1、LF 精炼知识1. 炉外精炼发展历程 20 世纪 3040 年代，合成渣洗、真空模铸。1933 年，法国佩兰（R.Perrin)应用高碱度合成渣，对钢液进行“渣洗脱硫”现代炉外精练技术的萌芽； 50 年代，大功率蒸汽喷射泵技术的突破，发明了钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH) 1935 年 H.Schenck 确定大型钢锻件中的白点缺陷是由氢引起的-氢脆。 1950 年，德国 Bochumer Verein (伯施莫尔-威林）真空铸锭。 1953 年以来，美国的 10 万千瓦以上的发电厂中，都发现了电机轴或叶片折损的事故。1954 年，钢包真空脱气。 1956 年，真空循环脱气（DH、R
2、H） 。 6070 年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法 60、70 年代是炉外精炼多种方法分明的繁荣时期 与 60 年代起纯净钢生产概念的提出、连铸生产工艺稳定和连铸品种扩大的强烈要求密切相关 此时，炉外精炼正式形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术，同时铁水预处理技术也得到迅速发展，它和钢水精炼技术前后呼应，经济分工，形成系统的炉外处理技术体系，使钢铁生产流程的优化重组基本完成。 这个时期，还基本奠定了吹氩技术作为各种炉外精炼技术基础的地位和作用。 这一时期发展的技术：VODVAD、ASEASKF、RHOB、LF、喷射冶金技术（SL、TN、KTS、KIP） 、合金包芯线技术、加
3、盖和加浸渍罩的吹氩技术（SAB、CAB、CAS） 8090 年代，连铸的发展，连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接，RHKTB、RHMFP、RHOB；RHIJ（真空深脱磷） ，RHPB、WPB（真空深脱硫）、VKIP、SRP 脱磷 21 世纪，更高节奏及超级钢的生产。2. 炉外精炼作用和地位 提高冶金产品质量，扩大钢铁生产品种不可缺少的手段； 是优化冶金生产工艺流程，进一步提高生产效率、节能强耗、降低生产成本的有力手段。 保证炼钢连铸连铸坯热送热装和直接轧制高温连接优化的必要工艺手段图 1 取样器示意图 优化重组的钢铁生产工艺流程中独立的，不可替代的生产工序3. LF 精炼工艺优点 精炼功能
4、强，适宜生产超低硫、超低氧钢； 具备电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高； 具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性； 采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低； 设备简单，投资较少。4. 计算合金加入量调整钢液成分4.1 技能实施与操作步骤 根据钢种的特点和工艺要求，首先了解初钢液中合金元素配加情况并预测在加热前期、中途、后期、结束分别配加合金的种类并作好准备。 精炼钢包进入 LF 工位后，按要求取样进行化学元素全分析。 根据全分析结果，计算出精炼期应配加的各种合金的补加量，并进行称量。 精炼钢水加热到预定温度后，把上述称量好的合金通过料仓或人工分批加入。 凡钢水经过造
5、白渣处理后，一般应再取样进行全分析。 根据全分析结果及该钢种成分控制要求，计算出需要补加的合金数量，进行称量，并在进入软吹前 5 分钟加入完毕 取样操作: 取样器(见图 1)取样操作过程:A.完好取样器插入取样棒。B.检查头部保护套是否完好。C.打开工作门。D.快速插入钢水深约 300mm 左右，位置靠近吹氩搅拌区。E.保持 3s-5s 左右后迅速提起取样棒，拉出钢液面。F.拆卸纸管，打破壳取出试样。4.2 注意事项 在进行合金补加前，必须掌握准确的钢水量及各种合金的成分液中已经配加的合金量。 合金加入量的计算必须要经过复核，以保证准确无误。 要能准确识别各类常用合金，防止误用。 称量合金要准
6、确，并经过复核才能加入钢包内。 合金加入钢包内时，注意勿碰击电极，必要时应停止加热。 精炼钢包内合金熔化的条件较差，因此不宜加入块状较大的合金，一般控制在10mm-30mm。 为了确保合金元素有较稳定的回收率。加合金前钢包中的渣应脱氧良好，渣应呈白色为好。 加合金毕要继续保持炉渣良好的还原性，在渣面要适量补加粉状脱氧剂。 全部合金加毕到开始软吹必须有足够的时间使合金充分熔化。 加入较多数量的合金必须考虑合金熔化吸热造成的钢液温度下降，及足够的温度弥补。 在加入合金时要考虑合金中除主元素外的其它元素对钢液成分的影响。如加入高碳铬、高碳锰要计算增碳量，喂 Ca-Si 丝时考虑增硅量，喂 Fe-Ti
7、 丝时要考虑 A1、Si增量喂 A1 丝时注意有增硅的可能性。4.3 知识点 各种合金加入量的计算计算公式铁合金:合金加入量(公斤) 铁 合 金 中 元 素 含 量 回 收 率 钢 水 量 （ 公 斤 ）分 析 成 分 ）控 制 成 分 (喂丝: 喂丝长度喂丝总量单位重量（Si 含量） 各种合金元素的回收率在精炼炉内脱氧条件较好的情况下加入合金的回收率比较高，在钢包内顶渣氧化铁小于 0.5的条件下各元素的回收率分别为:(1)100回收率的元素有 Ni、Mo、Mn、Cr、Si、C、V、Nb。(2)S、A1、Ti 直接加包中回收率 30%50。(3)喂丝法加入的回收率，S、A1、Ti 为 70%8
8、0，B 为 40%50。5.成分异常的处理5.1 技能实施与操作步骤 在精炼过程中通过取样发现钢水成分同预测成分(合金配加成分)比较有较大差异。 重新取样进行验证。 对照工艺卡检查执行情况，及时发现问题，寻找原因。可按以下几个方面检查，以下 14 项原因是易造成成分异常的主要原因。(1)钢水量是否有误。(2)前期合金加入是否有误。(3)搅拌系统工作是否正常。(4)是否有设备漏水情况，电极是否有增碳现象。(5)取样是否有代表性。(6)炉渣是否还原良好，上工序氧化渣是否带入过多。(7)温度是否过低。(8)已加入合金是否熔化均匀。(9)发送样是否有误。(10)分析试样是否符合要求。(11)是否采用全
9、新未烘烤良好的钢包。(12)合金元素成分是否正确无误。(13)合金配加量计算是否正确。(14)料仓及输送系统是否工作正常。 根据重取样分析结果与工艺执行情况的分析，采取相应措施。 如合金元素(C、Si、Mn、Cr、Ni 等)低于下限要求，补加合金至成分中下限。 如合金元素(C、Si、Mn、Cr、P、Ni 等)确认高于上限，则回炉重氧化或改钢号、改相应标准。 如有害元素 S 不符合进入下一工序要求必须进一步采取脱硫操作。(1)增加渣量。(2)加强钢液搅拌。(3)加强渣脱氧。5.2 注意事项 取样符合操作规范，具有代表性。要做到:(1)添加合金、还原剂后不能马上取样。(2)渣况不好出现灰色、褐色、
10、棕黄色，要等渣转白再取样，不然会引起取样无代表性。(3)温度过低会引起取样无代表性，不宜取样。 发现钢水成分异常应尽早处理。 补加合金量应考虑炉渣还原性。 钢水量必须正确。 合金成分必须确认无误。 要杜绝合金元素配加过量。5.3 知识点 成分异常产生的原因分析(1)取样无代表性A.取样位置、方式不符合要求，如靠近渣面的试样易受炉渣影响造成成分波动B.合金未全部熔化造成成分偏析。C.搅拌效果差，造成钢水成分不均匀，同时钢渣反应差影响脱硫的正常。(2)合金料未加入由于合金加料系统故障，应加入合金料部分留在料仓内或撒落在钢包外。也有人为因素造成漏加、计算错误等。(3)操作工艺执行不规范A.还原精炼渣
11、未达到脱氧良好的要求，渣量不足。在上工序氧化渣带人过多时尤其要注意。B.加热过程电极插入钢液增碳。C.钢水量不准。秤量系统故障以及对造成损失的钢水估计不足。D.钢液温度不符合要求。尤其是温度低造成化学成分均匀性差。 防止措施 (1)取样操作熟练工具完好。(2)保证加料系统正常。(3)严格执行操作工艺。 处理方法(1)成分高于上限要求，不能改钢号作回炉或原料钢处理。应尽量避免出现这类事故。 (2)成分低于下限要求，补加合金至成分要求范围。6.常见典型成分异常情况炼钢生产过程中，钢液中C的异常情况最常见，以此作为典型分析。(1)造成C的异常的原因:A.初钢液出钢过程增碳，因电极粒密度较钢液、炉渣轻
12、，如果操作不当部分电极粒将浮在渣面，而未进入钢液，同时吹氩搅拌不充分，造成C偏低。在增碳量较大的钢种中易发生。B.电极粒中固定碳含量不稳定，引起增碳量误差。C.加热电极熔损，引起增碳。特别是当炉渣较稀薄时，加热操作中电极容易与钢液接触造成增碳。炉渣结块不导电，电极下降插入钢液造成增碳。D.炉渣脱氧不良，含碳脱氧剂（电石）使用过量造成增碳。E.取样无代表性。F.含碳质耐火材料的钢包内衬烘烤不符合要求，造成在精炼过程中剥落进入钢液增碳。(2)防止措施:A.电极粒加入时要直接与钢液接触，尽量避免通过炉渣再进入钢液。必要时可用喂丝机喂碳粉包芯线增碳。B.电极粒中固定碳含量要定期检验，并在实际操作中进行
13、验证。C.加热操作时做到电极严禁与钢液接触。D.造好还原精炼渣，保证碳的吸收率。E.增碳操作结束要经充分搅拌后取样。(3)C成分异常处理方法:A.C成分高于上限要求时，可考虑改钢号。如 45 钢改 50 钢。B.C成分低于上限要求时，可用电极粒或喂碳粉包芯线增碳至要求成分中下限。7. 钢包精炼炉脱硫操作7.1 技能实施 准备好符合工艺要求数量的造渣材料(石灰、萤石、)、脱氧剂(SiFe 粉、铝粒)及发泡剂等渣料。造渣的二种形式(1)在出钢过程加入预制或配比好的造渣材料。(2)氧化渣出钢在排除氧化渣后加入渣料。 渣量控制渣量按钢包容量确定:一般控制钢渣比为 1.52.5，大容量钢包取下限，小容量
14、钢包取中下限(结合脱硫要求)。渣成分控制(1)碱度一般控制 24，碱度过高造成熔点过高易结壳影响钢渣反应，碱度过低造成对包衬侵蚀，一般可适当提高渣中 A12O3含量。(2)精炼过程包中渣的氧化铁控制1.0，通过渣面加入 C、FeSi 粉、铝粒等脱氧剂控制。(3)为防止包衬侵蚀可加入发泡剂，发泡剂一般可含碳质或 CaCO3质的材料。钢渣搅拌方式运用钢渣的接触，实现脱硫反应，钢渣搅拌方式共有二种:(1)钢包底吹氩搅拌(较普遍)。(2)钢包外有电磁搅拌装置(国内较少)。脱硫量和脱硫率工艺要求(1)了解该钢种初炼钢液的含硫量和精炼过程进入下一工序的含硫量要求。(2)掌握常规精炼过程的脱硫率。7.2 操
15、作步骤 加入造渣材料按工艺要求加入准备好配比正确的造渣材料或按工艺要求对精炼钢包中已经加入的渣料作适当补充和调整。 吹氩搅拌，要求可见渣面有翻滚现象。 钢包进入加热工位三相电极通电加热。 分批散加适量(0.20.3kgt)脱氧剂，种类一般为铝粒、Fe-Si 粉、碳化硅。 造白渣后每次打开工作门（间隔 58min）用铁杆粘渣观察渣况一次。粘渣均匀且厚度 3mm4mm 说明化渣均匀流动性良好，冷却后炉渣颜色呈乳白色说明渣中(FeO)在 0.5左右，炉渣脱氧良好。发现下述情况将影响脱硫效果应作处理，粘渣厚度5mm 说明渣稠应补加萤石或 Fe-Si 粉；炉渣呈玻璃状说明碱度偏低应补加石灰；炉渣黑灰说明
16、脱氧剂过少。 根据加热过程的成分分析的硫含量决定下一步的操作。(1)已符合成品的要求(工艺规程)，保持氩气均匀搅拌，补加少量脱氧剂保持渣况至钢包离开加热工位。(2)接近成品的要求(工艺规程)。补加少量石灰和脱氧剂。如吹氩强度过小可适当提高，增加钢渣反应面。(3)距成品要求有效大差距(例超过 0.005)，应分析脱硫效果差的原因，并采取对应措施。7.3 注意事项 各种渣料应合理堆放、标识清楚。 各种渣料保持干燥，避免粉化、受潮，影响脱硫效果。 加料时应对准加料窗口，切勿将渣料撒落于钢包外。 加入量大的渣料如石灰可通过上位料仓加入，要注意渣料结块堵塞，影响正常加料操作。 人工加料时应尽量避开从加料
17、孔飞溅出的炉渣。 在造渣脱硫过程中，应随时取渣样观察渣况，并不断调整以获得最佳脱硫效果。 注意观察吹氩搅拌情况，不得断流。7.4 知识点 钢包精炼炉脱硫的几个过程 (1)初炼钢液出钢过程钢渣混冲脱硫。(2)精炼加热过程钢渣反应脱硫。 钢中硫的危害硫，一般认为它是残存在钢中的有害元素之一。在绝大多数钢中都加以严格控制，普通碳素钢硫含量不得大于 0.045，优质钢硫含量不得大于 0.035，高级优质钢硫含量不得大于 0.025，特级优质钢硫含量不得大于 0.015。钢中硫的危害主要表现在以下几个方面:(1)对力学性能的影响硫对钢的强度影响不大，但由于硫化物夹杂的存在，使其延伸性及韧性降低，特别是冲
18、击韧性。(2)对热加工的影响由于硫化铁的熔点较低，在热加工过程中容易沿晶界析出，轧制时产生表面裂纹，造成废品。俗称“热脆”现象。(3)对焊接性能的影响硫易导致焊缝的热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化生成 SO2气体而逸出，导致在焊接金属中产生很多气孔和疏松。因此硫对钢的焊接性不利。但是钢中的硫也有利用之处。如易切削钢中，就是提高其硫和锰的含量，形成较多的硫化锰(MnS)微粒，以改善钢的切削加工性。 炉渣状况(1)氧化渣与还原渣判别依据主要是渣中(FeO)量，(FeO)低为还原渣，(FeO)高为氧化渣，渣中(FeO)低渣子呈白色，渣中(FeO)高渣子发黑。(2)碱性渣与酸性渣判别依据主要是渣中的
19、碱度 R，R 高为碱性渣，R 低为酸性渣。碱性渣渣子发粘，酸性渣渣子透明。钢包精炼炉通常应用的是碱性还原渣，呈白色俗称“白渣” 。其主要成分控制碱度(CaC/SiO2)为 24，FeO1.0，A1 2O3为 1520。8.吹氩8.1 知识点吹氩精炼钢水工艺，即通过向钢包内的钢液吹入氩气的方法，达到类似真空处理的作用，它包括脱氧、脱气、脱碳、搅拌钢液及去夹杂物等。尤其在真空条件下吹氩脱气效果大幅度提高，被广泛地运用到钢包精炼炉中。8.2 钢包吹氩脱气的原理氩气是惰性气体，通常在制氧时作为副产品分离出来被利用。氩气吹入钢液既不参与化学反应，也不溶解在钢液内。所以氩气刚进入钢液时，可以认为氩气泡对钢
20、液中溶解的气体来说像一个小的“真空室” ，这一小的“真空室”内其它气体的分压几乎等于零。根据西瓦特定律，钢液中氢、氮不断向氩气泡扩散，在氮气泡内形成一定的分压，氢和氮在氩气泡中的分压会随着气泡的上浮时受热体积膨胀，因而氢、氮的分压仍能保持较低的水平，故继续吸收氢和氮，最后随氩气泡溢出钢液而被去除。此外钢液中吹氩时，氩气上浮推动钢液运动，从而起到搅拌钢液的作用，促进钢液成分均匀和温度均匀。由于钢液的搅拌运动有利于夹杂物的去除，同时对钢液进一步脱气更为有利。9.钙处理 意义：用铝脱氧后在钢中形成大量的 AL2O3，且很难从钢中去除干净，在浇铸时很容易粘附在水口壁上引起水口堵塞。为此采用对钢水进行
21、Ca 处理，通过对钢中加入适量的钙，使高熔点的 AL2O3与氧化钙结合形成低熔点的铝酸钙，从而提高钢液的浇铸性能； 对于钙处理钢，造成水口堵塞的因素有两个：钙加入量不够，在向钢水中加钙的过程中，随着钢水中钙含量的不断增加，夹杂物中钙的含量也在增加，形成的复合夹杂物依次为 CA6、CA 2、CA、C 12A7、C 3A（C 与 A 分别代表 CaO 和 Al2O3） ，其中前两个的熔点均在 1700以上，在实际大生产中必须加以避免，钢中钙含量达 1510-6左右时，相应夹杂物中钙的含量在 15左右，此时形成的主要是高熔点的CaO2Al2O3夹杂物，因此钙处理必须确保向钢中加入足够量的钙，才不会导
22、致钢水浇铸性能的恶化。钙的加入量过多，从而形成高熔点的 CaS（熔点为 2450） ，此时同样会恶化钢水的浇铸性能。随着钢中铝含量的增加，氧的活度降低，有利于硫化物的形成；随着钢中硫含量的增加，有利于形成高熔点的 CaS；钢水温度降低时，氧的活度降低，也有利于 CaS 的形成。显然在 1550的中间包浇铸温度条件下，当钢中铝含量为 0.030%时，为了防止生成 CaS 夹杂物，钢中硫含量不得超过 0.015%。 为了改善连铸钢水的浇铸性能，并不是任何钢种都可以采用钙处理的方法，对于成形性要求较高的钢种如汽车板就不适宜采用钙处理的工艺来改善浇铸性能，因为经钙处理后形成的铝酸钙夹杂较硬。对于这类钢
23、种一般采用提高钢水纯净度的方法来改善浇铸性能，通过控制转炉下渣、钢包渣的变性处理、中间包冶金、保护浇注等措施来确保钢的纯净度，降低钢中的全氧含量。10.非金属夹杂物来源分类根据非金属夹杂物的不同来源，通常可分为内生夹杂物和外来夹杂物两大类。这种分类方法有很大的局限性，因为实际形成的非金属夹杂物很少为单纯的内生夹杂或外来夹杂，通常钢水与卷入的炉渣(包括保护渣)或耐火材料接触时，总会或多或少地起反应，所以这种分类方法就有不严谨之嫌，但这种分类方法指出了非金属夹杂物的可能来源。纯粹的内生夹杂与外来夹杂有明显的差别。内生夹杂的典型特征是尺寸小，数目多，与外来夹杂相比，均匀地分布在钢中(非镇静钢除外)，
24、非金属夹杂物的成分与钢水成分有很强的依存关系。而外来夹杂则不同，往往尺寸较大，形状不规则，位置不确定，成分和结构复杂，与钢水成分没有直接关系。11.按非金属夹杂物尺寸分类其实在很早以前就提出了按尺寸的大小将非金属夹杂物分为微观夹杂和宏观夹杂，然而至今对非金属夹杂物尺寸大小的划分，不同的学者们都各自采用自己认为合理的分法。有一种方法是，把非金属夹杂物大致分成三类：第一类是亚显微夹杂，它的尺寸为直径小于 1m;第二类是显微夹杂，它的尺寸为直径为 1100m；第三类是大型非金属夹杂物，它的尺寸为直径 100m 以上。根据研究的结果可以知道，亚显微、显微夹杂主要是脱氧产物，而大型夹杂则多为外来夹杂，但
25、是这种分法不能把显微夹杂和宏观夹杂与内生夹杂和外来夹杂混为一谈，因为也有一些大型夹杂通过检验证实是来自于脱氧产物。12.按非金属夹杂物组成和结构分类这种分类方法的优点是比较直观方便。一般分为简单金属氧化物夹杂、各种类型的硅酸盐夹杂、尖晶石类夹杂物和各种铝酸盐夹杂等。因为这种分类方法应用广泛，所以有必要详细说明。简单金属氧化物包括铁锰氧化物固溶体，氧化硅和氧化铝等单体非金属夹杂物。一般炼钢中经常遇到的氧化硅夹杂是树枝状的或梅花状的方石英，这种氧化硅夹杂可能是外来的，也可能是生产高硅钢时的氧化反应产物。而结晶形的氧化铝即刚玉是炼钢中最常见的非金属夹杂物之一，它可以有很多种形态，有不规则形和圆球形，
26、并且容易结合成一种比较稳定的微粒群体的聚集物。分类 钢中的硅酸盐类非金属夹杂物(1)铁锰硅酸盐 可观察到(FeMn)O 和橄榄石固溶体 2(FeMn)OSiO2 共晶，或板条状铁橄榄石和锰橄榄石 2MnOSiO2，当硅酸盐中的 SiO2 组分含量很高时，有时可见到由分层区两个平衡组分决定的玻璃相，随着冷却速度的减慢，它也呈晶体。(2)铝硅酸盐 莫来石是唯一的铝硅酸盐，由于钢中总要存在相当量的锰，所以钢中很少观察到单纯的铝硅酸盐，最有可能碰到的物相是铁锰硅酸盐和钢中溶解铝反应后的产物或纯粹来自具有莫来石相的耐火材料。(3)复杂硅酸盐 钢中往往含有多种氧化物如 SiO2，FeO，MnO，Al2O3
27、，CaO 和 MgO 等共存的复杂硅酸盐。随着冷却速率的不同或再加热时间的不同，这些硅酸盐既可以是玻璃态，也可以是各个相组合起来的晶体。钙铝酸盐是钙处理过程中普遍出现的非金属夹杂物之一。实际上钙铝酸盐化合物组成是在较宽的范围内变化的，并且各种铝酸钙中的 CaO 还能被 MnO，FeO 和 MgO等部分替代，Al2O3 可被 Fe2O3，Cr2O3 部分替代，所以这些氧化物常溶解在铝酸钙非金属夹杂物中，此外铝酸钙也可以溶解钛、锆、钒和其他金属氧化物。铝酸盐有时还和 MgOAl2O3 尖晶石一起伴生。尖晶石类非金属夹杂物是常见的非金属夹杂物之一，它可用通式 MOR2O3 表示。在用少量铝脱氧的硅镇
28、静钢中就可以找到 MnOAl2O3，这种非金属夹杂物在铸态下往往表现为树枝晶状，在钢材中其外貌与 Al2O3 十分相似，硬度很高，变形性能差。另一种尖晶石夹杂即 MgOAl2O3 通常来自碱性电炉渣或镁处理铝脱氧钢中。13.按其变形能力的大小分类根据钢在加工变形中，各类非金属夹杂物的变形性不同，按其变形能力的大小可分为三类：脆性非金属夹杂物。一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物（如：Al2O3、Cr2O3、ZrO2 等） 、复合氧化物（如：FeOAl2O3、MgOAl2O3、CaO6Al2O3 等） 、氮化物（如：TiN、Ti(CN)、AlN、VN 等）和不变形的球状（或点状）非金属夹杂物
29、。对于变形率较低的脆性非金属夹杂物，在钢加工变形的过程中与钢基体相比变形甚小，差异显著，势必造成非金属夹杂物与钢基体交界面处产生应力集中，导致裂纹产生或非金属夹杂物本身开裂。 塑性非金属夹杂物。这类非金属夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的非金属夹杂物有：含 SiO2 量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰、 （Fe，Mn）S 等。当钢加工变形时，这类非金属夹杂物与钢基体变形相等，从室温一直到很宽的温度范围内均保持良好的变形性，与钢基体之间的交界面处结合很好，但其条带状分布使钢产生各向异性。半塑性变形的非金属夹杂物：半塑性变形的非金属夹杂物一般指各种复合的铝硅酸
30、盐非金属夹杂物，其中夹杂物的基体在热加工变形过程中塑性变形，但分布在基体中的高凝固点夹杂物（如铝酸钙、尖晶石型的夹杂物等）不变形，仍保持原来的形状，因此阻碍了周围基体的自由延伸。14.钢中非金属夹杂物对钢的疲劳性能的影响非金属夹杂物与钢的性能关系最密切的方面，应该是钢的疲劳性能。非金属夹杂物的尺寸越大，疲劳裂纹越容易在其周围区域形成。大的非金属夹杂物的存在虽然使形成疲劳裂纹的几率最大，但它在材料中的个数少，因此从统计学观点来看，出现疲劳区的仍是大量含有的中等尺寸非金属夹杂物的材料。一个非金属夹杂物可以被看成是一个形状相当的孔洞(机械切口) 硫化物对材料的疲劳寿命危害小是因为其在钢的变形温度下加
31、工时，和钢基体间不产生裂缝。而且不少研究结果认为硫化物不但对轴承钢的疲劳寿命无害反而有利。其原因有两点：一是硫化物包围在氧化物的外面，从而降低了氧化物的危害作用，二是硫化物在转动处起润滑作用，由此使接触部位的应力分布和应力集中发生变化，同时也降低摩擦。非金属夹杂物对材料强度产生危害的临界尺寸决定于它在钢件表面下的深度，位于钢件表面下的非金属夹杂物临界尺寸为 10 m，在钢件表面下深度为 100m 处时，则临界尺寸可增到 30m，当非金属夹杂物尺寸小于临界值时，未观察到它对疲劳寿命有影响。15.钢中非金属夹杂物对钢的塑性的影响非金属夹杂物破坏了钢基体的连续性，引起应力集中，导致提前产生微裂纹。一
32、般非金属夹杂物在钢中都能发生变形，变形会引起组织和结构的变化，这种变化必然会反映到性能上来，其具体的表现形式为加工硬化，各向异性等。尖晶石型非金属夹杂物在钢的热变形温度范围内不变形，但大于 1250温度时，稍有变形。这说明在一定范围内调整非金属夹杂物成分，有可能减少这类夹杂对钢制品危害的程度；硫化锰夹杂在1000以下具有很高的塑性，超过 1000以后，随着温度的上升，塑性逐渐减少，因此通过高温轧制改变硫化物形态，改善钢材各向异性是有利的。16.钢中非金属夹杂物对钢的热脆性的影响所谓热脆性，就是指钢在热加工时开裂的可能性。在各种非金属夹杂物当中，最容易产生热脆的非金属夹杂物就是硫化物夹杂，造成热
33、脆的原因是由于硫的严重偏析。在看来即使不算很高的平均含硫量下，也会出现(Fe+FeS)共晶。钢在凝固时，共晶中的铁附着在先前的共晶铁晶体上生长，只把 FeS 剩留在晶界呈薄膜状(即所谓的离异共晶)。由于该共晶的熔点很低，热加工时该共晶处于熔融状态，从而导致了加工时开裂。在生产中，通过加入锰来避免 FeS 生成，以防止热脆。因为锰比铁对硫有更大的亲和力，可以使钢水中的硫与锰优先形成 MnS。17.钢中非金属夹杂物对钢的其他的性能的影响一般来说，钢中非金属夹杂物对钢性能的影响都是不好的，但它们其中也有对钢的性能起好的作用。如钢中的氮化物，当氮与钢中的铝结合形成 AlN 时，可以消除氮的时效现象，高
34、度弥散的 AlN 可以阻止钢在加热时奥氏体晶粒的长大，从而使铁素体基体强化并细化晶粒，钢的强度和韧性可以显著提高。在这种情况下，氮化物便从有害变成有益了。其他的还有硫，对钢的性能也有好的一面，因为它能提高钢材的易切削性，减少热轧薄板的粘结等功能。18.非金属夹杂物的类型和物理性质对钢性能的影响钢中非金属夹杂物的变形行为比较复杂，不仅取决于非金属夹杂物的类型，而且与非金属夹杂物的成分及变形温度密切相关，如下图所示。由图可知:1) FeO，MnO，(Fe、Mn)O 在室温下容易变形，但随着温度升高，其塑性逐渐降低。2)Al2O3和铝酸钙在整个炼钢和轧钢温度范围内都不变形。3)尖晶石型氧化物在钢的成
35、型温度以下都不变形，但在 1200-1600变形性开始增高。4)硅酸盐在室温不变形，但在 800-1300随其成分不同，变形能力迅速提高。5)MnS 从室温至 1000以上，随着温度的升高，变形性则逐渐降低。19.非金属夹杂物的尺寸和分布对钢性能的影响 1）非金属夹杂物的尺寸：对钢的某些性能而言，只有那些尺寸大于“临界值”的非金属夹杂物才有重要影响，而尺寸的“临界值”与其在钢中的位置有关，通常越靠近表面， “临界值”越小。只存在尺寸小于“临界值”的钢，就可以认为是洁净钢。因此，分析钢中非金属夹杂物，不仅要明确钢中非金属夹杂物的平均含量，还要确定临界尺寸以上的非金属夹杂物的数量。非金属夹杂物与应
36、力场的关系表明，应力场随着非金属夹杂物尺寸的增大而增加，所以较大的非金属夹杂物容易较早的产生疲劳裂纹，并沿着非金属夹杂物周边发展，造成其与钢基体脱开。2）非金属夹杂物的分布的影响：由于非金属夹杂物具有较高的应力集中作用，因此随着非金属夹杂物分布密度的增加，产生裂纹的可能性也随之增大。如果两个非金属夹杂物紧挨在一起，它的作用相当于具有这两个夹杂物直径之和的大夹杂物的作用，钢中聚集刚玉和铝酸钙等非金属夹杂物之处往往产生裂纹。通常非金属夹杂物对钢的纵向延性影响不大，而对横向延性的影响却很显著，横向断面收缩率随非金属夹杂物总量的增加而降低。随着带状非金属夹杂物的延长，断面收缩率的各向异性也相应的增加，
37、横向断面收缩率明显地下降，这种带状非金属夹杂物主要是硫化物。钢中非金属夹杂物的碰撞理论在流动的钢水中，非金属夹杂物颗粒容易碰撞而凝聚成大颗粒。液态的非金属夹杂物凝聚后成为较大的液滴；固态的 Al2O3 夹杂和钢水间的润湿角大于 90，碰撞后也能互相粘附，在钢水静压力和高温作用下，很快烧结成珊瑚状的群落。所以颗粒的碰撞凝聚对非金属夹杂物的上浮去除，起着重要的作用。颗粒碰撞有以下四种方式：（1）布朗碰撞 ；（2）斯托克斯碰撞；（3）速度梯度碰撞；（4）湍流碰撞。（1）布朗碰撞 非金属夹杂物在钢水中作无规则的热运动（布朗运动）而产生的碰撞； （2）斯托克斯碰撞 大颗粒上浮速度大，在上浮时可能追上较小的颗粒而与之碰撞成为更大的颗粒； （3）速度梯度碰撞 颗粒沿流线轨迹运动，高速流线上的颗粒会从侧面碰撞低速流线上的颗粒。 4）湍流碰撞 湍流中由于速度的大小和方向都不确定，作用于颗粒促使它们相互碰撞。 碰撞本身不能去除非金属夹杂物，但可促进非金属夹杂物长大上浮和粘附去除。
