王新华讲座

炉次 1 3 5
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
26
正常坯夹杂物数量分布
27
汽车钢板表面缺陷控制
广州本田：
每10个钢板卷，有表 面缺陷钢卷不能超过一 个； 存在表面缺陷钢卷，表 面缺陷不能超过一处。
28Baidu Nhomakorabea
铸坯中有害夹杂物数量计算(100m)
不能避免 >100m 有害夹杂物存在（数量： 0.028~0.057 个 /cm2 ），生产高端用户钢板应对铸坯采用表面清理（扒 皮）。
•
•
33
拉速影响
34
高拉速铸坯试样夹杂物数量
拉速 m/min 夹杂物 类型
20-50 μm 50-100 μm 100-200 200-300 300-400 μm μm μm >400 μm 检测面积 mm2
18
氧含量变化
19
夹杂物检测方法
常规检测方法的不足：
1. 钢材出厂检验：
• • • ASTM 标准（A、B、C、D、Ds类夹杂物）； 问题： 用户标准（SKF、米其林、贝卡尔特等）； 分析检验手段：光学显微镜。
• 试样检测面积小； • 分析检验耗时长； 2. 科学研究： • 分析检验结果(夹杂物数量、尺寸、成分、位置) • 光学显微镜； 可信度低。 • 扫描电镜（ +EDS）；
2. 减少结晶器保护渣卷入：
控制结晶器钢水液面波动； 高粘度保护渣； 浸入式水口设计优化； 高拉速采用FC结晶器。
3. 减少“气泡+Al2O3”：
严格控制Ar流量； 浸入式水口设计优化； 采用电磁搅拌； 控制“hook”。
17
国产汽车钢板质量问题？
首钢-北科大合作研究
炉次 1 2 3 4 5 6 [C] 0.0014 0.0012 0.0020 0.0016 0.0016 0.0011 [Si] 0.0037 0.0027 0.005 0.003 0.0026 0.0018 [Mn] 0.13 0.13 0.22 0.12 0.11 0.12 [P] 0.007 0.005 0.008 0.005 0.004 0.005 [S] 0.006 0.005 0.005 0.007 0.007 0.006 [Als] 0.027 0.022 0.021 0.035 0.031 0.026 [Ti] 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 [N] 0.0024 0.0020 0.0023 0.0022 0.0017 0.0016 T.O 0.0011 0.0013 0.0010 0.0013 0.0010 0.0013
3
国产钢材夹杂物控制存在差距：
1. 汽车钢板：
- 国内合资品牌汽车用钢板，50%由国内供应，其中80%为宝钢生产 （引自徐乐江2011年中国钢铁年会报告）。 - 主要差距在于钢板表面品质稳定性控制方面。
2. 轴承钢：
- 总氧、Ti等关键成分控制方面达到了顶级产品水平，但夹杂物评级难 以满足瑞典、日本顶级轴承制造商控制标准要求； - 主要差距在于少量Ds类夹杂物控制稳定性方面。
超低氧特殊钢关键工艺技术
1. 转炉或电炉出钢严格挡渣； 2. 强脱氧：
铝直接脱氧；
强扩散脱氧；
3. 高碱度精炼炉渣； 4. 长时间RH真空精炼；
5. 严格保护浇注；
6. 大方坯连铸：
中间包钢水加热；
低拉速、低比水量二冷、电磁搅拌等。
46
国产特殊钢主要问题
DS类夹杂物评级差（ T.O：3~6ppm）： 没有充分发挥RH精炼作用（时间短）； 保护浇注不严密； 许多仍采用钙处理。 LF精炼时间过长； 缺少中间坯“扒皮”、钢材探伤等设备。
37
JFE：高拉速有利于减少钢板表面缺陷
H. Nakamura, et al., Technology for Production of High Quality Slab at High Speed Casting ，1992 Steelmaking 38 Conference Proceedings, ISS, p409-415
“hook”状坯壳
39
拉速对hook影响
40
三、特殊钢非金属夹杂物控制
用于制作轴承、齿轮、弹簧、 传动轴等机械零部件的特殊 钢，要求具备优良抗疲劳破 坏性能； 夹杂物不能均匀传递基体所 受的应力、应变，夹杂物 形成“应力集中”；
夹杂物-钢基体界面产生微裂 纹，成为工件的疲劳破坏。
经 周边
41
不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响
47
LF与RH精炼分工
实现超低氧控制：LF or RH（哪个更高效？）
升温，脱氧，合金化，去除 夹杂物等。
脱气（H，N），脱氧，合 金化，去除夹杂物等。
EAF
LF
RH
CC
48
优势： 加热钢水，炉渣； 强扩散脱氧（高碱度、 极低FetO含量炉渣）； 钢液成分控制。 超低氧控制方面不足： 对钢水搅拌能不足。
6
夹杂物引起的钢板表面缺陷
7
汽车板铸坯中有害夹杂物尺寸
8
汽车板铸坯有害夹杂物尺寸
9
有害夹杂物来源一：大型簇群状Al2O3夹杂物
10
微小Al2O3聚集、捕捉
11
铸坯中大型夹杂物分布
淡路谷浩, 材料とプロセス，17（2004），p107
12
有害夹杂物来源二：结晶器保护渣
13
有害夹杂物来源三：Ar气泡+Al2O3
14
为什么吹氩？
密封作用：
防止塞棒棒头、中间包水口 -滑板、滑板间渗入空气。

防止水口内壁粘接、堵塞：
在中间包水口或SEN壁上 形成一氩气薄膜，阻止夹杂 物与水口壁接触；
氩气吸附夹杂物，将其与水 口壁分离。

15
Ar气泡+Al2O3
16
1. 减少Al2O3簇群：
转炉炼钢终点控制([O]，FeO)； 转炉出钢防下渣； 提高RH精炼效率； 严格控制二次氧化等。
• • • 投射电镜（+EPMA、EDS）； 图像分析； PDA（Pulse Distribution Analysis）。
20
JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法
总检验面积：303028 = 25,200mm2
3030 mm
Y. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel Slab ，AISTech 2005，Vol.II, p6521
Takashi MIYAKE, Influence of Sulphur Content and Molten Steel Flow on Entrapment of Bubbles to Solid/ Liquid Interface, ISIJ International, Vol. 46 (2006), No. 12, pp. 1817 –1822
31
不同皮下深度试样表面夹杂物数量(1.5m/min)
32
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， 未检测到保护渣卷入形成夹杂物，与JFE检测结果一致；
大型夹杂物主要类型
夹杂物类型 簇群状Al2O3 气泡+簇群状Al2O3 气泡 块状Al2O3 结晶器保护渣 总计 试验一 91 29 1 0 0 121 试验二 90 32 6 0 0 128 试验三 77 47 6 0 0 130
夹杂物数量密度：
0.48个/cm2
0.51个/cm2 0.52个/cm2
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
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RH精炼； - 针对不同类型钢材，对夹杂物实行“重点控制”。
25
正常坯夹杂物数量(>50m)
检测面积 mm2
11120 14070 绝对数量 (个数) Al2O3 41 62 保护渣 0 0 >100m 5 8 数量密度 (个/cm2) Al2O3 0.369 0.441 0.211 保护渣 0 0 0 >100m 0.045 0.057 0.032
Si-Mn脱氧； 低碱度或较低碱度精炼渣系； 电渣重熔、真空重熔等特殊精炼工艺方法。
44
超低氧特殊钢生产技术（T.O：3~6ppm）
：日本特钢厂大工业规模生
△：采用真空电加热工
产超低氧轴承钢。
艺生产的轴承钢。
□：采用电渣重熔工艺生产的
轴承钢。
K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology 45 of Steelmaking, May 9-12, 2005, Charlotte, AIST, 209
冷轧板卷：
重量：15t； 宽1400mm，厚0.5mm ，长2767m。
铸坯：
237mm厚； 有害夹杂物主要存在于 4mm厚度表层中。
有害夹杂物含量：
7.69个/m3
7.6910-6个/cm3。
29
JFE对汽车板铸坯夹杂物检验方法
3030 mm
Y. Awajiya, Entrapment Location in Solidified Shell of Ultra Low Carbon Steel Slab ，AISTech 2005，Vol.II, p6530
49
钢水为强还原性炉渣所覆盖；
钢-渣界面“静止”；
钢水循环流动； 夹杂物碰撞、聚合、上浮、去除。
50
JFE西日本制铁所生产轴承钢
K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456
大型夹杂物主要类型
夹杂物类型 簇群状Al2O3 气泡+簇群状Al2O3 气泡 块状Al2O3 结晶器保护渣 总计 试验一 91 29 1 0 0 121 试验二 90 32 6 0 0 128 试验三 77 47 6 0 0 130
夹杂物数量密度：
0.48个/cm2
0.51个/cm2 0.52个/cm2
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正常坯取样
总检验面积：20007 = 14,000mm2
第3块铸坯末端
23
大型试样制备
24
ASPEX PSEM eXplore 扫描电镜
对大尺寸试样表面夹杂物进行自动分 析检验：
Max: 100mm80mm, 夹杂物成分、数量、位置、形貌等； 夹杂物最小尺寸：0.4m。
具有数据库、冶金分析等功能。
3. 易切削钢：
- 化学成分与日本、台湾中钢产品相同，但切削性能差距很大；
- 主要差距在于钢中MnS夹杂物均匀、细小、弥散化控制方面。
4
二、汽车钢板非金属夹杂物控制
• 优良加工性能与服役性能； • 优良表面品质（无缺陷）。
5
汽车钢板表面缺陷控制
广州本田：
每10个钢板卷，有表 面缺陷钢卷不能超过一 个； 存在表面缺陷钢卷，表 面缺陷不能超过一处。
1.8
Al2O3 保护渣
106 0 92 0 121 0
31 0 7 1 25 0
7 0 3 0 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
2 14550 0 0 13080 1 0 13480 0
1.9
Al2O3 保护渣
2.0
Al2O3 保护渣
35
液面波动
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高拉速铸坯夹杂物数量密度(个/cm2)
钢中非金属夹杂物控制技术研究
王新华
2013年11月13日
一、研究重要意义
非金属夹杂物类别：
氧化物：简单氧化物，复合氧化物等； 硫化物：MnS，CaS，CaO-CaS等； 氮化物：TiN，NbN，AlN等。
非金属夹杂物是钢铁冶金科研“热点”
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。
“D类”或“DS类”
“D类”或“DS类”
J. Monnot, et al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.149
42
43
夹杂物控制误区
过度强调对夹杂物种类控制：
D类夹杂物：
CaO-MgO-Al2O3，CaOAl2O3系不变形夹杂物；
DS类夹杂物：
CaO-Al2O3系夹杂物；