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

26、杂物形貌及成份分析,同VD过程所取钢样相比，进入中间包后的钢液已经比较洁净了，但钢液中仍有大颗粒夹杂物;从夹杂物的形貌来看形状仍然主要为球形；从夹杂物成分来看多为Al2O3-CaO-SiO2系复合夹杂物，其中部分复合夹杂物含有MnO、TiO2和MgO，另外还有部分SiO2和Al2O3夹杂物；从夹杂物大小来看，直径多在5-50m之间;由图可看出，中间包钢液内的夹杂物熔点大多在15001800之间，在中包过程中，夹杂物的成分、熔点变化规律不明显,72A冶炼过程中总体分析,钢水中夹杂物含量统计分析,经过LF炉的处理，钢中夹杂物减少，钢的洁净度变好。钢液的夹杂物含量分别由37.4个/mm2、38.3个

27、/mm2降低到15.8个/mm2、16.2个/mm2。大于5m的夹杂物也分别从40个、39个降低到7个、15个。中间包对钢液中夹杂物有一定的去除作用，第一、二炉中C1到C4夹杂物含量分别由15.4个/mm2、6.2个/mm2降低到8.9个/mm2、5.8个/mm2。,冶炼过程种总氧变化分析,LF精炼开始时，钢中的TO在90-100ppm左右。到精炼结束时，钢中的TO分别降为44ppm、42ppm。表明LF炉的精炼效果很好。到VD炉处理结束时，钢中的总氧降低到15-27ppm之间，表明在不用Al脱氧的情况下，钢水达到了很高的洁净度，说明VD炉的脱氧效果很好。根据资料表明合理的温度制度、处理时间和

28、有效的搅拌，可以使钢水在VD中全氧含量明显下降，但是，过长的真空时间对脱氧不利。在钢水从VD到中间包的过程中，总氧分别从15ppm、27ppm升高到了27ppm、36ppm，这是钢水二次氧化的原因，根据现场记录第一、二炉的开浇的时候均出现了未自开的现象，这必然引起空气中的氧进入钢液，从而使钢中氧含量升高。,72A冶炼过程中总体分析,酸溶铝变化分析,LF处理过程中酸溶铝有明显的减少，从2437ppm降低到了18ppm，但在从LF到VD的过程中却有很明显的提高，又回到了原来的水平，甚至比原来还高，到了3440ppm，其原因是LF处理过程中加入的合金以及脱氧剂中含有Al；另外，根据现场作的记录，在第

29、一炉LF处理后进行了喂丝，可以明显看出，喂丝后钢液中的酸溶铝有更明显的升高，从原来的18ppm升高到了40ppm，VD过程中酸溶铝分别由34ppm，40ppm降低到10ppm，26ppm。,夹杂物成分在冶炼过程中的变化,LF结束到VD开始，夹杂物中Al2O3减少，而CaO增加。其主要由是喂钙丝引起的。这和该阶段钢液成分的变化是对应的。从VD结束到中间包过程中，夹杂物中Al2O3增加，SiO2和CaO减少。从总体来看，夹杂物中Al2O3基本上能够达到低熔点成分的要求，而CaO含量较高，SiO2含量较低。图4.26中两条直线之间为碱度13之间的区域，可以看出夹杂物碱度大，是不能满足低熔点的重要因素

30、。,铸坯中夹杂物形貌及成份分析,铸坯中夹杂物形貌及成份分析,从铸坯中夹杂物的形貌、成份可以看出：夹杂物主要分为三种，球形的钙铝硅酸盐、三角形（方形）深颜色的SiO2和三角形（方形）浅颜色的MnS。其中钙铝硅酸盐占多数。钢液中SiO2是不可避免的，而且尺寸较小，不会对钢质量产生重大影响；MnS在铸坯的轧制过程中发生塑性变形，因此对于帘线钢来说也不会有很大的影响。钙铝硅酸盐的熔点高低是影响帘线钢质量的关键因素，因此把表中钙铝硅酸盐夹杂物按照成份放在 CaO-SiO2-Al2O3相图中，以观察其熔点和低熔点区域的差距，见图,铸坯中夹杂物分析,通过图可以看出，夹杂物有一定的上浮。在第二炉距离内弧1/4

31、处洁净度有明显的降低。而第一炉则不是十分明显，这是由于取样时两炉的拉速以及浇铸温度差异引起的。第一炉取样时的拉速为2.6m/min，第二炉取样时的拉速为2.4m/min。当拉速高时，夹杂物来不及上浮，因此第一炉不明显。而且第二炉取样时浇铸温度为1497，第一炉取样时的浇铸温度为1486，当温度低是钢液粘度增加，不利于夹杂物上浮。因此从夹杂物上浮效果好这个方面来看，高的浇铸温度，低的拉速效果好。,盘条洁净度分析,对不同成份的盘条中夹杂物、总氧、酸溶铝进行分析。统计了1332个夹杂物，结果如图4.32，其中833个球形夹杂物，230个方形夹杂物，192个三角形夹杂物和77个条形夹杂物，并对盘条夹杂

32、物含量进行了计算。,图分析了盘条中酸溶铝含量和夹杂物二元碱度的关系。从图4.34可以看出随着盘条中酸溶铝的增加，夹杂物二元碱度也增加，当酸溶铝含量在5-7ppm时，夹杂物中CaO/SiO2在0.8-1之间。而盘条中酸溶铝含量大多在5-25ppm之间。,图对比了盘条中酸溶铝和夹杂物中Al2O3含量之间的关系，可以看出随着盘条中酸溶铝的增加，夹杂物中Al2O3也一直增加，当酸溶铝含量在5ppm时，夹杂物中Al2O3在20%左右。处于CaO-SiO2-Al2O3系的塑性区。,盘条洁净度分析,图对比了夹杂物的CaO/SiO2值和盘条夹杂物含量之间的关系，可以看出，随着CaO/SiO2值的增加，盘条中夹

33、杂物开始增加。当夹杂物中CaO/SiO2为1左右时，盘条中夹杂物含量最低。,为了研究盘条中CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物的熔点，将CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物按照成份放入CaO-SiO2-Al2O3系三元相图中如图4.38所示。可以看出夹杂物的主要熔点在15001600之间。夹杂物中Al2O3含量基本符合标准（15-20%），但夹杂物中CaO/SiO2值较高。因此要通过降低渣碱度来降低夹杂物中CaO/SiO2值。,结论1,LF处理效果较好，总氧降低了50%左右。酸溶铝也有很大程度的降低。LF处理后钢水中夹杂物含量分别由37.4个/mm2、38.3个/mm2降低到15.8个/mm2

34、、16.2个/mm2；LF处理结束到VD开始酸溶铝增长较大，两炉分别增加了16ppm、22ppm。原因是LF处理中加入的合金中铝含量高以及喂钙丝所导致，所以应该尽量降低合金中铝含量，并取消喂丝；VD真空度不要太低，避免耐材中的Al2O3被碳还原引起钢中酸溶铝增加；从降低夹杂物熔点方面来说，夹杂物中Al2O3基本合适，但CaO含量过高而SiO2含量过低。主要原因为两个方面：顶渣碱度高，喂入钙丝。因此降低顶渣碱度，尽量少喂钙丝能够在很大程度上降低夹杂物熔点。,结论2,铸坯中夹杂物在距离内弧1/4处稍有聚集，聚集程度和拉速及浇铸温度有很大的关系，研究发现拉速越低、浇铸温度越高夹杂物在距离内弧1/4处

35、聚集程度就越大；铸坯中CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物的熔点多在1500-1600之间；对盘条中夹杂物进行了统计，1332个夹杂物中833个球形夹杂物，230个方形夹杂物，192个三角形夹杂物和77个条形夹杂物，球形夹杂物仍占大多数；对盘条中的109个夹杂物进行扫描电镜分析，发现77个CaO-SiO2-Al2O3夹杂物，12个Al2O3夹杂，10个CaO-MnO-Al2O3-CaO，不变形复合夹杂物占多数；盘条中夹杂物的CaO/SiO2高是影响复合夹杂物熔点的重要原因；盘条中CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物的熔点多在1500-1600之间。,5、脱氧及精炼工艺对帘线钢中夹杂物的影响,帘

36、线钢转炉出钢脱氧工艺以及LF精炼过程顶渣的碱度对钢中夹杂物的影响很大。第四章的研究结果说明了采用Si-Ca-Ba及碱度为2左右的顶渣精炼后，成品盘条中夹杂物中Al2O3含量基本合理，而夹杂物中CaO/SiO2较高。分别采用Si-Mn及Si-Ca-Ba脱氧并进一步降低预熔渣的碱度，考察碱度为1.0左右的预熔精炼渣对夹杂物形态的控制效果；对冶炼过程中的夹杂物，特别是最终盘条中的夹杂物进行分析，来验证哪种脱氧制度和顶渣更能够得到低熔点的复合夹杂物。,其中4D09530、4D09531炉次采用Si-Ca-Ba合金脱氧，4D09532炉次采用Si-Mn合金脱氧,实验结果及分析,钢水成分变化情况,冶炼过程

37、中钢水成分的变化,冶炼过程中钢中硫含量的变化,冶炼过程中钢中氧活度的变化,在LF精炼过程中钢水中的硫含量变化不大，由此可见低碱度渣的脱硫能力较弱，但是也没有明显的证据表面低碱度渣有增硫现象的发生。LF出站时，3个试验炉次的氧活度分别是16ppm、20ppm和15ppm，前两个试验炉次的脱氧剂采用Si-Ca-Ba合金，第3炉次的脱氧剂采用Si-Mn合金，通过对比可知采用Si-Mn弱脱氧合金脱氧时，钢液中的自由氧活度同采用强脱氧剂的没有明显的差别。,冶炼过程中钢水成分的变化,冶炼过程中钢中酸溶铝含量的变化,冶炼过程中钢中钙含量的变化,钢液中酸溶铝的含量在精炼过程中是不断降低的，4D09530炉次进

38、站中的酸溶铝含量为26ppm，化完渣后降为23ppm，精炼结束后变为13ppm；4D9531炉次的酸溶铝含量在进站、化完渣和出站时分别为54ppm、37ppm和12ppm；4D9532炉次的酸溶铝含量分别是8ppm、11ppm和7ppm。通过对比可知，在渣中Al2O3含量相近的情况下，采用Si-Ca-Ba脱氧的两个炉次初始的酸溶铝含量都比较高，到LF精炼出站时酸溶铝含量也比Si-Mn脱氧的4D9532炉次高，此外，采用Si-Ca-Ba脱氧两个炉次钢水的Ca含量也比较高。,精炼过程中渣成份分析,精炼过程中渣成份分析,炉渣碱度的变化,炉渣中Al2O3含量的变化,LF进站时炉渣的碱度变化幅度最大，L

39、F精炼过程中炉渣的碱度略有下降。图给出了炉渣中Al2O3含量的变化情况，转炉终点时炉渣中的Al2O3含量在2%左右，LF进站时AL2O3含量增加至6.5-8.5%，随后又逐步回落至5.5-6.7%之间的水平。值得指出的是转炉出钢过程中炉渣中的Al2O3含量有大幅地增加，转炉出钢时炉渣的Al2O3含量在2%左右，出钢时加入的预熔渣Al2O3含量也在2%左右，由此可以推断炉渣中的Al2O3含量的增加应该是由出钢时钢水冲刷包衬以及加入合金中Al所致。另外钢液中酸溶铝降低是导致顶渣中Al2O3含量的增加的最直接原因。,盘条的化学成分及非金属夹杂物,盘条成分及气体检验结果,盘条中的非金属夹杂物,盘条中非

40、金属夹杂物的化学组成,4D09530炉次盘条中的非金属的化学组成比较集中，主要分布在CaO-Al2O3-SiO2系紧邻塑性区外的右下部；4D09531炉次的夹杂物的分布比较分散，夹杂物中的CaO和Al2O3含量较高，此类夹杂物为不变形夹杂物，由图4.8也可以看出这些夹杂物都为球状。造成这一炉次夹杂物Al2O3含量偏高的主要原因是在LF精炼过程中钢液中酸溶铝的含量过高所致；4D09532炉次的非金属夹杂物分布也比较集中，主要分布在塑性区外部右侧的中下部位，类似于4D09530炉次盘条中夹杂物所处区域，而且，理论上讲，此部位的夹杂物的变性能力通过降低Al2O3含量还能够进一步提高。,结论,(1)采

41、用低碱度渣精炼、Si-Ca-Ba脱氧和Si-Mn脱氧方式的盘条中的总氧T.O基本相近，都在20ppm左右；Als含量和Ca含量都能够控制在5ppm以下。(2)出钢过程中由于钢水冲刷钢包炉衬，使得炉渣中的Al2O3含量由2%增加至6%以上。(3)盘条中的夹杂物评级中，所有试验炉次的夹杂物都主要是C类和D类夹杂物。(4)从盘条夹杂物的变性性能来看，Si-Mn脱氧的4D09532炉次的效果要好于其它炉次，采用高碱度渣、Si-Ca-Ba脱氧的采用预熔低碱度渣、Si-Ca-Ba脱氧的炉次的夹杂物未发生变形。所有炉次的夹杂物的尺寸都比较小，绝大多数小于5m。(5)盘条中的夹杂物组成主要是CaO、SiO2和

42、Al2O3，其中4D09531炉次的夹杂物中CaO和Al2O3含量偏高，夹杂物分布比较分散，其它二个炉次的夹杂物分布都比较集中，主要分布在塑性区右侧的中下部。(6)和第四章研究结果相比，钢中夹杂物尺寸进一步减小，此次试验炉次绝大多数夹杂物都在5m以下，而且，夹杂物在轧制过程变形性好于5月份，证明了降低预熔渣碱度取得的初步效果，也为确定下一步使用Si-Mn脱氧+预熔低碱度精炼渣的工艺提供了有力的依据。,6.CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物及钢液成分的热力学优化,钢中夹杂物在冶炼过程中不可能得到完全的去除，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;本章以大型热力

43、学数据库软件FactSage为基础，对帘线钢整个冶炼过程中SiO2-Al2O3-MnO系、SiO2-Al2O3-CaO系、SiO2-Al2O3-MnO-CaO系夹杂物成分及钢液成分进行分析优化;分别对夹杂物熔点进行分析，并对与夹杂物平衡的钢液进行计算得出夹杂物低熔点区域，不同系夹杂物的等活度曲线以及钢液和夹杂物平衡时的等成份线;以降低夹杂物熔点，提高夹杂物在轧制过程中的变形能力，从而达到减轻其危害的目的。,CaO-SiO2-Al2O3-MnO四元系相图表征以及夹杂物塑性控制范围结果及讨论,3.1 Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响;3.2 MnO含量对CaO

44、-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响;3.3 CaO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响;3.4 SiO2含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响;3.5 CaO/SiO2含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响;,3.1 Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,为了对比Al2O3含量对四元系CaO-SiO2-Al2O3-MnO低熔点区域的影响，作Al2O3含量分别为5、10、15、20、25、30的四元相图，并与不含Al2O3的CaO-SiO2-MnO三元系相图比较。限于篇幅，只列出A

45、l2O3含量为15、20、25、30的四元相图。,(a),(b),(c),(d),3.1 Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,由图可见：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，低熔点区域变化不大;另外在整个变化过程中，CaO/SiO2比由低向高转变;因此控制CaO-SiO2-Al2O3-MnO四元系夹杂物中Al2O3为20即有利于降低氧化物熔点又可以提高CaO/SiO2比。这与CaO-SiO2-Al2O3三元系夹杂物中Al2O3的成分控制范围一致。,3.2 MnO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔

46、点的影响,MnO为锰铁的脱氧产物，是钢液脱氧初期生成的夹杂物中的重要组成，一般通过控制加入锰铁的量以及钢液中Mn含量来控制复合夹杂物中MnO含量。为了对比MnO含量对四元系CaO-SiO2-Al2O3-MnO低熔点区域的影响，作MnO含量分别为5、10、15、20、25、30的四元相图，并与不含MnO的CaO-SiO2-Al2O3三元相图作比较。,不同MnO含量的SiO2-Al2O3-CaO-MnO相图及低熔点（1400）区域,(a),(b),(c),(d),(e),(f),3.2 MnO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,通过分析对比发现：MnO含量在从0变化到30

47、的过程中，低熔点区域面积比例一直增加，且含有MnO的低熔点区域面积比例比不含MnO的CaO-SiO2-Al2O3三元相图中的低熔点区域面积比例大;当MnO含量为0%时，低熔点区域面积比例为10%左右，当MnO含量为30%时，低熔点区域面积比例高达60%。可见提高SiO2-Al2O3-CaO-MnO系中MnO含量有利于降低夹杂物熔点，扩大低熔点区域。因此控制MnO含量在0-30内,越高越容易生成低熔点夹杂物。,3.3 CaO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,CaO是碱性炼钢方法基本的造渣材料，有很多耐火材料中也含有此成分;这些材料都是含钙外来夹杂物的可能来源，它们可以

48、从炉渣或钢液与耐火材料的反应而产生;但是在钢的夹杂物中通常没有发现它是一单独的相，因为它易与其他成分反应而形成硅酸盐和铝酸盐等化合物;因此有必要研究CaO含量对SiO2-Al2O3-MnO-CaO四元系熔点的影响。为了对比CaO含量对四元系SiO2-Al2O3-MnO-CaO低熔点区域的影响，做CaO含量分别为5、10、15、20、25、30、35%、40%的四元相图，并与不含CaO的SiO2-Al2O3-MnO三元相图作比较。,不同CaO含量的SiO2-Al2O3-CaO-MnO相图及低熔点（1400）区域,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),CaO含量对CaO-

49、SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,通过分析得出：CaO-SiO2-Al2O3-MnO四元系夹杂物比不含CaO的SiO2-Al2O3-MnO三元系夹杂物的低熔点区域要大;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;因此，控制 SiO2-Al2O3-CaO-MnO系中CaO含量在25%-30%有利于降低夹杂物熔点。另外在整个变化过程中，CaO/SiO2比也相应的越来越大。,3.4 SiO2含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,Si为硅铁的脱氧产物，是钢液脱氧初期生成的夹杂物中的重要组成，一般通过

50、控制加入硅铁的量以及钢液中Si含量来控制复合夹杂物中SiO2含量;由于Si的还原性介于Ca、Al和Mn之间，因此控制夹杂物中的SiO2比控制Al2O3、MnO、CaO都要容易。为了对比SiO2含量对四元系CaO-SiO2-Al2O3-MnO低熔点区域的影响，计算了SiO2含量分别为5、10、15、20、25、30、35的四元相图。,不同SiO2含量的SiO2-Al2O3-CaO-MnO相图及低熔点（1400）区域,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),SiO2含量对CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物熔点的影响,SiO2含量在从0变化到35的变化过程中，低熔点区域一直