帘线钢中夹杂物控制课件.ppt

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1、切割丝用钢中CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)系夹杂的来源及形成机理,特殊钢中夹杂物控制研讨会,2016.10.12 安徽合肥,指导老师：王新华 教授报 告 人：王昆鹏 博士生 作者单位：北京科技大学合作单位：邢台钢铁有限公司,1,内容提要,研究意义及背景研究方法结果与讨论结论,2,1 研究背景及意义,切割丝的直径仅为0.080.20mm，隶属光伏耗材，主要用于太阳能光伏行业的硅片切割，具有直径小、强度高、切口损失小、切割精度高的特点。随着金刚线产品的成功开发，切割丝的用途将进一步拓宽，除了充当多线锯的磨料载体外，还可用于切割宝石，金属，陶瓷，甚至名贵木材。,3,1 研究背景及意义,4,

2、1 研究背景及意义,由于切割钢丝广阔的市场前景，国内钢铁生产企业纷纷开始开发切割丝用盘条，然而，目前国内钢铁企业尚不能供应高品质的切割丝用盘条。,切割钢丝在拉拔过程需要数百甚至数千公里不断丝，另外，要求切割丝具有很高的强度并且使用过程不能发生断丝，因此，对切割丝的质量要求很高，其生产难度也很大。,5,1 研究背景及意义,研究表明，钢中夹杂物是引起切割钢丝断丝的主要原因。为防止生产和使用过程发生断丝，帘线钢和切割丝用钢在生产过程应避免Al2O3，MgOAl2O3等硬质夹杂。为了避免上述有害夹杂的生产，目前帘线钢和切割丝用钢通常采用Si-Mn脱氧，顶渣精炼并严格控制钢中Als等措施实现钢中夹杂物为

3、低熔点无害夹杂。当前冶炼工艺条件下钢中存在两类夹杂，一类为MnO-SiO2-Al2O3夹杂，一类为CaO-SiO2-Al2O3系夹杂。,6,1 研究背景及意义,研究表明，钢中夹杂物是引起切割钢丝断丝的主要原因。为防止发生断丝，切割丝用钢在生产过程应避免Al2O3，MgOAl2O3等硬质夹杂。为了避免上述有害夹杂的生产，目前帘线钢和切割丝用钢通常采用Si-Mn脱氧，顶渣精炼并严格控制钢中Als等措施实现钢中夹杂物为低熔点无害夹杂。当前冶炼工艺条件下钢中存在两类夹杂，一类为MnO-SiO2-Al2O3夹杂，一类为CaO-SiO2-Al2O3系夹杂。,7,1 研究背景及意义,研究表明，钢中夹杂物是引

4、起切割钢丝断丝的主要原因。为防止发生断丝，切割丝用钢在生产过程应避免Al2O3，MgOAl2O3等硬质夹杂。切割丝用钢通常采用Si-Mn脱氧，顶渣精炼并严格控制钢中Als等措施实现钢中夹杂物为低熔点的无害夹杂。当前冶炼工艺条件下钢中存在两类夹杂，一类为MnO-SiO2-Al2O3夹杂，一类为CaO-SiO2-Al2O3系夹杂。,8,1 研究背景及意义,当前冶炼工艺条件下（Si-Mn脱氧，严格控Als、顶渣精炼）钢中存在两类夹杂，一、MnO-SiO2-Al2O3夹杂，二、CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂。,9,1 研究背景及意义,MnO-SiO2-Al2O3夹杂的来源已经十分明确，

5、通常认为其为脱氧产物。而关于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源目前尚未形成统一认识，目前主要存在两种观点。其一，渣钢精炼过程，钢液中的Si还原渣中的CaO，导致钢中Ca活度增加，进而使MnO-SiO2-Al2O3夹杂中CaO含量增高，并最终转变为CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂。其二，此类夹杂由精炼渣卷入引起。,10,1 研究背景及意义,MnO-SiO2-Al2O3夹杂的来源已经十分明确，通常认为其为脱氧产物。而关于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源目前尚未形成统一认识，目前主要存在两种观点。其一，渣钢精炼过程，钢液中的Si还原渣中的CaO，导致

6、钢中Ca活度增加，进而使MnO-SiO2-Al2O3夹杂中CaO含量增高，并最终转变为CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂。其二，此类夹杂由精炼渣卷入引起。,11,1 研究背景及意义,MnO-SiO2-Al2O3夹杂的来源已经十分明确，通常认为其为脱氧产物。而关于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源目前尚未形成统一认识，目前主要存在两种观点。其一，渣钢反应的结果。渣钢精炼过程，钢液中的Si还原渣中的CaO，导致钢中Ca活度增加，进而使MnO-SiO2-Al2O3夹杂中CaO含量增高，并最终转变为CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂。其二，此类夹杂由精炼渣卷入引起

7、。,12,1 研究背景及意义,MnO-SiO2-Al2O3夹杂的来源已经十分明确，通常认为其为脱氧产物。而关于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源目前尚未形成统一认识，目前主要存在两种观点。其一，渣钢反应的结果。渣钢精炼过程，钢液中的Si还原渣中的CaO，导致钢中Ca活度增加，进而使MnO-SiO2-Al2O3夹杂中CaO含量增高，并最终转变为CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂。其二，此类夹杂由精炼渣卷入引起。,13,1 研究背景及意义,MnO-SiO2-Al2O3夹杂的来源已经十分明确，通常认为其为脱氧产物。而关于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源

8、目前尚未形成统一认识，目前主要存在两种观点。其一，渣钢反应的结果。渣钢精炼过程，钢液中的Si还原渣中的CaO，导致钢中Ca活度增加，进而使MnO-SiO2-Al2O3夹杂中CaO含量增高，并最终转变为CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂。其二，此类夹杂由精炼渣卷入引起。,14,1 研究背景及意义,目前研究者们对帘线钢中CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂的特征达成了共识：（1）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）尺寸比MnO-SiO2-Al2O3小；（2）MgO总是“选择性”地存在于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中，MnO-SiO2-Al2O3系夹杂中不含M

9、gO；（3）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中的Al2O3含量明显高于精炼渣中的Al2O3含量。,15,1 研究背景及意义,目前研究者们对帘线钢中CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂的特征达成了共识：（1）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）尺寸比MnO-SiO2-Al2O3小；（2）MgO总是“选择性”地存在于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中，MnO-SiO2-Al2O3系夹杂中不含MgO；（3）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中的Al2O3含量明显高于精炼渣中的Al2O3含量。,16,1 研究背景及意义,目前研究者们对帘线钢中CaO-

10、SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂的特征达成了共识：（1）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）尺寸比MnO-SiO2-Al2O3小；（2）MgO总是“选择性”地存在于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中，MnO-SiO2-Al2O3系夹杂中不含MgO；（3）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中的Al2O3含量明显高于精炼渣中的Al2O3含量。,17,1 研究背景及意义,目前研究者们对帘线钢中CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂的特征达成了共识：（1）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）尺寸比MnO-SiO2-Al2O3小；（2）MgO总是“选择性”地存

11、在于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中，MnO-SiO2-Al2O3系夹杂中不含MgO；（3）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中的Al2O3含量明显高于精炼渣中的Al2O3含量。,18,1 研究背景及意义,明确CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源和形成机理有助于正确理解精炼过程渣钢反应的作用。,19,1 研究背景及意义,明确CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂的来源和形成机理有助于正确理解精炼过程渣钢反应的作用。本文将结工业生产试验，提出一种CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)夹杂的来源和形成机理。,20,2 研究方法,325280,2

12、1,2 研究方法,325280,22,2 研究方法,共进行8个炉次试验，每炉次取6个试样，共取48个。使用Aspex对切割丝冶炼过程的各个环节进行扫描分析，大量统计分析夹杂物的成分、形貌、尺寸以及变形性能等。,23,3 结果与讨论,帘线钢精炼过程夹杂物中CaO和MgO含量的关系,总计4933氧化物夹杂,24,3 结果与讨论,帘线钢精炼过程夹杂物中CaO和MgO含量的关系,1.3%,2.1%,97.9%,总计4933氧化物夹杂,25,3 结果与讨论,2.1%,97.9%,总计4933氧化物夹杂,26,3 结果与讨论,2.1%,97.9%,总计4933氧化物夹杂,27,3 结果与讨论,2.1%,9

13、7.9%,总计4933氧化物夹杂,28,3 结果与讨论,II 区,29,3 结果与讨论,帘线钢精炼过程夹杂物分类,II 区,III 区,30,3 结果与讨论,MnO-SiO2夹杂转变为MnO-SiO2-Al2O3，CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)夹杂由CaO-SiO2和CaO-SiO2-MnO夹杂转变而来。,31,3 结果与讨论,SiO2,MnO,CaO,Al2O3,Al2O3,MgO,SiO2,CaO,MnO,CaO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂转变CaO-SiO2-Al2O3-MnO-(MgO)，并且 CaO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂在LF进站阶段就已经形成。只要确定C

14、aO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂的来源就能厘清CaO-SiO2-Al2O3-MnO-(MgO)夹杂的来源。,含（MgO）系夹杂的平均成分变化,32,3 结果与讨论,SiO2,MnO,CaO,Al2O3,Al2O3,MgO,SiO2,CaO,MnO,CaO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂转变CaO-SiO2-Al2O3-MnO-(MgO)，并且 CaO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂在LF进站阶段就已经形成。只要确定CaO-SiO2-MnO-(MgO)夹杂的来源就能明确CaO-SiO2-Al2O3-MnO-(MgO)夹杂的来源。,33,3 结果与讨论,Fe-0.77C-0.36Mn-0

15、.18Si-0.0070S-0.0500O-0.0003Al-xCa,LF进站阶段，钢液并不具备生成CaO-SiO2-MnO-(MgO)系夹杂的热力学条件。,34,3 结果与讨论,35,3 结果与讨论,36,3 结果与讨论,37,3 结果与讨论,（1）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）尺寸比MnO-SiO2-Al2O3小；（2）MgO总是“选择性”地存在于CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中，MnO-SiO2-Al2O3系夹杂中不含MgO；（3）CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂中的Al2O3含量往往高于精炼渣中的Al2O3含量。,38,3 结果与讨论,强化出钢动

16、力学条件,弱化出钢动力学条件,39,3 结果与讨论,40,3 结果与讨论,帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,来源于：S Maeda.1989 steelmaking Conference Proceedings.379-385.,41,3 结果与讨论,帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,来源于：S Maeda.1989 steelmaking Conference Proceedings.379-385.,42,3 结果与讨论,帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,来源于：S Maeda.1989 steelmaking Confer

17、ence Proceedings.379-385.,钢液中由渣钢反应造成的Als增量随精炼渣碱度的增加而增加；精炼渣中Al2O3含量不超过15%，即便CaO/SiO2比为1.4时，由渣钢反应导致的钢液Als增量不会超过5ppm.,43,3 结果与讨论,The dependency of Al on(Al2O3)increases with slag bacisity,and the most suitable composition of inclusions originating from slag is considered to be CaO/SiO21.0.来源于：S Maeda.1

18、989 steelmaking Conference Proceedings.379-385.,帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,44,3 结果与讨论,The dependency of Al on(Al2O3)increases with slag bacisity,and the most suitable composition of inclusions originating from slag is considered to be CaO/SiO21.0.来源于：S MAEDA.1989 Steelmaking Conference Proceedings.

19、379-385.神户制钢,帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,45,3.3 帘线钢冶炼为什么选择CaO/SiO21的低碱度精炼渣？,3 结果与讨论,Inclusions that are crystallized out from molten steel should be modified into glassy compositions with a lower melting point such that they can be fractured more easily来源于：K KIRIHARA.Kobelco Technology Review.NO.30,

20、DEC.2011:62-65.神户制钢,上图来源于：T SHIRAIWA.The Sumitomo search,1974,11:85-100.,46,3 结果与讨论,3.3 帘线钢冶炼为什么选择低碱度精炼渣？,Inclusions that are crystallized out from molten steel should be modified into glassy compositions with a lower melting point such that they can be fractured more easily来源于：K KIRIHARA.Kobelco Te

21、chnology Review.NO.30,DEC.2011:62-65.神户制钢,上图来源于：T SHIRAIWA.The Sumitomo search,1974,11:85-100.,在目前切割丝用钢的生产工艺条件下，CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）系夹杂较MnO-SiO2-Al2O3系夹杂更容易控制在稳定的玻璃相区，得到成分均一的玻璃态夹杂。,47,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,325280,48,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,49,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,5

22、0,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,51,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,52,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,53,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,氧化物的抗压强度是指把氧化物加压至破裂所需要的应力。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量（E），即使氧化物产生单位应变所需要的应力，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小反映材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。,54,3 结

23、果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,氧化物的平均原子容积是指氧化物的平均相对原子质量与其密度的比值，实际上为1摩尔原子所占的空间，其计算公式如（1）所示。,（1）,若不考虑氧化物的空间结构，原子的尺寸以及原子之间的结合力，那么氧化物的杨氏模量仅与其平均原子容积有关，并且平均原子容积越大其杨氏模量越低，平均原子容积越小其杨氏模量越大。,55,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,56,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,57,3 结果与讨论,熔点能否全面评价切割丝或者帘线钢中夹杂物的危害性？,58,4 结论,

24、（1）精炼过程精炼渣在强烈的搅拌条件下的乳化卷入钢液是切割丝用钢中的CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂来源之一；（2）减弱渣钢之间的搅拌混合有助于减少钢中CaO系夹杂。论文详见：Wang K P,Jiang M,Wang X H,et al.Formation Mechanism of CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)Inclusions in Si-Mn-Killed Steel with Limited Aluminum Content During the Low Basicity Slag RefiningJ.Metall.Mater.Trans.B,2016,47(

25、1):282-290.,59,4 结论,（1）精炼过程精炼渣在强烈的搅拌条件下的乳化卷入钢液是切割丝用钢中的CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂来源之一；（2）减弱渣钢之间的搅拌混合有助于减少钢中CaO系夹杂；,60,4 结论,（1）精炼过程精炼渣在强烈的搅拌条件下的乳化卷入钢液是切割丝用钢中的CaO-SiO2-Al2O3-（MgO）夹杂来源之一；（2）减弱渣钢之间的搅拌混合有助于减少钢中CaO系夹杂；（3）使用氧化物的杨氏模量更能解释实际生产过程中的不同夹杂物的变形行为和危害性。,61,参考论文,1 Wang Kunpeng,Wang Xinhua,et al.Discussion

26、on the Origination of CaO-SiO2-based Inclusions in Saw Wire Steel Melts by Laboratory Experiments.Metallurgical and Materials Transactions B,2016,Accepted.（即将出版）2 Wang Kunpeng,Wang Xinhua,et al.Formation mechanism of SiO2-type inclusions in Si-Mn-killed steel wires containing limited Aluminum conten

27、t J.Metallurgical and Materials Transactions B,2015,46:2198-2207.3 Wang Kunpeng,Wang Xinhua,et al.Formation mechanism of CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)inclusions in Si-Mn-killed steel with limited Aluminum content during the low basicity slag refining J.Metallurgical and Materials Transactions B,2016,47:282-290.4 王昆鹏，王新华等.切割丝用盘条非金属夹杂对比分析 J.钢铁，2016，51:33-39.5 王昆鹏，王新华等.帘线钢生产过程中氧化物夹杂演变规律研究 J.钢铁，2016，51:36-43.6 王昆鹏，王新华等.钢帘线和切割丝用钢夹杂物控制技术的进展 J.特殊钢，2016，37:26-31.7 王昆鹏，王新华等.切割丝生产过程夹杂物特征研究 J.炼钢，2016，32:17-23.,62,谢谢大家！,63,