钢中非金属夹杂对质量的影响及控制措施

常规检测方法的不足： 问题：
•试样检测面积小； •分析检验耗时长； •分析检验结果(夹杂物数量、尺寸、成分、位置) 可信度低。
2.3 夹杂物统计学

夹杂物统计学是一种现代高级、建立在实际生产上，对夹 杂物进行批量的分析（采用电子散射仪以及电解夹杂等手 段），以及量子力学和模型模拟等技术学科。用来研究钢 中夹杂物的分布、大小，以及产生的动力学和热力学的基 础。

外来夹杂物
1) 出钢过程中卷入钢液内的夹渣，钢液或炉 渣与耐火材料接触时的侵蚀产物，中间包 渣的乳化,结晶器内保护渣的卷入等等。这 种夹杂物在浇注过程中未来得及上浮而残 留在钢中。 2)钢液二次氧化产物。





1.3 相互反应夹杂物

相互反应夹杂物 (意思是内生和外来相交错)， 可列入尖晶石、某些铝酸盐、 硅酸盐和许多其他反 应产物。
钢中析出的夹杂主要来自四部分

1)是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产 物，称为一次脱氧产物。主要发生在LF或出钢过程中。 LF炉加入Si-C、C、Si-Mn、Ti等都是作为脱氧剂使用， LF主要主要之一为脱氧，去除夹杂物。

2)钢水从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱 氧产物，称为二次脱氧产物。主要发生连铸前半过程 中，包括VD，RH，大包、中间包以及结晶器中。
夹杂物对钢板冲击的影响
当夹杂物颗粒比较大（＞5０μｍ），特别是夹 杂物含量较多、尺寸较大时，明显降低钢的冲击。 且冲击功曾几何状下降，尤其冲击断口出现夹渣时， 冲击值几乎为个位数。主要原因是夹杂物阻碍了冲 击的扩展功能量的释放。
夹杂物对钢板厚拉（Z向）的影响
当厚拉断口出现夹杂物含量较多、尺寸较大时， 明显降低钢的Z向性能，性能几乎为个位数。尤其 是硫化物夹杂和氧化铝夹杂，破坏钢板基体组织的 连续性，厚度方向被该类别夹杂物穿晶破坏。
3)钢水从液相线温度冷却到固相线温度过程中析出的 脱氧产物，称为三次脱氧产物。主要发生连铸坯冷却 过程中。 4）钢水吸收空气中 N、 H气体或与空气中气体发生反 应后，溶入钢水中


3.2 在夹杂物的去除
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3.4 3.3.5 精炼过程、精炼渣对夹杂物的去除 夹杂物的变形处理 氩气泡对夹杂物的浮选作用 连铸过程中夹杂物控制 其它环节
2.1夹杂物对性能影响

对于尺寸小于 10um 的夹杂物 止晶粒长大。
促进组织形核，焊接时阻

（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在连铸、加热过程 中都会析出，形核C、N化合物（一种微型夹杂物）

（ 2 ）钙化处理的 S 化物、硅酸盐类以及细小的氧化亚铁 FeO
可以细化晶核。有利于钢板的韧性、塑性以及强度。
夹杂物对钢板强度、延伸的影响 当夹杂物颗粒比较大（＞１０μｍ），特别是夹杂物 含量较低时。明显降低钢的屈服强度，且同时降低钢的 抗拉强度；当夹杂物颗粒小到一定尺寸（＜10μｍ）时， 钢的屈服强度和抗拉强度都将提高。当钢中弥散的小颗 粒的夹杂物数量增加时。钢的屈服强度和抗拉强度都有 所提高，但延伸率有很小的下降。
1.5

按化学成分分类
FeS、MnS
A类夹杂：硫化物

B类夹杂: 氧化铝、氧化铁 Al2O3+FeO C类夹杂：硅酸盐、氮化物 2MnO.SiO2 TiN、BN、NbN等 D类夹杂：球状氧化物类 小型氧化物 FeO、MnO、TiO2等



Ds类夹杂：单个大型球状氧化物类
1.6

钢中夹杂物的形貌
钢中非金属夹杂对质量的影响 及控制措施
工艺技术部
前言
研究重要意义
非金属夹杂物危害：

质量缺陷：
铸坯：表面裂纹，内部裂纹，偏析等； 钢材：裂纹，“翘皮”，线形缺陷等。

钢材性能：
冲压开裂、冷拉断裂等； 延性，低温韧性，抗疲劳破坏，非轧制方向性能，切 削，焊接，耐蚀，电磁性能等。
2
夹杂物控制技术发展趋势
25
2.2夹杂物的检测
1.钢材出厂检验：
• • • ASTM标准（A、B、C、D、Ds类夹杂物）； 用户标准（SKF、米其林、贝卡尔特等）； 分析检验手段：光学显微镜。
2.科学研究：
• • 光学显微镜； 扫描电镜（+EDS）；
•
• •
投射电镜（+EPMA、EDS）；
图像分析； PDA（Pulse Distribution Analys源自文库s）。
•
•
31
3、夹杂物的来源与控制

精炼时，加入硅、锰、铝或碳等脱氧剂来降低溶解 氧时产生的脱氧产物， 或者钢水二次氧化产物。
钢液或渣对耐火材料的化学或热侵蚀作用，耐火材 料中的一些组元会进入钢中或与钢液发生反应会生 成夹杂物，固态耐火材料颗粒脱落进入钢中也会形 成夹杂物。


当钢渣界面的钢液流动速度大于卷渣的临界剪切流 速时，覆盖渣会以渣滴的形势卷入钢水中。

在精炼过程中发生主要反应： 2[Al]+3[O]=Al2O3


[Si]+2[O]=SiO2
[Ca]+[S]=CaS [C]+[O]=CO/CO2
炼钢钢坯
氧化铝+硫化钙
氧化铝
15102486N
氧化铁 视场50X
硫化钙
氧化铝

轧钢钢板
氮化物
2、非金属夹杂物对性能影响

使用性能的影响： 1、疲劳性能↓ 2、冲击韧性↓ 塑性↓ 3、耐腐蚀性↓

对工艺性能的影响： 1 、对锻造和冷加工、淬火加热和焊接过程 易开裂。 2 、轧制后表面质量以及磨削后零件表面粗 糙度降低。

精炼渣的主要作用是脱氧、脱硫、保温和吸收钢中 的夹杂物。目前广泛使用的精炼渣系有 CaO-A1203基预熔 渣、 CaO-A1203-Si02 渣系、 CaO-Si02-A1203-MgO-CaF2 渣 系，以CaO-A1203 为基的低氟和无氟的精炼渣正成为研究 和应用的热点。精炼渣吸收夹杂物的动力学原理是：一是 钢中原有的夹杂物上浮，通过与渣的接触、碰撞，被渣吸 收去除。渣和夹杂物界面张力远小于钢液与夹杂物之间的 界面张力，所以钢中的夹杂物很容易被与它接触的渣滴所 吸收。二是采用的 CaO-Si02-A1203-MgO-CaF2 渣系均为氧 化物熔体，而夹杂物大多是氧化物，所以被渣吸收的夹杂 物比较容易溶解于渣中，并随渣滴一起上浮排除。
氧化铝夹杂
冲击为3J P460NL1
夹杂+FeO夹杂
延伸 9
12Cr2Mo1VR
多处铝酸盐夹杂
16MnDR 探伤不合国标 I级
多处铝酸盐夹杂
Q345R 形成内裂纹
不同类别夹杂物对塑性的影响
“D类”或“DS类”
“D类”或“DS类”
J. Monnot, et al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.149
3.1 夹杂物的来源

根据加人脱氧剂的类型、数量和钢液静压 力，脱氧产物可能为固态、液态或气态。钢液 的温度决定了氧化物夹杂的化学稳定性。随着 温度的降低，越来越多的脱氧产物从钢液中析 出。它们的成分决定于脱氧产物形成时的温度 和钢水成分。夹杂物在脱氧过程中的生成是不 可避免的，随着温度的降低夹杂物也还会继续 生成直到钢液全部凝固。
夹杂物对钢材的性能以及实例
夹杂物的来源以及夹杂物控制技术
1、夹杂物概念以及分类

钢中氧化物夹杂可分为：内生夹杂 互反应夹杂物
外来夹杂
相

非金属夹杂物是一种非金属的化合物，它是钢材在 脱氧过程和钢液凝固过程中产生的。
1.1内生夹杂物

内生夹杂物：钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化 物等产物，若这些产物在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。 溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时， 由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相 或固溶体中析出，最后留在钢锭中。 内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作 和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和 分布情况，但一般来说是不可避免的。

1) 液体钢的脱氧产物; 2) 钢液从浇注温度冷却到凝固温度过程中，由
于温度的降低使溶液中溶质的溶解度降低，
即钢水温度的变化使反应平衡移动，重新析 出脱氧产物;

3) 钢液冷凝时发生溶质树枝形偏析所析出的脱 氧产物;

4) 固相线温度以下钢继续冷却或者由于相变的
缘故，引起的夹杂物重新析出。
1.2


★
1.4 按夹杂物尺寸分类



1) 亚显微夹杂，粒径＜lμm。在纯净钢中亚显微夹杂包括氮 化物、硫化物和氧化物，总数约为 1011 个/cm3 ，其中氧化物 夹杂个数约占 108/cm3 。一般认为这种微小氧化物对钢质 ( 除 硅钢片外)多半无害，对它在钢中的作用，目前研究得不够。 2) 显微夹杂，粒径 l～1OOμm，主要是脱氧产物。它对高强 度钢的疲劳性能和断裂韧性影响极大，它的含量与钢中溶解 氧含量有很好的对应关系。 3) 大型夹杂，粒径＞1OOμm。大颗粒(大型)夹杂在干净钢中 的数量占钢坯中整个夹杂总体积的 1%，但对钢的表面和内部 质量影响最大，很多产品由于存在这种大型夹杂，致使超声 波探伤时不合格，造成钢材报废。这类夹杂物成分上的特点 是与钢中溶解氧量无关。
12351
14520 52061
26
35 164
0
0 0
4
4 21
6
平 均
0.241
0.315
0
0
0.028
0.040
29
正常坯夹杂物数量分布
30
正常浇铸铸坯夹杂物
• 检测面积总计52061mm2（超过JFE同类研究一倍），大于 50m夹杂物数量密度在0.21~0.45个/cm2，低于JFE铸坯同 类夹杂物数量； 正常坯表层试样中大于50m夹杂物主要为簇群状Al2O3， 保护渣卷入形成夹杂物微量；因此通过常规的手段，夹杂 物水平是可控的 不能避免 >100m有害夹杂物存在（数量：0.028~0.057个 /cm 2 ），生产高端用户钢板应对铸坯采用表面清理（扒 皮）。
1.
“洁净”→“高洁净”→“超高洁净”趋势：
-
强化内生类夹杂物去除效果；
严格“杜绝”二次氧化； 对夹杂物成分、尺寸、分布、性能的控制。
2.
开发新工艺，降低成本，提高对夹杂物控制效率：
缩短或取消LF精炼； 强化LF、VD、RH精炼； 针对不同类型钢材，对夹杂物实行“重点控制”。
3
目

录
夹杂物概念、种类以及分类
3.2.1 精炼、渣系对夹杂物的去除

控制钢中非金属夹杂的途径，一是减少冶炼 及浇注工艺操作过程中夹杂的产生和外来夹杂对 钢水的污染，二是设法排除已存在于钢水中的夹 杂物或减轻夹杂物对钢的危害。
不管采用何种精炼方法（如RH、LF、 VD），合理精炼渣组成是获得洁净钢水 的基础。
精炼过程可采取的控制措施包括，真空吹 氩搅拌去除夹杂物，加入粉剂进一步去除钢中的 杂质元素，钢液中夹杂物的变性，造合适的精炼 渣去除夹杂物。中问包可采取的控制措施包括： 保证足够的停留时间，使夹杂物充分上浮； 采用长水口氩封保护浇注，减少来源于气体 的污染； 优化中间包钢液流场，促进夹杂物上浮，并 可使用过滤器强制吸附夹杂物； 使用高碱度覆盖剂吸收夹杂物，造还原性中 间包渣，使用碱性耐火材料，降低侵蚀。
正常坯夹杂物数量(>50m)
炉 次 1
3 5 数量密度 (个/cm2) 检测面 绝对数量 (个数) 积mm2 Al2O3 保护渣 >100m Al2O3 保护渣 >100m 11120 14070 41 62 0 0 5 8
0.369
0.441 0.211
0
0 0
0.045
0.057 0.032

内生夹杂和外来夹杂有明显的差别

1)内生夹杂的典型特征是尺寸小，数目多，较均匀地分布在铸 坯的各个部位，夹杂物的成分与钢液成分有很强的依赖关系。 2)外来夹杂往往尺寸较大，形状不规则，具有偶发性，成分和 结构复杂，它与钢液成分没有直接关系，分布位置不定。 3)实际炼钢过程中的夹杂物很少为单纯的内生夹杂或外来夹杂 ，它们经常是共生的，其原因是: ⑴在炼钢过程中各阶段，内生夹杂以外来夹杂为核心析出，并 发生交互反应是一种普遍现象； ⑵脱氧的钢液与卷入的炉渣 (包括保护渣)或耐火材料接触时， 总会或多或少地起反应，因此仍保持原来的内生或外来夹杂 物的成分和结构是不多见的;
VN颗粒
VN颗粒
钙化处理硫化物
当非金属夹杂物尺寸大于50um时，降低了钢的塑性、韧性 和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。 一般 我们钢水中夹杂物尺寸都为大于50um。 大型夹杂物不利用钢板 韧性、塑性以及强度指标。除了这些性能外，还有降低抗酸性能、 疲劳性能、表面光洁度 以及焊接性能。