夹杂物的控制技术

夹杂物的控制技术目录夹杂物的来源夹杂物的分类夹杂物在炼钢过程的演变夹杂物在轧制过程的变化和影响夹杂物对钢铁产品的影响夹杂物的控制方法夹杂物的检测方法国内外关于夹杂物控制技术的新进展夹杂物的来源外来夹杂物在冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂物（1）脱氧时的脱氧产物，Cr2O3、SiO2、MnO、Al2O3；（2）钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素因溶解度下降以非金属夹杂物形式而出现的生成物；夹杂物的来源（3）凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；（4）固态钢相变溶解度变化生成的产物。钢中外来夹杂物和内生夹杂物往往交织在一起，内生夹杂物可以外来夹杂物为核心，聚集到后者的颗粒上。外来夹杂物可与钢液起反应而被还原，再生成新的内生夹杂物。一般外来夹杂物的颗粒较大，在钢中也较集中，而内生夹杂物小而分散。夹杂物的分类按化学组成成分：(1)氧化物FcO、SiO2、Al2O3、CaO、复合氧化物(2)硫化物CaS、MnS(3)碳(氮)化物AIN、TiN、Ti(CN)、V(CN)、Nb(CN)(4)磷化物FeP3按夹杂物可塑性：塑性夹杂物：硫化物、铁锰硅酸盐脆性夹杂物：Al2O3、Cr2O3球状不变形夹杂物：SiO2及SiO2含量较高的硅酸盐半塑性夹杂物：各种复相的铝硅酸盐夹杂物的分类从金相学上夹杂物分为：A硫化物类：具有高延展性，有较宽范围形态比的单个灰色夹杂物，一般边部呈圆角。B氧化铝类：大多没有变形，带角的，形态比小(一般＜3)黑色或蓝色颗粒，沿轧制方向排成一行。C硅酸盐类：具有高延展性，有较宽范围形态比(一般≥3)的单个呈黑色或深灰色夹杂，一般端部成锐角。D球状氧化物类：不变形，带角或圆形，形态比小(一般＜3)黑色或带蓝色，无规则分布。DS单颗粒球状类：圆形或近似圆形，直径≥13µm。夹杂物在炼钢过程中的演变从夹杂物进出钢液的历程看，它大致经历了如下过程：反应，形核，扩散长大，碰撞聚合和分离，大颗粒夹杂上浮，少量的微小夹杂物则残留在金属中，如下图夹杂物在炼钢过程中的演变钢中的夹杂物起源于脱硫、脱磷、脱氧等原始的冶金反应，钢水的二次氧化，被侵蚀的耐材，钢水保护渣，精炼渣。在炼钢过程中不断地伴随着夹杂物的产生及上浮除去的过程。脱氧产物脱硫产物脱磷产物炉渣耐材钢水二次氧化转炉(电炉)-----精炼炉-----真空炉----中间包---结晶器--夹杂物在轧制过程中有3种变形1.在热加工时沿加工方向延伸成条带状。2.在热加工时不变形，但能沿加工方向成链状分布。3.在热加工时保持原来球点状的夹杂属于不变形夹杂。条带状夹杂物点链状夹杂物夹杂物在轧制过程的变化和影响夹杂物在轧制过程的变化和影响轧制过程中不同的夹杂物类型(夹杂物的尺寸、形态、易变形程度)，对轧件质量都有一定的影响。夹杂物的变形行为可能使夹杂物与轧件基体之间产生裂纹，夹杂物也有可能破碎而形成裂纹。随着轧件基体的变形，夹杂物也有可能迁移致轧件表层而影响轧件表面质量。因此，研究轧制过程中夹杂物的变形行为对于控制轧件的质量有着重要的意义。夹杂物在轧制过程的变化1.夹杂物的尺寸夹杂物的尺寸越小，轧制过程中变形程度越小，轧制结束后，夹杂物之间的形状差异越小。在轧制过程中，小尺寸夹杂物在轧件中的相对位置基本不变，而大尺寸夹杂物与轧件表面更容易向轧件表面移动。2.夹杂物的易变形程度轧制过程中，易变形夹杂物的变形程度比难变形夹杂物的变形程度大的多，易变形夹杂物与基体之间的不容易形成裂纹，不容易造成应力集中，相同尺寸下，难变形夹杂物比易变形夹杂物更容易向轧件表面移动。夹杂物在轧制过程的变化和影响3.夹杂物的位置在轧制过程中，处于轧件1/8厚度的位置的夹杂物的变形程度大些，处于轧件1/4-1/2厚度位置夹杂物变形程度相近，夹杂物离轧件表面越近，夹杂物越容易往轧件表面移动，即相对距离减小。夹杂物在轧制过程的变化和影响夹杂物对钢铁产品的影响非金属夹杂物降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。在某些特殊场合下夹杂物也能起到好的作用。夹杂物对钢的性能影响的具体程度决定于一系列因素。在考虑钢中夹杂物对钢的性能影响的时候，应当注意夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布，不同夹杂物与钢基体的连接能力的大小，夹杂物的塑性和弹性系数的大小，以及热膨胀系数、熔点、硬度等几何、化学和物理学方面的因素。夹杂物对钢铁产品的影响当夹杂物颗粒比较大(10µm)，特别是夹杂物含量较低时，明显降低钢的屈服强度，且同时降低钢的抗拉强度；当夹杂物颗粒小到一定尺寸(0.3µm)时，钢的屈服强度和抗拉强度都将提高。当钢中弥散的小颗粒的夹杂物数量增加时，钢的屈服强度和抗拉强度都有所提高，但延伸率有很小的下降。夹杂物对强度的影响值为：σ=a/d(1-f)式中:a常数；d夹杂物直径；f夹杂物的体积分数1.夹杂物对强度的影响夹杂物对钢铁产品的影响2.夹杂物对延伸性的影响3.夹杂物对韧性的影响通常夹杂物对钢材的纵向延伸性的影响不大，而对横向延伸性的影响很显著，横向断面收缩率随夹杂物总量和带状夹杂物数量的增加而显著降低，而带状夹杂物多为硫化物。夹杂物对钢材韧性的影响，是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。金属的韧性断裂过程是钢材的不断塑性形变而逐渐发生发展起来的。由于大多数夹杂物和析出物同基体金属的弹性和塑性性能有相当大地差别，所以在金属的变形过程中，与夹杂物之间会产生裂纹，最终导致材料的断裂。夹杂物对钢铁产品的影响5.夹杂物对抗腐蚀性能的影响4.夹杂物对疲劳性能的影响不同类型的夹杂物对接触疲劳寿命有不同程度的影响，按降低寿命的程度从强到弱大体上可以排成以下次序：刚玉球状不变形夹杂物、半塑性硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物。硫化物和硫化物复合的某些氧化物夹杂物是钢材造成腐蚀的根源，复合夹杂物的影响更大，而单独的氧化物夹杂不会造成点蚀现象。夹杂物对钢铁产品的影响6.夹杂物对表面光洁度的影响7.夹杂物对焊接性能的影响夹杂物都使钢的表面光洁度下降，氧化物夹杂是最主要的，钢的表面光洁度随夹杂物数量的增加而下降，大型夹杂物对钢材表面质量的影响最大。硫化物夹杂和大型氧化物夹杂都使钢材的焊接性能下降。而某些细小的特定的夹杂物(如Ti的氧化物等)能够在焊接时作为晶内铁素体的形核核心，细化焊接热影响区的微观组织，改善了钢材的可焊性。夹杂物的检测检测方法：1.金相显微镜观测法2.图像扫描法3.电解法4.电子束熔炼法5.扫描电子显微镜法6.超声波法7.X射线衍射法8.原位分析法9.原貌分析法夹杂物的检测通过金相显微镜（放大倍数25-1000倍）肉眼观察经过打磨抛光的钢样，通过观察夹杂物的夹杂物的形状、光学特征或化学法辅助，定性的了解夹杂物的类型、数量、尺寸、分布等。夹杂物的检测-光学金相显微镜夹杂物的检测夹杂物名称形状及分布明场暗场偏光氧化铝Al2O3细小，成串深灰或暗灰透明黄白色各向异性氧化亚铁FeO球状，变形后略显椭圆灰色稍带褐色完全不透明（通常比基体黑）沿边有细亮线各向异性，不透明，淡黄色硫化铁FeS量多时呈网状分布在晶界上，量少时成粒状分布在任意部位，易变形加工后伸长淡黄色，长期暴露在空气中变为褐色不透明，沿边界有亮线明显的各向异性。不透明，淡黄色硫化铁与硫化锰MnS-FeS同FeS随MnS量而变，MnS少时呈淡黄色，多时变深蓝色，再变深为深灰色不透明各向异性，不透明铁硅酸盐2FeO-SiO2多为玻璃质。球状任意分布，稍变性，变形后呈纺锤深灰色，球体中的环圈反光而中心有亮点。透明，色由淡黄到褐色各向异性，透明呈玻璃状时各向同性锰硅酸盐2MnO-SiO2多为玻璃质，球状任意分布，易变形，变形后伸长深灰色透明，由玫瑰到褐色各向异性，呈玻璃状时各向同性夹杂物的金相识别夹杂物的检测夹杂物名称形状及分布明场暗场偏光氮化钛TiN成群，成串金黄色不透明各向同性碳氮化钛Ti(CN)成群，变形后成串随碳含量不同由浅黄变紫玫瑰完全不透明各向同性氮化钒VN孤立或成群淡粉色不透明各向同性碳氮化钒V(CN)孤立或成群淡粉不透明各向同性石英SiO2球状深灰色透明无色各向同性铝酸盐CaO-2Al2O3变形后呈链状灰色透明亮黄色弱各向异性3Al2O3·2SiO2三棱或针状分布无规则深灰色透明无色各向异性夹杂物的金相识别夹杂物的检测-扫描电子显微镜将电子束用电磁透镜聚焦照射在试样表面，同时用电子束扫描，在显像管上显示出式样发出的信号，可清晰的观测到各种夹杂物的主体像，了解其分布和形态，用电子探针分析仪测定其组成及含量，特别是鉴定夹杂物的局部成分很有效。夹杂物的检测扫描电镜的夹杂物图像夹杂物的控制方法钢中的夹杂物来源很多包括脱硫、脱磷、脱氧产物，炉渣、二次氧化、耐材等。夹杂物在钢中也存在着形核，长大、上浮去除。夹杂物的控制方法就是强化其中的过程，使夹杂物的水平符合产品的质量要求。钢中的氧含量低，钢中的夹杂物数量就少，钢中氧含量与产品质量的关系尤为密切，因此将钢中氧含量作为钢洁净度的量度夹杂物的控制方法评价钢中夹杂物全氧T[O]=[O]溶+[O]夹转炉吹炼终点：[O]夹=0T[O]=[O]溶=700-900ppm[O]溶决定于：1.钢中的[C]2.渣中的(FeO)3.钢水温度转炉终点钢中[C]与a[O]的关系夹杂物的控制方法钢包脱氧合金化+精炼后：[O]溶=0T[O]=[O]夹对于Al、Si、Mn等脱氧钢，炉外精炼控制炉渣组成，改变脱氧合金与氧的热力学平衡，使Al2O3、SiO2、MnO等溶于渣中，最后使溶解氧的含量下降到极低的水平。降低钢中的T[O]含量，就是要减少钢中的夹杂物，降低[O]夹，降低[O]夹的方法是：1.脱氧产物的除去它决定于：夹杂物的形成形成低熔点，容易上浮排除的夹杂物，不堵水口，可浇性好的夹杂物夹杂物传输到钢-渣界面夹杂物的尺寸，钢液的流动，夹杂物的碰撞长大渣相吸附夹杂物钢渣的界面能，夹杂物能否溶于渣相，与渣的成分，温度，渣量有关夹杂物的控制方法2.防止钢液浇注过程钢水再污染，它决定于：钢水的二次氧化钢水与环境(渣、包衬、水口)的相互作用渣相乳化(紊流、涡流)非稳态浇注3.浇注过程中，使夹杂物进一步上浮除去中间包冶金技术结晶器钢水流动合理化夹杂物的控制方法夹杂物控制技术根据以上分析，应根据钢种和产品用途，把炼钢-精炼-连铸的操作处于严格的控制下，运用多种控制方法，才能生产出合格的产品。1.转炉采用铁水预处理过的钢水控制转炉终点P、S的控制提高终点控制的成功率，减少再吹减少出钢的下渣量加大吹炼后期惰性气体量，增强搅拌在钢包内对炉渣的改性处理，降低全氧含量2.LF精炼合适的底吹氩搅拌合适的精炼渣成分3.RH真空保证加合金后充足的搅拌时间足够的真空处理时间足够的软搅拌时间夹杂物控制技术4.连铸合理的中间包设计合适的中间包覆盖剂中间包的保护浇注防止浇注过程下渣防止结晶器卷渣夹杂物控制技术国内外关于夹杂物控制技术的新进展1.钢包吹氩钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸，目前钢包底吹氩用透气砖平均孔径不适合去除小颗粒的夹杂，但过强的搅拌又会造成卷渣及二次氧化，因此必须钢液中制造直径更小的气泡。将氩气引入到足够湍流强度的钢液中依靠湍流波动速度梯度产生的剪切力将气泡击碎，可将大气泡击碎成小气泡。而钢包与中间包之间的长水口具有高的湍流强度，在此区域钢水流速达到1-3m/s，产生的细小气泡捕获夹杂物的概率很高，这种方法可显著提高氩气泡去除夹杂物的效率。2.中间包气幕挡墙通过埋设于中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹入氩气，形成气幕挡墙，与传统的中间包挡墙法相比小于50µm的夹杂明显减少。3.电磁净化中间包离心分离利用夹杂物与钢液的密度差可以用离心场中分离夹杂物。在旋转的钢液中，由于夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，在钢液中心聚集长大上浮除去，钢液的旋转可以通过旋转磁场产生。结晶器电磁制动电磁制动是利用向上的电磁力阻止从浸人式水口流出的钢液并改变其方向，借此减小钢液的穿透深度,促使夹杂物上浮分离，抑制弯月面的波