纯洁钢-多媒体

洁净钢及其生产技术重庆大学文光华2洁净钢及其生产技术•纯净钢或洁净钢的概念•钢中夹杂物控制原理•连铸坯中夹杂物来源与分布•洁净钢生产的控制对策•结语3一、洁净钢和纯净钢的概念关于洁净钢(cleansteel)或纯净钢(puritysteel)的概念,目前国内外尚无统一的定义,但一般都认为洁净钢是指对钢中非金属夹杂物(主要是氧化物、硫化物)进行严格控制的钢种,这主要包括:钢中总氧含量低,非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。而纯净钢则是指除对钢中非金属夹杂物进行严格控制以外,钢中其它杂质元素含量也少的钢种。4纯净钢（puritysteel）•S+P+N+O+H总合水平：•60年代900ppm•70年代800ppm•80年代600ppm•90年代100ppm•2000年50ppm5纯净钢（puritysteel）高纯净钢对炼钢工艺要求：（1）去除杂质元素•超低[C]：如汽车板；•超低[S]：如输气管线；•超低[N]：如铁素体不锈钢管，冷锻线棒材；•超低[P]：如高压容器钢板。（2）去除夹杂物•超低[O]：如滚珠钢，汽车板；•形态控制：如拉拔钢丝，管线钢。（3）成分控制•化学成分控制在窄的范围，性能均一性。6纯净钢（puritysteel）国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表1表1国内外一些钢厂生产纯净钢水平（ppm）元素厂家CONPSH总和备注埃知钢厂9-20505-10新日铁102515253169名古屋厂301920-3020301.590-100迪林根厂20-303010171林茨厂20242266中钢公司2511306614-1715-2620-3031-42184-1031995年宝钢20-3615-4019-4413-3520-25188-1801996年武钢7纯净钢（puritysteel）表2钢中夹杂元素含量预测（ppm）CSPONH总和6185140.234.260.425140.227.65510510〈136.02000年后杂质元素含量预测水平如表2：纯净钢除S+P+N+H+O五大元素外，随电炉短流程的发展，废钢用量的增加，还包Cu、Zn、Sn、Bi、Pb等伴生元素。8理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高,其性能越好,使用寿命也越长。钢中杂质含量降低到一定水平,钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从40×10-6降低到20×10-6,深冲钢的伸长率可增加7%。提高钢的纯净度还可以赋予钢新的性能(如提高耐磨腐蚀性等),因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下高附加值产品的基础,其生产具有巨大的社会经济效益。需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的,如硫在一般钢中都视为杂质元素,但在易切削钢中其为有益元素;IF钢中氮是杂质元素,但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素,其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。纯净钢（puritysteel）9洁净钢（cleansteel）钢中非金属夹杂物总量、形态和尺寸。它决定于钢种和产品用途。不同用途的产品对钢中洁净度要求表3。表3洁净钢要求产品洁净度备注汽车板T[O]20ppmD50µm防薄板表面线状缺陷易拉罐T[O]20ppmD20µm防分边裂纹ShadowmaskforCRT防罩屏D50µm防止图象侵蚀轮胎钢芯线冷拔0.15-0.25mmD10µm防止冷拔断裂滚珠T[O]10ppmD15µm增加疲劳寿命管线D100µm氧化物形态控制酸气腐蚀钢轨T[O]20ppm单个D13µm链状D200µm断裂备注：D指夹杂物直径10洁净钢（cleansteel）表4某些高纯度钢发生缺陷的原因调查钢种产品缺陷引起缺陷的夹杂物最小直径缺陷部分夹杂成分DL罐用镀锡板凸缘裂纹150µm60µmCaO-Al2O3ERW管材UT缺陷US缺陷150µm220µmCaO-Al2O3群落状Al2O3镀锡板炉渣分层400µm500µm深冲深拉用冷轧钢板冲压缺陷夹杂250µm400µm群落状Al2O3、CaO-Al2O3CaO-SiO2–Al2O3-Na2OUO管材UT缺陷200µmCaO-Al2O3、群落状Al2O3MnO-SiO2-Al2O3UOE管（厚钢板）US缺陷220µm注：表中夹杂物尺寸为板材加工后的夹杂尺寸，推算至铸坯中，约为50-60µm。钢的洁净度与产品制造和使用过程中所出现的众多缺陷密切相关，一些厂家对某些高纯度钢发生缺陷所作的调查如表4所示，可以看出钢中的夹杂物尤其是大颗粒夹杂物是引起产品缺陷的主要原因。11洁净钢（cleansteel）表5各种钢材夹杂物含量和尺寸的要求品种用途用户要求生产目标DL罐防止裂纹DA40μm超深冲板非常薄较高抗拉强度DA40μm防止碳化物、氮化物的析出汽车轮箍防止勾形裂纹DA100μm汽车轮盘极好的穿孔性能DA20μm门窗框架防止冲压时产生裂纹DA20μm薄板护板防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹DA5μm管材无缝管防止因氢产生裂纹全部为球形夹杂棒材轴承滚动接触寿命长DA40μm抗疲劳钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂T[O]10ppm丝弹簧高强度，疲劳寿命长减少非塑性夹杂注：DA为Al2O3直径，DM为MnS直径，Di为所有夹杂物直径。日本一向对钢材质量有着严格的要求，最近日本夹杂物委员会提出的不同成品对钢中夹杂物含量及尺寸的要求如表5所示。12高附加值产品洁净度：高附加值产品对洁净度要求是：•T[O]要低20ppm;•夹杂物数量要少；•夹杂物尺寸要小50μm；•夹杂物形态要合适。13由上述讨论，可得出以下认识：•纯净钢或洁净钢是一个相对概念；•某一夹杂含量降低到什么水平决定于钢种和产品用途；•有害元素的降低程度决定于装备和工艺现代化水平；•不管生产什么用途得钢，总是要求钢中夹杂物数量尺寸、形态得到控制。142钢中夹杂物控制原理钢中夹杂物评价：评价钢中夹杂物方法：•金相法；•电解法；•硫印法；•总氧T[O]法。T[O]=[O]夹+[O]溶转炉吹炼终点：[O]夹→0，T[O]→[O]溶=700-900ppm[O]溶决定于：•钢中[C]，转炉吹炼终点钢中[C]与a[O]关系；•渣中（FeO）；•钢水温度。15钢中夹杂物评价：钢包脱氧合金化+精练后：[O]溶=0T[O]=[O]夹对于Al—K钢：[Al]S=0.02-0.05%，[O]溶=4-8ppm，如在连铸坯中测定T[O]=20ppm，则说明除[O]溶外，氧化物夹杂[O]夹为12-18ppm，这说明钢中很干净了。对于Si—K钢：用Si、Mn脱氧平衡[O]溶含量较高。仅用Si、Mn脱氧钢中[O]溶为40-60ppm。在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。16钢中夹杂物评价：人们预测2000年后生产超洁净钢，钢中[O]要达到5ppm水平，T[O]=[O]溶+[O]夹解决途径：•生产“零夹杂物”钢；[O]夹→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活度达到0.001，与[Al]S相平衡得[O]溶小小于1ppm。对于Si—K钢，炉外精炼控制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2，可使钢中[O]溶降到与Al—K钢水平。17钢中夹杂物控制原理由以上分析可知，要降低钢中T[O]，就是要减少钢中夹杂物，降低[O]夹，降低[O]夹其方法是：（1）去除脱氧产物。它决定于：•夹杂物形成•夹杂物传输到钢/渣界面•渣相吸附夹杂物方法：控制脱氧产物+炉外精炼+搅拌→T[O]=20-40ppm18钢中夹杂物控制原理就脱氧而言，分三种情况：1）用Si+Mn脱氧形成的脱氧产物有：•纯SiO2（固体）：•MnO•SiO2（液体）；•MnO•FeO（固溶体）。控制合适的Mn/Si比，得到液相MnO•SiO2容易上浮排除。但往往由于脱氧不良，铸坯会产生皮下气孔。19钢中夹杂物控制原理2）用Si+Mn+Al脱氧形成的脱氧产物可能有：•蔷薇辉石（2MnO•2Al2O3•5SiO2）；•硅铝榴石（3MnO•Al2O3•3SiO2）；•纯Al2O3（Al2O330%）。要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中[Al]S=0.006%，钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯不产生皮下气孔。20钢中夹杂物控制原理3）用过剩铝脱氧对于低C—Al镇静钢，钢中[Al]S=0.02-0.04%，则脱氧产物全部为Al2O3：•Al2O3熔点高，钢水中呈固态；•可浇性差，堵水口；•可塑性差，不变形，影响钢材性能；钙处理（喂Si—Ca线或Ca线，改变Al2O3形态）：•[Al]S较低钙处理生成低熔点2CaO•Al2O3•SiO2；•[Al]S较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO•7Al2O3对于Al-K钢，钙处理后：•解决了可浇性，不堵水口；•夹杂物易上浮除去。21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，长大速度。形核约15nm(纳米)在炼钢条件下很快长大到1-5µm（微米）；•液体流动，搅拌，夹杂物碰撞、聚合，尺寸5-200µm；•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。对Al-K钢，钢水夹杂物上浮后，钢中总氧T[O]可表示为：T[O]=（[O]i-[O]e）exp[-Akefft/v]+[O]e式中：[O]i：初始氧量；[O]e：平衡氧量；keff：有效质量传质系数；A：溶池表面积；V：溶池体积；t：时间。22就渣相吸附夹杂物而言，它决定于：•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。23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；•渣相乳化（紊流、涡流）；•非稳定态浇注。24浇注过程中，创造条件，使夹杂物一步上浮•中间包冶金技术；•结晶器钢水流动合理化；因此，应根据钢种和产品用途，把炼钢—精炼—连铸的操作处于严格控制之下才能生产洁净钢。253连铸坯夹杂物来源与分布产品缺陷形态当钢水浇入结晶器，最终凝固成连铸坯后，在后续的热加工过程中，铸坯中夹杂物尺寸会给最终产品留下不同产品缺陷。如Al-K钢连铸坯轧成薄板坯后，钢中夹杂物会带来以下表面缺陷：•微细裂纹（sliver）：是由Al2O3类脆性夹杂物造成的；•表面起皮：由铸坯表层存在CaO•SiO2•Al2O3等夹杂所致；•表面鼓包：铸坯表层下Ar气泡+夹杂物结合在一起所致。26连铸坯夹杂物分布特征•铸坯厚度1/4处夹杂物集聚；•铸坯表层2-20mm夹杂物集聚；铸坯表层夹杂物分布。铸坯表层夹杂物集聚是与结晶器卷渣有关。结晶器渣卷入凝固壳可能有以下机构：•水口周围的涡流（B）•水口周围上升的气泡（C）•注流向上回流的剪切力（A）•未熔融的保护渣•铸坯中偶然性夹杂物，如水口堵塞物，冲入液相穴而留在铸坯中；•铸坯表层下Ar气泡+Al2O3夹杂。27连铸坯夹杂物分布特征为防止水口堵塞，在伸入式水口吹入氩气，当注流冲击液相穴深处，在上浮过程中气泡会被内弧侧凝固捕捉。利用X衍射技术探查气泡在铸坯厚度方向上的分布。气泡上浮过程中与夹杂物聚合。28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]溶升高，脱氧产物增加；•夹杂物尺寸细小，小于20µm；•在钢包精炼搅拌，大部分85%夹杂物上浮；•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（小于5µm）。在连铸坯中常见的内生夹杂（micro-inclusions）：铝镇静钢（Al-K）：Al2O3硅镇静钢（Si-K）：硅酸锰（MnO•SiO2）或MnO•SiO2•Al2O3钙处理Al-K钢：硅酸钙钛处理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）29连铸坯中夹杂物来源（2）外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）二次氧化产物，