夹杂物成分及形态控制ppt课件.ppt

《夹杂物成分及形态控制ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《夹杂物成分及形态控制ppt课件.ppt（78页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、夹杂物塑性控制研究进展,1. 概述,夹杂物成分和形态控制技术是现代洁净钢冶炼的主要内容之一不同用途的钢材对非金属夹杂物的形态、数量、组成有不同的要求。钢中夹杂物在冶炼过程中不可能得到完全去除但可以通过各种方法来降低其危害，如减小夹杂物尺寸、改变夹杂物成分。根据钢种的要求及夹杂物的性质提出夹杂物成分和形态控制要求。,夹杂物变形能力和其熔点有很大关系在轧制温度下随着夹杂物熔点降低,变形性能越来越好。当夹杂物的熔点低于1500时，其变形能力就比同温度下的钢的变形能力好了。,1.1 夹杂物变形能力与熔点关系,夹杂物熔点和变性率之间的关系,夹杂物熔点和硬度之间的关系,G. Bernard 等根据外推法测

2、定的夹杂物相与钢基体在9001100时相对粘性的大小，将三元系划分为四个区域：区域为不变形的均相夹杂物；区域为两相区，其中有一相不能变形。区域具有很强的结晶能力，因而也不能变形；区域为可变形的夹杂物区域。,1.2 MnO-Al2O3-SiO2 和CaO-Al2O3-SiO2 三元系塑性区,9001100MnO-Al2O3-SiO2系氧化物夹杂的变形性,9001100 CaO-Al2O3-SiO2 系氧化物夹杂的变形性,MnO-Al2O3-SiO2 三元系夹杂物具有良好变形能力的夹杂物组成分布在锰铝榴石（3MnOAl2O33SiO2）及其周围的低熔点区在该区域内Al2O3/(Al2O3+SiO2

3、+MnO)变化在15%30%。CaO-Al2O3-SiO2 三元系夹杂物钙斜长石（CaOAl2O32SiO2）及其与假硅灰石（CaOSiO2）相邻的周边低熔点区域具有良好的变形能力。,1.2 MnO-Al2O3-SiO2 和CaO-Al2O3-SiO2 三元系塑性区,一般氧化物夹杂的目标成分范围应该是那些具有低熔点的非结晶相组成。,1.2 MnO-Al2O3-SiO2 和CaO-Al2O3-SiO2 三元系塑性区,根据变形性能夹杂物分类：1） Al2O3 和Ca-aluminates ：在炼钢温度以下的温度内都不变形；2） 尖晶石（AO-B2O3）：在室温下不变形，在更高的温度1200以上）下

4、可以变形；3） 二氧化硅：在室温下不变形，在更高的温度下变形，它是由二氧化硅的组成决定的；4） FeO, MnO, (Fe, Mn)O：在室温下为塑性，但从400开始随着温度的升高逐渐失去塑性；5） MnS：直到1000MnS 都是塑性的，当高于1000后塑性下降；6） 纯硅石：直到1300都不变形。,1.3 夹杂物分类,不同类型的夹杂物在不同温度的形变因素,各区域相对应夹杂物热加工前后的形态控制,夹杂物周围的应力分布,软夹杂物周围应力较硬夹杂物要低，对钢的影响比较小。,1.4 夹杂物塑性与钢中应力发布,利用相应体系相图预测夹杂物性能根据钢夹杂物反应热力学，利用相图内钢液成分等值线来预测夹杂物

5、组成及钢液中氧、硅、锰、铝、钙等成分的控制，并制定顶渣成分控制.,1.5 夹杂物成分控制策略,通过一系列化学反应方程式以及不同温度下CaO-SiO2-Al2O3、MnO-SiO2-Al2O3 系等活度曲线计算：钢液合金化、冷却时析出夹杂物的控制；精炼渣控制钢液成分；VD 和喂丝等工艺过程中钢液成分的控制。,1.5 夹杂物成分控制策略,2Si + O = SiO2(S)G0 = 581900 + 221.8T J / mol 2Al+3O=Al2O3(S) G0 = 1202000 + 386.3T J / mol,1.5 夹杂物成分控制策略,一些结论1）钢-渣之间的化学反应对钢液中铝和钙含量有

6、很大影响。精炼渣Al2O3 越高、碱度越高，精炼过程中钢液会增铝；选择低碱度低Al2O3 的精炼渣可使钢中Al进一步下降。 钢液中平衡钙含量主要受精炼渣碱度影响，碱度越高，平衡钙含量越高。,1.5 夹杂物成分控制策略,精炼渣组成对高碳帘线钢钢液平衡铝含量的影响,精炼渣组成对高碳帘线钢钢液钙活度的影响,2）高碳帘线钢在合金化时析出的平衡夹杂物组成主要决定于钢液中的Als 的含量当Als22.310-6 时钢中只析出Al2O3，当Als22.310-6， aCa 1109时钢中可析出CaOAl2O32SiO2。,1823K 时钙铝含量对高碳帘线钢脱氧产物组成的影响,4）控制熔渣的组成，由钢-渣反应

7、控制钢液中钙、铝的含量，从而控制夹杂物的组成。,1823K 时熔渣组成对高碳帘线钢钢液残铝和钙含量的控制,5）喂Si-Ca 线对控制夹杂物的成分不利钙还原渣和包衬中的Al2O3 使得钢液中的酸溶铝含量增加。从控制高碳合金钢中夹杂物成分的角度考虑，建议不采用喂Si-Ca丝。,酸溶铝随着钙活度的增加而增加,6）合金脱氧时要控制好合金中的铝含量合金中的铝是导致钢液增铝的一个重要原因。,1.5 夹杂物成分控制策略,7）夹杂物组成与炉渣化学成分关系密切当钢渣间达到热力学平衡时，夹杂物的成分与钢渣的成分相同。在冶金生产过程中，绝对的钢液与夹杂物之间的平衡是少见的，但可达到局部的钢与夹杂物、渣与钢、炉衬与钢

8、渣、炉衬与钢液的准平衡状态。夹杂物的成分在很大程度上受顶渣和炉衬的影响。通过控制顶渣成分、炉衬材料和一定的脱氧条件，夹杂物成分的准确控制是可以实现的。,1.5 夹杂物成分控制策略,生产中控制夹杂物的组成主要可以归纳为两种方式：脱氧工艺和炉渣组成。部分钢种还需结合SMe反应热力学提出钢中硫含量控制策略,1.5 夹杂物成分控制策略,问题：1）夹杂物是多元的；2）夹杂物有时熔点较高，是固态的，反应未达到平衡；3）炼钢、精炼工艺对夹杂物组成影响较大；4）热力学相图局部区域组元活度测量有较大误差,1.5 夹杂物成分控制策略,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,帘线钢中夹

9、杂物在整个冶炼过程中有很明显的变化。在实际生产过程中，钢中的夹杂物除了少量的MnS 外，绝大部分是SiO2-MnO-Al2O3 和SiO2-CaO-Al2O3 系。前一种系主要在钢水脱氧初期发现，后者主要在冶炼中期和末期以及铸坯中发现。生产中比上述要复杂，常以CaO-SiO2-Al2O3-MnO、CaO-SiO2-Al2O3-MgO 类四元及四元以上夹杂物存在。,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.1 SiO2-Al2O3-MnO 系夹杂物优化帘线钢为硅锰镇静钢，因此初始夹杂物多含有SiO2 和MnO。Al2O3 主要来源于脱氧剂、合金、炉渣以及耐火材料中

10、的铝与钢液中的氧反应，因此形成SiO2-Al2O3-MnO 夹杂物。,SiO2-Al2O3-MnO 系相图图中阴影部分为熔点低于1400的区域.低熔点区域的大致范围为：SiO2 15%58%；MnO 18%74%；Al2O3 032%。,2.2 SiO2-Al2O3-CaO 系夹杂物优化精炼后期，炉渣或耐火材料中的钙使得钢水中的钙含量有所提高，夹杂物从SiO2-Al2O3-MnO 系转变为SiO2-Al2O3-CaO 系或SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系。夹杂物中是否含有MnO 取决于精炼渣碱度的高低。精炼渣的碱度高时，夹杂物中基本上没有MnO，而当精炼渣的碱度比较低时，夹杂物中含有M

11、nO。,SiO2-Al2O3-CaO 系相图图中阴影部分为熔点低于1400的区域，低熔点区域的大致范围为：SiO2 36%70%；Al2O3 10%25%；CaO10%50%。,Al2O3 含量、CaO/SiO2 和Al2O3-CaO-SiO2 系夹杂物熔点的关系CaO/SiO2 比为2 时夹杂物熔点较高，Al2O3 可控区域较小，当Al2O3/(SiO2+CaO)为30%时，夹杂物的熔点最低，为1540左右，夹杂物的熔点仍然很高，此时夹杂物的塑性很差。CaO/SiO2 比为0.8、1 时，夹杂物熔点较低，Al2O3 可控区域较大。控制夹杂物CaO/SiO2 比在0.81 范围将有利于降低夹杂

12、物熔点。,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.3 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物优化2.3.1 Al2O3 含量对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的影响Al2O3 的来源：炼钢过程的加入物，钢液被耐火材料颗粒玷污。钢液中溶解铝和溶解氧反应达到平衡时其平衡常数很低，即便是钢水用无铝合金脱氧，或溶解的铝量很低，夹杂物中也常常会含有一定量的Al2O3。可以通过控制加入合金中铝含量和控制渣中Al2O3 含量来控制钢液中酸溶铝含量的大小。,CaO-SiO2-MnO 相图 不同Al2O3 含量对应的低熔点区域对比,2. SiO2-Al

13、2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,CaO-SiO2-Al2O3-MnO 四元系夹杂物比不含Al2O3 的CaO-SiO2-MnO 三元系夹杂物的低熔点区域大。Al2O3 含量在从0 变化到20的过程中，低熔点区域迅速增加，在20变化到30过程中，低熔点区域有所减少，但变化不大。,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,整个变化过程中，CaO/SiO2 比由低向高转变。控制CaO-SiO2-Al2O3-MnO 四元系夹杂物中Al2O3 为20既有利于降低氧化物熔点又可以提高CaO/SiO2 比，有利于精炼脱氧、脱硫。这与CaO-SiO2-Al2O3

14、三元系夹杂物中Al2O3 的成分控制范围一致。,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,Al2O3 含量不同时，低于1400区域占总面积的百分比,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.3.2 CaO 含量对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的影响,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,CaO 含量在从0变化到40的过程中，低熔点区域是先增加后减少，当CaO 含量在25%30%时，低熔点区域最大，控制 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系中CaO 含量在25%30%有利于降低夹杂

15、物熔点。在整个变化过程中，CaO/SiO2 比也相应的越来越大。,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,CaO 含量不同时，低于1400区域占总相图的百分比,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.3.3 CaO/Al2O3 对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的影响随着CaO/Al2O3 比的增加，低熔点区域是先增加后减少。CaO/Al2O3 为0.94 时，低熔点区域面积所占百分比最大，占50%左右。控制 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系中CaO/Al2O3 比为1 左右有利于降低夹杂物的熔点。,2.

16、 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,CaO/Al2O3 比不同时，低于1400区域占总相图的百分比,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.3.4 CaO/SiO2 比对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的影响,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,2.3.5 冶炼过程中SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物的变化,LF 前后SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物的成分变化,SiO2/(MnO+CaO)为0.5、1、2 ，不同的Al2O3（10-40%）时，MnO 转

17、变为CaO过程时夹杂物熔点的变化,2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物成分的热力学优化,Al2O3=20%，Al2O3=30%，Al2O3=40%时，随着CaO 含量的增加，夹杂物的熔点有着先降低后增加的趋势。在Al2O3=20%时，低于1400的液相区最大，且CaO/MnO+CaO 变化范围最大，即低熔点区域最大。控制SiO2-Al2O3-MnO-CaO 四元系夹杂物中Al2O3 含量为20有利于降低氧化物熔点。SiO2/(MnO+CaO)的比值为1，Al2O3=20%时，在CaO/MnO+CaO 从0 到1 的整个范围内，都有低于1400的低熔点区，即夹杂物的塑性区可控范围

18、很大。,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,3.1MgO 含量对SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物熔点的影响,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,MgO 含量不同时，低于1400区域占总相图的百分比,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,3.2 Al2O3含量对SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物熔点的影响Al2O3 为强脱氧元素铝的脱氧产物，为高熔点氧化物，是影响钢帘线拉拔性能的夹杂物种之一，一般可以通过控制加入合金中铝含量和控制渣中Al2O3 含量来严格控制钢液中酸溶铝的大小。,3 SiO2-Al2

19、O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,Al2O3 含量不同时，低于1400区域占总相图的百分比,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,3.3 CaO 含量对SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物熔点的影响,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,3.4 SiO2含量对SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物熔点的影响,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,3.5 CaO/SiO2比对SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物熔点的影响随着CaO/SiO2 比值的增大，低熔点区域有先减小后略有增加的趋势.CaO/

20、SiO2 小于1 时的低熔点区域占总相图的百分比最大，为14.35%。CaO/SiO2 比为1.5 时低熔点区域占总相图的百分比最小，为4.9% 。这与SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物中CaO/SiO2 比的控制范围一致，控制CaO/SiO2 小于1。,3 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系夹杂物成分优化,CaO/SiO2 比不同时，低于1400区域占总相图的百分比,4 Si-Mn 脱氧热力学研究,4.1 CaO-MnO-SiO2-Al2O3系中Si-Mn 脱氧热力学研究2MnO (inc) +Si = SiO 2(inc) + 2Mn Go = 5700 34.8 T J

21、/mol2/3Al2O3(inc)+Si=SiO2(inc) + 4 / 3AlGo = 219400 35.7T J/molSi + 2O = SiO2(inc) Go= 581900 + 221.8T J/mol在1873K 下，钢中C%0.72, Si%0.3，Mn%=0.45，CaO-MnO-SiO2-Al2O3 系中等硅线和等锰线，等铝线和等氧线。,Al2O3 含量=20%，硅、锰、铝、氧在CaO-MnO-SiO2-Al2O3 系中的等值线,4 Si-Mn 脱氧热力学研究,1) 随着钢液中Si 含量的增大，Mn 含量的减小，夹杂物中SiO2 含量增大。2) 随着钢液中Al 含量的增大

22、，夹杂物中CaO 的含量增大，SiO2 的含量减少，CaO/SiO2 增大；随着钢液中O 含量的增大，夹杂物中SiO2 的含量增大，CaO 的含量减小，CaO/SiO2 值减小。3) 当夹杂物中Al2O3 含量=20%时，与塑性区平衡的酸溶铝Als 含量应小于110-6。4) 当夹杂物中Al2O3 含量=20%时，与塑性区平衡的溶解氧含量应在2010-65010-6 之间。,4 Si-Mn 脱氧热力学研究,4.2 CaO-MgO-SiO2-Al2O3系中Si-Mn 脱氧热力学研究,MgO 含量为10%，铝、氧在CaO-MgO-SiO2-Al2O3 系中的等值线,4 Si-Mn 脱氧热力学研究,

23、钢液中C%=0.72，Si%=0.3，Mn%=0.45 时1)随着钢液中Al 含量的增大，夹杂物中CaO 的含量也增大，SiO2 的含量减少，CaO/SiO2 比增加。当夹杂物中MgO 含量为10%时，与塑性区平衡的钢液中酸溶铝Als 的含量理论上小于8010-6，但由于酸溶铝Als 在1010-68010-6 时，夹杂物在塑性区的控制范围很小，很难精确控制。所以应控制酸溶铝Als 小于1010-6，此时夹杂物在塑性区的可控范围比较大。,4 Si-Mn 脱氧热力学研究,钢液中C%=0.72，Si%=0.3，Mn%=0.45 时2) 随着钢液中O 含量的增大，夹杂物中SiO2 的含量也增大，Ca

24、O 的含量减少，CaO/SiO2 比减小。当夹杂物中MgO 含量为10%时，与塑性区平衡的溶解氧含量应在110-611010-6之间。,5 钢帘线夹杂物控制实验室研究,当炉渣碱度为0.711.36，Al2O3含量低于8时，可以将夹杂物的成分控制在塑性区或其周边的区域。夹杂物中的Al2O3含量随着钢液中酸溶铝含量的增加而增加，当夹杂物中Al2O3含量为825，钢液Als含量应控制在0.0006%以下。在不加铝脱氧、采用硅脱氧的条件下，钢中的酸溶铝由顶渣控制。,炉渣碱度和夹杂物中Al2O3含量之间的关系,5 钢帘线夹杂物控制实验室研究,夹杂物中三氧化二铝质量百分含量在20时，夹杂物有很好的塑性,夹

25、杂物中Al2O3含量和夹杂物塑性之间的关系,钢液中酸溶铝在46ppm时，夹杂物中Al2O3的含量正好在20左右,钢液中酸溶铝含量和夹杂物中Al2O3含量之间的关系,炉渣中Al2O3含量在8左右时，夹杂物中Al2O3含量为20，此时夹杂物的塑性最好。,炉渣中Al2O3含量和夹杂物中Al2O3含量之间的关系,渣中MgO含量在5的时候，渣的熔化性温度最低,渣熔化性温度和渣中MgO的关系,K. Iemvra 通过实验室试验，验证了四种精炼渣对钢液的脱氧及脱铝效果，结果表明成分为：46%CaO2%Al2O347%SiO25%CaF2 的精炼渣可以减少脆形夹杂物。因此其精炼效果最好。硅脱氧钢液的成分,精炼

26、渣精炼过程中总氧和酸溶铝的变化,工厂实验结果,1）USS/KOBE钢厂采用BOFLFCC工艺生产钢帘线,USS/KOBE钢厂精炼过程中夹杂物成分变化在相图中的体现,LF 到中间包的过程中夹杂物中的Al2O3 含量升高，而SiO2 含量降低；中间包到铸坯的过程中夹杂物中CaO 含量降低，而SiO2 含量升高。通过控制渣碱度、渣中Al2O3%、钢液中的酸溶铝含量最终使夹杂物正好在塑性区。,2）Kakogawa Works钢厂采用BOFLFCC工艺生产钢帘线,Kakogawa Works钢厂夹杂物成分变化在精炼过程中的变化,3）武钢生产工艺：铁水喷粉脱硫转炉炉外精炼连铸转炉公称容量：100 吨LF

27、炉精炼时间：高于40 分钟连铸机类型：四流弧形连铸机浇铸断面：0.2m0.2m正常拉速：1.01.2m/min通过改用低碱度、Al2O3 含量低的渣精炼，得到的夹杂物多在塑性区。,4）宝钢高碳硬线钢品种以JISG3502 、JISG3506 中SWRH72ASWRH82B、SWRS72ASWRH82B 为代表。工艺流程为：TDS 铁水脱硫LDOB 转炉冶炼二次精炼IC 钢锭下注初轧均热炉均热1300 M 初轧机开坯在线热火焰清理6VH 连轧轧制成100 mm100mm 或140mm 140 mm 小方坯磁粉探伤、砂轮修磨一线材厂轧制成线材盘圆 。结果表明：RHCa 处理，用低碱度渣精炼有利于生成塑性夹杂物。,宝钢夹杂物处理方法,各种工艺的夹杂物组成(),结论,炉渣对夹杂物的成分和塑性影响很大钢中Als、O、Ca等对夹杂物的影响很大夹杂物控制需通过脱氧工艺及造渣工艺综合控制钢中夹杂物在炼钢不同阶段是变化的即使是同一钢种，夹杂物控制途径也不是唯一的相图、热力学计算在夹杂物控制中意义重大,