夹杂物对钢材铸坯裂纹的影响.doc

学 号：200506010116HEBEI POLYTECHNIC UNIVERSITY毕业论文GRADUATE THESIS 论文题目：显微夹杂对德龙铸坯裂纹的影响学生姓名：王洪 专业班级：05钢1 学 院：冶金与能源学院指导教师：王硕明 教授 2010年06月20日摘 要钢中的非金属夹杂物是影响钢材质量的重要因素之一，夹杂物对钢的力学性能、工艺性能和机械性能都存在不利影响，尤其对铸坯的裂纹具有重要的影响，研究发现夹杂物是许多铸坯裂纹产生的起点。非金属夹杂物对铸坯裂纹的影响不仅取决于夹杂物类型，而且与其组成、形态、数量、大小及分布等因素密切相关。本课题根据邢台德龙钢铁公司的生产工艺流程，通过对样品金相、电镜和能谱分析等方法，对铸坯内夹杂物的数量、类型、粒度做了详细的统计。本课题着重从显微夹杂对铸坯裂纹的影响方面进行了研究并提出了改进措施，优化生产工艺，最终达到改善铸坯裂纹发生状况，研究具有很强的实际意义。关键词: 非金属夹杂物；裂纹；铸坯ABSTRACTThe non-metallic inclusions in steel is one of the important factors which impact the quality of the steel, including the dynamics properties, process and mechanical properties of the steel, particularly for billet cracks have a major impact, the study found that inclusion were the starting point ofthe billet cracks.The impact of non-metallic inclusions on billet cracks depends not only on the type of inclusions, but also on its composition, shape, quantity, size and distribution.This issue in accordance with Xingtai Delong Iron and Steel Company's production process, statistics the number, type, size of the inclusion in detail with the metallographic microscope, electron microscopy and energy spectrum analysis.From the impact of micro-inclusions on the billet crack this issue study and propose measures to improve and optimize the production process, attain the ultimate objective of improving the situation of the billet cracks, and the research has a strong practical significance.Keywords: non-metallic inclusions; crack; billet目录引 言11 文献综述21.1钢的纯净度和产品质量21.1.1钢的连铸技术发展21.1.2连铸对钢水纯净度的要求21.2连铸坯的生产21.3 连铸坯质量缺陷的分类31.3.1 裂纹31.3.2 烂边51.3.3 夹渣61.4夹杂物的类型、组成71.4.1夹杂物按其来源可分为:71.4.2夹杂物按其形成时间的不同，又可分为四个阶段的夹杂物：81.4.3夹杂物按其形态大致分为以下几种：81.4.4夹杂物按其组成又可分为硫化物夹杂和氧化物夹杂：81.5 夹杂物的来源101.5.1 转炉出钢下渣101.5.2 大、中包包衬侵蚀101.5.3 钢液的二次氧化101.5.4 中间包液面低101.5.5 结晶器卷渣102 研究内容及方案122.1研究背景122.2 研究目的122.3 研究内容132.4 研究方法132.4.1取样及试样加工132.4.2金相显微镜光学分析132.4.3扫描电镜能谱分析142.4.4夹杂物粒径统计分布142.4.5夹杂物的数量和大小143 研究结果及分析153.1 钢中主要夹杂物的类型153.2 各工序夹杂物数量183.3 铸坯中夹杂物的分布193.3.1头坯显微夹杂物的数量、体积率和粒度的分布193.3.3正常坯显微夹杂物的体积率随内外弧的变化224 结论24参考文献26谢 辞28注 释29附 录30引 言八十年代以来，我国的连续铸钢技术发展非常迅速，到1993年，连铸比达到了34% 在连铸坯的生产中，遇到了许多铸坯质量缺陷，其中裂纹占铸坯各种缺陷的50% 以上1连铸坯出现裂纹轻的需要精整，严重的会造成废品，在生产中，裂纹还会造成拉漏事故发生，影响连铸机的正常生产，造成钢水浪费，从而，裂纹还会使铸坯热送技术和连铸连轧技术的采用受到影响。为能够有效地降低连铸坯裂纹的发生率，本文将根据邢台德龙钢铁公司的生产工艺流程，通过裂纹附近样品金相、电镜和能谱分析等方法，对板坯裂纹产生的原因做了深入细致的分析总结，着重从显微夹杂方面研究了产生裂纹的原因，并提出了改进措施。1 文献综述1.1钢的纯净度和产品质量1.1.1钢的连铸技术发展连铸技术是二十世纪钢铁工业的一项重要革命，它是连续地把钢水浇注成型的工艺，它的出现从根本上改变了一个世纪来占统治地位的钢锭初轧工艺，大大减少了能耗，使钢铁生产流程更加合理化。当代连铸机的设计思想是奥钢联1968年提出的，已得到世界范围的承认和应用。七十年代以来，出于经济和质量方面的考虑，连铸技术不断得到完善，从1975年到1985年10年间，全世界钢的连铸比从13.5%上升到49.9%，百万吨以上的全连铸厂不断出现。发展中国家89年以后也在积极推广连铸技术，到1994年底，世界范围内的连铸产量己达5.31亿吨左右，平均连铸比为73.5%,已有22个国家实现了全连铸。2从而使连铸从缓慢发展的四、五十年代，到六、七十年代的稳步持续发展，乃至八十年代小方坯的工艺的日趋成熟，奠定了连铸工艺广阔发展的前景。总的说来，连铸坯的年增长速度远大于钢的增长速度。在连铸发展历史上，方坯连铸机的发展占据着举足轻重的地位。1.1.2连铸对钢水纯净度的要求现在连铸坯对杂质元素和非金属夹杂物的要求，一是非金属夹杂量数量要少，总氧量TO要低；二是非金属夹杂物尺寸要小。用于造船的中厚板材，除要求高强度、高精度及具备良好低温韧性、焊接性、耐海水腐蚀性和规格多样化外，特别要求抗层状撕裂性能。只有当方坯具有最小的偏析、良好的内部致密度和低的不变形夹杂物时，上述要求才能得到满足。因此，要求连铸坯总氧量TO<10ppm，夹杂物尺寸<10m。31.2连铸坯的生产进入21世纪以来，大型造船业、海洋工程、桥梁、大口径石油、天然气输送管线、大型压力容器和贮罐、重型建筑结构(特别是高层、防火、耐侯、大跨度和非对称的空间结构用途、机械工程的技术进步和旺盛需求，极大地拉动了宽后板的发展，低合金、高强度的宽厚板的生产技术进步，到2010年我国宽厚板的年生产能力可达到2100万t以上。低合金、高强度宽厚板是典型的高技术含量和高附加值产品，它的自主供应和满足极端需求的能力，是国家工业发展战略和安全的综合能力的体现。4方坯连铸是高品质宽厚板生产流程中至关重要的一步，新建设的当代最先进的方坯连铸机的技术进步主要反映在工艺装备的日益优化、机电液和工艺介质的一体化装备技术更加成熟，无缺陷铸坯的生产技术先进实用，自动化系统和工艺控制水平不断更新和完善，满足生产实际需要的智能操作软件的开发和应用。现代化方坯连铸机实现优质高效，品种钢齐全。5近几年来各厂方坯连铸机普遍都采用了动态收缩技术，为了有效地消除方坯的中心疏松和钢液凝固过程铸坯中心碳、硫、磷等元素富集而产生的偏析。6连铸坯质量在线实时评价系统和自动化集成体系，使其质量管理从传统的废品率控制转变为以控制工艺参数为主的无缺陷铸坯生产，实现优化工艺过程，优化操作，最大限度提高无缺陷铸坯的比率，同时能把不合格和有缺陷的铸坯识别出来，不进入轧制，系统具备浇铸策略和过程计算功能。7近几年来，连铸坯质量在线判定评价系统越来越成熟。1.3 连铸坯质量缺陷的分类连铸坯质量缺陷形成原因有很多方面，但总体来讲，主要是受结晶器内钢液凝固所控制。连铸坯的质量缺陷主要有裂纹、烂边、夹渣等，其中铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计，铸坯各类缺陷中有50%为裂纹缺陷。铸坯出现裂纹，轻者需进行精整，重者会导致漏钢和废品，既影响连铸坯产率，又影响产品质量，增加生产成本。81.3.1 裂纹裂纹包括表面裂纹与内部裂纹，表面裂纹主要有：纵裂纹、横裂纹、星形裂纹。主要影响中厚板的表面质量。内部裂纹主要有：角裂纹、中心裂纹、中间裂纹，主要影响中厚板的内部质量。总的来讲，铸坯表面裂纹主要来源于结晶器凝固过程(保护渣、振动、浸入式水口等因素影响)，内部裂纹主要来源于二冷区。铸坯在凝固过程中。一定受到外力的作用。这些外力主要有坯壳与结晶器的摩擦力、钢水静压力、弯曲矫直力、内应力等。当这些力超过钢的临界强度与临界变形量，铸坯产生裂纹。影响铸坯裂纹的主要因素有：非金属夹杂物、钢的高温凝固特性、设备性能、工艺性能。9图1 由夹杂物引起的表面裂纹10连铸坯的裂纹是在一定温度条件下，钢的变形超过其临界值产生的，表面纵裂由于在结晶器内凝固壳的生长不均匀，导致在特定部位拉伸应力的集中产生。其形状如图2.图2 连铸坯常见的表面裂纹示意图1-横向角部裂纹； 2-纵向角部裂纹； 3-横裂纹； 4-宽面纵向裂纹； 5-星形裂纹； 6-深振痕。纵裂纹是裂纹里面比较常见的一类，纵裂纹是指钢锭表面发生的纵向裂纹，一般裂纹比较深，很难用研磨方法加以消除11。纵裂倾向较大的钢有中碳钢（如45钢），含铬，镍-铬的合金结构钢（如40Cr，40CrNi等）；还有马氏体钢（如37CrNi3A)及莱氏体钢（如锋钢等）。12大型钢锭，圆形钢锭也较易产生纵裂。纵裂产生主要是由于钢锭表面激冷层薄弱处，不能承受钢水作用的静压力和在冷凝过程中所产生的横向收缩应力和共同作用的结果。钢锭表面激冷层过薄主要是注温过高，注速过快，模子冷却能力不够造成的。至于冷凝过程中所产生的横向收缩应力（热应力和组织应力），则与钢锭的冷却过程有关。钢锭在凝固过程中由于表面层的温度下降比内部快，致使内外层存在较大的温度差异，这种差异引起钢锭内外层体积收缩不一致，表面层先收缩部分必然受到内层自由收缩，这叫热应力（因为这个力是由于温度差造成的，而且其大小也与温度差有关）。13一些钢种的钢锭在冷却达到一定温度时（650720左右）有结晶组织的转变，伴随有体积的突然膨胀，由于内外层温度差的存在，这种体积膨胀必然不会同时进行。譬如表面层组织已转变完，体积按正常冷却过程开始收缩，而内部正在发生组织转变，体积正在膨胀，这时膨胀的内层必然给表面层一个明显的拉应力，这叫组织应力（因为这个力主要是由于内部组织转变产生的），另外钢锭冷却时内外层并不同时凝固。当外层凝结成一个整体时，内部还有钢液，这些未凝的钢液对外层钢壳有静压力，力图把这层壳拉破。圆锭比方锭单位体积所具有的表面积小，这种静压力就大一些。当这三种力量之和超过钢锭当时所具有的强度和韧性时，便产生纵裂。14其实早在结晶器闪坯壳表面就存在细小裂纹。铸坯进入二冷区后，微笑裂纹继续扩展形成明显裂纹。由于结晶器弯月面出生坯壳厚度不均匀，其承受应力超过了坯壳高温强度，在薄弱处产生应力集中致使纵向裂纹17。坯壳承受的应力包括：（1）由于坯壳内外，上下存在温度差产生的热应力；（2）钢水静压力阻碍坯壳凝固收缩产生的应力；（3）坯壳与结晶器壁不均匀接触而产生的摩擦力。以上这些应力的总和超过了钢的高温强度，致使铸坯薄弱部位产生裂纹。151.3.2 烂边 烂边是轧机轧制后产生的一种板卷边部缺陷的一种质量问题，大部分为铸坯的边部缺陷引起。其形式主要有三种：铸坯角部沿振痕产生的横裂纹，连铸坯窄面的褶皱和缩孔，连铸坯宽面角部的褶皱。这三种铸坯缺陷都能造成板卷上的质量缺陷。如碎边、掉块、裂边等，统称为板卷烂边缺陷。16铸坯角部沿振痕的横裂纹在轧机是不能轧合的，会造成板卷掉块现象。角横裂缺陷主要是发生在中碳钢（碳含量0.08%0.18%）的连铸坯角部宽面振痕的凹部，有的钢种还含有Nb、V等裂纹敏感元素，根据铁碳合金状态图可知，高温钢液凝固到1495时，会发生D（铁素体）+ L（液相）C（奥氏体）的包晶反应，由于伴随包晶反应出现较大的体积变化和线收缩，凝固收缩和钢水静压力的不均衡作用使连铸坯粗糙、折皱，严重时出现凹陷，凹陷处应力集中产生微裂纹。17若有过大附加的外界机械应力作用在坯壳上，会加剧微裂纹的扩大。根据钢的高温脆性曲线可知，钢从液态到固态的凝固过程中，存在着三个延性低下的脆性区。I为由熔点至固相线以下50，该区钢的高温强度和塑性都很低，极易在固液两相区产生裂纹。II为加热温度区，钢处于奥氏体单相状态，硫化物在C晶界的析出会引起晶界脆化。III为发生CA的相变引起的脆性增加。高温下，钢的三个脆化区，其中III700900的脆化区对角部横裂纹影响较大。如果二次冷却强度过大，矫直温度处于900700脆化区间时，极易产生角部横裂。18因此，适当调整二次冷却强度，依据钢种不同，使矫直温度从900700的“口袋区”两侧避开，为防止铸坯上的角横裂基本上控制连铸坯表面温度在900以上为宜。钢的成分以及钢在6001400的力学行为是钢坯产生裂纹的内因，而铸坯在铸机内运行过程中，坯壳受摩擦力、鼓胀力、机械力等拉坯阻力的作用是生裂纹的外因，当材料受到的应力超过其忍耐强度时就会产生裂纹，因此我们攻关着眼于结晶器内坯壳的均匀缓冷、二冷区的均匀冷却以及减少作用在凝固壳上的机械应力等方面，再有微量元素对III区的脆性影响不容忽视，S、O、N、Al、Nb对延性的影响比较大，特别是Nb、Al、N对延性的影响，这些元素都扩大了III的脆性范围。S、O以硫化物和氧化物的形式在晶界析出，使连铸坯发生脆化；N能促进薄膜状出生铁素体的生成，它和S、O一样，都已产生晶界析出；Nb、V能抑制奥氏体区的动态再结晶。这些作用都使连铸坯的脆性加重。191.3.3 夹渣1）由耐材、氧化产物等物质构成的夹渣分为两类第一种是金属夹渣：（1）耐材的卷入，由于中间包耐材的清扫不彻底和烘烤中间包是耐材的剥落，造成耐材成块状卷入结晶器钢水中产生夹渣。铸坯中的大型夹杂物主要来源于脱氧产物与中间包液面的污染。（2）浇铸初期钢水的冲刷使中间包内灰缝材料等流入结晶器内造成夹渣。（3）用保护渣浇铸时，由于液位波动使未溶解保护渣咬入形成夹渣。20第二种是氧化物或络合物的夹渣：（1）一次氧化产物和二次氧化产物如硅锰酸盐及三氧化二铝，由于上浮不及时造成夹渣。（2）用保护渣浇铸时，上浮到液面上的夹杂物（主要是Al2O3 ）由于不能溶解到保护渣熔融层中Al2O3富集，使保护渣溶解吸收Al2O3的能力降低造成的。（3）大包烧氧或其它原因使中间包水口堵塞，Al2O3夹杂大量形成而来不及上浮会大量的进入结晶器钢水中形成夹渣。重则板卷裂边，轻则形成夹渣。212）由氧化铁皮镶嵌在坯壳表面引起的夹渣：主要因为轧机除磷系统的原因引起，除磷不彻底，再有连铸扇形段内的氧化铁皮的富集是氧化铁皮镶嵌在坯壳表面的原因之一。 1.4夹杂物的类型、组成1.4.1夹杂物按其来源可分为:(1)内生夹杂：由于钢液的二次氧化，钢中的脱氧产物形成的夹杂，其特点是： ·O溶，脱氧产物增加； ·夹杂物尺寸细小<20m； ·在钢包精炼搅拌，大部分夹杂物上浮； ·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（<5m）。 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： 铝酸钙 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）22（2)外来夹杂：耐火材料的脱落、钢液卷渣和保护渣产生的夹杂，其特点是： ·夹杂物粒径>50m，甚至几百m； ·组成复杂； ·来源广泛； ·偶然性分布； ·对产品性能危害最大。23 生产洁净钢，就是要减少钢中夹杂物，尤其是要为减少大颗粒夹杂物而奋斗。1.4.2夹杂物按其形成时间的不同，又可分为四个阶段的夹杂物：（1）一次夹杂物（亦称原生夹杂物）：向炉内或钢包内加入脱氧剂后立即生成夹杂物。（2）二次夹杂物：出钢和浇注过程中，冷却到液相线之前，由于温度下降平衡移动产生的夹杂物。（3）三次夹杂物：凝固过程中生成的夹杂物又称为再生夹杂物。（4）四次夹杂物：固态相变时因溶解度发生变化生成的夹杂物。241.4.3夹杂物按其形态大致分为以下几种：（1）类球形夹杂 ：金相定性为含SiO2较高的硅酸盐玻璃相。电镜分析为含铝锰硅酸盐。25（2）类球形夹杂：金相定性为锰硅酸盐夹杂，但含锰相对增加，含Si相对减少。电镜分析与前者相比，Si有所下降，而Al有所增加。（3）大球形复合夹杂： 尺寸较大，但数量很少。该类夹杂大致为含Ca12.21%的硅酸盐夹杂及硅锰酸盐的基体上有ZrO，Al2O3及稀土复合相的复合型夹杂。（4）角粒形夹杂：金相定性为高熔点脆性夹杂。但未发现有成簇的分布状态。电镜分析为铁铝尖晶石类夹杂。261.4.4夹杂物按其组成又可分为硫化物夹杂和氧化物夹杂：（1）硫化物夹杂：钢中硫化物主要是MnS、FeS(Mn、Fe)S和CaS夹杂。硫化物夹杂是钢中主要的夹杂物之一，对钢材的性能有很大的影响。硫化物在金相明场下为淡黄色，在暗场下不透明，在偏振光下有强的各向异性。27硫化物夹杂按其形态可分为三种：类硫化物的特征为球状，无规则分布，多为单相；类硫化物沿晶界分布或呈扇状；类硫化物呈块状或角形，无规则分布。对于硫化物形态影响的因素有很多。其中，氧是影响形态最显著的因素。已经发现，钢中氧含量大于0.012%时，形成类硫化物，小于0.008%时，形成类硫化物，在0.008%至0.012%之间时，形成类硫化物。类、类硫化物都是在钢液凝固时析出的，类硫化物是从熔液中呈固态沉淀的。另外有人认为，慢冷时形成类或类硫化物，快冷时形成类硫化物。而且硫化物的数目和颗粒大小也受冷却速度的影响。其中，随着基本冷却速度的增大，硫化物的数目明显增多。11为了减小由于硫化物的取向不同造成的各向异性对钢材性能的影响，可采取加一些合金元素的方法来控制其形态。（2）氧化物夹杂28：包括MnO、FeO及（Fe、Mn）O夹杂。它们在室温下能和金属一起变形，随温度升高逐渐丧失变形能力。氧化物夹杂是钢液中存在的主要夹杂之一。钢中析出的氧化物夹杂主要来自三部分：是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产物，称为一次脱氧产物。钢液从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱氧产物，称为二次脱氧产物。下图为氧化夹杂物的分类和来源：图3 氧化夹杂物的来源1.5 夹杂物的来源铸坯的夹杂物可能有以下因素引起29：1.5.1 转炉出钢下渣挡渣出钢效果相对较差，出钢时带入钢包中的炉渣较多，再加上使用过的钢包有的不太干净，出钢使很多剩渣裹在钢液中，污染了钢液。有的炉次吹炼不好，直接浇注，脱氧的产物及钢液中悬浮的炉渣不能充分上浮，也造成钢液的污染。1.5.2 大、中包包衬侵蚀大包下部用浇铸打结上部用镁钙砖修砌，在一定程度上减轻了包衬侵蚀污染钢液，但仍有不少包衬侵蚀物进入钢液中。中间包填充料污染的钢液极易通过浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物的尺寸也是最大的，对钢板性能的破坏也是最明显。另外，浇注后期涂料侵蚀透后，中间包打结料进入钢液也能造成污染。1.5.3 钢液的二次氧化钢液由大包到中间包虽然采用全程密封保护，但在实际使用中，上部钢流往往暴露与空气中造成二次氧化。还有浇注过程中用氧气烧高压保护箱内壁上的钢瘤等时形成的氧化物极易进入结晶器凝入坯壳。精炼炉吹氩时，片面追求快速降温或缩短精炼时间，氩气压力过高，使大包液面翻动过大，一方面造成钢液面裸露二次氧化，另一方面，液面过度翻动使表面渣层裹入钢液，污染钢水。1.5.4 中间包液面低浇注过程中，上下炉钢水连接时，往往由于生产组织等原因造成连接不好，下炉钢水不能及时再浇，中间包液面过低，上层的渣子随水口旋涡进入结晶器。1.5.5 结晶器卷渣由于操作过程中浸入式水口的插入深度的变化和侧孔角度偏小，造成结晶器液面的波动，而结晶器液面上下波动使保护渣卷入最易造成铸坯弯月面处初生坯壳皮下卷渣。30图4 夹杂物的来源图312 研究内容及方案2.1研究背景邢台德龙钢铁公司生产Q195钢的工艺流程为：LD转炉钢包吹氩处理连铸，钢的成分见下表：表1 Q195钢成分表(ppm)CSMPS36121734411122918Q195钢的生产工艺参数见下表：表2 Q195钢生产工艺参数炉号供氧时间出钢温度脱氧剂加入量吹氩时间中包温度5（）中包温度25（）中包液面（mm）硅铝铁230489516681049154315456002305878168210481548153960023068791690104101548154460023078581675961015481544600230889216951201015301527700230986817051129153115227002310906170712010155815457002311837166410481541154070023128831680104915511548700231385416901048154815477002314885-1127154115467002.2 研究目的（1）揭示显微夹杂行为规律；（2）分析显微夹杂对铸坯裂纹的影响，揭示显微夹杂行为规律。2.3 研究内容（1）显微夹杂在各工序的数量、类型；（2）显微夹杂粒度的分布；（3）显微夹杂体积率在铸坯厚度上的分布；（4）显微夹杂形成的原因及对裂纹的影响。2.4 研究方法2.4.1取样及试样加工在钢包吹氩前、吹氩后、中间包前和中间包后各取一块20×40mm的过程样，再将每块过程样切成20×10mm的小块，观察其断面。在头坯，连接坯，正常坯中各取一块150×150×20mm的薄片试样。在150×150×20mm薄片试样的中心线处沿内外弧方向切宽约10mm的钢条，并将其等分为10段，依次标号为110#。将试样磨平(依次使用120#，240#，320#，400#，500#，600#，700# ，800#砂纸)、抛光，使观察面没有划痕，以便于观察夹杂物。将磨好的试样用水冲洗、烘干。32图5 试样加工示意图2.4.2金相显微镜光学分析用金相光学显微镜观察试样，主要是在500倍下观察夹杂物的尺寸、形状、数量、分布情况和光学性质。对于个别特殊的夹杂如卷渣和裂纹，依具体情况用200倍或更低倍数来观察。在试样的金相观察中，除了了解夹杂物的粗略分布情况外，还要完成三项工作：一是选出各种典型夹杂物所在的试样以备电镜使用;二是对试样进行拍照，每个试样选100个视场进行拍照;三是对每个试样进行粒度评级。2.4.3扫描电镜能谱分析经金相光学显微镜观察的夹杂物，再在扫描电子显微镜下进行显微分析，并利用能谱分析对典型夹杂物进行定量的成分分析。本实验采用点扫描和区域扫描进行定量成分分析。扫描电镜是用来观察物体(材料试样或零件)表面和断口微区形貌的电子光学仪器，它将经聚焦而得到的很细的电子束投射到物体上，由物体表层激发出的二次电子等信息被收集、处理和显示，从而得到被电子束扫描照射区域的形貌信息。将扫描电镜与x射线能谱仪联机使用，可以得到被电子束扫描区域的形貌和化学元素分布的信息。2.4.4夹杂物粒径统计分布用金相光学显微镜（ZEISS Ax overt 200MAT）在500倍下观察,利用测微目镜,将夹杂物粒径分成五个范围，即分别统计每个视场中粒径5m、5m10m、10m20m三个范围的夹杂物的个数，每个试样选100个视场，每个视场的面积为270×200m2。2.4.5夹杂物的数量和大小用金相光学显微镜在500倍的情况下对小样进行观察，平均每个试样选100个视场，利用测微目镜分别统计每个视场中粒径5m、5m10m、10m20m的夹杂物的个数。本实验中统计的多是球形的夹杂物，其它形状夹杂物含量极少。夹杂物统计方法有：（1）面积统计法：33夹杂物面积统计法计算公式如下：式中：I单位面积上相当于当量直径B的夹杂的个数（个/mm2）；B夹杂当量直径，本计算中B=7.5m；Si不同级别夹杂的平均面积mm2； ni各级夹杂个数；F视域面积，500倍时，F=270×200m2；N视场数，本计算中为100。在本论文中，显微夹杂物数量 I 为单位面积上相当于当量直径为7.5m的夹杂物的个数。（2）体积率统计法：34体积率统计法计算公式如下：式中：Q显微夹杂体积率（%）；Si不同级别夹杂的平均面积（mm2）；ni各级夹杂个数；F视域面积，500倍时，F=270×200m2；N视场数，本计算中为100。3 研究结果及分析3.1 钢中主要夹杂物的类型根据夹杂物的形貌并结合 KYKY-2800 型扫描电子显微镜分析，钢中的显微氧化物夹杂物主要分为以下 3类：(1) 球状、块状或三角形 Al2O3 夹杂物：此类夹杂呈深色的不规则形状，为铝脱氧产物，通常其颜色为灰色或浅灰色，粒径较小，是钢中主要的夹杂物。（如图 6）。 图6 三角和球形Al2O3夹杂物形貌(2) 钙铝酸盐复合夹杂：球状或椭球状夹杂物，形体四周颜色比较深，但中间部位颜色比较浅为透明或浅灰色，它的粒度直径都大于10mm。在钢中含量很少（如图7）。图7 钙铝酸盐复合夹杂形貌(3) 硫化物夹杂：周围颜色比较深，中间部位颜色较浅，通常为浅黄色（如图8）。图8 MnS夹杂形貌典型夹杂物能谱如下图所示：图9 氧化铝夹杂能谱图10 钙铝酸盐复合夹杂能谱图11 硫化锰夹杂能谱3.2 各工序夹杂物数量将每道工序的试样在金相显微镜下观察，每个试样取100个视场，统计夹杂物的数量如下图所示。（1）钢包吹氩转炉出钢后，在钢包中对钢水进行底吹氩处理，由图12可以看出钢中夹杂物数量有了明显降低，这是由于钢包底吹氩气由于氩气的搅拌作用，有利于夹杂物的聚集和上浮，最终进入渣中。图12 吹氩前后夹杂物的数量变化(2)中间包钢水由钢包吹氩后，倒入中间包 ，再通过水口倒入结晶器中，中间包的钢水表面覆盖有保护渣，由图13可以看出钢水在中间包前后夹杂物的数量有所降低，但降低的不多，这是由于：一方面钢水从钢包转入中间包时会吸气，会形成新的夹杂物；另一方面由于中间包内有保护渣，保护渣会吸收一部分夹杂物。综合以上两方面因素，钢水通过中间包时夹杂物数量没有明显变化。图13 中间包前后夹杂物的数量变化3.3 铸坯中夹杂物的分布在头坯、中间坯、稳定坯中各取一块150×150×20的试样，在每块试样中沿铸坯厚度方向在中心处各取一条150×20×10的试样，将长条试样从内弧到外弧方向平分成10块，依次编号1#10#，在金相显微镜下观察统计夹杂物数量，再计算出体积率，如下图所示。3.3.1头坯显微夹杂物的数量、体积率和粒度的分布图14 头坯夹杂物的数量分布图15 头坯夹杂物的体积率分布图16 头坯夹杂物的粒度分布由图14可见，头坯夹杂物的数量先升高后降低，在内弧侧达到最大值27.43个/2，由图15可见，夹杂物体积率的变化趋势与夹杂物的数量变化趋势类似最高达到0.12%，与连接坯和正常坯相比头坯的夹杂物数量和体积率都比较高，由图16可见，头坯夹杂物的粒度集中在05m， 510m的次之。在开浇时，中间包内衬温度低，钢水温度损失大，此时钢水污染最严重，且保护渣未全部熔化，不能有效及时地吸收夹杂。而且，钢液没有被保护渣全部覆盖，钢水二次氧化严重，注流又不稳定等多种原因导致夹杂物不能上浮。刚注入的钢水温度迅速降低，夹杂物充当钢水结晶核心，上浮的夹杂物又在其上继续沉淀，导致夹杂物难以上浮，且未熔化的渣粉还会因注流不稳定而造成夹渣和大型夹杂物的产生。因此头坯显微夹杂物的数量和体积率较高，其中头坯边部夹杂主要分布在靠近内弧侧，呈现一定的规律性。一方面，钢水温度的降低，使得钢水黏度升高，导致细小夹杂留在钢中；另一方面，由于枝晶凝固偏析的结果，杂质元素富集，使得脱氧反应重新发生，并且这时形成的夹杂物被正在生长着的枝晶包裹在里面，不能上浮排出，导致夹杂趋向于偏内弧侧聚集。3.3.2连接坯显微夹杂物的数量、体积率和粒度的分布图17 连接坯夹杂物数量的分布图18连接坯夹杂物体积率的分布图19连接坯夹杂物粒度的分布从图中可以看出，连接坯的夹杂物数量和体积率较头坯都有所降低，最大值都出现在距内弧约1/3处，粒度组成方面，05m的夹杂物数量有所降低，而510m的有所升高。开浇一段时间后，中间包内衬温度升高，钢水温度损失减小，保护渣已基本熔化，吸收夹杂的能力增大，因此夹杂物的数量有了进一步降低。3.3.3正常坯显微夹杂物的体积率随内外弧的变化图20 正常坯夹杂物的数量分布图21 正常坯夹杂物的体积率分布图22 正常坯夹杂物的粒度分布由图可见，正常坯夹杂物的数量已降到了10以下，夹杂物的体积率也降到了0.035%以下，在靠近内弧1/4处出现最大值，05m的夹杂物数量有所升高，而510m的有所降低。正常坯处于稳定浇铸的条件下，该处的夹杂物的分布应能正确反映铸坯中夹杂物的一般分布规律，如果此时浇注各方面都处于正常，拉速平稳，夹杂物便会呈现出一定的分布规律。从图可知，夹杂物的数量和体积率都有了明显的降低，这是因为在稳定浇铸条件下，夹杂物被除去的最彻底，粒度也比较细小均匀。4 结论铸坯夹杂物是裂纹产生的起点，过度集中的应力是裂纹产生的动力，35大部分裂纹附近的夹杂物含量都比较高，夹杂物对铸坯裂纹的影响不仅取决于夹杂物类型，而且与其组成、形态、数量、大小及分布等因素密切相关。减少夹杂物对铸坯裂纹的影响，可从以下几个方面考虑：361)最大限度地减少外来夹杂加强原料的管理，对废钢，生铁，合金，石灰，萤石，矿石等力求做到清洁，干燥，分类保存.提高炉衬质量，并加强对炉衬的维护，尽量减少其侵蚀，剥落。加强氧化操作，利用脱碳反应去除原材料带入的夹杂物和炉衬的侵蚀物。出钢前调整好炉渣的流动性，出钢后保证钢液在钢包中镇静时间可以利于炉渣充分上浮，电弧炉炼钢严禁电石渣下出钢等，防止钢液混渣。提高浇注系耐火材料的质量并做好清洁工作，减少耐火材料颗粒夹杂。2)有效地控制内生夹杂生产中控制内生夹杂的措施主要有：(1)根据钢的质量要求选择合适的冶炼方法和工艺，如转炉冶炼，电炉炉冶炼，配加炉外精炼等。(2)依据所冶炼钢种制定合理的脱氧制度并正确地组织脱氧操作，包括采用综合脱氧，使用复合脱氧剂并加强搅拌等，促进脱氧产物上浮，尽量减少钢中的一次夹杂物，同时最大限度地降低钢液中的溶解氧，有效地控制钢液冷凝过程中产生的二次夹杂和三次夹杂的数量。(3)对于优质钢和特殊要求的钢，采用添加变质剂，热加工和热处理等方法，改善残留夹杂物的形态及分布，减轻夹杂物的危害。3) 防止或减少钢液的二次氧化已脱氧的钢液，在出钢和浇注过程中与大气（或其它氧化性介质）接触再次氧化的现象，称为“二次氧化”。研究发现，二次氧化产物的颗粒比脱氧产物大的多，而且二次氧化产物的多少往往与钢液温度高低，钢液与大气接触面积大小，接触时间长短等因素有关，因此在出钢和浇注过程中，一定要做好以下三方面的工作来防止或减少钢液的二次氧化:(1)控制好出钢温度。其它条件相同时，出钢温度越高，钢液在出钢或浇注过程中二次氧化越严重。因此，实际操作中应控制好出钢温度，尽量避免高温出钢。(2)掌握正确的出钢操作。出钢时要开大出钢口并维护好出钢口的形状，保证钢流不散流或过细，减少钢液与大气的接触面积和缩短出钢时间。对夹杂要求严格的钢种，最好采用气体保护出钢。(3)注意保护浇注。连铸时采用浸入式水口与保护渣组合的无氧化浇注技术。参考文献1 何成修等. 低碳钢中白点的研究，（辽宁冶金）1987 ,6，P582 史宸兴实用连铸冶金技术冶金出版社，19983 刘青等方坯高效连铸的核心技术宝钢技术，1996，4：7104 武金波发展高效连铸提高连铸生产水平，邯郸科技，1997，2：1015 王洪利. 转炉流程轴承钢连铸坯非金属夹杂物的行为D. 河北理工大学 , 2005.6 蔡开科. 连铸坯表面裂纹的控制J. 鞍钢技术，2004，3：2-5.7 资料汇编系统化的方坯高效连铸技术，连铸技术国家工程研究中心，1998，9