洁净钢冶炼新技术讲座.pdf

洁净钢冶炼新技术－ 钢中夹杂物的检测方法及其应用－北京科技大学包燕平 王敏baoyp@1主要内容¾前言¾钢中夹杂物的检测分析方法的探索¾应用实例 1： 钢中全氧与夹杂物含量的关系：¾应用实例2：IF钢生产过程夹杂物的演变规律应用实例 3： 夹杂物的控制与利用¾ ：¾结论21、 前 言纯净化是现代钢铁材料发展的主要趋势¾¾ 洁净钢生产是当代炼钢技术发展的重大方向¾ “ 洁净钢 ” 概念是 20世纪 60年代由欧洲学者最早提出 ， 专指“ ” ，通过严格控制钢中夹杂物提高钢材强韧性和塑性的工艺方法¾ 20世纪 80年代日本学者进一步提出 “ 纯净钢 ” 的概念 ， 将钢“ ” ，中夹杂物和杂质总量结合起来，定义∑（S+P+N+T[O]+H）≤100ppm¾ 70年代至80年代中期，大型转炉、铁水预处理技术和二次精炼技术得到蓬勃发展，到这个时期才真正奠定了洁净钢生产的基础 ， 使钢水的洁净度得到长足进步 ¾ 目前提出建立大批量、低成本、稳定生产纯净钢的技术平台3综上所述可知 ：：¾洁净钢生产是开发优质、高附加值钢的基础；洁净钢生产关系到冶炼 、 连铸全流程 ；¾ 、 ；夹杂物无处不在、无时不在！¾研究夹杂物问题需要回到源头：来源－演变－影响¾难点 ： 夹杂物的分析检测方法 、 形态控制等 ；： 、 ；42、钢中夹杂物的检测分析方法的探索钢中全氧分析法¾¾ 大样电解法¾ 夹杂物原貌分析法（IOA法）¾ 夹杂物全尺寸分离提取法 （ IFS法 ）（ 法 ）¾ 大型夹杂物的超声波检测法 （MIDAS法）夹杂物的原位定量分析法¾¾ 气泡分布的X射线衍射法5（ 1）夹杂物原貌分析法 (IOA)图:金相法观察原貌分析法可以完整的 表征夹杂物的真实三维形貌 可以判断过程夹图:原貌分析法示意图， 可以判断过程夹杂物形貌、成分的演变图 原貌分析法观察6图: 加Al后团簇Al2O3图 :原貌分析法观察IOA法控制条件制备金相样 ： 5mm× 5mm～ 50mm× 50mm ；9 ： × ～ × ；9 配制溴水和丙酮的混合溶液作为缓冲溶液，再向所述缓冲溶液配加少量 HCl溶液 ， 用不锈钢薄片做，阴极，用试样做阳极进行电解侵蚀；控制电解电流 I和侵蚀时间 t来控制试样侵蚀厚度 ，9 ，经侵蚀后夹杂物被凸现出来；侵蚀结束后用一定温度的水冲洗试样表面 ， 然后9 ，将试样浸泡在酒精中，观察试样之前对样品进行烘干 ， 然后通过扫描电镜观察非金属夹杂物三维，形貌。

7实例：原貌分析法特点优点：9丙酮 ， 酒精 ， 溴水的有机溶液 ， 最大限度避免夹杂物受损 ；， ， ， ；9侵蚀深度精确控制，可以根据需要观察深度范围内夹杂物的三维形貌；9时间短 、 电流小可以有效避免夹杂物在电解过程中的溶解 ；、 ；[1] (ZL201010169428 0 )8发明专利 . ：一种用于观察钢中非金属夹杂物真实形貌的方法实例：观察夹杂物形态演变团簇状 AlO的枝断球化2 3的枝断球化球形Al2O39实例：铸坯中夹杂物原貌分析铸坯中 Al2O3-TiN夹杂夹杂10对夹杂物原貌分析法的总结夹杂物的原貌分析法（IOA）可以得到：（1）可以清晰反应夹杂物的三维形貌、成分；（2）可以判断夹杂物的最大粒径；（3）可以实现夹杂物的定位观察，判断夹杂物在基体中的存在位置；杂（4）可以跟踪夹 杂 物在冶炼过程中的形成演变过程；（5）可以判断夹杂物的形成机理、来源，指导夹杂物的控制和去除 11（2）夹杂物全尺寸分离提取法（IFS法）9有机溶剂电解液 、 小电流1 试样阳极、 小电流电解，减少对夹杂物的损伤；9超声波清洗、淘洗、酸溶去除 F 和碳化物. 试样阳极2. 阴极3. 电解液4. 冰箱e和碳化物 ；9不同孔径滤膜分级过滤；9烘干后分级称重 ；12 ；9扫描电镜观察；稳压稳流电源34Fig10:单试样电解装置.12全尺寸分离（IFS法）控制条件9 配置溶液 ： 溶液体系对夹杂物无 损伤：9 电解过程：试样尺寸  8mm*60mm试样5个，在5个串联的电解池中分别 电解 ；；9 淘洗过程：一定配比的HNO3酸溶去除碳化物和Fe（控制时间短 ， 浓度合理 ， 温度等条件 ， 夹杂物损失小 ， 杂质基本可有短 ， ， ， ，效去除）；9 过滤过程 ： 不同粒径滤膜对各尺寸范围夹杂物进行分级过滤 ；： ；9 定量过程：5个试样同时定量，降低系统误差；全部尺寸范围夹杂物均可得到；13多试样IFS法电解系统的设计电解槽电解系统组装图槽盖电解系统组装图试样固定装 置支架14实例：夹杂物含量、粒径分布sample 1sample 2>80μm30~80μm1~30μm30~11~0.4物尺寸/μmFig.12:滤膜上不同粒径的夹杂物13080~30夹杂物30354034.3641.28mg/10kgsample 1sample 2>800 5 10 15 20 25 30 35 40 45夹杂物比 例， /%15202522.9122.9120.6420.6411.11夹杂物 含量,m10 32Fig.13:夹杂物粒径与数量分布关系>80 80~30 30~1 1~0.40510夹 .329全尺寸分离后可以得到不同粒径范围的夹杂物含量和尺寸分布，对夹杂物控制有着重要指导作用15夹杂物尺寸 /μm。

Fig.14:夹杂物含量与粒径分布关系实例：夹杂物形态、数量分布观察树枝状Al2O3颗粒状、团簇状 Al2O3Fig.15:Al镇静钢全尺寸分离后夹杂物整体分布卷渣类夹杂16实例：夹杂物粒径分布观察>30μm微纳米尺度夹杂物1~30μm由于夹杂物真实尺寸可测量 ， 因此粒径统计较金相法17，更准确实例：夹杂物形态、数量分布观察Fig.18:形貌完整的球形和团簇状 Fe-Al-O18对夹杂物全尺寸分析法的总结夹杂物的全尺寸分离提取技术可以得到：（1）夹杂物的数量分布；（2）夹杂物的粒径分布；（3）夹杂物的含量分布；（4）夹杂物的真实形貌、成分；可以判 断 夹 杂 物的形成机理、 来 源 ， 对夹 杂 物的控制和去除断杂 来 ， 杂有着借鉴意义19（3）大型夹杂物的超声波检测法AB1.水槽; 2.样板; 3.超声波探头; 4.数据线; 5.数据成像设备C D20[3]发明专利 (201110412957.3 )：一种定量分析铸坯中大型夹杂物分布的方法超声波检测的控制条件¾ 检测设备： 相控阵超声波数据呈现系统（Omniscan 16/28, 10MHz相控阵探头，微型编码器记录移动位置，数据处理软件 （ TOMOVIEW）；件 （ ）；¾ 检测精度： 超声波半波长，（10MHz探头检测精度约300 µm）；¾ 试样要求 ： 晶粒度需小于检测精度 ； 检测缺陷需大于检测精： 晶粒度需小于检测精度 ； 检测缺陷需大于检测精度；¾ 制样要求 ： 对试样轧制平整 ， 延长夹杂物带并细化晶粒 。

对试样轧制平整 ， 延长夹杂物带并细化晶粒 21实例：大型夹杂物在铸坯中的分布inclusion band铸坯样弧弧内弧外弧超声波检测样板9缺陷主要分布在内、外弧靠近表面的位置；9内弧缺陷数量约是外弧的 1.5~2 倍 . 9内弧 / 处存在夹杂物聚集带221 8 .超声波检测技术的总结大型夹杂物的超声波检测技术可以得到：（1）缺陷在铸坯中的宏观、定量分布；（2）跟踪大型夹杂物在轧制中形成缺陷的过程；（3）可以定量化分析大型夹杂物的宏观分布，为降低铸坯的表面缺陷提供指导缺点： 检测精度很难提高，高频率探头虽然可以提高检测精度，却受穿透深度和晶粒度的影响更大 ；23（4）气泡分布的X射线衍射法究方法 X射线检测气泡分布研究方法 - 射线检测气泡分布1-射线源 ； 2-限制射线圆锥体的光阑 ； 3-射线 ； 4-工件 ； 5-软片 ； 6-暗盒 ；射线源 ； 限制射线圆锥体的光阑 ； 射线 ； 工件 ； 软片 ； 暗盒 ；Fig.24:X 射线检测原理图9X射线穿透物体过程中受到吸收和散射，射线产生衰减；9材料中有气孔的部分射线更容易透过，透过的射线在胶片上感光 胶片显影后可得到与材料内部结构和 缺陷相对应的黑度不同24光 ，的底片 ，从而 判断缺陷的大小、分布 。

实例：铸坯中气泡的分布检测Fig.25:X射线气泡检测取样示意图9普通X射线成像仪中可获得1：1的气孔图像，检测极限取决于X射线功率、试样厚度、胶片颗粒度和焦距；9检验精度为试样 厚度的1.0%， 厚度2cm的样板检测 极限约为200µm ，本实验采用1： 1成像Fig.26:X射线气泡检测结果25： 实例：铸坯中气泡的三维分布210120150180向/mm306090厚度方1602002402803203604000040801200102030405060宽度方向/mm拉坯方向/mm9靠近铸坯内、外弧、及铸坯中心较多；Fig.27:气泡在铸坯中的三维分布图26实例：铸坯中气泡在厚度方向的分布2002208090100AB外弧内弧90100110≤0.5mm0.5mm-1mm≥1mm120140160180506070百分数/%积百分数 /%50607080积百分数 /%40608010020304051%58%78%91%气泡数 量百气 泡数量累10203040气泡 累积0200100 30 60 90 120 150 180 21016%230距内弧表 面距离/mm0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 2400距离内弧位置/ mm厚度方向气泡分布趋势图 厚度方向气泡数量分布图9铸坯厚度方向气泡分布有特点：①距内弧30~60mm(板厚1/8~1/4)处（区域A）约35%；②厚度方向的 1/2处（区域B），约20% ；③ 内弧1/4内 气泡比例（ 51%）明显高于外弧 1/4内气泡 （ 9%） 且靠近内 、 外弧表面气泡比中心气泡尺寸小 。

27内气泡 （ ） ， 且靠近内 、 外弧表面气泡比中心气泡尺寸小 对X射线衍射法检测钢中气泡夹杂物的总结X射线衍射法可以得到：（1）缺陷在铸坯不同位置的分布；（2）不同尺寸范围缺陷在铸坯中的分布规律；（3）可以掌握缺陷在铸坯中的宏观分布规律，对降低因气泡导致的卷渣和缺陷有借鉴意义缺点:（1） 检测精度与板厚有关（厚度的1%），板厚时无法得到小气泡的分布；（2）无法很准确的判别缺陷存在的类型（如气泡类缺陷，卷渣类缺陷 ， 疏松等 ）；，283 应用实例1：钢中全氧与夹杂物含量的关系图 钢中 T[O]与轴承钢寿命关系29图 : 轴承钢 T[O]由 30ppm降到 5ppm，疲劳寿命提高 100倍如图所示表 1 典型纯净钢对清洁度的要求产品分类 钢种 代表规格 产品材质特性要求 清洁度要求薄板DI罐 低碳铝镇静钢 0.2~0.3mmt 飞边裂纹 T[O]200µm的 Al2O3在 5min内可以上浮去除，相同尺寸 Al2O3·TiO2的去除时间比Al2O3长 1~2min；2min()18mp kter alg dvρρμ−⋅=22（ Stokes:Re500）RH纯循环时间的控制512T.O[N]脱碳结束1024495k废 钢TiFe70128256Al粒TiFe70合金重量 /kg268289128256512249kg362kgg493kg505kg197kg142kg496kg495kgr 重量 /kgAl粒T.O[N]152kg3264T.O,[N] / ×10−6, 合破空3264T.O/×10-6o破空0 5 。