量均可增加吹入钢液中的氩气泡数量，从而大大提高夹杂物的去除效率。 为了去除钢中4050m以下的夹杂物颗粒，应设法在钢液中制造直径更细小的气泡，以便提高气泡对夹杂物颗粒的俘获概率，使夹杂物颗粒随之上浮。,22,针对不同操作工艺，应选择不同的吹氩搅拌功率，下表列出了不同工艺过程，不同精炼目的时吹氩搅拌功率选择和控制。,2

9、3,5.3 连铸操作对夹杂物去除的影响,连铸生产操作控制着钢的洁净度，有人专门对去除夹杂物进行研究发现，钢包处理使夹杂物减少6575；虽然有时出现二次氧化，中间包仍可去除2025；结晶器去除510。从钢包到结晶器，包括钢包滑动水口套管、钢包上水口、钢包长水口、钢包长水口连接、中间包上水口砖和浸人式水口等进行套管保护、氩气保护和密封，能够保护钢水不受二次氧化，避免卷渣以及水口堵塞。在开浇初期防止卷入空气，降低钢中总氧含量和吸氮量。,24,因此，在改善钢的洁净度的生产操作方面，中间包操作应当使用大容量的深中间包、稳定的内衬和稳定的碱性覆盖剂，应当控制流场进行优化如冲击板之类，以去除夹杂物，钢水传递方面的操作应当采用最佳的自开浇钢包。,25,6 总结,1) 高碳钢中内生夹杂物来自脱氧产物和冷却及凝固过程的沉淀析出。外来夹杂物主要来源钢的二次氧化、卷渣和内衬侵蚀； 2) 加强过程管理，提高拉碳合格率，避免钢水过氧化； 3) 完善挡渣工艺，抑制或消除出钢过程下渣；根据不同的钢种采取相应的合适的