钢中夹杂物控制原理 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-钢中夹杂物控制原理钢中氧的存在形式T[O]=[O]溶+[O]夹（1）转炉吹炼终点：[O]夹=>0，T[O]→[O]溶＝200～1000ppm[O]溶决定于：l 钢中[C]，转炉吹炼终点钢中[C]与a[O] 关系如图 l 渣中(FeO)；l 钢水温度。

1 顶底复吹转炉炉龄C–Fe的选择性氧化平衡点根据式 [C] + [O] = {CO} (1) lg (Pco/ac* [%O])= 1149/T–2.002以及反应 [Fe] + [O] = （FeO） (2) lg aFeo/[%O] = 6317/T – 2.739得到反应（FeO）+ [C] = [Fe] + {CO} (3) lg (Pco/ac* aFeo)= –5170/T+4.736 结论钢液中C-Fe的选择性氧化平衡点为[C]＝0.035％，也就是说终点[C] < 0.035％时，钢水的过氧化比较严重。

图1-1的统计数据也说明了这点。

同时由式(1)可以求出此时熔池中的平衡氧含量为740ppm。

理论分析1）终点时钢水的当终点[C]在0.02～0.04Ⅰ）有些2）温度对氧含量的影响20040060080010001200140016001800160016201640166016801700172017401760终点温度（℃）终点氧含量（p p m ）在终点[C] = 0.025~0.04%时，终点氧含量虽然较分散，但总的趋势是随着终点温度的升高，终点氧基本呈上升趋势。

渣中（FeO+MnO ）增加，终点[O]有增加趋势；图1-3<2500炉终点C-O关系图1-4 2500~5000炉终点C-O关系钢中夹杂物控制原理（2）钢包脱氧合金化＋精炼后：[O]溶=>0 T[O]=[O]夹Al－K钢：[Al]S=0.02-0.05％，[O]溶=4-8ppm（图2）如在连铸坯中测定T[O]=20ppm，说明除[O]溶外，氧化物夹杂[O]夹为12－18ppm，说明钢中很干净。

Si-K 钢：用Si、Mn脱氧平衡[O]溶含量如图3。

仅用Si、Mn脱氧钢中[O]溶为40～60ppm，在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。

图2钢中[Al]S与[O]溶关系人们预测2000年后生产超洁净钢，钢中T[O]要达到5ppm 水平，T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂解决途径： 生产“零夹杂物”钢：[O]夹杂→0，即钢中夹杂物完全去除；进一步降低[O]溶对于Al-K 钢，炉外精炼改变Al-O 热力学平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度达到0.001，与[Al]S 相平衡的[O]溶<1ppm 。

（效果有限）对于Si-K 钢，炉外精炼控制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2,可使钢中[O]溶降到与Al-K 钢水平。

（可行）根据各类物的形态和分布，把中的夹杂物分为四个基本类型A 类——硫化物类型图3 Deoxidation equilibria with Si/Mn for the deoxidationproduct saturated with Al 2O 3B类——氧化铝类型C类——硅酸盐类型D类——球状氧化物类型A类夹杂物属塑性夹杂物，经锻轧加工以后沿加工方向变形，成纺锤状。

随着夹杂物的化学成分的不同，通常在明视场下呈浅灰色、蓝灰色或亮黄色；在暗场下呈不透明或弱透明。

B类夹杂物脆且容易断裂，其在经轧制加工后沿加工方向排列成链状。

在明视场下多呈暗灰色，少数不常见的氧化物也呈亮灰色。

在暗视场下多位不透明，少数呈透明的。

C类夹杂物有易变形和不易变形的两种。

易变形的硅酸盐夹杂与硫化物相似，沿加工方向延伸呈线段状，在明视场下呈暗灰色，在暗视场下透明。

铁硅酸盐（2Fe•SiO2）、硅锰酸盐（2MnO•SiO2）、锰偏硅酸盐（MnO•SiO2）都属于易变形硅酸盐。

不易变形的硅酸盐夹杂物，以氧化物相似，沿加工方向呈颗粒状分布。

铝硅酸盐（Al2O3•SiO2）、钙硅酸盐（CaO•SiO2）等属于不易变形硅酸盐。

D类夹杂物为氧化物或硅酸盐，这种夹杂物精加工后是不变形的，仍以点球状存在。

B类夹杂物使钢材表面质量和性能恶化。

为了克服这一缺点，必须减少这类夹杂物的数量并且改变氧化物的性质，以降低甚至消除其危害。

由以上分析可知，要降低钢中T[O],就是要减少钢中夹杂物，降低[O]夹，降低[O]夹其方法是：1)去除脱氧产物它决定于：夹杂物形成；夹杂物传输到钢/渣界面；渣相吸附夹杂物。

方法：控制脱氧产物+炉外精炼＋搅拌→T[O]=20~40ppm就脱氧而言，分三种情况：硅镇静钢（用硅＋锰脱氧）硅－铝镇静钢（Si＋Mn＋少量Al脱氧）铝镇静钢（用过剩Al脱氧[Al]s>0.01％）a)用Si+Mn脱氧如图4所示：形成的脱氧产物有：纯SiO2（固体）；MnO·SiO2(液体)；MnO·FeO(固溶体)。

图4 FeO-MnO-SiO2三元相图硅镇静钢用Si＋Mn脱氧，形成的脱氧产物一般有纯SiO2（固体），MnO•SiO2（液体），MnO•FeO（固溶体）。

Mn/Si低时形成SiO2夹杂会导致水口堵塞；Mn/Si高时生成典型的液态MnO•SiO2，夹杂物容易上浮。

因此因调整钢成分，保持Mn/Si>2.5。

但与Mn、Si平衡的[O]溶较高，当钢水浇入结晶器时会产生皮下针孔，同时MnO•SiO2会污染钢水。

为此在LF精炼采用白渣操作＋Ar搅拌，钢渣精炼扩散脱氧即能把钢水中[O]溶降到<20ppm的最佳范围，也能有效脱硫，降到0.01％以下。

2）用Si+Mn+Al脱氧用Si＋Mn＋少量Al脱氧可防止Si＋Mn脱氧中极易产生的皮下针孔，其可能的脱氧产物有蔷薇辉石（2MnO•2Al2O3•5SiO2）,锰铝榴石（3MnO•Al2O3•3SiO2）和纯Al2O3（Al2O3>25％）。

其中锰铝榴石区域夹杂物熔点低，球形易上浮；可塑性及变形性好且不堵水口；脱氧良好不生成气孔。

夹杂物中Al2O3含量控制当其中Al2O3超过25%时，Al2O3将析出；若Al2O3含量低于10%，SiO2将析出，两者均为不变形相。

为了控制Al2O3含量以形成20%的Al2O3锰铝榴石夹杂物，必须与渣系中的Al2O3联系起来，通过调整渣的组成防止渣中Al2O3过高导致锰铝榴石中Al2O3析出来平衡钢水中的夹杂物成分。

最有效的方法是采用Ca（CaO粉剂）及钙硅石处理，不仅可以控制夹杂物中Al2O3含量而且可将锰铝榴石夹杂转变为热轧时可变形的非晶体假硅石灰。

在钢中Si＝0.2％，Mn＝0.4％，温度为1550℃条件下，要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中[Al]S<=0.006%（图6），若钢中[Al]s≤0.006%,则钢中[O]<20ppm，生成锰铝榴石而无Al2O3析出，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。

图5 MnO-SiO2- Al2O3相图图6 钢中〔Al〕与〔O〕关系※3）用过剩铝脱氧对于低碳细晶粒钢，要求钢中酸溶铝不低于0.01％；对于低碳铝镇静钢，为改善薄板深冲性能，要求钢中酸溶铝为0.02～0.05％；为此要求用过剩铝脱氧，其脱氧产物全部为Al2O3Al2O3熔点高（2050℃）,钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能。

为此采用钙处理来改变Al2O3形态图4 纯铁脱氧期间形成的枝晶状和点簇状Al2O3夹杂（左图）和珊瑚状Al2O3夹杂（右图）图5 低碳钢Al脱氧期间的点簇状Al2O3图6 低碳铝镇静钢脱氧过程中形成的Al2O3夹杂（左：花盘型Al2O3；右：小多面体颗粒的聚集）点簇状氧化铝夹杂来自脱氧或二次氧化，如图5所示，为铝脱氧钢中的典型存在形式。

由于具有较高的界面能，氧化铝夹杂容易通过碰撞、聚集形成三维点簇状。

点簇状夹杂内每个单体直径约为1～5微米。

在与其他颗粒碰撞、分离或聚集之前，这些单体可能是花盘型或多面体型夹杂物，如图6所示。

簇状Al2O3夹杂物的形貌块状Al2O3夹杂物的形貌钙处理（喂Si-Ca线或Ca线，改变Al2O3形态）；[Al]s较低，钙处理生成低熔点2CaO·Al2O3·SiO2（图7）；[Al]s较高，钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3(图8和9)。

对于Al-K钢，钙处理后：解决了可浇性，不堵水口；夹杂物易上浮去除。

改变夹杂物形态，改善钢性能就夹杂物传输到钢/渣界面而言，它决定于：夹杂物尺寸：夹杂物的形核，长大速率。

形核约15nm，在炼钢条件下很快长大到1～5μm；液体流动，搅拌，夹杂物碰撞、聚合，尺寸5～200μm；夹杂物性质：液态或固态；夹杂物上浮：静止溶池还是搅拌溶池。

共焦扫描激光显微镜观察到的钢水表面Al2O3夹杂物形成点簇状的过程夹杂物聚集借助于表面张力，固态夹杂物的聚集能够出现在任何界面上，包括在耐火材料表面上和气泡表面上。

Al2O3与钢水的接触角较大（134～146°），促使这类夹杂物为减少与钢液的接触而自发的粘附在耐火材料上。

1530°C的高温可以使得Al2O3出现烧结相。

较大的接触角和较大的夹杂物尺寸有利于夹杂物聚集（图18）。

由于碰撞与集聚，随着时间和温度的增加，夹杂物趋向长大。

就渣相吸附夹杂而言钢/渣界面能:●夹杂物溶于渣相。

液体夹杂完全溶解于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解，决定于渣成分、温度和渣量。

2)防止浇注过程钢水再污染，它决定于：●钢水二次氧化；●钢水与环境（渣、包衬、水口）相互作用；●渣相乳化（紊流、涡流）；●非稳定态浇注。

连铸坯中夹杂物来源1)内生夹杂物：主要是脱氧产物，其特点是：●[O]溶↑，脱氧产物增加；●夹杂物尺寸细小<20μm；●在钢包精炼搅拌，大部分85％夹杂物上浮；●一般来说，对产品质量不构成大的危害；●钢成分和温度变化时有新的夹杂物沉淀（<5μm）。

在连铸坯中常见的内生夹杂（endogenesis-inclusions）:铝镇静钢（Al-K）: Al2O3硅镇静钢（Si-K）：硅酸锰（MnO·SiO2）或MnO·SiO2·Al2O3钙处理Al-K钢：铝酸钙钛处理Al-K钢： Al2O3，TiO2，TiN镁处理Al-K钢：铝酸镁所有钢： MnS（凝固时形成，以氧化物夹杂形核）钢水冷却和凝固过程中产生的沉淀析出夹杂物在冷却期间，液态钢水中溶解氧、氮、硫的浓度变大，同时这些元素的溶解度减小。

这样造成氧化铝、硅、氮化铝和硫化物的沉淀析出。