钢中非金属夹杂物分析可行性研究报告

钢中非金属夹杂物分析可行性研究报告1．概要1.1钢中非金属夹杂物的来源钢铁冶炼是一个非常复杂的物理化学过程。随着冶炼技术的不断进步，钢的品质得到不断提升。但是，不管采用何种先进的冶炼技术，钢中总还是不可避免地存在或多或少的非金属夹杂物，其来源大致为以下几方面：①脱氧、脱硫产物，特别是一些比重大的产物没有来得及排除。②随着钢液温度的降低，S、O、N等杂质元素的溶解度下降，于是这些不溶解的杂质元素就呈非金属化合物在钢中沉淀。③带入钢液中的炉渣或耐火材料。④钢铁被大气氧化所形成的氧化物。通常将前两类夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物称为外来夹杂物。内生夹杂物的类型和组成取决于冶炼的脱氧工艺和钢的成分，尤其是与S、O、N亲和力强的元素含量，如Al、B、Mn、稀土、Ca等。而与S、O、N亲和力弱的元素，如Ni、Co等，即使它们含量变化很大，对夹杂物也不产生明显影响。外来夹杂物系偶然生成，通常颗粒大，呈多角形，为成分复杂的化合物，分布也没有规律。在钢中的含量通常只占夹杂物总量的很小一部分，而且往往是难以确定的。1.2夹杂物对钢性能的影响钢中非金属夹杂物的存在通常被认为是有害的。主要表现对钢的强度、延性、韧性、疲劳等诸方面的影响。所以冶炼中应采取各种技术措施，尽可能降低其含量，并科学地调节夹杂物的类型、分布、形态等，使其对钢的性能的影响降低到最低限度。①夹杂物类别的影响铝镇静钢在连铸时，高熔点的Al2O3夹杂物易粘在中间包的水口上面影响浇铸，可通过改变脱氧工艺使钢液中固态的Al2O3夹杂物变为液态的铝酸钙，就可以避免夹杂物在水口上面的粘结。②夹杂物颗粒大小及分布的影响大而集中的夹杂物对钢的性能很有害，而分布弥散和细小颗粒的夹杂物，不仅其危害能消除，有时还有改善钢的性能的作用。例如在室温下，Al2O3颗粒超过1μm时，钢的屈服强度和抗张强度降低，但当夹杂物颗粒小于0.3μm时，屈服强度和抗张强度都将提高。钢液中有同等量的氧、硫含量时，对小型铸件，由于冷却速度快，夹杂物的颗粒小，分布均匀，对铸件的性能几乎不产生影响。然而对大型铸件，由于冷却速度慢，夹杂物产生偏析，颗粒粗大，对铸件的性能将会产生较大的影响。③夹杂物形状的影响硫化锰是钢中常见的夹杂物，在铸钢中如形成球状硫化锰，则钢体在热加工过程中不易变形，而且能减少各向异性，因而对钢件的机械性能危害很小。但如形成长条状、链状硫化锰，或形成共晶或沿晶界分布，钢铁在热加工时将产生热脆和裂纹，破坏了钢的基体连续性，因此对机械性能将会产生较大的影响。2．夹杂物的分析与鉴定钢中夹杂物的鉴定是一项复杂、烦琐而又费时费力的分析技术。它既需要对夹杂物进行定量分析，又需要在定量分析的基础上，对夹杂物的组成、结构、形态、分布等进行鉴定。目前国内外尚无一种仪器设备可以胜任，通常需要多种仪器设备和手段配合进行。2.1夹杂物的定量分析夹杂物的定量分析目前仍采用古老的化学法，分为夹杂物的提取和测定两个阶段。①夹杂物的提取夹杂物的提取可采用酸溶法、置换法、卤素法、氯化法以及电化学法等。其中以电化学法（电解法）应用范围广泛，其缺点是提取时间长。②夹杂物的测定夹杂物的测定均采用纯化学分析方法，如重量法、容量法、光度法等。夹杂物的测定是夹杂物鉴定的首要条件，采用化学法进行分析，分析周期长，效率低，需消耗大量的化学试剂，配备众多的分析人员，是一种不得已的低效、高耗费时费力的方法。2.2夹杂物的鉴定夹杂物的鉴定分为宏观鉴定和微观鉴定两类。宏观鉴定采用X射线探伤、超声波探伤等，主要是探测钢中大的氧化物夹杂、裂缝、气孔等。微观鉴定采用示踪原子、金相、扫描电镜、电子探针、X衍射等方法。其中以金相法较为常用。3．GP-100真空直读光谱仪分析钢中夹杂物可行性研究3.1GP-100真空直读光谱仪的性能GP-100真空直读光谱仪是一台具有国际先进水平的大型仪器，结构新颖、性能可靠，最多可设置64个分析通道，可一次性同时分析钢中所有主量元素和杂质成分，是任何化学分析方法所无法比拟的。分析过程全自动，分析精度高，重复性好，无人为误差，分析结果直读、打印，数据可长期保存，是建立现代化实验室的理想仪器。其主要性能指标如下：①技术指标a．光谱室焦距：曲率半径1000mm，帕邢-龙格光学装置，最多可设置64个分析通道（根据用户需要）。真空型，真空泵为两极油封旋转叶片型，极限真空可达0.1-1Pa（﹤10mtorr）。b．光栅光栅毛坯尺寸：直径63.5mm，厚12mm。刻划面积：50×30mm入射角：35°刻线：1440条/mmc．波长范围173.0-767.0nm二级光谱173.0-383.5nm一级光谱346.0-767.0nmd．平均色散率二级：0.33nm/mm一级：0.66nm/mme．接收器光电倍增管（全进口），直径Ф13mm，10级侧窗管。f．试样台密闭式充氩样品架。g．光源高能预燃高重复率火花光源，放电频率200Hz、400Hz可调。h．计算机及软件主流品牌机、内存64M、硬盘40G、17″彩显、针式打印机。DOS软件系统，英文及汉化双版本，具有灵活的样品识别、系统标准化、类型标准化、日常分析、质量检验。灵活的结果显示，结果储存、结果调用/更新、存储结果的统计。多变量回归、系统状态检测等功能。②安全性能指标a．绝缘电阻﹥20MΩ。b．抗电强度AC1500V、50Hz历时1min无击穿。c．泄漏电流≤5mA③计量性能指标a．分析品种及元素钢铁及其合金中所有主量元素及微量杂质。b．分析时间：≤20秒钟。c．精密度：优于GB/T4336-2002标准。3.2分析钢中夹杂物可行性研究①钢中夹杂物的类型钢中夹杂物由于冶炼和热处理工艺的不同而呈现非常复杂的形态，但大致可分为三大类：即氧化物、硫化物以及一些高熔点的氮化物、硒化物、磷化物、碲化物等。氧化物夹杂又可分为简单氧化物和复杂氧化物以及硅酸盐、硅酸玻璃等。作为普通碳素钢及中低合金钢中夹杂物的类型要简单得多，通常为氧化铝、氮化硼以及硫化铁、硫化锰等。其中影响钢的性能的主要是氧化铝夹杂。氧化铝根据其化学安定性又分为酸溶铝与酸不溶铝。②分析技术的对比及研究现以氧化铝夹杂物的测定为例，进行两种分析方法的对比。a．化学法测定氧化铝的工艺流程制样（样屑）→电解提取→残渣灼烧称重→酸分解提取（保留残渣）→光度法测定→酸溶铝氧化物含量。保留残渣→灼烧称重→酸不溶铝氧化物含量。b．直读光谱法测定氧化铝的工艺流程制样（样块）→激发→分析结果（酸溶铝、酸不溶铝）直读显示→换算因子计算→酸溶铝氧化物、酸不溶铝氧化物含量。c．两种方法对比化学法：分析时间单样需8小时，工艺流程长，全人工操作，消耗大量化学试剂，分析成本高，效率低，人为因素大，分析精度低。直读光谱法：分析时间单样20秒钟，全自动操作，不消耗任何化学试剂，分析成本低，效率高，无人为因素，分析精度高。3.3结论采用直读光谱仪进行钢中夹杂物的测定，是一项分析检测新技术。如前所述，采用单一仪器进行钢中夹杂物的全面鉴定目前在国内外尚不可行，需要配备其它相关手段及设备，直读光谱仪也不例外。但直读光谱仪高效、低耗性能以及可覆盖钢中所有主量元素和微量杂质的分析性能，却是化学分析方法以及其它许多大型仪器所不具备的。目前对于钢中氧化铝的研究测定，其技术是成熟的，同时还可进一步开展氮化硼、硫化物、磷化物等夹杂物的测定研究，因为这些夹杂物中的非金属元素，均可在直读光谱仪上精确测定，再通过相关的换算因子计算，即可得到这些夹杂物的含量。因此，采用直读光谱仪分析钢中夹杂物的研究在技术上是可行的，是一种不失为新的高效、低耗的检测手段。