帘线钢氧化物塑性控制.ppt
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1、帘线钢中氧化物夹杂塑性化的理论与工艺研究,北京科技大学冶金与生态工程学院,2023/3/1,王福明教授,背景,非金属夹杂物通常被认为对钢的性能带来有害的影响。因此,炼钢工艺的主要任务之一就是以有效和经济的方法,最大限度地从钢液中将夹杂物去除。长期以来,化学冶金工作者一直致力于有关在冶炼过程中将夹杂物去除的理论和工艺开发,并取得了大量的研究成果。这也是目前洁净钢生产工艺研究与开发的主要内容之一。随着我国钢铁生产装备水平的提高以及冶金工艺的日益先进,洁净钢的生产也已经是我国钢铁界普遍关心的课题。但是在洁净钢冶炼过程中,过度的追求夹杂物的去除必然会遇到技术上的困难与成本的问题。能否在一定洁净度的条件
2、下对夹杂物进行有效的控制(主要在成分方面),并使之无害于钢的加工与使用性能,有时甚至于提高钢的使用性能,已经成为钢铁冶金工作者十分关注的课题。,背景,我国生产的钢的品种、质量与世界先进钢铁强国的水平还有明显的差距,如帘线钢、轴承钢、弹簧钢、易切削非调钢等,与国外差距很大,这些品质钢在追求洁净度的同时,对钢中夹杂物的控制很关键。如对于被称为钢铁产品中的“皇冠明珠”帘线钢,“钢中之王”的轴承钢,以及其它品种钢,为了减轻夹杂物的危害作用,应通过控制其成分,使其塑性化;但很多工程结构钢又要求其夹杂物不容易变形,以便改善它们的横向冲击性能;日本学者提出的“氧化物冶金”概念就是通过对工程结构钢冶炼过程中夹
3、杂物的控制(成分、数量、分布等)细化钢的最终组织,提高使用性能。因此,对夹杂物的成分与性态控制至关重要。,目录,前言;钢丝断裂原因分析;国内外72A盘条成分及洁净度对比分析;72A生产过程中夹杂物成分控制的研究;脱氧及精炼工艺对帘线钢中夹杂物的影响 CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物及钢液成分的热力学优化;,1.前言,钢帘线被誉为“线材中的极品”,是超洁净钢的代表产品和钢铁企业线材生产水平的标志性产品;帘线钢的生产对冶炼过程及工艺具有特殊的要求,在拉丝和合股的过程中几乎不允许断丝;因此帘线钢冶炼过程不仅要保证夹杂物数量要少、尺寸要小,还要保证夹杂物有很好的变形性能,在轧制过程能够沿轧
4、制方向变形;为此以帘线钢72A为例,对帘线钢冶炼过程中塑性夹杂物的控制相关问题进行了研究。,夹杂物的变形能力一般沿用T.Malkiewicz和S.Rudnik提出的夹杂物变形指数来表示,其意义为材料热加工状态下夹杂物的真实延伸率与基体材料的真实延伸率之比。,夹杂物变形能力的衡量及不同夹杂物的变形温度,这里,表示夹杂物的真实伸长,b,a分别是夹杂物纵截面上的长轴和短轴。,表示钢的真实伸长,Ao是钢锭的原始截面积,A1是钢锭变形后的截面积。,0.51.0,0.030.5,0,S.Rudnik,et al,JISI,1966,204(4);p374-376.,裂纹断裂源:脆性非金属夹杂物,复合夹杂物
5、变形和成分的关系,G.Bernard给出了CaO-Al2O3-SiO2、MnO-Al2O3-SiO2三元系夹杂物的变形能力与成分的关系。对于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(MnOAl2O33SiO2)及其周围的低熔点区,在该区域内Al2O3的相成分在12%-28%。而在CaO-Al2O3-SiO2三元系中,钙斜长石(CaOAl2O32SiO2)与磷石英和假硅灰石(CaOSiO2)相邻的周边低熔点区的夹杂物有良好的变形能力。,(a)MnO-SiO2-Al2O3系,(b)CaO-SiO2-Al2O3系,钢中塑性夹杂物的控制技术,理论上讲,合理地
6、控制脱氧条件和钢包顶渣的成分,能够得到熔点低、塑性良好的脱氧产物,从而使得钢的塑性和疲劳强度都大大提高。该技术的关键是控制脱氧条件、调整渣的成分,创造动力学条件使钢液、夹杂物和钢包顶渣之间达到平衡。钢中夹杂物的成分控制技术,可以降低夹杂物危害,将有害夹杂物无害化。而低熔点夹杂物的控制对于线材,特别是直径很小而强度要求较高的细丝,如钢绞线、弹簧钢丝等有重要的意义。,2.钢丝断裂原因分析,钢丝拉拔过程示意图,本试验就72A在从5.5mm的盘条拉拔至0.2-0.25mm的细丝出现的断裂情况作了研究。通过对断口断面进行EDS点扫描和面扫描并对照其形貌找出断裂的形式和原因。,钢丝在拉拔过程中经常出现断裂
7、,严重影响了生产效率和产品质量;但断丝的原因及断口形貌错综复杂,生产现场发现,钢丝在各生产工序都发生过脆断现象;究其原因,在工艺参数不变的情况下,断丝绝大部分是因原料及操作问题造成的,所以,有必要对原料缺陷及操作不当造成钢丝断丝的原因进行分析研究。,断丝断面分类,第一种断面形状:杯锥状,断口外貌呈杯锥形,杯锥底垂直于主应力,锥形面平行于最大切应力,与主应力成45角;断口分为两部分,杯状、锥状部分和平台部分;在断口上能发现夹杂物;断口的凹陷处(杯状部分)颜色较浅;偶尔在断口(圆锥与锥基平台之间)上能发现裂纹。,杯锥状断口,断丝断面分类,第二种断面断口:平面状,断口总体较平,没有大的突起;断口没有
8、塑性变形;断口上有明显缺陷(裂纹、夹杂、表面缺陷);,平面状断口,断丝断面分类,第三种:由于扭断而造成的不规则形状,断口上有明显的大裂纹;裂纹在钢丝扭转过程中得到延伸;裂纹引起分层。,第四种:韧窝状断口,断面平整;断面上没有明显缺陷;断面放大后出现韧窝状。,钢丝拉断主要原因,钢丝中夹杂物引起断裂,钢丝中非金属夹杂物的存在,破坏了组织的连续性,起到了一个显微裂纹的作用。当受到外力作用时,在夹杂物的顶端首先产生附加的应力集中,从而引起断裂。在所有夹杂物中不变形夹杂物如Al2O3危害最大。同时引起钢丝断裂的夹杂物的临界直径随着距离钢丝中心越远变的越小。有时候夹杂物虽然很小,但距离钢丝表面很近也能够导
9、致钢丝的断裂,如图。,钢丝有害夹杂物指数和断丝指数的关系,钢丝拉断主要原因,钢丝偏析引起断裂偏析使盘条的碳、硫、磷等元素分布不均匀,降低钢的拉伸性能。偏析引起的断裂可能是在开始粗拉的时候产生裂纹,在随后的精拉过程中断裂的。钢丝最理想的拉拔组织是均匀的片状索氏体组织。其工艺过程是将钢丝加热至完全均匀稳定的奥氏体,随后在熔融的铅或者其它介质中连续等温冷却而获得。由于钢丝表面质量引起的断裂,当钢丝表面存在裂痕、斑点、点、坑时容易在此处引起应力集中从而导致断裂。在铸坯轧制成盘条后,盘条的运输、放置不当,引起表面微小凹坑等缺陷,在盘条的拉拔过程中容易引起断裂。,小结,通过试验表明钢丝断裂主要是由于以下几
10、个原因造成的:夹杂物引起应力集中,从而使钢丝拉断,在所有原因中该原因占大多数;在断口发现了Al2O3、CaO-Al2O3、SiO2-Al2O3三类高熔点夹杂物;C、S、P等元素的偏析,使钢丝质量不均匀。特别是碳的偏析容易形成硬而脆的网状渗碳体,在应力的作用下形成裂纹,最终引起断裂;钢丝表面质量不好,由缺陷处开始产生裂纹,引起断裂。,3.72A盘条成分及洁净度的对比,通过前面对断丝断口的分析发现夹杂物是引起钢丝拉拔过程中断裂的主要因素,因此对钢丝拉拔的原料盘条的质量提出了更严格的要求。钢帘线盘条的化学成分、夹杂物的类型、尺寸和成分以及洁净度直接影响了其拉拔性能。因此,为了了解国内外不同钢铁企业生
11、产帘线钢的质量水平,特取首钢、宝钢、沙钢、英钢联、新日铁等几个钢厂的帘线钢盘条,对其成分、夹杂物进行对比分析,以找出国内外盘条质量差距,以便加以改进。,对比结果,不同厂家夹杂个数以及夹杂物含量对比,首钢盘条的夹杂物含量为7.99(个/mm2),而新日铁、SKD、宝钢的分别为1.76、1.99、2.68(个/mm2);然而,四个钢厂的盘条中夹杂物在2.5m及2.5-5m范围内的数量并没有明显的区别。但从5-10m、10-20m范围内的夹杂物数量来看,首钢比其它钢厂的多。,各钢厂夹杂物分析,首钢盘条中夹杂物的形貌及成分,首钢盘条中夹杂物在三元相图中的位置,武钢钢帘线盘条中夹杂物分析,武钢钢帘线盘条
12、中夹杂物分析,横断面夹杂物,纵断面夹杂物,武钢夹杂物分析,盘条横断面的夹杂物多为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物,形貌为不规则多边形,尺寸在5m以下。另外,还发现了一个MnS夹杂物;盘条纵断面夹杂物为CaO-SiO2-Al2O3-MnO系复合夹杂物,部分夹杂物中含有MgO。从夹杂物形貌来看,为不规则条形和多面形,条形长宽比在4左右,长度尺寸在7m左右。不规则多面形夹杂物尺寸多在2m左右。,英钢80钢帘线盘条中夹杂物,横断面夹杂物,纵断面夹杂物,横断面夹杂物为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物,部分夹杂物中含有MnO和MgO;夹杂物尺寸多在5m,形状多为不规则多面形;盘条纵断面夹杂
13、物均为含SSi系夹杂物;尺寸在5m以上,多为条形,部分夹杂物为50m左右,夹杂物的长宽比很高;,新日铁钢帘线盘条中夹杂物,通过对新日铁钢帘线盘条横截面夹杂物进行分析发现:夹杂物多为MnO-SiO2系复合夹杂物,夹杂物中含有少量Al2O3和MgO;夹杂物尺寸在5m以下,形状多为球形。,新日铁钢帘线盘条横截面夹杂物形貌,宝钢70钢帘线盘条中夹杂物,通过对宝钢70系钢帘线盘条横、纵截面的夹杂物分析发现:横截面夹杂物成分为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物;形貌为不规则球形,尺寸在7m以下;纵截面夹杂物为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物,部分夹杂物中含有MnO或MgO,夹杂物为球形,尺寸
14、在5m以下。,横断面夹杂物,纵断面夹杂物,宝钢80钢帘线盘条中夹杂物,通过对宝钢80系钢帘线盘条纵截面夹杂物发现:夹杂物为有CaO-SiO2-Al2O3系、MnO-SiO2系和MnS三类夹杂物;夹杂物多为条形,尺寸在5m以上。,纵断面夹杂物,沙钢钢帘线盘条纵断面中夹杂物,纵断面夹杂物,通过对沙钢盘条纵断面夹杂物分析发现:夹杂物为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物;尺寸多为5m以上,夹杂物为条形或球形。,盘条化学成分分析,不同厂家总氧的对比,不同厂家酸溶铝的对比,不同厂家盘条的总体对比,对各厂家生产的盘条中的总氧和酸溶铝进行对比分析,可以发现各厂家盘条中总氧含量相差不大,都在20ppm左右
15、。生产成熟的厂家钢液中的酸溶铝含量都低于6ppm,首钢的为14ppm。,夹杂物变形特性,夹杂物在轧制过程中的行为示意图,实际轧制后夹杂物的形貌图,3,1,2,夹杂物在轧制过程中的行为如图所示。大致可以分为三类:第一为轧制过程中夹杂物保持形貌,这种夹杂物轧制温度下硬度较高,变形性能差;第二种为在轧制过程中受到钢基体和夹杂物之间的摩擦力而变形的夹杂物,这类夹杂物又可以根据不同的变形程度来分。第三种为轧制过程中被轧碎的夹杂物。分别如图1、2、3。图中夹杂物1、3是在首钢盘条中发现的,夹杂物2是在SKD盘条中发现的。,小结,通过国内外不同钢厂帘线钢盘条夹杂物和成分的对比可以发现:某钢厂盘条中夹杂物的数
16、量和尺寸比其他钢厂的大,夹杂物含量高;某钢厂盘条中夹杂物多为球形CaO-SiO2-Al2O3复合夹杂,且熔点较高,夹杂物没有变性;在武钢帘线钢盘条中发现的夹杂物均为CaO-SiO2-Al2O3复合夹杂,且尺寸在7m以下,盘条纵断面夹杂物有明显的变形;英钢80系列钢帘线横断面中夹杂物多为CaO-SiO2-Al2O3和SiO2-MnO复合夹杂,夹杂物尺寸在7m以下,而纵断面为长条形含S、Si的夹杂物,尺寸在10m以上;新日铁钢帘线盘条中夹杂物多为SiO2-MnO复合夹杂,少量含有Al2O3或MgO,夹杂物为球形,尺寸在2m左右;宝钢70系列钢帘线盘条中夹杂物多为CaO-SiO2-Al2O3复合夹杂
17、,部分夹杂物含MnO和MgO,夹杂物均为类似球形,尺寸在7m以下;宝钢80系列钢帘线盘条中均为条形CaO-SiO2-Al2O3、SiO2-MnO和MnS夹杂物,尺寸在15m以下;沙钢钢帘线盘条纵截面均为CaO-SiO2-Al2O3系复合夹杂物,部分夹杂物变形,尺寸在15m以下;帘线钢72A对酸溶铝含量要求很高,一般都在6ppm以内,某钢厂酸溶铝含量为14ppm;帘线钢盘条中总氧含量差别不大,多在20ppm左右。,4.72A生产过程中夹杂物成分控制的研究,帘线钢的冶炼过程一般包括了转炉出钢脱氧,合金化以及随后的精炼过程;整个冶炼过程的其中一个重要目的是将帘线钢中非金属夹杂物从最初的Si-Mn脱氧
18、产物经过精炼渣处理转变为低熔点复合夹杂物;在冶炼过程中由于钢液成分、顶渣成分控制不合理,导致了最终铸坯中夹杂物熔点较高,经轧制后的盘条中出现未变形的球状夹杂物,大大影响了盘条的拉拔性能;第二、三章的研究结果表明首钢钢帘线盘条中夹杂物含量相对较高,且导致了拉拔过程的断丝;因此,本章对首钢目前生产工艺下,从转炉出钢到最终成品盘条整个过程中夹杂物的成分、形貌、尺寸的变化,以及不同时间钢水成分、顶渣成分和操作工艺来研究各种因素对夹杂物的影响进行了跟踪分析。以了解目前的生产状况及出现的问题。,研究目的及取样方法,研究目的:为了明确喂丝对精炼过程中酸溶铝、总氧和夹杂物成分在整个过程中的变化以及酸溶铝、总氧
19、对夹杂物成份与熔点的影响,组织了两炉工业实验。其中,第一炉在LF、VD中间进行了喂Si-Ca丝处理,第二炉LF精炼完毕后不经过喂丝直接进入VD精炼。用来对比喂Si-Ca丝对钢水成份及夹杂物成份的影响。并对多炉钢水对应的铸坯及盘条进行夹杂物、成分的分析。取样方法:,取钢水样示意图,取渣样示意图,铸坯试样切割示意图,转炉出钢分析,现场记录转炉出钢成分及加料情况,转炉出钢炉渣成分,两炉次在转炉冶炼过程中,钢水中的硫分别增加了0.006%、0.003%。其原因一方面是铁水预脱硫后钢包残余脱硫渣带入;另一方面是由于在转炉冶炼过程中,加入的造渣料中含有较高的硫含量。在转炉氧化性气氛下,部分硫回到钢液中。,
20、LF炉精炼过程钢液成分、炉渣成分和夹杂物的变化,LF精炼过程操作情况,LF进/出站钢水成分,LF精炼过程中渣成分,LF炉精炼过程钢液、渣成分的变化,可以看到LF精炼处理后钢中的总氧含量分别从100ppm、90ppm降低到44ppm、42ppm;酸溶铝从37ppm、24ppm降低到了18ppm。硫含量平均降低到90ppm。可见LF过程脱硫、脱氧效果良好。另外可以看到钢液中的磷含量有所升高,这主要是转炉下渣中的P2O5被还原成P进入钢液中。,从渣成分变化来看,Al2O3有所增加而SiO2有所减少,这可能是发生反应 导致:同时最终导致了钢液中的硅含量增加了0.1%,钢液中酸溶铝减少0.0013%。另
21、外渣中MgO含量在9-12%之间,且变化不规律,可见MgO也参加了钢渣的化学反应。渣碱度CaO/SiO2均在2.0左右,且在整个LF精炼过程中没有发生大的变化。,LF炉精炼过程夹杂物的变化,第一炉钢水LF处理前夹杂物形貌及成分,第二炉钢水LF处理前夹杂物形貌及成分,LF炉精炼过程夹杂物的变化,第一炉钢水LF处理后夹杂物形貌及成分,第二炉钢水LF处理后夹杂物形貌及成分,LF炉精炼过程夹杂物的变化,钢液在LF处理后还不洁净,钢液中还滞留了很多夹杂物,且尺寸较大;从夹杂物的形貌来看,LF处理后钢液中夹杂物形状主要为球形,其主要原因为SiMn脱氧生成了低熔点复合夹杂物,由于其表面张力的作用而保持了球形
22、。LF精炼过程中这些低熔点夹杂物在化学反应的作用下成分发生了转变,但仍然保持了其形状;LF处理后夹杂物中MnO被还原,成分从Al2O3-CaO-SiO2-MgO-MnO系变为Al2O3-CaO-SiO2-MgO,且MgO成份有所增加。另外还有部分SiO2和Al2O3夹杂物;夹杂物中SiO2、MnO一般为脱氧时生成的,Al2O3、CaO来源于渣中或者脱氧剂中含有少量Al、Ca造成的。MgO主要来自渣和耐材;,LF处理前后夹杂物在CaO-Al2O3-SiO2相图中的位置,VD精炼过程中钢液成分、炉渣成分和非金属夹杂物的变化,VD精炼过程操作情况,VD处理前后钢水成分,从VD处理前后钢水成分来看,钢
23、液的主要成分并没有大的变化。钢液中S有所增加,这主要是由于渣碱度降低、钢液温度降低从而使渣的硫容量降低,另外,钢液中的酸溶铝有了很大的增加,两炉分别增加了122%和89%。其主要原因是喂丝后钢液中Ca增加,发生反应4.4。当aCa大于2.710-8时,反应向正方向进行。通过对比1、2两炉(第一炉喂丝、第二炉没有喂丝)发现,喂丝的一炉酸溶铝增加比没有喂丝的一炉大。没有喂丝的一炉酸溶铝增加的主要原因为合金或脱氧剂中杂质铝的加入。,VD精炼过程中钢液成分、炉渣成分变化,VD精炼过程中渣成分,对比VD前后渣成分的变化,发现渣中Al2O3、MgO变化不大,SiO2有所减少,主要是由于真空下发生反应:,V
24、D精炼前后钢中夹杂物形貌及成份分析,第一炉VD处理前夹杂物,第二炉VD处理前夹杂物,VD精炼前后钢中夹杂物形貌及成份分析,第一炉VD处理后夹杂物,第二炉VD处理后夹杂物,VD精炼前后钢中夹杂物形貌及成份分析,由上述VD精炼前后钢液中夹杂物照片、成份及尺寸分析可知,随着VD过程的进行,钢液逐渐变得洁净,但仍然存在直径为200m的大颗粒的夹杂物,从形貌来看主要为球形,从成份来看主要为Al2O3-CaO-SiO2系复合夹杂物,另外还有部分SiO2和Al2O3夹杂物。脱氧和LF过程中生成的MgO、MnO夹杂一般被还原,夹杂物系从原来的Al2O3-CaO-SiO2-MgO-MnO系转变为Al2O3-Ca
25、O-SiO2系;从夹杂物大小来看,直径多在5-60之间。,中间包钢液成分、炉渣成分和非金属夹杂物的变化,中间包钢水成分,中间包内钢水成分基本上能够代表铸坯的成分。从表中看到,TO从VD结束时的42、44ppm降低到了15、27ppm,降低了50%左右,可见在VD后又发生了一定的氧化还原反应且夹杂物有很大程度的上浮;酸溶铝从40、34ppm降低到26、10ppm,减少了106%,大部分酸溶铝又发生了氧化还原反应。总氧和酸溶铝的变化表明了钢液渣夹杂物之间的反应更接近平衡。,中间包开浇初期钢中夹杂物形貌及成份分析,第一炉,第二炉,中间包开浇末期钢中夹杂物形貌及成份分析,第一炉,第二炉,中间包钢水中夹
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