鋼中夾雜物控制原理

1、鋼中夾雜物控制原理 鋼中氧的存在形式TO=O溶+O夾（1）轉(zhuǎn)爐吹煉終點：O夾=>0，TOO溶2001000ppmO溶決定于：l  鋼中C，轉(zhuǎn)爐吹煉終點鋼中C與aO 關(guān)系如圖 l   渣中(FeO)；l   鋼水溫度。 1 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐爐齡CFe的選擇性氧化平衡點 根據(jù)式 C + O = CO (1) lg (Pco/ac* %O)= 1149/T2.002以及反應(yīng) Fe + O = （FeO） (2) lg aFeo/%O = 6317/T 2.739得到反應(yīng) （FeO）+ C = Fe + CO (3) lg (Pco/ac*

2、 aFeo)= 5170/T+4.736 結(jié)論 鋼液中C-Fe的選擇性氧化平衡點為C0.035，也就是說終點C < 0.035時，鋼水的過氧化比較嚴(yán)重。圖1-1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也說明了這點。同時由式(1)可以求出此時熔池中的平衡氧含量為740ppm。理 論 分 析1）終點C-O關(guān)系 1) 當(dāng)終點C<0.04%時鋼水的終點氧含量較高 2) 當(dāng)終點C在0.020.04范圍時，有些爐次鋼水氧波動在平衡曲線附近（區(qū)域）有些爐次鋼水氧含量則遠(yuǎn)離平衡曲線（區(qū)域 ），說明在該區(qū)域鋼水過氧化嚴(yán)重。 2） 溫度對氧含量的影響在終點C = 0.0250.04%時，終點氧含量雖然較分散，但總的趨勢是隨著終點溫

3、度的升高，終點氧基本呈上升趨勢。16201680之間，氧含量總體水平較低，平均為702ppm，該范圍的爐次共占總爐次的30%左右；出鋼溫度大于1680時，終點鋼水氧含量有明顯的升高趨勢，平均為972ppm，占總爐次的70%左右。3） 終渣氧化性對終點氧的影響渣中（FeO+MnO）增加，終點O有增加趨勢； 終點C<0.04，渣中（FeO+MnO）增加且波動較大，說明此時吹氧脫碳是比較困難的，而鐵則被大量氧化。 圖1-3<2500爐終點C-O關(guān)系 圖1-4 25005000爐終點C-O關(guān)系鋼中夾雜物控制原理（2）鋼包脫氧合金化精煉后：O溶=>0 TO=O夾 AlK鋼： AlS=0

4、.02-0.05，O溶=4-8ppm（圖2）如在連鑄坯中測定TO=20ppm，說明除O溶外，氧化物夾雜O夾為1218ppm，說明鋼中很干凈。 Si-K 鋼： 用Si、Mn脫氧平衡O溶含量如圖3。僅用Si、Mn脫氧鋼中O溶為4060ppm，在結(jié)晶器內(nèi)凝固時鑄坯易產(chǎn)生皮下氣孔。圖2鋼中AlS與O溶關(guān)系人們預(yù)測2000年后生產(chǎn)超潔凈鋼，鋼中TO要達(dá)到5ppm水平，TOO溶O夾雜解決途徑：生產(chǎn)“零夾雜物”鋼： O夾雜0，即鋼中夾雜物完全去除；進(jìn)一步降低O溶對于Al-K鋼，爐外精煉改變Al-O熱力學(xué)平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度達(dá)到0.001，與AlS相平衡的O溶<1ppm。（效

5、果有限）對于Si-K鋼，爐外精煉控制爐渣組成，使SiO2溶于鋁酸鈣渣中，降低aSiO2,可使鋼中O溶降到與Al-K鋼水平。（可行）根據(jù)各類物的形態(tài)和分布，把中的夾雜物分為四個基本類型A類硫化物類型B類氧化鋁類型C類硅酸鹽類型D類球狀氧化物類型A類夾雜物屬塑性夾雜物，經(jīng)鍛軋加工以后沿加工方向變形，成紡錘狀。隨著夾雜物的化學(xué)成分的不同，通常在明視場下呈淺灰色、藍(lán)灰色或亮黃色；在暗場下呈不透明或弱透明。B類夾雜物脆且容易斷裂，其在經(jīng)軋制加工后沿加工方向排列成鏈狀。在明視場下多呈暗灰色，少數(shù)不常見的氧化物也呈亮灰色。在暗視場下多位不透明，少數(shù)呈透明的。C類夾雜物有易變形和不易變形的兩種。易變形的硅酸鹽

6、夾雜與硫化物相似，沿加工方向延伸呈線段狀，在明視場下呈暗灰色，在暗視場下透明。鐵硅酸鹽（2FeSiO2）、硅錳酸鹽（2MnOSiO2）、錳偏硅酸鹽（MnOSiO2）都屬于易變形硅酸鹽。不易變形的硅酸鹽夾雜物，以氧化物相似，沿加工方向呈顆粒狀分布。鋁硅酸鹽（Al2O3SiO2）、鈣硅酸鹽（CaOSiO2）等屬于不易變形硅酸鹽。D類夾雜物為氧化物或硅酸鹽，這種夾雜物精加工后是不變形的，仍以點球狀存在。B類夾雜物使鋼材表面質(zhì)量和性能惡化。為了克服這一缺點，必須減少這類夾雜物的數(shù)量并且改變氧化物的性質(zhì)，以降低甚至消除其危害。由以上分析可知，要降低鋼中TO,就是要減少鋼中夾雜物，降低O夾，降低O夾其方法

7、是： 1)去除脫氧產(chǎn)物 它決定于：夾雜物形成；夾雜物傳輸?shù)戒?渣界面；渣相吸附夾雜物。 方法：控制脫氧產(chǎn)物+爐外精煉攪拌 TO=2040ppm就脫氧而言，分三種情況：硅鎮(zhèn)靜鋼（用硅錳脫氧）硅鋁鎮(zhèn)靜鋼（SiMn少量Al脫氧）鋁鎮(zhèn)靜鋼（用過剩Al脫氧Als>0.01）a)用Si+Mn脫氧 如圖4所示： 形成的脫氧產(chǎn)物有：純SiO2（固體）；MnO·SiO2(液體)；MnO·FeO(固溶體)。 圖4 FeO-MnO-SiO2三元相圖硅鎮(zhèn)靜鋼用SiMn脫氧，形成的脫氧產(chǎn)物一般有純SiO2（固體），MnOSiO2（液體），MnOFeO（固溶體）。Mn/Si低時形成SiO2夾雜會

8、導(dǎo)致水口堵塞；Mn/Si高時生成典型的液態(tài)MnOSiO2，夾雜物容易上浮。因此因調(diào)整鋼成分，保持Mn/Si>2.5。但與Mn、Si平衡的O溶較高，當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器時會產(chǎn)生皮下針孔，同時MnOSiO2會污染鋼水。為此在LF精煉采用白渣操作Ar攪拌，鋼渣精煉擴(kuò)散脫氧即能把鋼水中O溶降到<20ppm的最佳范圍，也能有效脫硫，降到0.01以下。2）用Si+Mn+Al脫氧 用SiMn少量Al脫氧可防止SiMn脫氧中極易產(chǎn)生的皮下針孔，其可能的脫氧產(chǎn)物有薔薇輝石（2MnO2Al2O35SiO2）,錳鋁榴石（3MnOAl2O33SiO2）和純Al2O3（Al2O3>25）。其中錳鋁榴石區(qū)域

9、夾雜物熔點低，球形易上?。豢伤苄约白冃涡院们也欢滤?；脫氧良好不生成氣孔。夾雜物中Al2O3含量控制當(dāng)其中Al2O3超過25%時，Al2O3將析出；若Al2O3含量低于10%，SiO2將析出，兩者均為不變形相。 為了控制Al2O3含量以形成20%的Al2O3錳鋁榴石夾雜物，必須與渣系中的Al2O3聯(lián)系起來，通過調(diào)整渣的組成防止渣中Al2O3過高導(dǎo)致錳鋁榴石中Al2O3析出來平衡鋼水中的夾雜物成分。最有效的方法是采用Ca（CaO粉劑）及鈣硅石處理，不僅可以控制夾雜物中Al2O3含量而且可將錳鋁榴石夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)闊彳垥r可變形的非晶體假硅石灰。在鋼中Si0.2，Mn0.4，溫度為1550條件下，要把夾雜

10、物成分控制在相圖中的陰影區(qū)，則必須鋼中AlS<=0.006%（圖6），若鋼中Als0.006%,則鋼中O<20ppm，生成錳鋁榴石而無Al2O3析出，鋼水可澆性好，不堵水口，鑄坯又不產(chǎn)生皮下氣孔。 圖5 MnO-SiO2- Al2O3相圖 圖6 鋼中Al與O關(guān)系3）用過剩鋁脫氧對于低碳細(xì)晶粒鋼，要求鋼中酸溶鋁不低于0.01；對于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，為改善薄板深沖性能，要求鋼中酸溶鋁為0.020.05；為此要求用過剩鋁脫氧，其脫氧產(chǎn)物全部為Al2O3 Al2O3熔點高（2050）,鋼水中呈固態(tài)；可澆性差，堵水口；Al2O3可塑性差，不變形，影響鋼材性能。為此采用鈣處理來改變Al2O3形態(tài)圖

11、4 純鐵脫氧期間形成的枝晶狀和點簇狀A(yù)l2O3夾雜（左圖）和珊瑚狀A(yù)l2O3夾雜（右圖） 圖5 低碳鋼Al脫氧期間的點簇狀A(yù)l2O3 圖6 低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼脫氧過程中形成的Al2O3夾雜（左：花盤型Al2O3；右：小多面體顆粒的聚集） 點簇狀氧化鋁夾雜來自脫氧或二次氧化，如圖5所示，為鋁脫氧鋼中的典型存在形式。由于具有較高的界面能，氧化鋁夾雜容易通過碰撞、聚集形成三維點簇狀。點簇狀夾雜內(nèi)每個單體直徑約為15微米。在與其他顆粒碰撞、分離或聚集之前，這些單體可能是花盤型或多面體型夾雜物，如圖6所示。 簇狀A(yù)l2O3夾雜物的形貌 塊狀A(yù)l2O3夾雜物的形貌 鈣處理（喂Si-Ca線或Ca線，改變Al2O3

12、形態(tài)）； Als較低，鈣處理生成低熔點2CaO·Al2O3·SiO2（圖7）； Als較高，鈣處理保持合適Ca/Al比，最好能形成12CaO·7 Al2O3(圖8和9)。 對于Al-K鋼，鈣處理后：解決了可澆性，不堵水口；夾雜物易上浮去除。改變夾雜物形態(tài)，改善鋼性能就夾雜物傳輸?shù)戒?渣界面而言，它決定于：夾雜物尺寸：夾雜物的形核，長大速率。形核約15nm，在煉鋼條件下很快長大到15m；液體流動，攪拌，夾雜物碰撞、聚合，尺寸5200m；夾雜物性質(zhì)：液態(tài)或固態(tài)；夾雜物上浮：靜止溶池還是攪拌溶池。共焦掃描激光顯微鏡觀察到的鋼水表面Al2O3夾雜物形成點簇狀的過程 夾雜物

13、聚集借助于表面張力，固態(tài)夾雜物的聚集能夠出現(xiàn)在任何界面上，包括在耐火材料表面上和氣泡表面上。Al2O3與鋼水的接觸角較大（134146°），促使這類夾雜物為減少與鋼液的接觸而自發(fā)的粘附在耐火材料上。1530°C的高溫可以使得Al2O3出現(xiàn)燒結(jié)相。較大的接觸角和較大的夾雜物尺寸有利于夾雜物聚集（圖18）。由于碰撞與集聚，隨著時間和溫度的增加，夾雜物趨向長大。 就渣相吸附夾雜而言l 鋼/渣界面能:l 夾雜物溶于渣相。液體夾雜完全溶解于渣相，而固體夾雜在渣中是有限溶解，決定于渣成分、溫度和渣量。2)防止?jié)沧⑦^程鋼水再污染，它決定于：l 鋼水二次氧化；l 鋼水與環(huán)境（渣、包襯、水口

14、）相互作用；l 渣相乳化（紊流、渦流）；l 非穩(wěn)定態(tài)澆注。連鑄坯中夾雜物來源1)內(nèi)生夾雜物：主要是脫氧產(chǎn)物，其特點是：l O溶，脫氧產(chǎn)物增加；l 夾雜物尺寸細(xì)小<20m；l 在鋼包精煉攪拌，大部分85夾雜物上??；l 一般來說，對產(chǎn)品質(zhì)量不構(gòu)成大的危害；l 鋼成分和溫度變化時有新的夾雜物沉淀（<5m）。在連鑄坯中常見的內(nèi)生夾雜（endogenesis-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： 鋁酸鈣鈦處理Al-K鋼： Al2O3，TiO2，

15、TiN鎂處理Al-K鋼： 鋁酸鎂所有鋼： MnS（凝固時形成，以氧化物夾雜形核） 鋼水冷卻和凝固過程中產(chǎn)生的沉淀析出夾雜物在冷卻期間，液態(tài)鋼水中溶解氧、氮、硫的濃度變大，同時這些元素的溶解度減小。這樣造成氧化鋁、硅、氮化鋁和硫化物的沉淀析出。凝固過程中硫化物在枝晶間析出，亦經(jīng)常以鋼水中已存在的氧化物為核心析出。這類夾雜物通常較?。?lt;10µm）。 圖1連鑄過程中氧化物夾雜的來源(2)外來夾雜：鋼水與環(huán)境（空氣、包襯、爐渣、水口等）二次氧化產(chǎn)物在產(chǎn)品機(jī)械加工時，鋼中的這類夾雜物可產(chǎn)生噪音，在機(jī)加工表面形成凹坑和劃痕，容易引起斷裂，以及造成工具磨損。鋼中外來夾雜物的含量可通過大樣電解

16、的方法測定。 其特點是：1)夾雜物粒徑大>50m，甚至幾百m；來自耐火材料侵蝕的夾雜物通常比卷渣造成的夾雜物要大 2)復(fù)合成分及多相結(jié)構(gòu) 由于鋼水和渣中的SiO2, FeO, and MnO以及爐襯耐火材料之間的多元反應(yīng)造成夾雜物成分復(fù)雜，產(chǎn)生的Al2O3可以覆在這些夾雜物表面； 由于外來夾雜尺寸較大，它們在運動時，容易吸收捕獲脫氧產(chǎn)物如Al2O3夾雜（圖10右與圖11右）； 外來夾雜作為異相形核核心，在鋼水中運動的新夾雜物以此核心沉淀析出（圖11左）； 渣或者二次氧化產(chǎn)物與爐襯耐火材料或其脫落物之間的反應(yīng)；3)形狀不規(guī)則但卷渣或者脫氧產(chǎn)物氧化硅類夾雜物為球形。球形外來夾雜物通常尺寸較大

17、（>50µm）并且大多數(shù)為多相，但球形脫氧產(chǎn)物夾雜通常較小并且單相. 4)相比小夾雜物而言數(shù)量較少 偶然性分布與小夾雜物均勻彌散分布不同，外來夾雜物在鋼中零星分布。由于此類夾雜通常是在澆鑄和凝固時被捕捉，因此具有偶然性，呈零星分布狀態(tài)。另一方面，由于此類夾雜容易上浮去除，所以它們只集中在凝固速度最快的區(qū)域或者在某些方面上浮受阻的區(qū)域。因此，此類夾雜經(jīng)常出現(xiàn)在表層附近。 6) 對產(chǎn)品性能危害最大。 生產(chǎn)潔凈鋼，就是要減少鋼中夾雜物，尤其是減少大顆粒夾雜而奮斗不論這些夾雜物的來源如何，問題在于這么大尺寸的夾雜物為何沒有迅速上浮而得到去除。原因可能是：在澆鑄之前，在冶煉、運輸或鋼包、

18、中間包等其他冶金容器的侵蝕過程中該類夾雜物形成較晚造成上浮時間不足； 缺乏足夠的過熱度；在凝固過程中由于流場流動影響造成結(jié)晶器保護(hù)渣卷入，或者已上浮的夾雜物在未完全進(jìn)入渣中之前被重新卷入。(3)二次氧化產(chǎn)生的夾雜物鋼中發(fā)現(xiàn)的二次氧化產(chǎn)生的大型夾雜物最常見的形式點簇狀A(yù)l2O3、球狀MnOFeO、MnOSiO2?？諝庾鳛槎窝趸墓餐瑏碓矗韵铝蟹绞竭M(jìn)入鋼液： 由于在鋼水注入處強(qiáng)烈的湍流造成中間包鋼水表面吸入空氣，流動的鋼液表面形成的氧化薄膜重新卷入鋼液后形成很薄的氧化物顆粒帶； 鋼水從鋼包進(jìn)入中間包以及從中間包進(jìn)入結(jié)晶器的水口連接處吸入空氣； 在澆鑄過程中，鋼包、中間包和結(jié)晶器鋼水表面的空氣滲透。 在這類二次氧化過程中，脫氧元素如Al、Ca和Si等優(yōu)先氧化，氧化產(chǎn)物發(fā)展成為非金屬夾雜物，通常比脫氧夾雜物大一到二個數(shù)量級。防止此類二次氧化的方法是在澆鑄過程中防止鋼液暴露于空氣中：1）在鋼包長水口和中間包浸入式水口連接處采用鋼環(huán)或透氣