超低氧特殊鋼的脫氧、精煉與非金屬夾雜物控制

1、超低氧特殊鋼的脫氧、精煉與超低氧特殊鋼的脫氧、精煉與 非金屬夾雜物控制非金屬夾雜物控制王新華王新華2010年年9月月1 一、前言一、前言v特殊鋼包括的鋼類很多，如碳特殊鋼包括的鋼類很多，如碳結(jié)鋼、合結(jié)鋼、不銹鋼、硅鋼、結(jié)鋼、合結(jié)鋼、不銹鋼、硅鋼、耐熱鋼、高溫和精密合金等；耐熱鋼、高溫和精密合金等；v我國特殊鋼廠早期產(chǎn)品種類繁我國特殊鋼廠早期產(chǎn)品種類繁多，近年來多數(shù)轉(zhuǎn)為以生產(chǎn)合多，近年來多數(shù)轉(zhuǎn)為以生產(chǎn)合結(jié)鋼、碳結(jié)鋼、彈簧、軸承、結(jié)鋼、碳結(jié)鋼、彈簧、軸承、易切削鋼等棒線材為主；易切削鋼等棒線材為主；v本文主要針對特殊鋼中用量最本文主要針對特殊鋼中用量最大的高強度合結(jié)鋼（軸件、齒大的高強度合結(jié)鋼（軸

2、件、齒輪、彈簧、軸承、緊固件用鋼輪、彈簧、軸承、緊固件用鋼等）冶金工藝技術。等）冶金工藝技術。23特殊鋼零部件的疲勞破壞特殊鋼零部件的疲勞破壞v特殊鋼零部件多在交變（沖擊、扭特殊鋼零部件多在交變（沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲、擠壓、摩擦等）載荷下轉(zhuǎn)、彎曲、擠壓、摩擦等）載荷下工作；工作；v疲勞破壞是導致工件失效的重要原疲勞破壞是導致工件失效的重要原因，而鋼中非金屬夾雜物往往成為因，而鋼中非金屬夾雜物往往成為疲勞裂紋的起源；疲勞裂紋的起源；v特殊鋼非金屬夾雜物控制要求最為特殊鋼非金屬夾雜物控制要求最為嚴格、苛刻（數(shù)量、尺寸、組成、嚴格、苛刻（數(shù)量、尺寸、組成、性能等）。性能等）。4夾雜物引發(fā)疲勞破壞的機理夾

3、雜物引發(fā)疲勞破壞的機理v夾雜物的彈性模量、熱膨脹系數(shù)夾雜物的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等與鋼基體顯著不同：等與鋼基體顯著不同：v不能均勻傳遞基體所經(jīng)受的應不能均勻傳遞基體所經(jīng)受的應力、應變，夾雜物周邊形成力、應變，夾雜物周邊形成“應力集中應力集中”；v由于熱膨脹系數(shù)不同，鋼熱加由于熱膨脹系數(shù)不同，鋼熱加工后夾雜物周邊產(chǎn)生壓應力或工后夾雜物周邊產(chǎn)生壓應力或拉應力。拉應力。v夾雜物周邊各種應力疊加，當超過鋼的強度極限時，夾雜物夾雜物周邊各種應力疊加，當超過鋼的強度極限時，夾雜物鋼基體界面產(chǎn)生裂紋成為疲勞破壞源鋼基體界面產(chǎn)生裂紋成為疲勞破壞源5非金屬夾雜物熱膨脹系數(shù)非金屬夾雜物熱膨脹系數(shù)R. Kiessl

4、ing, Non-metallic Inclusion in Steel, The Institute of Metals，London, 1989，4693“B類類”或或“D類類”“D類類”6夾雜物的變形性能具有重要影響夾雜物的變形性能具有重要影響如夾雜物在鋼熱加工過程不變形或變形如夾雜物在鋼熱加工過程不變形或變形程度很小，在鋼基體與夾雜物界面經(jīng)常程度很小，在鋼基體與夾雜物界面經(jīng)常會產(chǎn)生微小裂紋或間隙，在工件服役過會產(chǎn)生微小裂紋或間隙，在工件服役過程成為疲勞裂紋源。程成為疲勞裂紋源。 工件服役過程，高熔點硬質(zhì)夾工件服役過程，高熔點硬質(zhì)夾雜物周邊應力集中程度顯著高雜物周邊應力集中程度顯著高于低

5、熔點軟質(zhì)夾雜物。于低熔點軟質(zhì)夾雜物。三村毅，第三村毅，第182 183回西山紀念技術講座，回西山紀念技術講座，NMS-ISIJ，東京，東京 神戶，神戶，2004，p.127 夾雜物對鋼疲勞性能的影響夾雜物對鋼疲勞性能的影響7不同類別夾雜物對鋼疲勞性能的影響不同類別夾雜物對鋼疲勞性能的影響J. Monnot, et al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.1498“B類類”或或“D類類”“B類類”或或“D類類”夾雜物控制誤區(qū)夾雜物控制誤區(qū)v過度強調(diào)對夾雜物種類的控制：過度強調(diào)對夾雜物種類的控制：vB類夾雜物類夾雜物 鏈串狀鏈串狀Al2O3或或CaO-Al2O

6、3系夾雜物；系夾雜物；vD類夾雜物類夾雜物 MgO-Al2O3系或系或CaO-Al2O3系不變形夾雜物。系不變形夾雜物。vSi-Mn脫氧；脫氧；v低堿度或較低堿度精煉渣系；低堿度或較低堿度精煉渣系；v電渣重熔、真空電加熱重熔等特電渣重熔、真空電加熱重熔等特殊精煉方法。殊精煉方法。9日本特殊鋼廠超低氧特殊鋼生產(chǎn)技術日本特殊鋼廠超低氧特殊鋼生產(chǎn)技術K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005

7、, Charlotte, AIST, 209：日本特鋼廠大工業(yè)規(guī)模生：日本特鋼廠大工業(yè)規(guī)模生 產(chǎn)超低氧軸承鋼。產(chǎn)超低氧軸承鋼。：采用電渣重熔工藝生產(chǎn)的：采用電渣重熔工藝生產(chǎn)的 軸承鋼。軸承鋼。：采用真空電加熱工：采用真空電加熱工 藝生產(chǎn)的軸承鋼。藝生產(chǎn)的軸承鋼。10超低氧特殊鋼關鍵工藝技術超低氧特殊鋼關鍵工藝技術v偏心爐底電爐（偏心爐底電爐（EBT）；）；v強脫氧：強脫氧：v采用鋁直接脫氧；采用鋁直接脫氧；v強擴散脫氧；強擴散脫氧；v高堿度精煉爐渣；高堿度精煉爐渣；v長時間長時間RH真空精煉；真空精煉；v大方坯連鑄：大方坯連鑄：v嚴格保護澆注；嚴格保護澆注；v連鑄中間包鋼水加熱；連鑄中間包鋼水

8、加熱；v低拉速、低比水量二冷、電磁攪拌等。低拉速、低比水量二冷、電磁攪拌等。11日本特殊鋼超低氧含量控制水平日本特殊鋼超低氧含量控制水平愛知製鋼生產(chǎn)齒輪鋼總氧含量愛知製鋼生產(chǎn)齒輪鋼總氧含量J. Eguchi, et al., Proceedings of the 6th International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ, 84412日本產(chǎn)特殊鋼工件氧含量測定日本產(chǎn)特殊鋼工件氧含量測定13國內(nèi)特殊鋼生產(chǎn)在超脫氧控制方面的問題國內(nèi)特殊鋼生產(chǎn)在超脫氧控制方面的問題v近年來國內(nèi)特殊鋼生產(chǎn)技術水平提高很快，但許多特殊鋼近年來國內(nèi)特殊鋼生產(chǎn)

9、技術水平提高很快，但許多特殊鋼廠在鋼的總氧含量、夾雜物控制等方面仍存在較多問題；廠在鋼的總氧含量、夾雜物控制等方面仍存在較多問題；v設備、原材料、操作等方面因素；設備、原材料、操作等方面因素；v對特殊鋼脫氧、精煉、夾雜物控制等關鍵工藝的認識有對特殊鋼脫氧、精煉、夾雜物控制等關鍵工藝的認識有誤。誤。v結(jié)合近年來與國內(nèi)諸多鋼廠合作開展的研究結(jié)果，對超低結(jié)合近年來與國內(nèi)諸多鋼廠合作開展的研究結(jié)果，對超低氧特殊鋼的脫氧、精煉、非金屬夾雜物控制等工藝技術加氧特殊鋼的脫氧、精煉、非金屬夾雜物控制等工藝技術加以論述。以論述。14二、超低氧特殊鋼的鋁脫氧工藝二、超低氧特殊鋼的鋁脫氧工藝是否采用鋁脫氧是否采用鋁

10、脫氧（特鋼界引發(fā)長期爭議的問題特鋼界引發(fā)長期爭議的問題）？）？15引自：引自：IISI Committee on Technology, Clean Steel, 2004, International Iron and Steel Institute, Brussels, 443國際鋼協(xié)對國際鋼協(xié)對6家鋼廠生產(chǎn)重軌，家鋼廠生產(chǎn)重軌，8家鋼廠生產(chǎn)滾珠家鋼廠生產(chǎn)滾珠軸承，軸承，4家鋼廠生產(chǎn)彈簧鋼的相關工藝情況進行家鋼廠生產(chǎn)彈簧鋼的相關工藝情況進行了調(diào)研。了調(diào)研。表表1 1、鋼軌、軸承、彈簧鋼產(chǎn)品的化學成分（、鋼軌、軸承、彈簧鋼產(chǎn)品的化學成分（% %）特殊鋼廠對采用鋁脫氧的顧慮特殊鋼廠對采用鋁脫氧

11、的顧慮v鋁脫氧生成的鋁脫氧生成的Al2O3夾雜物為不變形夾雜物，對鋼的抗夾雜物為不變形夾雜物，對鋼的抗疲勞性能有害；疲勞性能有害；v許多鋼廠采用矩形坯、小方坯連鑄，由于工藝和操作方許多鋼廠采用矩形坯、小方坯連鑄，由于工藝和操作方面存在問題，采用鋁脫氧常會帶來鋼水可澆性差，連鑄面存在問題，采用鋁脫氧常會帶來鋼水可澆性差，連鑄水口粘接、堵塞等問題。水口粘接、堵塞等問題。16脫氧能力比較脫氧能力比較17C+O=CO G 2124438.90TSi+2O=SiO2(s) G 589700230.3TMn+O=MnO(s) G 285330115.89T2Al+3O=Al2O3(s) G 1209590

12、395.31TE.T. Turkdogan, Fundamentals of Steelmaking, The Institute of Materials, The University Press, UK, 1996水渡英昭等熱力學計算水渡英昭等熱力學計算18閥門彈簧鋼成分；閥門彈簧鋼成分；反應：反應： 2/3 Al203(s) +Si=Si02(s) +4/3 Al G = 219400 35.7T 選取相關組元的活度。選取相關組元的活度。 H Ohta and H. Suito, Metall. Mater. Trans. B, 27B(1996), 263.Al：325ppm；O：

13、3055ppm.鋼的總氧含量與非金屬夾雜物關系鋼的總氧含量與非金屬夾雜物關系19連鑄坯試樣分析檢驗連鑄坯試樣分析檢驗超低氧特殊鋼關鍵工藝：鋁脫氧超低氧特殊鋼關鍵工藝：鋁脫氧v對鋼液采用鋁進行強脫氧，對鋼液采用鋁進行強脫氧，首先將溶解氧首先將溶解氧O含量降低含量降低至至0.00010.0003%；v在此基礎上，通過渣在此基礎上，通過渣-鋼精煉鋼精煉、RH真空處理、連鑄等，去真空處理、連鑄等，去除鋼液中鋁脫氧產(chǎn)物；除鋼液中鋁脫氧產(chǎn)物；v將鋼的總氧含量降低至數(shù)個將鋼的總氧含量降低至數(shù)個ppm水平。水平。20山陽特殊鋼生產(chǎn)軸承鋼鋼水溶解氧含量與山陽特殊鋼生產(chǎn)軸承鋼鋼水溶解氧含量與總氧含量的關系總氧含量

14、的關系福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié) 會，大阪會，大阪 東京，東京，1988，121鋁脫氧與鋁脫氧與B類、類、D類夾雜物控制？類夾雜物控制？采用鋁脫氧是否會對夾雜物控制采用鋁脫氧是否會對夾雜物控制帶來不利影響？帶來不利影響？v簇群狀簇群狀Al2O3夾雜物，軋制后演夾雜物，軋制后演變?yōu)樽優(yōu)椤癇類類”條串狀夾雜物；條串狀夾雜物；v塊狀塊狀Al2O3夾雜物，軋制后為夾雜物，軋制后為“D類類”不變形夾雜物；不變形夾雜物；v與與CaO結(jié)合，形成結(jié)合，形成CaO-Al2O3系夾雜物，軋制后為系夾雜物，軋制后為“B類類”條條狀或狀或“D類類

15、”不變形夾雜物。不變形夾雜物。21超低氧特殊鋼中夾雜物超低氧特殊鋼中夾雜物v山陽特殊鋼、愛知制鋼等生山陽特殊鋼、愛知制鋼等生產(chǎn)的超低氧特殊鋼中，氧化產(chǎn)的超低氧特殊鋼中，氧化物類夾雜主要為物類夾雜主要為“B類類”和和“D類類”；v氧化物夾雜的數(shù)量很少：氧化物夾雜的數(shù)量很少：v粗類的粗類的“B類類”夾雜物評夾雜物評級在級在T.O含量降低至含量降低至8ppm以下時為零；以下時為零；v細類的細類的“B類類”和和“D類類”夾雜物評級也均低于夾雜物評級也均低于1。v鋼的抗疲勞性因此得以大幅鋼的抗疲勞性因此得以大幅度改善。度改善。22神戶制鋼軸承鋼粗類神戶制鋼軸承鋼粗類“B類類”夾雜物評級與鋼總夾雜物評級與

16、鋼總氧含量的關系氧含量的關系T. Ohnishi, K. Shiwaku, et al., Tetsu-to-Hagani, 73 (1987), 513山陽特殊鋼生產(chǎn)超低氧軸承鋼夾雜物評級山陽特殊鋼生產(chǎn)超低氧軸承鋼夾雜物評級23ASTM “E45-06”標準標準T. Uesugi, Tetsu-to-Hagane, 74 (1999), 188924超低氧特殊鋼超低氧特殊鋼(4ppm)中中Al2O3夾雜物夾雜物v對試樣橫截面隨機觀察的對試樣橫截面隨機觀察的100個夾雜物進行分析檢驗：個夾雜物進行分析檢驗：v83個個MnS夾雜；夾雜；v13個個MnS和和Al2O3的混合夾雜；的混合夾雜；v3個

17、個TiN類夾雜物。類夾雜物。v對垂直徑向的縱截面隨機觀察的對垂直徑向的縱截面隨機觀察的100個夾雜物進行分析檢驗：個夾雜物進行分析檢驗：v82個個MnS夾雜；夾雜；v14個個MnS和和Al2O3的混合夾雜；的混合夾雜；v1個個Al2O3類夾雜；類夾雜；v2個個TiN類夾雜物。類夾雜物。v對平行徑向的縱截面隨機觀察的對平行徑向的縱截面隨機觀察的100個夾雜物進行分析檢驗：個夾雜物進行分析檢驗：v72個個MnS夾雜；夾雜；v21個個MnS和和Al2O3的混合夾雜；的混合夾雜；v2個個Al2O3類夾雜；類夾雜；v5個個TiN類夾雜物。類夾雜物。5 m三、超低氧特殊鋼采用高堿度精煉渣系三、超低氧特殊鋼

18、采用高堿度精煉渣系25鋼廠鋼廠CaOCaOSiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3CaFCaF2 2MgOMgOT.Fe+MnOT.Fe+MnOCaO/SiOCaO/SiO2 2A A63637 7202010100.30.39.0 9.0 B B80805 55 510101.021.0216.0 16.0 C C6060101020205 50.40.46.0 6.0 D D6060101022228 80.840.846.0 6.0 E E50505 5202020205 52210.0 10.0 F F6060101027273 30.40.46.0 6.0 G G60606 63

19、4340.550.5510.0 10.0 H H606015158 815151.151.154.0 4.0 I I50501010252515155.0 5.0 J J50501010202015155 50.70.75.0 5.0 日本鋼鐵廠生產(chǎn)特殊鋼時采用的精煉渣成分（）日本鋼鐵廠生產(chǎn)特殊鋼時采用的精煉渣成分（）K. Kawakami, The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe, 2005, 151采用高堿度精煉渣系的目的采用高堿度精煉渣系的目的v降低渣中降低渣中SiO2的活度，抑制下式反應：的活度，抑制下式反應

20、：v降低渣中降低渣中FetO活度系數(shù)?；疃认禂?shù)。26(Si02) +4/3 Al2/3Al203夾雜物夾雜物 +Si 愛知制鋼愛知制鋼LF精煉渣堿度與鋼水精煉渣堿度與鋼水T.O27福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)會，大阪回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)會，大阪 東京，東京，1988，121大同特殊鋼精煉渣大同特殊鋼精煉渣SiO2含量與鋼水含量與鋼水T.O28福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié) 會，大阪會，大阪 東京，東京，1988，121神戶制鋼神戶制鋼ASEA-SKF工藝精煉渣堿度與鋼水工藝精煉

21、渣堿度與鋼水T.O29軸承鋼精煉爐渣堿度與鋼液總氧含量的關系軸承鋼精煉爐渣堿度與鋼液總氧含量的關系T. Ohnishi, K. Shiwaku, et al., Tetsu-to-Hagani, 73 (1987), 513精煉渣堿度對鋼精煉渣堿度對鋼T.O含量與夾雜物數(shù)量的影響含量與夾雜物數(shù)量的影響30山陽特殊鋼精煉渣堿度對軸承鋼總氧含量與夾雜物的影響山陽特殊鋼精煉渣堿度對軸承鋼總氧含量與夾雜物的影響K. Kawakami, T. Taniguchi, et al, Tetsu-to-Hagane, 93(2007), 741采用高精度爐渣與采用高精度爐渣與“D類類”夾雜物控制夾雜物控制v高

22、品質(zhì)特殊鋼對高品質(zhì)特殊鋼對MgO-Al2O3系、系、CaO-MgO-Al2O3、CaO-Al2O3系系“B類類”或或“D類類”夾雜物控制要求很嚴；夾雜物控制要求很嚴；v許多鋼廠擔心采用高堿度精煉渣會導致許多鋼廠擔心采用高堿度精煉渣會導致“B”類或類或“D類類”夾雜物超標，因此偏向于采用低堿度或較低堿度的精煉渣夾雜物超標，因此偏向于采用低堿度或較低堿度的精煉渣。3132 山陽特殊鋼山陽特殊鋼LF精煉過程鋼中夾雜物變化精煉過程鋼中夾雜物變化K. Kawakami, et al, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75233K. Kawakami, et al, TETS

23、U-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75212C7A： 12CaO Al2O3CA： CaO Al2O33CA： 3CaO Al2O3MA： MgO Al2O3C2A： CaO 2Al2O3C6A： CaO 6Al2O3夾雜物數(shù)量顯著減少，鋼材疲勞性能提高。夾雜物數(shù)量顯著減少，鋼材疲勞性能提高。34ASTM “E45-06”標準標準T. Uesugi, Tetsu-to-Hagane, 74 (1999), 1889四、強擴散脫氧（四、強擴散脫氧（T.Fe+MnO1%）35鋼廠鋼廠CaOCaOSiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3CaFCaF2 2MgOMgOT.Fe+

24、MnOT.Fe+MnOA A63637 7202010100.30.3B B80805 55 510101.021.02C C6060101020205 50.40.4D D6060101022228 80.840.84E E50505 5202020205 522F F6060101027273 30.40.4G G60606 634340.550.55H H606015158 815151.151.15I I5050101025251515J J50501010202015155 50.70.7日本鋼鐵廠生產(chǎn)特殊鋼時采用的精煉渣成分（）日本鋼鐵廠生產(chǎn)特殊鋼時采用的精煉渣成分（）K. Kaw

25、akami, The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe, 2005, 151愛知制鋼爐渣愛知制鋼爐渣FetO+MnO含量控制含量控制36福本一郎，第福本一郎，第126 127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié) 會，大阪會，大阪 東京，東京，1988，121精煉渣精煉渣FetO含量控制含量控制v煉鋼爐出鋼擋渣煉鋼爐出鋼擋渣v鋼液鋼液Al： 0.04%v爐渣加鋁粒：爐渣加鋁粒：1.5kg/tv鋼包爐內(nèi)非氧化性氣氛鋼包爐內(nèi)非氧化性氣氛v鋼水強攪拌鋼水強攪拌37福本一郎，第福本一郎，第126 127回

26、西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié) 會，大阪會，大阪 東京，東京，1988，121非氧化性氣氛控制非氧化性氣氛控制38鋼水比攪拌能鋼水比攪拌能 100W/t39)148H1log(WTQ0285. 0 ： 比攪拌功率比攪拌功率 (W/t)(W/t)Q Q ：底吹氬氣流量：底吹氬氣流量 (Nl/min)(Nl/min)T T ：鋼水溫度：鋼水溫度 (K)(K)W W ：鋼水重量：鋼水重量 (t)(t)H H ：鋼水深度：鋼水深度 (cm)(cm)攪拌能與攪拌氣體流量攪拌能與攪拌氣體流量40五、五、RH在超低氧精煉中重要作用在超低氧精煉中重要作用41形成高堿度、強還原性爐渣

27、；形成高堿度、強還原性爐渣；T.O降低至降低至15ppm左右即可。左右即可。通過通過RH完成超低氧含量控制；完成超低氧含量控制；T.O降低至降低至58ppm。RH超低氧精煉機理超低氧精煉機理42鋼水為強還原性爐渣所鋼水為強還原性爐渣所覆蓋；覆蓋；鋼鋼-渣界面近似渣界面近似“靜止靜止”。鋼水循環(huán)流動；鋼水循環(huán)流動；非金屬夾雜物碰撞、聚非金屬夾雜物碰撞、聚合、上浮、去除。合、上浮、去除。愛知製鋼經(jīng)驗愛知製鋼經(jīng)驗vRH脫氧速率高于脫氧速率高于LF；vLF與與RH的任務分工：的任務分工：vLF精煉主要任務是形成高堿精煉主要任務是形成高堿度、強還原性爐渣度、強還原性爐渣(T.Fe +MnO0.5%，堿度

28、，堿度5)；vRH精煉的主要任務是降低精煉的主要任務是降低鋼水鋼水T.O含量。含量。vRH精煉時間：精煉時間：3040min。43J. Eguchi, et al., Proceedings of the 6th International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ, 844JFE西日本制鐵所生產(chǎn)軸承鋼西日本制鐵所生產(chǎn)軸承鋼44K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456JFE西日本制鐵所生產(chǎn)軸承鋼西日本制鐵所生產(chǎn)軸承鋼45在在RH前完

29、成鋼水合金化操作，盡量不在前完成鋼水合金化操作，盡量不在RH精煉過程進行成分調(diào)精煉過程進行成分調(diào)整，并將整，并將RH精煉時間延長至最大（與連鑄周期相適應）。精煉時間延長至最大（與連鑄周期相適應）。K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 45646 六、超低氧特殊鋼夾雜物的較低熔點化控制六、超低氧特殊鋼夾雜物的較低熔點化控制v夾雜物對鋼疲勞性能的影響與其夾雜物對鋼疲勞性能的影響與其熔點高低有重要關系；熔點高低有重要關系；v如夾雜物為高熔點不變形夾雜物如夾雜物為高熔點不變形夾雜物，其與鋼基體的界面會生成

30、微裂，其與鋼基體的界面會生成微裂紋、空洞等，在工件服役中引發(fā)紋、空洞等，在工件服役中引發(fā)疲勞破壞；疲勞破壞；v鋼服役過程，高熔點硬質(zhì)夾雜物鋼服役過程，高熔點硬質(zhì)夾雜物周邊應力集中程度顯著高于低熔周邊應力集中程度顯著高于低熔點軟質(zhì)夾雜物。點軟質(zhì)夾雜物。三村毅，第三村毅，第182 183回西山紀念技術講座，回西山紀念技術講座，NMS-ISIJ，東京，東京 神戶，神戶，2004，p.12747 控制策略一：生成低熔點塑性夾雜物控制策略一：生成低熔點塑性夾雜物塑性夾雜物（熔點塑性夾雜物（熔點 1350 C）疲勞性能要求：疲勞性能要求：700 MPa的往復的往復剪切應力作用下，疲勞壽命大于剪切應力作用下

31、，疲勞壽命大于108。48 精煉時間長，生產(chǎn)成本高。精煉時間長，生產(chǎn)成本高。v必須將夾雜物近乎全部控制在狹必須將夾雜物近乎全部控制在狹窄的塑性夾雜物成分區(qū)域內(nèi)；窄的塑性夾雜物成分區(qū)域內(nèi)；v生產(chǎn)成本高：生產(chǎn)成本高：v采用低堿度精煉渣，爐外精煉采用低堿度精煉渣，爐外精煉不能脫硫；不能脫硫；v原材料要求苛刻（渣料原材料要求苛刻（渣料Al2O3、合金、合金Al、Ti等控制等）；等控制等）；v渣鋼間反應盡可能接近平衡渣鋼間反應盡可能接近平衡，精煉時間很長。，精煉時間很長。v很難用于普通特殊鋼類。很難用于普通特殊鋼類。49控制策略二：控制策略二：超低氧含量特殊鋼超低氧含量特殊鋼川上潔，第川上潔，第182

32、183次西山紀念技術講座，次西山紀念技術講座，NMS-ISIJ，東京，東京 神戶，神戶，2005，p.151TO50仍存在仍存在1020 m的高熔點鎂尖晶石類夾的高熔點鎂尖晶石類夾雜物（雜物（MA）。）。LFLF結(jié)束結(jié)束K. Kawakami, et al, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-75251 新的控制策略：新的控制策略：超低氧特殊鋼夾雜物較低熔點化控制超低氧特殊鋼夾雜物較低熔點化控制v該區(qū)域內(nèi)夾雜物不屬于能良好變形該區(qū)域內(nèi)夾雜物不屬于能良好變形的塑性夾雜物；的塑性夾雜物；v由于熔點不高，軋制過程可以發(fā)生由于熔點不高，軋制過程可以發(fā)生稍許變形；稍許變形；v

33、因而能夠減少夾雜物鋼基體界面因而能夠減少夾雜物鋼基體界面上生成微裂紋、空洞。上生成微裂紋、空洞。選用與夾雜物控制目標成分相近的精煉渣系選用與夾雜物控制目標成分相近的精煉渣系52 Al2O3：40% CaO/SiO2: 753精煉渣系重要作用精煉渣系重要作用v為將鋼中夾雜物近乎全部控制在為將鋼中夾雜物近乎全部控制在目標成分區(qū)域內(nèi)，必須采用渣目標成分區(qū)域內(nèi)，必須采用渣-鋼精煉工藝方法；鋼精煉工藝方法；v通過渣通過渣-鋼間反應對鋼液鋼間反應對鋼液Al、O、Ca、Mg等進行控制等進行控制，進而再通過鋼液，進而再通過鋼液Al、O、Ca、Mg等對夾雜物進行穩(wěn)等對夾雜物進行穩(wěn)定控制。定控制。54采用高采用高

34、Al2O3精煉渣系的熱力學理論依據(jù)精煉渣系的熱力學理論依據(jù)yOxM)MxOy(0aaalnRTG爐渣爐渣鋼鋼渣渣 渣鋼間反應：渣鋼間反應： xMeyO(MexOy)爐渣爐渣 (1)反應達到平衡時，反應達到平衡時，0aaalnRTGGyOxM)MxOy(0 爐爐渣渣鋼鋼渣渣鋼鋼渣渣鋼液夾雜物之間反應：鋼液夾雜物之間反應： xMeyO(MexOy)夾雜物夾雜物 (4)當鋼液夾雜物間的反應接近平衡時，當鋼液夾雜物間的反應接近平衡時，0aaalnRTGGyOxM)MxOy(0 夾雜物夾雜物夾雜物夾雜物鋼液鋼液鋼液夾雜物鋼液夾雜物 （2）（3） （5）55熱力學理論解釋熱力學理論解釋yOxM)MxOy(

35、yOxM)MxOy(aaalnRTaaalnRT爐爐渣渣夾夾雜雜物物00GG渣渣鋼鋼夾夾雜雜物物鋼鋼液液 對反應對反應(1)和反應和反應(4)，選擇相同的活度標準態(tài)：，選擇相同的活度標準態(tài)：將將(3)式帶入式帶入(5)式：式：爐爐渣渣夾夾雜雜物物)MxOy()MxOy(aa （6） （7） （8）56渣渣-鋼鋼-夾雜物間反應的實驗室研究夾雜物間反應的實驗室研究窺視孔管式爐密封水套結(jié)構(gòu)剛玉管硅鉬棒保溫材料保溫材料管式爐密封水套結(jié)構(gòu)升降系統(tǒng)控溫熱點偶測溫熱點偶剛玉管石墨坩堝坩堝爐渣鋼水測溫熱點偶耐火材料墊片高溫爐高溫爐: : MoSiMoSi2 2電阻加熱爐電阻加熱爐反應管：反應管： 剛玉剛玉反應

36、管內(nèi)氣氛反應管內(nèi)氣氛: : Ar Ar坩堝坩堝: : MgO (ID: 30mm)MgO (ID: 30mm)鋼液鋼液: : 100g100g（42CrMo42CrMo）爐渣爐渣: : 50g50g實驗溫度實驗溫度: : 1600 1600 C C渣渣- -鋼反應時間鋼反應時間: : 90 min90 min. .57實驗中采用了兩種不同渣系實驗中采用了兩種不同渣系渣系渣系B B與日本特殊鋼廠采用的渣系相似，堿度在與日本特殊鋼廠采用的渣系相似，堿度在5 5左右，左右，AlAl2 2O O3 3 含量在含量在 22 - 25%22 - 25%范圍范圍1) T. Mimura: The 1821)

37、 T. Mimura: The 182 183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, Tokyo Kobe (2005), Kobe (2005), 1271272) K. Kawakami, T. Taniguchi and K. Nakashima: TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 7412) K. Kawakami, T. Taniguchi and K. Nakashima: TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 7413)

38、K. Tsubota and I. Fukumoto: Proc. of the 6th IISC, ISIJ, Nagoya (1990), Vol.3, 6373) K. Tsubota and I. Fukumoto: Proc. of the 6th IISC, ISIJ, Nagoya (1990), Vol.3, 637渣系渣系A A含很高含很高AlAl2 2O O3 3 (40%(40%左右左右) ) ，堿度在，堿度在6.56.5左右。左右。58夾雜物成分隨反應時間的變化夾雜物成分隨反應時間的變化采用渣系采用渣系A A時，夾雜物組成隨渣鋼反應時間的變化時，夾雜物組成隨渣鋼反應時間

39、的變化渣系渣系A A：反應時間為反應時間為30min時，高熔點時，高熔點MgO-Al2O3 系夾雜物的比率為系夾雜物的比率為78.7%。反應時間為反應時間為60min時，高熔點時，高熔點MgO-Al2O3 系系夾雜物比率降低至夾雜物比率降低至48.5%。 反應時間增加至反應時間增加至90min時，高熔點時，高熔點MgO-Al2O3 系夾雜物比率降低至僅為系夾雜物比率降低至僅為12.8%.。59高高Al2O3渣系能夠顯著提高夾雜物轉(zhuǎn)變程度渣系能夠顯著提高夾雜物轉(zhuǎn)變程度v絕大多數(shù)夾雜物為絕大多數(shù)夾雜物為MgO-Al2O3 系夾雜物；系夾雜物；vMgO-Al2O3 系夾雜物比率為系夾雜物比率為72.

40、4%；v幾乎沒有熔點低于幾乎沒有熔點低于1500的非金屬夾雜物。的非金屬夾雜物。vMgO-Al2O3 系夾雜物比率降低至系夾雜物比率降低至15.1%；vCaO-MgO-Al2O3 系夾雜物增加至系夾雜物增加至81.7%.；v大量夾雜物進入了較低熔點成分區(qū)域。大量夾雜物進入了較低熔點成分區(qū)域。60Sf 50ppmv處理時間處理時間: 15min: 15min；vT.O T.O 10ppm10ppm。渣渣-鋼鋼-夾雜物間反應的工業(yè)試驗研究夾雜物間反應的工業(yè)試驗研究v高堿度、高高堿度、高AlAl2 2O O3 3含量含量爐渣；爐渣；v處理時間處理時間: 45min: 45min左右。左右。v終點終點

41、CC：0.05-0.10%0.05-0.10%。v出鋼過程加入出鋼過程加入AlAl脫氧和部分渣料脫氧和部分渣料( (石灰、螢石等石灰、螢石等) )。61精煉過程夾雜物成分的變化精煉過程夾雜物成分的變化LFLF前：前：絕大多數(shù)為絕大多數(shù)為AlAl2 2O O3 3 類夾雜物；類夾雜物；已有少量已有少量MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夾雜系夾雜物生成，物生成，LFLF精煉精煉15min15min：絕大多數(shù)絕大多數(shù)AlAl2 2O O3 3 類夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)轭悐A雜物轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO-MgO-AlAl2 2O O3 3 系夾雜物；系夾雜物； 夾雜物平均組成為：夾雜物平均組成為：80% Al80

42、% Al2 2O O3 3, 17 % , 17 % MgOMgO，3% CaO3% CaO。LFLF精煉中后期：精煉中后期：MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夾雜物向系夾雜物向CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系夾雜物轉(zhuǎn)變：系夾雜物轉(zhuǎn)變：LFLF精煉結(jié)束時，鋼液中仍有大量尚未轉(zhuǎn)精煉結(jié)束時，鋼液中仍有大量尚未轉(zhuǎn)化的化的MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夾雜物。系夾雜物。RHRH精煉過程：精煉過程：MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 系夾雜物向系夾雜物向CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系夾雜物的轉(zhuǎn)變?nèi)岳^續(xù)進行；

43、系夾雜物的轉(zhuǎn)變?nèi)岳^續(xù)進行；RHRH精煉結(jié)束時，鋼液中夾雜物平均組成精煉結(jié)束時，鋼液中夾雜物平均組成進入了較低熔點夾雜物成分域。進入了較低熔點夾雜物成分域。62精煉過程夾雜物轉(zhuǎn)變精煉過程夾雜物轉(zhuǎn)變夾雜物轉(zhuǎn)變由外向內(nèi)進行夾雜物轉(zhuǎn)變由外向內(nèi)進行63 實驗室研究實驗室研究 工業(yè)試驗工業(yè)試驗存在一外表層：主要組存在一外表層：主要組分為分為CaOCaO和和AlAl2 2O O3 3. .。夾雜物內(nèi)部：主要組分為夾雜物內(nèi)部：主要組分為MgOMgO和和AlAl2 2O O3 3，CaOCaO含量很低。含量很低。64 夾雜物轉(zhuǎn)變機理夾雜物轉(zhuǎn)變機理I. I. 在爐渣在爐渣- -鋼液界面鋼液界面: : 2Al +

44、3(MgO) = 3Mg + (Al2Al + 3(MgO) = 3Mg + (Al2 2O O3 3) )2Al + 3(CaO)= 3Ca + (Al2Al + 3(CaO)= 3Ca + (Al2 2O O3 3) )III. III. 在鋼液內(nèi)部：在鋼液內(nèi)部： Mg + n/3AlMg + n/3Al2 2O O3 3 夾雜物夾雜物 = = MgO MgO (n-1)/3Al(n-1)/3Al2 2O O3 3 夾雜物夾雜物 + 2/3Al + 2/3AlII. II. 在包襯在包襯- -鋼液界面鋼液界面: : 2Al + 3MgO2Al + 3MgO包襯包襯 = 3Mg + Al =

45、 3Mg + Al2 2O O3 3 夾雜物夾雜物65 夾雜物轉(zhuǎn)變機理夾雜物轉(zhuǎn)變機理IV. IV. 在在MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3 夾雜物外表面夾雜物外表面: :xCaxCayMgOyMgO zAlzAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物 xCaO xCaO (y-x)MgO(y-x)MgO zAlzAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物xMg xMg 生成生成CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 外表層。外表層。66 夾雜物轉(zhuǎn)變機理夾雜物轉(zhuǎn)變機理 CaCaxCaOxCaO MgOMgO yAlyAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物 (x+1)CaO(x+1)

46、CaO yAlyAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物MgMgv夾雜物外表面轉(zhuǎn)變?yōu)榫珶挏囟认聻橐簥A雜物外表面轉(zhuǎn)變?yōu)榫珶挏囟认聻橐簯B(tài)的態(tài)的CaOCaO 2Al2Al2 2O O3 3、CaOCaO AlAl2 2O O3 3、 12CaO12CaO 7Al7Al2 2O O3 3； v夾雜物外形變?yōu)榍驙?。夾雜物外形變?yōu)榍驙睢. V. 在夾雜物外表面：在夾雜物外表面：67在夾雜物外表層內(nèi)部進行的反應在夾雜物外表層內(nèi)部進行的反應v在外表層內(nèi)存在在外表層內(nèi)存在CaOCaO和和MgOMgO的濃度的濃度梯度：梯度：v外部外部CaOCaO含量高，內(nèi)部低；含量高，內(nèi)部低；v內(nèi)部內(nèi)部MgOMgO含量高，外部低。

47、含量高，外部低。vCaOCaO由外向內(nèi)擴散，由外向內(nèi)擴散，MgOMgO由內(nèi)向外由內(nèi)向外擴散。擴散。 v以下兩反應發(fā)生以下兩反應發(fā)生: :在夾雜物外表層內(nèi)部在夾雜物外表層內(nèi)部: : CaO CaOxCaOxCaO yMgOyMgO zAlzAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物(x+1)CaO(x+1)CaO (y-1)MgO(y-1)MgO zAlzAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物MgOMgO在夾雜物外表面在夾雜物外表面: : CaCaxCaOxCaO MgOMgO yAlyAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物(x+1)CaO(x+1)CaO yAlyAl2 2O O3 3 夾雜物夾雜物 + Mg+ Mg 68夾雜物轉(zhuǎn)變機理夾雜物轉(zhuǎn)變機理v由于以上所述反應，夾雜物由于以上所述反應，夾雜物MgOMgO含量逐步降低；含量逐步降低； v最終，夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)楹罱K，夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)楹琈gOMgO很很少的少的CaO-MgO-AlCaO-MgO-Al2 2O O3 3 系