夾雜物對(duì)鋼材鑄坯裂紋的影響

1、學(xué) 號(hào)：200506010116hebei polytechnic university畢業(yè)論文graduate thesis 論文題目：顯微夾雜對(duì)德龍鑄坯裂紋的影響學(xué)生姓名：王洪 專業(yè)班級(jí)：05鋼1 學(xué) 院：冶金與能源學(xué)院指導(dǎo)教師：王碩明 教授 2010年06月20日河北理工大學(xué) 畢業(yè)論文摘要摘 要鋼中的非金屬夾雜物是影響鋼材質(zhì)量的重要因素之一，夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)性能、工藝性能和機(jī)械性能都存在不利影響，尤其對(duì)鑄坯的裂紋具有重要的影響，研究發(fā)現(xiàn)夾雜物是許多鑄坯裂紋產(chǎn)生的起點(diǎn)。非金屬夾雜物對(duì)鑄坯裂紋的影響不僅取決于夾雜物類型，而且與其組成、形態(tài)、數(shù)量、大小及分布等因素密切相關(guān)。本課題根據(jù)邢臺(tái)德龍鋼

2、鐵公司的生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)對(duì)樣品金相、電鏡和能譜分析等方法，對(duì)鑄坯內(nèi)夾雜物的數(shù)量、類型、粒度做了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。本課題著重從顯微夾雜對(duì)鑄坯裂紋的影響方面進(jìn)行了研究并提出了改進(jìn)措施，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，最終達(dá)到改善鑄坯裂紋發(fā)生狀況，研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞: 非金屬夾雜物；裂紋；鑄坯abstractthe non-metallic inclusions in steel is one of the important factors which impact the quality of the steel, including the dynamics properties, process an

3、d mechanical properties of the steel, particularly for billet cracks have a major impact, the study found that inclusion were the starting point ofthe billet cracks.the impact of non-metallic inclusions on billet cracks depends not only on the type of inclusions, but also on its composition, shape,

4、quantity, size and distribution.this issue in accordance with xingtai delong iron and steel company's production process, statistics the number, type, size of the inclusion in detail with the metallographic microscope, electron microscopy and energy spectrum analysis.from the impact of micro-inc

5、lusions on the billet crack this issue study and propose measures to improve and optimize the production process, attain the ultimate objective of improving the situation of the billet cracks, and the research has a strong practical significance.keywords: non-metallic inclusions; crack; billet31河北理工

6、大學(xué) 畢業(yè)論文目錄目錄引 言11 文獻(xiàn)綜述21.1鋼的純凈度和產(chǎn)品質(zhì)量21.1.1鋼的連鑄技術(shù)發(fā)展21.1.2連鑄對(duì)鋼水純凈度的要求21.2連鑄坯的生產(chǎn)21.3 連鑄坯質(zhì)量缺陷的分類31.3.1 裂紋31.3.2 爛邊51.3.3 夾渣61.4夾雜物的類型、組成71.4.1夾雜物按其來(lái)源可分為:71.4.2夾雜物按其形成時(shí)間的不同，又可分為四個(gè)階段的夾雜物：81.4.3夾雜物按其形態(tài)大致分為以下幾種：81.4.4夾雜物按其組成又可分為硫化物夾雜和氧化物夾雜：81.5 夾雜物的來(lái)源101.5.1 轉(zhuǎn)爐出鋼下渣101.5.2 大、中包包襯侵蝕101.5.3 鋼液的二次氧化101.5.4 中間包液面

7、低101.5.5 結(jié)晶器卷渣102 研究?jī)?nèi)容及方案122.1研究背景122.2 研究目的122.3 研究?jī)?nèi)容132.4 研究方法132.4.1取樣及試樣加工132.4.2金相顯微鏡光學(xué)分析132.4.3掃描電鏡能譜分析142.4.4夾雜物粒徑統(tǒng)計(jì)分布142.4.5夾雜物的數(shù)量和大小143 研究結(jié)果及分析153.1 鋼中主要夾雜物的類型153.2 各工序夾雜物數(shù)量183.3 鑄坯中夾雜物的分布193.3.1頭坯顯微夾雜物的數(shù)量、體積率和粒度的分布193.3.3正常坯顯微夾雜物的體積率隨內(nèi)外弧的變化224 結(jié)論24參考文獻(xiàn)26謝 辭28注 釋29附 錄30河北理工大學(xué)畢業(yè)論文引言引 言八十年代以來(lái)

8、，我國(guó)的連續(xù)鑄鋼技術(shù)發(fā)展非常迅速，到1993年，連鑄比達(dá)到了34% 在連鑄坯的生產(chǎn)中，遇到了許多鑄坯質(zhì)量缺陷，其中裂紋占鑄坯各種缺陷的50% 以上1連鑄坯出現(xiàn)裂紋輕的需要精整，嚴(yán)重的會(huì)造成廢品，在生產(chǎn)中，裂紋還會(huì)造成拉漏事故發(fā)生，影響連鑄機(jī)的正常生產(chǎn)，造成鋼水浪費(fèi)，從而，裂紋還會(huì)使鑄坯熱送技術(shù)和連鑄連軋技術(shù)的采用受到影響。為能夠有效地降低連鑄坯裂紋的發(fā)生率，本文將根據(jù)邢臺(tái)德龍鋼鐵公司的生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)裂紋附近樣品金相、電鏡和能譜分析等方法，對(duì)板坯裂紋產(chǎn)生的原因做了深入細(xì)致的分析總結(jié)，著重從顯微夾雜方面研究了產(chǎn)生裂紋的原因，并提出了改進(jìn)措施。河北理工大學(xué)畢業(yè)論文1 文獻(xiàn)綜述1.1鋼的純凈度和產(chǎn)

9、品質(zhì)量1.1.1鋼的連鑄技術(shù)發(fā)展連鑄技術(shù)是二十世紀(jì)鋼鐵工業(yè)的一項(xiàng)重要革命，它是連續(xù)地把鋼水澆注成型的工藝，它的出現(xiàn)從根本上改變了一個(gè)世紀(jì)來(lái)占統(tǒng)治地位的鋼錠初軋工藝，大大減少了能耗，使鋼鐵生產(chǎn)流程更加合理化。當(dāng)代連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)思想是奧鋼聯(lián)1968年提出的，已得到世界范圍的承認(rèn)和應(yīng)用。七十年代以來(lái)，出于經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量方面的考慮，連鑄技術(shù)不斷得到完善，從1975年到1985年10年間，全世界鋼的連鑄比從13.5%上升到49.9%，百萬(wàn)噸以上的全連鑄廠不斷出現(xiàn)。發(fā)展中國(guó)家89年以后也在積極推廣連鑄技術(shù)，到1994年底，世界范圍內(nèi)的連鑄產(chǎn)量己達(dá)5.31億噸左右，平均連鑄比為73.5%,已有22個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了全連

10、鑄。2從而使連鑄從緩慢發(fā)展的四、五十年代，到六、七十年代的穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展，乃至八十年代小方坯的工藝的日趨成熟，奠定了連鑄工藝廣闊發(fā)展的前景?？偟恼f(shuō)來(lái)，連鑄坯的年增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于鋼的增長(zhǎng)速度。在連鑄發(fā)展歷史上，方坯連鑄機(jī)的發(fā)展占據(jù)著舉足輕重的地位。1.1.2連鑄對(duì)鋼水純凈度的要求現(xiàn)在連鑄坯對(duì)雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物的要求，一是非金屬夾雜量數(shù)量要少，總氧量to要低；二是非金屬夾雜物尺寸要小。用于造船的中厚板材，除要求高強(qiáng)度、高精度及具備良好低溫韌性、焊接性、耐海水腐蝕性和規(guī)格多樣化外，特別要求抗層狀撕裂性能。只有當(dāng)方坯具有最小的偏析、良好的內(nèi)部致密度和低的不變形夾雜物時(shí)，上述要求才能得到滿足。因此，要求

11、連鑄坯總氧量to<10ppm，夾雜物尺寸<10m。31.2連鑄坯的生產(chǎn)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，大型造船業(yè)、海洋工程、橋梁、大口徑石油、天然氣輸送管線、大型壓力容器和貯罐、重型建筑結(jié)構(gòu)(特別是高層、防火、耐侯、大跨度和非對(duì)稱的空間結(jié)構(gòu)用途、機(jī)械工程的技術(shù)進(jìn)步和旺盛需求，極大地拉動(dòng)了寬后板的發(fā)展，低合金、高強(qiáng)度的寬厚板的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，到2010年我國(guó)寬厚板的年生產(chǎn)能力可達(dá)到2100萬(wàn)t以上。低合金、高強(qiáng)度寬厚板是典型的高技術(shù)含量和高附加值產(chǎn)品，它的自主供應(yīng)和滿足極端需求的能力，是國(guó)家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和安全的綜合能力的體現(xiàn)。4方坯連鑄是高品質(zhì)寬厚板生產(chǎn)流程中至關(guān)重要的一步，新建設(shè)的當(dāng)代最先進(jìn)的方坯

12、連鑄機(jī)的技術(shù)進(jìn)步主要反映在工藝裝備的日益優(yōu)化、機(jī)電液和工藝介質(zhì)的一體化裝備技術(shù)更加成熟，無(wú)缺陷鑄坯的生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)實(shí)用，自動(dòng)化系統(tǒng)和工藝控制水平不斷更新和完善，滿足生產(chǎn)實(shí)際需要的智能操作軟件的開發(fā)和應(yīng)用?，F(xiàn)代化方坯連鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效，品種鋼齊全。5近幾年來(lái)各廠方坯連鑄機(jī)普遍都采用了動(dòng)態(tài)收縮技術(shù)，為了有效地消除方坯的中心疏松和鋼液凝固過(guò)程鑄坯中心碳、硫、磷等元素富集而產(chǎn)生的偏析。6連鑄坯質(zhì)量在線實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)和自動(dòng)化集成體系，使其質(zhì)量管理從傳統(tǒng)的廢品率控制轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥刂乒に噮?shù)為主的無(wú)缺陷鑄坯生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝過(guò)程，優(yōu)化操作，最大限度提高無(wú)缺陷鑄坯的比率，同時(shí)能把不合格和有缺陷的鑄坯識(shí)別出來(lái)，不進(jìn)入軋

13、制，系統(tǒng)具備澆鑄策略和過(guò)程計(jì)算功能。7近幾年來(lái)，連鑄坯質(zhì)量在線判定評(píng)價(jià)系統(tǒng)越來(lái)越成熟。1.3 連鑄坯質(zhì)量缺陷的分類連鑄坯質(zhì)量缺陷形成原因有很多方面，但總體來(lái)講，主要是受結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固所控制。連鑄坯的質(zhì)量缺陷主要有裂紋、爛邊、夾渣等，其中鑄坯裂紋是影響連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的主要缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄坯各類缺陷中有50%為裂紋缺陷。鑄坯出現(xiàn)裂紋，輕者需進(jìn)行精整，重者會(huì)導(dǎo)致漏鋼和廢品，既影響連鑄坯產(chǎn)率，又影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)成本。81.3.1 裂紋裂紋包括表面裂紋與內(nèi)部裂紋，表面裂紋主要有：縱裂紋、橫裂紋、星形裂紋。主要影響中厚板的表面質(zhì)量。內(nèi)部裂紋主要有：角裂紋、中心裂紋、中間裂紋，主要影響中厚板的

14、內(nèi)部質(zhì)量?？偟膩?lái)講，鑄坯表面裂紋主要來(lái)源于結(jié)晶器凝固過(guò)程(保護(hù)渣、振動(dòng)、浸入式水口等因素影響)，內(nèi)部裂紋主要來(lái)源于二冷區(qū)。鑄坯在凝固過(guò)程中。一定受到外力的作用。這些外力主要有坯殼與結(jié)晶器的摩擦力、鋼水靜壓力、彎曲矯直力、內(nèi)應(yīng)力等。當(dāng)這些力超過(guò)鋼的臨界強(qiáng)度與臨界變形量，鑄坯產(chǎn)生裂紋。影響鑄坯裂紋的主要因素有：非金屬夾雜物、鋼的高溫凝固特性、設(shè)備性能、工藝性能。9圖1 由夾雜物引起的表面裂紋10連鑄坯的裂紋是在一定溫度條件下，鋼的變形超過(guò)其臨界值產(chǎn)生的，表面縱裂由于在結(jié)晶器內(nèi)凝固殼的生長(zhǎng)不均勻，導(dǎo)致在特定部位拉伸應(yīng)力的集中產(chǎn)生。其形狀如圖2.圖2 連鑄坯常見的表面裂紋示意圖1-橫向角部裂紋； 2-

15、縱向角部裂紋； 3-橫裂紋； 4-寬面縱向裂紋； 5-星形裂紋； 6-深振痕?？v裂紋是裂紋里面比較常見的一類，縱裂紋是指鋼錠表面發(fā)生的縱向裂紋，一般裂紋比較深，很難用研磨方法加以消除11?？v裂傾向較大的鋼有中碳鋼（如45鋼），含鉻，鎳-鉻的合金結(jié)構(gòu)鋼（如40cr，40crni等）；還有馬氏體鋼（如37crni3a)及萊氏體鋼（如鋒鋼等）。12大型鋼錠，圓形鋼錠也較易產(chǎn)生縱裂?？v裂產(chǎn)生主要是由于鋼錠表面激冷層薄弱處，不能承受鋼水作用的靜壓力和在冷凝過(guò)程中所產(chǎn)生的橫向收縮應(yīng)力和共同作用的結(jié)果。鋼錠表面激冷層過(guò)薄主要是注溫過(guò)高，注速過(guò)快，模子冷卻能力不夠造成的。至于冷凝過(guò)程中所產(chǎn)生的橫向收縮應(yīng)力（熱

16、應(yīng)力和組織應(yīng)力），則與鋼錠的冷卻過(guò)程有關(guān)。鋼錠在凝固過(guò)程中由于表面層的溫度下降比內(nèi)部快，致使內(nèi)外層存在較大的溫度差異，這種差異引起鋼錠內(nèi)外層體積收縮不一致，表面層先收縮部分必然受到內(nèi)層自由收縮，這叫熱應(yīng)力（因?yàn)檫@個(gè)力是由于溫度差造成的，而且其大小也與溫度差有關(guān)）。13一些鋼種的鋼錠在冷卻達(dá)到一定溫度時(shí)（650720左右）有結(jié)晶組織的轉(zhuǎn)變，伴隨有體積的突然膨脹，由于內(nèi)外層溫度差的存在，這種體積膨脹必然不會(huì)同時(shí)進(jìn)行。譬如表面層組織已轉(zhuǎn)變完，體積按正常冷卻過(guò)程開始收縮，而內(nèi)部正在發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，體積正在膨脹，這時(shí)膨脹的內(nèi)層必然給表面層一個(gè)明顯的拉應(yīng)力，這叫組織應(yīng)力（因?yàn)檫@個(gè)力主要是由于內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生

17、的），另外鋼錠冷卻時(shí)內(nèi)外層并不同時(shí)凝固。當(dāng)外層凝結(jié)成一個(gè)整體時(shí)，內(nèi)部還有鋼液，這些未凝的鋼液對(duì)外層鋼殼有靜壓力，力圖把這層殼拉破。圓錠比方錠單位體積所具有的表面積小，這種靜壓力就大一些。當(dāng)這三種力量之和超過(guò)鋼錠當(dāng)時(shí)所具有的強(qiáng)度和韌性時(shí)，便產(chǎn)生縱裂。14其實(shí)早在結(jié)晶器閃坯殼表面就存在細(xì)小裂紋。鑄坯進(jìn)入二冷區(qū)后，微笑裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成明顯裂紋。由于結(jié)晶器彎月面出生坯殼厚度不均勻，其承受應(yīng)力超過(guò)了坯殼高溫強(qiáng)度，在薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中致使縱向裂紋17。坯殼承受的應(yīng)力包括：（1）由于坯殼內(nèi)外，上下存在溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力；（2）鋼水靜壓力阻礙坯殼凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力；（3）坯殼與結(jié)晶器壁不均勻接觸而產(chǎn)生的摩擦力

18、。以上這些應(yīng)力的總和超過(guò)了鋼的高溫強(qiáng)度，致使鑄坯薄弱部位產(chǎn)生裂紋。151.3.2 爛邊 爛邊是軋機(jī)軋制后產(chǎn)生的一種板卷邊部缺陷的一種質(zhì)量問(wèn)題，大部分為鑄坯的邊部缺陷引起。其形式主要有三種：鑄坯角部沿振痕產(chǎn)生的橫裂紋，連鑄坯窄面的褶皺和縮孔，連鑄坯寬面角部的褶皺。這三種鑄坯缺陷都能造成板卷上的質(zhì)量缺陷。如碎邊、掉塊、裂邊等，統(tǒng)稱為板卷爛邊缺陷。16鑄坯角部沿振痕的橫裂紋在軋機(jī)是不能軋合的，會(huì)造成板卷掉塊現(xiàn)象。角橫裂缺陷主要是發(fā)生在中碳鋼（碳含量0.08%0.18%）的連鑄坯角部寬面振痕的凹部，有的鋼種還含有nb、v等裂紋敏感元素，根據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖可知，高溫鋼液凝固到1495時(shí)，會(huì)發(fā)生d（鐵素體

19、）+ l（液相）c（奧氏體）的包晶反應(yīng)，由于伴隨包晶反應(yīng)出現(xiàn)較大的體積變化和線收縮，凝固收縮和鋼水靜壓力的不均衡作用使連鑄坯粗糙、折皺，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)凹陷，凹陷處應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋。17若有過(guò)大附加的外界機(jī)械應(yīng)力作用在坯殼上，會(huì)加劇微裂紋的擴(kuò)大。根據(jù)鋼的高溫脆性曲線可知，鋼從液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程中，存在著三個(gè)延性低下的脆性區(qū)。i為由熔點(diǎn)至固相線以下50，該區(qū)鋼的高溫強(qiáng)度和塑性都很低，極易在固液兩相區(qū)產(chǎn)生裂紋。ii為加熱溫度區(qū)，鋼處于奧氏體單相狀態(tài)，硫化物在c晶界的析出會(huì)引起晶界脆化。iii為發(fā)生ca的相變引起的脆性增加。高溫下，鋼的三個(gè)脆化區(qū)，其中iii700900的脆化區(qū)對(duì)角部橫裂紋影響較大。如

20、果二次冷卻強(qiáng)度過(guò)大，矯直溫度處于900700脆化區(qū)間時(shí)，極易產(chǎn)生角部橫裂。18因此，適當(dāng)調(diào)整二次冷卻強(qiáng)度，依據(jù)鋼種不同，使矯直溫度從900700的“口袋區(qū)”兩側(cè)避開，為防止鑄坯上的角橫裂基本上控制連鑄坯表面溫度在900以上為宜。鋼的成分以及鋼在6001400的力學(xué)行為是鋼坯產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，而鑄坯在鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，坯殼受摩擦力、鼓脹力、機(jī)械力等拉坯阻力的作用是生裂紋的外因，當(dāng)材料受到的應(yīng)力超過(guò)其忍耐強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋，因此我們攻關(guān)著眼于結(jié)晶器內(nèi)坯殼的均勻緩冷、二冷區(qū)的均勻冷卻以及減少作用在凝固殼上的機(jī)械應(yīng)力等方面，再有微量元素對(duì)iii區(qū)的脆性影響不容忽視，s、o、n、al、nb對(duì)延性的影響比較

21、大，特別是nb、al、n對(duì)延性的影響，這些元素都擴(kuò)大了iii的脆性范圍。s、o以硫化物和氧化物的形式在晶界析出，使連鑄坯發(fā)生脆化；n能促進(jìn)薄膜狀出生鐵素體的生成，它和s、o一樣，都已產(chǎn)生晶界析出；nb、v能抑制奧氏體區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這些作用都使連鑄坯的脆性加重。191.3.3 夾渣1）由耐材、氧化產(chǎn)物等物質(zhì)構(gòu)成的夾渣分為兩類第一種是金屬夾渣：（1）耐材的卷入，由于中間包耐材的清掃不徹底和烘烤中間包是耐材的剝落，造成耐材成塊狀卷入結(jié)晶器鋼水中產(chǎn)生夾渣。鑄坯中的大型夾雜物主要來(lái)源于脫氧產(chǎn)物與中間包液面的污染。（2）澆鑄初期鋼水的沖刷使中間包內(nèi)灰縫材料等流入結(jié)晶器內(nèi)造成夾渣。（3）用保護(hù)渣澆鑄時(shí)，由

22、于液位波動(dòng)使未溶解保護(hù)渣咬入形成夾渣。20第二種是氧化物或絡(luò)合物的夾渣：（1）一次氧化產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物如硅錳酸鹽及三氧化二鋁，由于上浮不及時(shí)造成夾渣。（2）用保護(hù)渣澆鑄時(shí)，上浮到液面上的夾雜物（主要是al2o3 ）由于不能溶解到保護(hù)渣熔融層中al2o3富集，使保護(hù)渣溶解吸收al2o3的能力降低造成的。（3）大包燒氧或其它原因使中間包水口堵塞，al2o3夾雜大量形成而來(lái)不及上浮會(huì)大量的進(jìn)入結(jié)晶器鋼水中形成夾渣。重則板卷裂邊，輕則形成夾渣。212）由氧化鐵皮鑲嵌在坯殼表面引起的夾渣：主要因?yàn)檐垯C(jī)除磷系統(tǒng)的原因引起，除磷不徹底，再有連鑄扇形段內(nèi)的氧化鐵皮的富集是氧化鐵皮鑲嵌在坯殼表面的原因之一。

23、1.4夾雜物的類型、組成1.4.1夾雜物按其來(lái)源可分為:(1)內(nèi)生夾雜：由于鋼液的二次氧化，鋼中的脫氧產(chǎn)物形成的夾雜，其特點(diǎn)是： ·o溶，脫氧產(chǎn)物增加； ·夾雜物尺寸細(xì)小<20m； ·在鋼包精煉攪拌，大部分夾雜物上??； ·一般來(lái)說(shuō)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不構(gòu)成大的危害； ·鋼成分和溫度變化時(shí)有新的夾雜物沉淀（<5m）。 在連鑄坯中常見的內(nèi)生夾雜（micro-inclusions）: 鋁鎮(zhèn)靜鋼（al-k）: al2o3 硅鎮(zhèn)靜鋼（si-k）：硅酸錳（mno·sio2）或mno·sio2 ·al2o3 鈣處理al-k鋼

24、： 鋁酸鈣 鈦處理al-k鋼： al2o3，tio2，tin 鎂處理al-k鋼： 鋁酸鎂 所有鋼： mns（凝固時(shí)形成，以氧化物夾雜形核）22（2)外來(lái)夾雜：耐火材料的脫落、鋼液卷渣和保護(hù)渣產(chǎn)生的夾雜，其特點(diǎn)是： ·夾雜物粒徑>50m，甚至幾百m； ·組成復(fù)雜； ·來(lái)源廣泛； ·偶然性分布； ·對(duì)產(chǎn)品性能危害最大。23 生產(chǎn)潔凈鋼，就是要減少鋼中夾雜物，尤其是要為減少大顆粒夾雜物而奮斗。1.4.2夾雜物按其形成時(shí)間的不同，又可分為四個(gè)階段的夾雜物：（1）一次夾雜物（亦稱原生夾雜物）：向爐內(nèi)或鋼包內(nèi)加入脫氧劑后立即生成夾雜物。（2）二次夾雜

25、物：出鋼和澆注過(guò)程中，冷卻到液相線之前，由于溫度下降平衡移動(dòng)產(chǎn)生的夾雜物。（3）三次夾雜物：凝固過(guò)程中生成的夾雜物又稱為再生夾雜物。（4）四次夾雜物：固態(tài)相變時(shí)因溶解度發(fā)生變化生成的夾雜物。241.4.3夾雜物按其形態(tài)大致分為以下幾種：（1）類球形夾雜 ：金相定性為含sio2較高的硅酸鹽玻璃相。電鏡分析為含鋁錳硅酸鹽。25（2）類球形夾雜：金相定性為錳硅酸鹽夾雜，但含錳相對(duì)增加，含si相對(duì)減少。電鏡分析與前者相比，si有所下降，而al有所增加。（3）大球形復(fù)合夾雜： 尺寸較大，但數(shù)量很少。該類夾雜大致為含ca12.21%的硅酸鹽夾雜及硅錳酸鹽的基體上有zro，al2o3及稀土復(fù)合相的復(fù)合型夾雜

26、。（4）角粒形夾雜：金相定性為高熔點(diǎn)脆性?shī)A雜。但未發(fā)現(xiàn)有成簇的分布狀態(tài)。電鏡分析為鐵鋁尖晶石類夾雜。261.4.4夾雜物按其組成又可分為硫化物夾雜和氧化物夾雜：（1）硫化物夾雜：鋼中硫化物主要是mns、fes(mn、fe)s和cas夾雜。硫化物夾雜是鋼中主要的夾雜物之一，對(duì)鋼材的性能有很大的影響。硫化物在金相明場(chǎng)下為淡黃色，在暗場(chǎng)下不透明，在偏振光下有強(qiáng)的各向異性。27硫化物夾雜按其形態(tài)可分為三種：類硫化物的特征為球狀，無(wú)規(guī)則分布，多為單相；類硫化物沿晶界分布或呈扇狀；類硫化物呈塊狀或角形，無(wú)規(guī)則分布。對(duì)于硫化物形態(tài)影響的因素有很多。其中，氧是影響形態(tài)最顯著的因素。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋼中氧含量大于0.

27、012%時(shí)，形成類硫化物，小于0.008%時(shí)，形成類硫化物，在0.008%至0.012%之間時(shí)，形成類硫化物。類、類硫化物都是在鋼液凝固時(shí)析出的，類硫化物是從熔液中呈固態(tài)沉淀的。另外有人認(rèn)為，慢冷時(shí)形成類或類硫化物，快冷時(shí)形成類硫化物。而且硫化物的數(shù)目和顆粒大小也受冷卻速度的影響。其中，隨著基本冷卻速度的增大，硫化物的數(shù)目明顯增多。11為了減小由于硫化物的取向不同造成的各向異性對(duì)鋼材性能的影響，可采取加一些合金元素的方法來(lái)控制其形態(tài)。（2）氧化物夾雜28：包括mno、feo及（fe、mn）o夾雜。它們?cè)谑覝叵履芎徒饘僖黄鹱冃?，隨溫度升高逐漸喪失變形能力。氧化物夾雜是鋼液中存在的主要夾雜之一。鋼

28、中析出的氧化物夾雜主要來(lái)自三部分：是在煉鋼溫度下合金化和鋁終脫氧時(shí)析出的脫氧產(chǎn)物，稱為一次脫氧產(chǎn)物。鋼液從精煉溫度冷卻至液相線溫度過(guò)程中析出的脫氧產(chǎn)物，稱為二次脫氧產(chǎn)物。下圖為氧化夾雜物的分類和來(lái)源：圖3 氧化夾雜物的來(lái)源1.5 夾雜物的來(lái)源鑄坯的夾雜物可能有以下因素引起29：1.5.1 轉(zhuǎn)爐出鋼下渣擋渣出鋼效果相對(duì)較差，出鋼時(shí)帶入鋼包中的爐渣較多，再加上使用過(guò)的鋼包有的不太干凈，出鋼使很多剩渣裹在鋼液中，污染了鋼液。有的爐次吹煉不好，直接澆注，脫氧的產(chǎn)物及鋼液中懸浮的爐渣不能充分上浮，也造成鋼液的污染。1.5.2 大、中包包襯侵蝕大包下部用澆鑄打結(jié)上部用鎂鈣磚修砌，在一定程度上減輕了包襯侵蝕

29、污染鋼液，但仍有不少包襯侵蝕物進(jìn)入鋼液中。中間包填充料污染的鋼液極易通過(guò)浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，所形成的夾雜物的尺寸也是最大的，對(duì)鋼板性能的破壞也是最明顯。另外，澆注后期涂料侵蝕透后，中間包打結(jié)料進(jìn)入鋼液也能造成污染。1.5.3 鋼液的二次氧化鋼液由大包到中間包雖然采用全程密封保護(hù)，但在實(shí)際使用中，上部鋼流往往暴露與空氣中造成二次氧化。還有澆注過(guò)程中用氧氣燒高壓保護(hù)箱內(nèi)壁上的鋼瘤等時(shí)形成的氧化物極易進(jìn)入結(jié)晶器凝入坯殼。精煉爐吹氬時(shí)，片面追求快速降溫或縮短精煉時(shí)間，氬氣壓力過(guò)高，使大包液面翻動(dòng)過(guò)大，一方面造成鋼液面裸露二次氧化，另一方面，液面過(guò)度翻動(dòng)使表面渣層裹入鋼液，污染鋼水。1.5.4 中間包

30、液面低澆注過(guò)程中，上下爐鋼水連接時(shí)，往往由于生產(chǎn)組織等原因造成連接不好，下爐鋼水不能及時(shí)再澆，中間包液面過(guò)低，上層的渣子隨水口旋渦進(jìn)入結(jié)晶器。1.5.5 結(jié)晶器卷渣由于操作過(guò)程中浸入式水口的插入深度的變化和側(cè)孔角度偏小，造成結(jié)晶器液面的波動(dòng)，而結(jié)晶器液面上下波動(dòng)使保護(hù)渣卷入最易造成鑄坯彎月面處初生坯殼皮下卷渣。30圖4 夾雜物的來(lái)源圖312 研究?jī)?nèi)容及方案2.1研究背景邢臺(tái)德龍鋼鐵公司生產(chǎn)q195鋼的工藝流程為：ld轉(zhuǎn)爐鋼包吹氬處理連鑄，鋼的成分見下表：表1 q195鋼成分表(ppm)csmps36121734411122918q195鋼的生產(chǎn)工藝參數(shù)見下表：表2 q195鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)爐號(hào)供

31、氧時(shí)間出鋼溫度脫氧劑加入量吹氬時(shí)間中包溫度5（）中包溫度25（）中包液面（mm）硅鋁鐵23048951668104915431545600230587816821048154815396002306879169010410154815446002307858167596101548154460023088921695120101530152770023098681705112915311522700231090617071201015581545700231183716641048154115407002312883168010491551154870023138541690104815481

32、5477002314885-1127154115467002.2 研究目的（1）揭示顯微夾雜行為規(guī)律；（2）分析顯微夾雜對(duì)鑄坯裂紋的影響，揭示顯微夾雜行為規(guī)律。2.3 研究?jī)?nèi)容（1）顯微夾雜在各工序的數(shù)量、類型；（2）顯微夾雜粒度的分布；（3）顯微夾雜體積率在鑄坯厚度上的分布；（4）顯微夾雜形成的原因及對(duì)裂紋的影響。2.4 研究方法2.4.1取樣及試樣加工在鋼包吹氬前、吹氬后、中間包前和中間包后各取一塊20×40mm的過(guò)程樣，再將每塊過(guò)程樣切成20×10mm的小塊，觀察其斷面。在頭坯，連接坯，正常坯中各取一塊150×150×20mm的薄片試樣。在150&

33、#215;150×20mm薄片試樣的中心線處沿內(nèi)外弧方向切寬約10mm的鋼條，并將其等分為10段，依次標(biāo)號(hào)為110#。將試樣磨平(依次使用120#，240#，320#，400#，500#，600#，700# ，800#砂紙)、拋光，使觀察面沒(méi)有劃痕，以便于觀察夾雜物。將磨好的試樣用水沖洗、烘干。32圖5 試樣加工示意圖2.4.2金相顯微鏡光學(xué)分析用金相光學(xué)顯微鏡觀察試樣，主要是在500倍下觀察夾雜物的尺寸、形狀、數(shù)量、分布情況和光學(xué)性質(zhì)。對(duì)于個(gè)別特殊的夾雜如卷渣和裂紋，依具體情況用200倍或更低倍數(shù)來(lái)觀察。在試樣的金相觀察中，除了了解夾雜物的粗略分布情況外，還要完成三項(xiàng)工作：一是選出

34、各種典型夾雜物所在的試樣以備電鏡使用;二是對(duì)試樣進(jìn)行拍照，每個(gè)試樣選100個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行拍照;三是對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行粒度評(píng)級(jí)。2.4.3掃描電鏡能譜分析經(jīng)金相光學(xué)顯微鏡觀察的夾雜物，再在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行顯微分析，并利用能譜分析對(duì)典型夾雜物進(jìn)行定量的成分分析。本實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)掃描和區(qū)域掃描進(jìn)行定量成分分析。掃描電鏡是用來(lái)觀察物體(材料試樣或零件)表面和斷口微區(qū)形貌的電子光學(xué)儀器，它將經(jīng)聚焦而得到的很細(xì)的電子束投射到物體上，由物體表層激發(fā)出的二次電子等信息被收集、處理和顯示，從而得到被電子束掃描照射區(qū)域的形貌信息。將掃描電鏡與x射線能譜儀聯(lián)機(jī)使用，可以得到被電子束掃描區(qū)域的形貌和化學(xué)元素分布的信息。2.4

35、.4夾雜物粒徑統(tǒng)計(jì)分布用金相光學(xué)顯微鏡（zeiss ax overt 200mat）在500倍下觀察,利用測(cè)微目鏡,將夾雜物粒徑分成五個(gè)范圍，即分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)視場(chǎng)中粒徑5m、5m10m、10m20m三個(gè)范圍的夾雜物的個(gè)數(shù)，每個(gè)試樣選100個(gè)視場(chǎng)，每個(gè)視場(chǎng)的面積為270×200m2。2.4.5夾雜物的數(shù)量和大小用金相光學(xué)顯微鏡在500倍的情況下對(duì)小樣進(jìn)行觀察，平均每個(gè)試樣選100個(gè)視場(chǎng)，利用測(cè)微目鏡分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)視場(chǎng)中粒徑5m、5m10m、10m20m的夾雜物的個(gè)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)的多是球形的夾雜物，其它形狀?yuàn)A雜物含量極少。夾雜物統(tǒng)計(jì)方法有：（1）面積統(tǒng)計(jì)法：33夾雜物面積統(tǒng)計(jì)法計(jì)算公式如下

36、：式中：i單位面積上相當(dāng)于當(dāng)量直徑b的夾雜的個(gè)數(shù)（個(gè)/mm2）；b夾雜當(dāng)量直徑，本計(jì)算中b=7.5m；si不同級(jí)別夾雜的平均面積mm2； ni各級(jí)夾雜個(gè)數(shù)；f視域面積，500倍時(shí)，f=270×200m2；n視場(chǎng)數(shù)，本計(jì)算中為100。在本論文中，顯微夾雜物數(shù)量 i 為單位面積上相當(dāng)于當(dāng)量直徑為7.5m的夾雜物的個(gè)數(shù)。（2）體積率統(tǒng)計(jì)法：34體積率統(tǒng)計(jì)法計(jì)算公式如下：式中：q顯微夾雜體積率（%）；si不同級(jí)別夾雜的平均面積（mm2）；ni各級(jí)夾雜個(gè)數(shù)；f視域面積，500倍時(shí)，f=270×200m2；n視場(chǎng)數(shù)，本計(jì)算中為100。3 研究結(jié)果及分析3.1 鋼中主要夾雜物的類型根據(jù)夾

37、雜物的形貌并結(jié)合 kyky-2800 型掃描電子顯微鏡分析，鋼中的顯微氧化物夾雜物主要分為以下 3類：(1) 球狀、塊狀或三角形 al2o3 夾雜物：此類夾雜呈深色的不規(guī)則形狀，為鋁脫氧產(chǎn)物，通常其顏色為灰色或淺灰色，粒徑較小，是鋼中主要的夾雜物。（如圖 6）。 圖6 三角和球形al2o3夾雜物形貌(2) 鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜：球狀或橢球狀?yuàn)A雜物，形體四周顏色比較深，但中間部位顏色比較淺為透明或淺灰色，它的粒度直徑都大于10mm。在鋼中含量很少（如圖7）。圖7 鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜形貌(3) 硫化物夾雜：周圍顏色比較深，中間部位顏色較淺，通常為淺黃色（如圖8）。圖8 mns夾雜形貌典型夾雜物能譜如下圖

38、所示：圖9 氧化鋁夾雜能譜圖10 鈣鋁酸鹽復(fù)合夾雜能譜圖11 硫化錳夾雜能譜3.2 各工序夾雜物數(shù)量將每道工序的試樣在金相顯微鏡下觀察，每個(gè)試樣取100個(gè)視場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)夾雜物的數(shù)量如下圖所示。（1）鋼包吹氬轉(zhuǎn)爐出鋼后，在鋼包中對(duì)鋼水進(jìn)行底吹氬處理，由圖12可以看出鋼中夾雜物數(shù)量有了明顯降低，這是由于鋼包底吹氬氣由于氬氣的攪拌作用，有利于夾雜物的聚集和上浮，最終進(jìn)入渣中。圖12 吹氬前后夾雜物的數(shù)量變化(2)中間包鋼水由鋼包吹氬后，倒入中間包 ，再通過(guò)水口倒入結(jié)晶器中，中間包的鋼水表面覆蓋有保護(hù)渣，由圖13可以看出鋼水在中間包前后夾雜物的數(shù)量有所降低，但降低的不多，這是由于：一方面鋼水從鋼包轉(zhuǎn)入中間

39、包時(shí)會(huì)吸氣，會(huì)形成新的夾雜物；另一方面由于中間包內(nèi)有保護(hù)渣，保護(hù)渣會(huì)吸收一部分夾雜物。綜合以上兩方面因素，鋼水通過(guò)中間包時(shí)夾雜物數(shù)量沒(méi)有明顯變化。圖13 中間包前后夾雜物的數(shù)量變化3.3 鑄坯中夾雜物的分布在頭坯、中間坯、穩(wěn)定坯中各取一塊150×150×20的試樣，在每塊試樣中沿鑄坯厚度方向在中心處各取一條150×20×10的試樣，將長(zhǎng)條試樣從內(nèi)弧到外弧方向平分成10塊，依次編號(hào)1#10#，在金相顯微鏡下觀察統(tǒng)計(jì)夾雜物數(shù)量，再計(jì)算出體積率，如下圖所示。3.3.1頭坯顯微夾雜物的數(shù)量、體積率和粒度的分布圖14 頭坯夾雜物的數(shù)量分布圖15 頭坯夾雜物的體積率

40、分布圖16 頭坯夾雜物的粒度分布由圖14可見，頭坯夾雜物的數(shù)量先升高后降低，在內(nèi)弧側(cè)達(dá)到最大值27.43個(gè)/2，由圖15可見，夾雜物體積率的變化趨勢(shì)與夾雜物的數(shù)量變化趨勢(shì)類似最高達(dá)到0.12%，與連接坯和正常坯相比頭坯的夾雜物數(shù)量和體積率都比較高，由圖16可見，頭坯夾雜物的粒度集中在05m， 510m的次之。在開澆時(shí)，中間包內(nèi)襯溫度低，鋼水溫度損失大，此時(shí)鋼水污染最嚴(yán)重，且保護(hù)渣未全部熔化，不能有效及時(shí)地吸收夾雜。而且，鋼液沒(méi)有被保護(hù)渣全部覆蓋，鋼水二次氧化嚴(yán)重，注流又不穩(wěn)定等多種原因?qū)е聤A雜物不能上浮。剛注入的鋼水溫度迅速降低，夾雜物充當(dāng)鋼水結(jié)晶核心，上浮的夾雜物又在其上繼續(xù)沉淀，導(dǎo)致夾雜物

41、難以上浮，且未熔化的渣粉還會(huì)因注流不穩(wěn)定而造成夾渣和大型夾雜物的產(chǎn)生。因此頭坯顯微夾雜物的數(shù)量和體積率較高，其中頭坯邊部夾雜主要分布在靠近內(nèi)弧側(cè)，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。一方面，鋼水溫度的降低，使得鋼水黏度升高，導(dǎo)致細(xì)小夾雜留在鋼中；另一方面，由于枝晶凝固偏析的結(jié)果，雜質(zhì)元素富集，使得脫氧反應(yīng)重新發(fā)生，并且這時(shí)形成的夾雜物被正在生長(zhǎng)著的枝晶包裹在里面，不能上浮排出，導(dǎo)致夾雜趨向于偏內(nèi)弧側(cè)聚集。3.3.2連接坯顯微夾雜物的數(shù)量、體積率和粒度的分布圖17 連接坯夾雜物數(shù)量的分布圖18連接坯夾雜物體積率的分布圖19連接坯夾雜物粒度的分布從圖中可以看出，連接坯的夾雜物數(shù)量和體積率較頭坯都有所降低，最大值都出

42、現(xiàn)在距內(nèi)弧約1/3處，粒度組成方面，05m的夾雜物數(shù)量有所降低，而510m的有所升高。開澆一段時(shí)間后，中間包內(nèi)襯溫度升高，鋼水溫度損失減小，保護(hù)渣已基本熔化，吸收夾雜的能力增大，因此夾雜物的數(shù)量有了進(jìn)一步降低。3.3.3正常坯顯微夾雜物的體積率隨內(nèi)外弧的變化圖20 正常坯夾雜物的數(shù)量分布圖21 正常坯夾雜物的體積率分布圖22 正常坯夾雜物的粒度分布由圖可見，正常坯夾雜物的數(shù)量已降到了10以下，夾雜物的體積率也降到了0.035%以下，在靠近內(nèi)弧1/4處出現(xiàn)最大值，05m的夾雜物數(shù)量有所升高，而510m的有所降低。正常坯處于穩(wěn)定澆鑄的條件下，該處的夾雜物的分布應(yīng)能正確反映鑄坯中夾雜物的一般分布規(guī)律

43、，如果此時(shí)澆注各方面都處于正常，拉速平穩(wěn)，夾雜物便會(huì)呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。從圖可知，夾雜物的數(shù)量和體積率都有了明顯的降低，這是因?yàn)樵诜€(wěn)定澆鑄條件下，夾雜物被除去的最徹底，粒度也比較細(xì)小均勻。4 結(jié)論鑄坯夾雜物是裂紋產(chǎn)生的起點(diǎn)，過(guò)度集中的應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的動(dòng)力，35大部分裂紋附近的夾雜物含量都比較高，夾雜物對(duì)鑄坯裂紋的影響不僅取決于夾雜物類型，而且與其組成、形態(tài)、數(shù)量、大小及分布等因素密切相關(guān)。減少夾雜物對(duì)鑄坯裂紋的影響，可從以下幾個(gè)方面考慮：361)最大限度地減少外來(lái)夾雜加強(qiáng)原料的管理，對(duì)廢鋼，生鐵，合金，石灰，螢石，礦石等力求做到清潔，干燥，分類保存.提高爐襯質(zhì)量，并加強(qiáng)對(duì)爐襯的維護(hù)，盡量減少

44、其侵蝕，剝落。加強(qiáng)氧化操作，利用脫碳反應(yīng)去除原材料帶入的夾雜物和爐襯的侵蝕物。出鋼前調(diào)整好爐渣的流動(dòng)性，出鋼后保證鋼液在鋼包中鎮(zhèn)靜時(shí)間可以利于爐渣充分上浮，電弧爐煉鋼嚴(yán)禁電石渣下出鋼等，防止鋼液混渣。提高澆注系耐火材料的質(zhì)量并做好清潔工作，減少耐火材料顆粒夾雜。2)有效地控制內(nèi)生夾雜生產(chǎn)中控制內(nèi)生夾雜的措施主要有：(1)根據(jù)鋼的質(zhì)量要求選擇合適的冶煉方法和工藝，如轉(zhuǎn)爐冶煉，電爐爐冶煉，配加爐外精煉等。(2)依據(jù)所冶煉鋼種制定合理的脫氧制度并正確地組織脫氧操作，包括采用綜合脫氧，使用復(fù)合脫氧劑并加強(qiáng)攪拌等，促進(jìn)脫氧產(chǎn)物上浮，盡量減少鋼中的一次夾雜物，同時(shí)最大限度地降低鋼液中的溶解氧，有效地控制鋼

45、液冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的二次夾雜和三次夾雜的數(shù)量。(3)對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋼和特殊要求的鋼，采用添加變質(zhì)劑，熱加工和熱處理等方法，改善殘留夾雜物的形態(tài)及分布，減輕夾雜物的危害。3) 防止或減少鋼液的二次氧化已脫氧的鋼液，在出鋼和澆注過(guò)程中與大氣（或其它氧化性介質(zhì)）接觸再次氧化的現(xiàn)象，稱為“二次氧化”。研究發(fā)現(xiàn)，二次氧化產(chǎn)物的顆粒比脫氧產(chǎn)物大的多，而且二次氧化產(chǎn)物的多少往往與鋼液溫度高低，鋼液與大氣接觸面積大小，接觸時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)，因此在出鋼和澆注過(guò)程中，一定要做好以下三方面的工作來(lái)防止或減少鋼液的二次氧化:(1)控制好出鋼溫度。其它條件相同時(shí)，出鋼溫度越高，鋼液在出鋼或澆注過(guò)程中二次氧化越嚴(yán)重。因此，實(shí)際

46、操作中應(yīng)控制好出鋼溫度，盡量避免高溫出鋼。(2)掌握正確的出鋼操作。出鋼時(shí)要開大出鋼口并維護(hù)好出鋼口的形狀，保證鋼流不散流或過(guò)細(xì)，減少鋼液與大氣的接觸面積和縮短出鋼時(shí)間。對(duì)夾雜要求嚴(yán)格的鋼種，最好采用氣體保護(hù)出鋼。(3)注意保護(hù)澆注。連鑄時(shí)采用浸入式水口與保護(hù)渣組合的無(wú)氧化澆注技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 何成修等. 低碳鋼中白點(diǎn)的研究，（遼寧冶金）1987 ,6，p582 史宸興實(shí)用連鑄冶金技術(shù)冶金出版社，19983 劉青等方坯高效連鑄的核心技術(shù)寶鋼技術(shù)，1996，4：7104 武金波發(fā)展高效連鑄提高連鑄生產(chǎn)水平，邯鄲科技，1997，2：1015 王洪利. 轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為d. 河

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