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1、钢中夹杂物控制原理钢中氧的存在形式TO=O 溶+O 夹1转炉吹炼终点：O夹=0，TO O溶 2001000ppm O溶决定于：l 钢中 C，转炉吹炼终点钢中C与 aO 关系如图l 渣中(FeO)；l 钢水温度。1 顶底复吹转炉炉龄C Fe 的选择性氧化平衡点根据式C+O=CO(1)以及反应Fe+O=FeO(2)得到反应 FeO+C=Fe+CO(3)结论钢液中 C-Fe 的选择性氧化平衡点为C0.035，也就是说终点C 0.035 时，钢水的过氧化比较严重。图 1-1 的统计数据也说明了这点。同时由式(1)可以求出此时熔池中的平衡氧含量为740ppm。理 论 分 析1终点 C-O 关系1)当终点
2、C0.04%时钢水的终点氧含量较高2)当终点 C在 0.020.04范围时，有些炉次钢水氧波动在平衡曲线附近区域 有些炉次钢水氧含量则远离平衡曲线区域，说明在该区域钢水过氧化严重。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 12 页 -2）温度对氧含量的影响在终点 C=0.0250.04%时，终点氧含量虽然较分散，但总的趋势是随着终点温度的升高，终点氧基本呈上升趋势。1620 1680之间，氧含量总体水平较低，平均为702ppm，该范围的炉次共占总炉次的30%左右；出钢温度大于1680时，终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为972ppm，占总炉次的70%左右。3）终渣氧化性
3、对终点氧的影响20040060080010001200140016001800160016201640166016801700172017401760终点温度（）终点氧含量（ppm）终点00200400600800100012001400160018001214161820222426炉渣中（FeO+MnO）的含量（%）终点氧含量（ppm）终点01416182022242600.020.040.060.080.10.12终点碳含量（%）渣中（FeO+MnO）含量%MnO+FeO名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 12 页 -渣中 FeO+MnO 增加，终点 O有增加趋
4、势；终点 C0.04，渣中 FeO+MnO 增加且波动较大，说明此时吹氧脱碳是比较困难的，而铁则被大量氧化。图 1-30 TO=O 夹Al K 钢：AlS=0.02-0.05，O 溶=4-8ppm图 2如在连铸坯中测定TO=20ppm，说明除 O溶外，氧化物夹杂O夹为 1218ppm，说明钢中很干净。Si-K 钢：用 Si、Mn 脱氧平衡 O 溶含量如图3。仅用 Si、Mn 脱氧钢中 O溶为 4060ppm，在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。图 2 钢中 AlS 与O溶关系y=25.054x-0.99960200400600800100012001400160000.020.040.060.
5、080.1终点碳含量（%）终点氧含量（ppm）终点0乘幂(平衡O)y=25x-1400600800100012001400160018000.020.030.040.05转炉终点碳含量（%）转炉终点氧含量（ppm）终点0乘幂(平衡O)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 12 页 -人们预测2000 年后生产超洁净钢，钢中TO 要到达 5ppm 水平，TO O 溶O 夹杂解决途径：生产“零夹杂物”钢：O 夹杂0，即钢中夹杂物完全去除；进一步降低 O溶对于 Al-K 钢，炉外精炼改变Al-O 热力学平衡，Al2O3 溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度到达0.001，与 Al
6、S 相平衡的 O溶0.01 a)用 Si+Mn 脱氧如图 4所示：形成的脱氧产物有：纯 SiO2固体；MnO SiO2(液体)；MnO FeO(固溶体)。图 4 FeO-MnO-SiO2 三元相图硅镇静钢用 SiMn 脱氧，形成的脱氧产物一般有纯SiO2固体，MnO?SiO2液体，MnO?FeO固溶体。Mn/Si 低时形成 SiO2 夹杂会导致水口堵塞；Mn/Si 高时生成典型的液态MnO?SiO2，夹杂物容易上浮。因此因调整钢成分，保持Mn/Si2.5。但与 Mn、Si 平衡的 O 溶较高，当钢水浇入结晶器时会产生皮下针孔，同时MnO?SiO2 会污染钢水。为此在 LF 精炼采用白渣操作Ar
7、 搅拌，钢渣精炼扩散脱氧即能把钢水中O溶降到25 。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 12 页 -其中锰铝榴石区域夹杂物熔点低，球形易上浮；可塑性及变形性好且不堵水口；脱氧良好不生成气孔。夹杂物中 Al2O3 含量控制当其中 Al2O3 超过 25%时，Al2O3 将析出；假设Al2O3 含量低于10%，SiO2 将析出，两者均为不变形相。为了控制 Al2O3 含量以形成20%的 Al2O3 锰铝榴石夹杂物，必须与渣系中的Al2O3联系起来，通过调整渣的组成防止渣中Al2O3 过高导致锰铝榴石中Al2O3 析出来平衡钢水中的夹杂物成分。最有效的方法是采用Ca CaO
8、 粉剂及钙硅石处理，不仅可以控制夹杂物中Al2O3含量而且可将锰铝榴石夹杂转变为热轧时可变形的非晶体假硅石灰。在钢中Si0.2，Mn 0.4，温度为1550条件下，要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中AlS=0.006%图 6，假设钢中 Als 0.006%,则钢中 O20ppm，生成锰铝榴石而无Al2O3 析出，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。图 5 MnO-SiO2-Al2O3相图图 6 钢中 Al 与 O关系3用过剩铝脱氧对于低碳细晶粒钢，要求钢中酸溶铝不低于0.01；对于低碳铝镇静钢，为改善薄板深冲性能，要求钢中酸溶铝为0.020.05；为此要求用过剩铝脱氧，其
9、脱氧产物全部为Al2O3 Al2O3 熔点高 2050,钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能。为此采用钙处理来改变Al2O3 形态名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 12 页 -图 4 纯铁脱氧期间形成的枝晶状和点簇状Al2O3 夹杂左图 和珊瑚状 Al2O3 夹杂右图图 5 低碳钢 Al 脱氧期间的点簇状Al2O3 图 6 低碳铝镇静钢脱氧过程中形成的Al2O3 夹杂左：花盘型Al2O3；右：小多面体颗粒的聚集名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 12 页 -点簇状氧化铝夹杂来自脱氧或二次氧化，如图5 所示
10、，为铝脱氧钢中的典型存在形式。由于具有较高的界面能，氧化铝夹杂容易通过碰撞、聚集形成三维点簇状。点簇状夹杂内每个单体直径约为15 微米。在与其他颗粒碰撞、别离或聚集之前，这些单体可能是花盘型或多面体型夹杂物，如图6所示。簇状 Al2O3 夹杂物的形貌块状 Al2O3 夹杂物的形貌钙处理喂Si-Ca 线或 Ca线，改变 Al2O3 形态；Als 较低，钙处理生成低熔点2CaO Al2O3 SiO2图 7；Als 较高，钙处理保持合适Ca/Al 比，最好能形成12CaO 7 Al2O3(图 8 和 9)。对于 Al-K 钢，钙处理后：解决了可浇性，不堵水口；夹杂物易上浮去除。改变夹杂物形态，改善钢
11、性能就夹杂物传输到钢/渣界面而言，它决定于：夹杂物尺寸：夹杂物的形核，长大速率。形核约15nm，在炼钢条件下很快长大到15m；液体流动，搅拌，夹杂物碰撞、聚合，尺寸5200m；夹杂物性质：液态或固态；夹杂物上浮：静止溶池还是搅拌溶池。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 12 页 -共焦扫描激光显微镜观察到的钢水外表Al2O3 夹杂物形成点簇状的过程夹杂物聚集借助于外表张力，固态夹杂物的聚集能够出现在任何界面上，包括在耐火材料外表上和气泡外表上。Al2O3 与钢水的接触角较大 134146 ，促使这类夹杂物为减少与钢液的接触而自发的粘附在耐火材料上。1530 C 的高温
12、可以使得Al2O3 出现烧结相。较大的接触角和较大的夹杂物尺寸有利于夹杂物聚集图18。由于碰撞与集聚，随着时间和温度的增加，夹杂物趋向长大。就渣相吸附夹杂而言钢/渣界面能:夹杂物溶于渣相。液体夹杂完全溶解于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解，决定于渣成分、温度和渣量。2)防止浇注过程钢水再污染，它决定于：钢水二次氧化；钢水与环境渣、包衬、水口相互作用；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 12 页 -渣相乳化紊流、涡流；非稳定态浇注。连铸坯中夹杂物来源1)内生夹杂物：主要是脱氧产物，其特点是：O溶，脱氧产物增加；夹杂物尺寸细小 20m；在钢包精炼搅拌，大部分85夹杂物上浮
13、；一般来说，对产品质量不构成大的危害；钢成分和温度变化时有新的夹杂物沉淀5m 。在连铸坯中常见的内生夹杂endogenesis-inclusions:铝镇静钢 Al-K:Al2O3硅镇静钢 Si-K ：硅酸锰 MnO SiO2或 MnO SiO2Al2O3钙处理 Al-K 钢：铝酸钙钛处理 Al-K 钢：Al2O3，TiO2，TiN 镁处理 Al-K 钢：铝酸镁所有钢：MnS凝固时形成，以氧化物夹杂形核钢水冷却和凝固过程中产生的沉淀析出夹杂物在冷却期间，液态钢水中溶解氧、氮、硫的浓度变大，同时这些元素的溶解度减小。这样造成氧化铝、硅、氮化铝和硫化物的沉淀析出。凝固过程中硫化物在枝晶间析出，亦经
14、常以钢水中已存在的氧化物为核心析出。这类夹杂物通常较小50m，甚至几百m；来自耐火材料侵蚀的夹杂物通常比卷渣造成的夹杂物要大2)复合成分及多相结构由于钢水和渣中的SiO2,FeO,and MnO 以及炉衬耐火材料之间的多元反应造成夹杂物成分复杂，产生的Al2O3 可以覆在这些夹杂物外表；由于外来夹杂尺寸较大，它们在运动时，容易吸收捕获脱氧产物如Al2O3 夹杂图10 右与图 11 右；外来夹杂作为异相形核核心，在钢水中运动的新夹杂物以此核心沉淀析出图11左；渣或者二次氧化产物与炉衬耐火材料或其脱落物之间的反应；3)形状不规则但卷渣或者脱氧产物氧化硅类夹杂物为球形。球形外来夹杂物通常尺寸较大50
15、m并且大多数为多相，但球形脱氧产物夹杂通常较小并且单相.4)相比小夹杂物而言数量较少偶然性分布与小夹杂物均匀弥散分布不同，外来夹杂物在钢中零星分布。由于此类夹杂通常是在浇铸和凝固时被捕捉，因此具有偶然性，呈零星分布状态。另一方面，由于此类夹杂容易上浮去除，所以它们只集中在凝固速度最快的区域或名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 12 页 -者在某些方面上浮受阻的区域。因此，此类夹杂经常出现在表层附近。6)对产品性能危害最大。生产洁净钢，就是要减少钢中夹杂物，尤其是减少大颗粒夹杂而奋斗不管这些夹杂物的来源如何，问题在于这么大尺寸的夹杂物为何没有迅速上浮而得到去除。原因可
16、能是：在浇铸之前，在冶炼、运输或钢包、中间包等其他冶金容器的侵蚀过程中该类夹杂物形成较晚造成上浮时间不足；缺乏足够的过热度；在凝固过程中由于流场流动影响造成结晶器保护渣卷入，或者已上浮的夹杂物在未完全进入渣中之前被重新卷入。(3)二次氧化产生的夹杂物钢中发现的二次氧化产生的大型夹杂物最常见的形式点簇状Al2O3、球状MnOFeO、MnOSiO2。空气作为二次氧化的共同来源，以以下方式进入钢液：由于在钢水注入处强烈的湍流造成中间包钢水外表吸入空气，流动的钢液外表形成的氧化薄膜重新卷入钢液后形成很薄的氧化物颗粒带；钢水从钢包进入中间包以及从中间包进入结晶器的水口连接处吸入空气；在浇铸过程中，钢包、
17、中间包和结晶器钢水外表的空气渗透。在这类二次氧化过程中，脱氧元素如Al、Ca和 Si 等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物，通常比脱氧夹杂物大一到二个数量级。防止此类二次氧化的方法是在浇铸过程中防止钢液暴露于空气中：1在钢包长水口和中间包浸入式水口连接处采用钢环或透气砖环吹入惰性气体形成气幕保护；2浇铸前在中间包内充入保护气体以及浇铸过程中中间包钢液外表采用气体保护；3控制钢包内的气体吹入防止形成气眼。二次氧化产物另一来源是渣中以及包衬耐火材料中的SiO2,、FeO 和 MnO。通过此类二次氧化产物形成的机理，靠近渣或包衬界面时钢水中的夹杂物通过反应SiO2/FeO/MnO+AlSi/Fe
18、/Mn+Al2O3 而长大，由此生成的氧化铝夹杂尺寸较大且含有各种成分。这种现象以以下方式进一步影响外来夹杂物的形成：上述反应能够侵蚀包衬耐火材料外表并可使其外表凹凸不平，从而改变包衬壁附近的钢水流场，并且引起包衬的破损加速；包衬破损产生的大型外来夹杂物以及卷入的渣可以捕捉小夹杂物如脱氧产物，也可以作为异相形核核心产生新的析出物，这就使得外来夹杂物的成分变得比较复杂。为防止来自渣和包衬耐火材料的二次氧化，使这些材料保持较低的FeO、MnO 和 SiO2 含量非常重要。文献说明较低自由SiO2 含量的高铝质或氧化锆质砖具有更好的适用性(4)卷渣造成的外来夹杂物任何冶炼上或钢水传递上的操作，尤其是在钢水从一种容器到另一种容器时，会引起渣钢间的剧烈混合，造成渣颗粒悬浮在钢液中。特点：卷渣形成的夹杂物尺寸在10300 m 之间，含有大量的CaO 和 MgO 成分，在钢水温度下通常为液态，因此在外形上为球形图12。使用 H 型中间包并且通过两个钢包注入可以在换钢包期间减少卷渣夹杂物。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 12 页 -