1、王新华2013年5月24日,钢中非金属夹杂物控制技术研究,非金属夹杂物类别： 氧化物：简单氧化物，复合氧化物等； 硫化物：MnS，CaS，CaO-CaS等； 氮化物：TiN，NbN，AlN等。 非金属夹杂物危害： 质量缺陷： 铸坯：表面裂纹，内部裂纹，偏析等； 钢材：裂纹，“翘皮”，线形缺陷等。 钢材性能： 冲压开裂、冷拉断裂等； 延性，低温韧性，抗疲劳破坏，非轧制方向性能，切削，焊接，耐蚀，电磁性能等。,一、研究重要意义,2,非金属夹杂物是钢铁冶金科研“热点”,“洁净”“高洁净”“超高洁净”趋势： 强化内生类夹杂物去除效果； 严格“杜绝”二次氧化； 对夹杂物成分、尺寸、分布、性能的控制。 开
2、发新工艺，降低成本，提高对夹杂物控制效率： 缩短或取消LF精炼； 强化RH精炼； 针对不同类型钢材，对夹杂物实行“重点控制”。,夹杂物控制技术发展趋势,3,4,国产钢材夹杂物控制存在差距： 汽车钢板： 国内合资品牌汽车用钢板，50%由国内供应，其中80%为宝钢生产（引自徐乐江2011年中国钢铁年会报告）。 主要差距在于钢板表面品质稳定性控制方面。 轴承钢： 总氧、Ti等关键成分控制方面达到了顶级产品水平，但夹杂物评级难以满足瑞典、日本顶级轴承制造商控制标准要求； 主要差距在于少量Ds类夹杂物控制稳定性方面。 易切削钢： 化学成分与日本、台湾中钢产品相同，但切削性能差距很大； 主要差距在于钢中M
3、nS夹杂物均匀、细小、弥散化控制方面。,二、汽车钢板非金属夹杂物控制,5,优良加工性能与服役性能； 优良表面品质（无缺陷）。,汽车钢板表面缺陷控制,6,广州本田： 每10个钢板卷，有表面缺陷钢卷不能超过一个； 存在表面缺陷钢卷，表面缺陷不能超过一处。,夹杂物引起的钢板表面缺陷,7,汽车板铸坯中有害夹杂物尺寸,8,汽车板铸坯有害夹杂物尺寸,9,有害夹杂物来源一：大型簇群状Al2O3夹杂物,10,微小Al2O3聚集、捕捉,11,12,铸坯中大型夹杂物分布,淡路谷浩, 材料，17（2004），p107,有害夹杂物来源二：结晶器保护渣,13,有害夹杂物来源三：Ar气泡+Al2O3,14,Takashi
4、 MIYAKE, Influence of Sulphur Content and Molten Steel Flow on Entrapment of Bubbles to Solid/ Liquid Interface, ISIJ International, Vol. 46 (2006), No. 12, pp. 18171822,为什么吹氩？,15,密封作用： 防止塞棒棒头、中间包水口-滑板、滑板间渗入空气。 防止水口内壁粘接、堵塞： 在中间包水口或SEN壁上形成一氩气薄膜，阻止夹杂物与水口壁接触； 氩气吸附夹杂物，将其与水口壁分离。,Ar气泡+Al2O3,16,17,减少Al2O3簇
5、群： 转炉炼钢终点控制(O，FeO)； 转炉出钢防下渣； 提高RH精炼效率； 严格控制二次氧化等。 减少结晶器保护渣卷入： 控制结晶器钢水液面波动； 高粘度保护渣； 浸入式水口设计优化； 高拉速采用FC结晶器。 减少“气泡+Al2O3”： 严格控制Ar流量； 浸入式水口设计优化； 采用电磁搅拌； 控制“hook”。,国产汽车钢板质量问题？,首钢-北科大合作研究,18,氧含量变化,19,夹杂物检测方法,20,常规检测方法的不足： 钢材出厂检验： ASTM标准（A、B、C、D、Ds类夹杂物）； 用户标准（SKF、米其林、贝卡尔特等）； 分析检验手段：光学显微镜。 科学研究： 光学显微镜； 扫描电镜
6、（+EDS）； 投射电镜（+EPMA、EDS）； 图像分析； PDA（Pulse Distribution Analysis）。,问题： 试样检测面积小； 分析检验耗时长； 分析检验结果(夹杂物数量、尺寸、成分、位置)可信度低。,21,JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法,Y. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel Slab，AISTech 2005，Vol.II, p65,3030 mm,总检验面积：303028 = 25,200mm2,大型夹杂物主要类型,22,夹杂物数量密度： 0.
7、48个/cm2 0.51个/cm2 0.52个/cm2,正常坯取样,23,第3块铸坯末端,总检验面积：20007 = 14,000mm2,大型试样制备,24,ASPEX PSEM eXplore 扫描电镜,25,对大尺寸试样表面夹杂物进行自动分析检验： Max: 100mm80mm, 夹杂物成分、数量、位置、形貌等； 夹杂物最小尺寸：0.4m。 具有数据库、冶金分析等功能。,正常坯夹杂物数量(50m),26,正常坯夹杂物数量分布,27,汽车钢板表面缺陷控制,28,广州本田： 每10个钢板卷，有表面缺陷钢卷不能超过一个； 存在表面缺陷钢卷，表面缺陷不能超过一处。,铸坯中有害夹杂物数量计算(100
8、m),29,冷轧板卷： 重量：15t； 宽1400mm，厚0.5mm，长2767m。 铸坯： 237mm厚； 有害夹杂物主要存在于4mm厚度表层中。 有害夹杂物含量： 7.69个/m3 7.6910-6个/cm3。,30,JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法,Y. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel Slab，AISTech 2005，Vol.II, p65,3030 mm,大型夹杂物主要类型,31,夹杂物数量密度： 0.48个/cm2 0.51个/cm2 0.52个/cm2,正常浇铸
9、铸坯夹杂物,32,检测面积总计52061mm2（超过JFE同类研究一倍），大于50m夹杂物数量密度在0.210.45个/cm2，低于JFE铸坯同类夹杂物数量； 正常坯表层试样中大于50m夹杂物主要为簇群状Al2O3，未检测到保护渣卷入形成夹杂物，与JFE检测结果一致； 不能避免100m有害夹杂物存在（数量：0.0280.057个/cm2），生产高端用户钢板应对铸坯采用表面清理（扒皮）。,拉速影响,33,高拉速铸坯试样夹杂物数量,34,液面波动,35,高拉速铸坯夹杂物数量密度(个/cm2),36,JFE：高拉速有利于减少钢板表面缺陷,37,H. Nakamura, et al., Technol
10、ogy for Production of High Quality Slab at High Speed Casting，1992 Steelmaking Conference Proceedings, ISS, p409-415,“hook”状坯壳,38,拉速对hook影响,39,三、特殊钢非金属夹杂物控制,用于制作轴承、齿轮、弹簧、 传动轴等机械零部件的特殊 钢，要求具备优良抗疲劳破 坏性能； 夹杂物不能均匀传递基体所 经受的应力、应变，夹杂物 周边形成“应力集中”； 夹杂物-钢基体界面产生微裂 纹，成为工件的疲劳破坏。,40,不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响,J. Monnot, et
11、 al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.149,41,“D类”或“DS类”,“D类”或“DS类”,42,夹杂物控制误区,过度强调对夹杂物种类控制： D类夹杂物： CaO-MgO-Al2O3，CaO- Al2O3系不变形夹杂物； DS类夹杂物： CaO-Al2O3系夹杂物； Si-Mn脱氧； 低碱度或较低碱度精炼渣系； 电渣重熔、真空重熔等特殊精炼工艺方法。,43,超低氧特殊钢生产技术（T.O：36ppm）,K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the S
12、cience and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005, Charlotte, AIST, 209,：日本特钢厂大工业规模生 产超低氧轴承钢。,：采用电渣重熔工艺生产的 轴承钢。,：采用真空电加热工 艺生产的轴承钢。,44,超低氧特殊钢关键工艺技术,转炉或电炉出钢严格挡渣； 强脱氧： 铝直接脱氧； 强扩散脱氧； 高碱度精炼炉渣； 长时间RH真空精炼； 严格保护浇注； 大方坯连铸： 中间包钢水加热； 低拉速、低比水量二冷、电磁搅拌等。,45,国产特殊钢主要问题,DS类夹杂物评级差（ T.O：36ppm）： 没有充分发挥RH精炼作用（时间短）； 保
13、护浇注不严密； 许多仍采用钙处理。 LF精炼时间过长； 缺少中间坯“扒皮”、钢材探伤等设备。,46,LF与RH精炼分工,47,EAF LF RH CC,升温，脱氧，合金化，去除夹杂物等。,脱气（H，N），脱氧，合金化，去除夹杂物等。,实现超低氧控制：LF or RH（哪个更高效？）,48,优势： 加热钢水，炉渣； 强扩散脱氧（高碱度、极低FetO含量炉渣）； 钢液成分控制。 超低氧控制方面不足： 对钢水搅拌能不足。,49,钢水为强还原性炉渣所覆盖； 钢-渣界面“静止”； 钢水循环流动； 夹杂物碰撞、聚合、上浮、去除。,JFE西日本制铁所生产轴承钢,50,K. MATSUOKA, 4th Int
14、ernational Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456,JFE西日本制铁所生产轴承钢,51,在RH前完成钢水合金化操作，尽量不在RH精炼过程进行成分调整，并将RH精炼时间延长至最大（与连铸周期相适应）。,K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456,高铁车轴钢试验,52,铝脱氧（Al: 0.04%； 高碱度、低FetO炉渣（FetO：1.0%）； 精炼时间：45min。,精炼时间35min； 实现超低氧含量控制。,总氧含量变化,53,LF精炼结束,54,炉渣成分（%）,钢水成分（%）,RH精炼结束,55,炉渣成分（%）,钢水成分（%）,非金属夹杂物,56,LF精炼结束 RH精炼结束,LF精炼结束夹杂物数量,57,检验面积：12.9mm2 数量密度：8.14个/mm2,RH精炼结束夹杂物数量,58,检验面积：7.29mm2 数量密度：5.49个/mm2,严密保护浇铸,59,川上潔，介在物制御高清淨度鋼製造技術，日本鉄鋼協会，2004，p150,高铁车轴钢试验,60,
