钢中夹杂物检测及纯净钢生产技术包燕平北京科技大学冶金工程研究院2010年2月主要内容1.概况2.钢洁净度（夹杂物）的检测方法3.纯净钢生产流程的特点4.钢中超低碳的冶炼技术5.钢中超低氮生产技术6.钢中纯净度的控制7.非稳定态连铸质量控制技术1、概况¾纯净化是现代钢铁材料发展的主要趋势¾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¾20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+TO+H）≤100ppm¾70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洁净钢的一个重要进展是Kiessling扩充了纯净钢的概念，他把有害的微量元素(Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn)也包括在内。

¾1993年，D·Mu和Holappa在总结大量文献的基础上，又进一步提出了纯净钢的概念。

他们认为，纯净钢的概念应随工艺的发展、钢的级别和用途而异；并认为，纯净钢包括两方面的内容：一是钢中杂质要超低量；二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。

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综上所述可知：（1）洁净钢的概念是相对的，在不同用途的钢中，某种元素是杂质，而在另一种钢中却是有益元素，如S对于洁净钢是杂质，而对易切削钢却是有益元素；（2）洁净度随着工艺技术及装备的发展不断得到提高；（3）在一定用途要求的钢中，有的洁净度要求只控制其中的一个主要元素，有的要求同时控制其中的多种元素。

（4）洁净钢既非一个或一类钢种，亦无国家标准，而是客户对钢厂提出产品要求后，各国钢铁厂在工艺、装备不断改进下，逐步提高洁净度的各类钢。

•提高钢的纯净度，生产更高质量的钢材是近二十年来炼钢技术发展的趋势；•钢中碳、磷、硫、氮、氢、氧杂质总量已能够去除至40ppm以下；•纯净钢生产是当前炼钢科研的“热点”。

典型钢种的纯净度要求元素 IF 钢中厚板 无取向硅钢 CSP 热镀锌板 轴承钢(100Cr6)C (%)< 0.0030 0.06～0.08 < 0.0030 0.02～0.04 0.90～1.00 Si (%)< 0.02 0.30～0.35 3.2～3.4 < 0.03 0.20～0.30 Mn (%)0.10～0.15 1.5～1.6 < 0.15 0.20～0.25 0.30～0.40 P (%)< 0.015 < 0.010 < 0.040 < 0.012 < 0.020 S (%)< 0.010 < 0.0010 < 0.0020 < 0.005 0.005～0.010 Al (%)0.02～0.04 0.02～0.05 1.40～1.60 0.02～0.04 < 0.002 Ti (%)0.06～0.08 < 0.002 N (ppm)< 30 < 50 < 20 < 45 < 70 H (ppm)< 2.5 < 2.0 纯净度要求高 高 高 夹杂物改性要求 要求 要求超低碳钢：[C]≤10ppm超低硫、磷钢：[S]≤5 ppm ，[P]≤40ppm 超低碳、硫、氮钢: ≤20~30ppm 超低氧钢: T[O] ≤5ppm2 钢洁净度的量度¾钢中的氧－钢洁净度的量度¾大样电解夹杂物¾金相分析法¾超声波检测¾电解分析法¾原位分析法¾原貌检测法钢铁生产过程中氧位变化（1）钢中的氧－钢纯洁度的量度铁矿高炉冶炼直接还原+电炉粗钢钢水还原阶段炼钢阶段精炼阶段生铁0.010.010.10.1111010100C,%O,%钢铁生产过程氧位的变化炼铁是一个还原过程：高炉内加入还原剂（C 、CO ）把铁矿石中的氧（Fe 3O 4、Fe 2O 3）脱除，使其成为含有C 、Si 、Mn 、P 、S 的生铁。

炼钢是一个氧化过程：把纯O 2吹入铁水溶池，使C 、Si 、Mn 、P 氧化变成不同含碳量的钢液，当吹炼到终点时，钢水中溶解了过多的氧，称为[O]溶或a [O]，出钢时，在钢包内必须进行脱氧合金化，把[O]溶转变成氧化物夹杂，可用[O]夹杂表示，所以钢中氧可用总氧T [O]表示为：T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂出钢时：钢水中[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；脱氧后：根据脱氧程度的不同[O]溶→0，T[O]＝[O]夹杂。

因此，可以用钢中总氧T[O]来表示钢的洁净度，也就是钢中夹杂物水平。

钢中T[O]越低，则钢就越“干净”。

为使钢中T[O]较低，必须控制：•降低[O]溶：控制转炉终点a[O]，它主要决定于冶炼过程；•降低夹杂物的[O]夹杂：控制脱氧、夹杂物形成及夹杂物上浮去除－夹杂物工程概念（Inclusion Engineering）。

图: 钢中T[O]与轴承钢寿命关系轴承钢T[O]由30ppm 降到5ppm ，疲劳寿命提高100倍如图所示。

•美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现,钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显对应关系, T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高。

：T[O]，ppm质量指数15～20 8121～25 7226～30 68>30 35•川崎Mizushima把中间包T[O]作为钢水洁净度标准，生产试验表明：产品质量缺陷不仅与钢中总氧T[O]有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关：中间包钢水中T[O] 冷轧薄板质量<30ppm 不检查，用户接受30～55ppm 需检查>55ppm 降级使用•钢中T[O]低，说明钢中夹杂物数量少，钢水较“干净”；•洁净钢是一个相对概念，钢中T[O]控制到什么水平，决定于钢种和产品用途；•产品质量不仅要控制夹杂物数量，而且夹杂物的形态、尺寸和分布也要得到控制。

•那么如何控制钢中T[O]呢?超低碳钢中碳－氧的协调控制超低碳钢中碳－氧的协调控制总氧T[O]自由氧(aO)固定氧(夹杂物所含的氧)（2）大样电解法－大型夹杂物的分析方法大样电解用于分析钢中大于50µm的氧化物夹杂，其工艺包括电解、淘洗、还原和分离等，具体步骤如图所示。

分离出的夹杂物进行粒度分级、称重（分值度为0.1mg）和形貌照片，然后对典型夹杂物进行电子探针定量分析。

对典型的显微夹杂和大型夹杂，利用电子探针进行成分的定量分析，确定夹杂物的类型及其成分的演变。

大样电解流程图¾试样一端中心钻有深10mm、M12的螺孔，以备装螺栓吊挂之用。

试样重量2~3kg，表面光洁度▽6¾电解液组成为FeSO4、ZnCl2、柠檬酸、盐酸等，试剂为分析纯¾检验周期一般为半个月某钢厂IF 钢大样电解分析结果注：夹杂物总量小于0.5 mg时不进行粒径分级。

50.000.735.710.514.290.25.361.42.6130.750.22.64290.911.09.090.13.871.12.841%mg %mg %mg %mg >300μm 140~300μm 80~140μm <80μm mg/10kg mg 夹杂物粒径分级夹杂总量样重kg 样品编号某钢厂X80管线钢中大型夹杂物检测结果X80钢铸坯中大型夹杂数量－－－－－－－－0.600.11.655＃330.3560.5110.1－－5.420.91.664＃－－－－－－－－0.600.11.662＃290.2290.2420.3－－4.160.71.683＃－－－－－－－－1.190.21.686＃－－－－－－－－－0.11.681＃%mg %mg %mg %mg >300μm 140～300μm 80～140μm 〈80μm mg/10k g mg 夹杂物粒径分级夹杂物总量电解样重/kg 样品编号(3)金相夹杂物分析法金相试样经过粗磨、细磨和抛光后，在金相显微镜下进行观察。

放大倍数为640×，每个金相样观察200个视场，人工(或采用图象分析方法)进行夹杂物分类，并对各类夹杂物的数量进行统计，用金相显微镜对典型夹杂进行拍照。

统计内容包括：各阶段夹杂物类型、尺寸分布、数量。

–夹杂物类型主要分为铝酸盐、钙铝酸盐、硫化物；–夹杂物尺寸分布：<2.5µm、2.5～5µm、5～10µm、10～20µm、>20µm五级，用直线法进行统计。

–夹杂物数量：按下面公式计算单位面积上夹杂物的数量。

•式中：•――单位面积上当量直径为B 的夹杂物的个数，个/mm2 •――不同尺寸范围夹杂物的平均直径，对0～2.5µm 、2.5～5µm 、5～10µm 、10～20µm 、>20µm 各级夹杂的平均直径分别取：1.25µm 、3.75um 、7.5um 、15um 、30um ；•――不同尺寸范围夹杂物的个数；•――夹杂物的当量直径，7.5um ；•――视场直径，300um ；•N ――视场数，200个。

•对典型的显微夹杂和大型夹杂，利用电子探针进行成分的定量分析，确定夹杂物的类型及其成分的演变。

英国剑桥Cambridges-250MK3扫描电镜：分辨率：2um 、5um ；放大倍数：X20－X500000。

4/2N BD n d I i i ⋅⋅∑=π采用金相法分析管线钢镁处理夹杂物的粒度分布< 2μm 2-5μm 5-10μm>10μm20406080不同尺寸夹杂物所占百分比%夹杂物尺寸分ٛ 镁处理 钙处理平均面积百分比0.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035L F就位L F 结束V D 出真空V D 结束铸坯显微夹杂平均面积百分比/%平均面积百分比某厂轴承钢中夹杂物-采用金相法分析结果某厂40Cr钢:炼钢－精炼－连铸过程夹杂物数量变化精炼－连铸过程中钢中夹杂物的变化13.833.474.44851015精炼前精炼后中间包铸坯夹杂物数量（个/m m 2）(4)超声波检测MIDAS（Mannesmann inclusion detection by analyzing surfboards）法主要用于检测钢坯中出现概率较小的大型夹杂物的分布，取垂直于轧制方向截面的钢样进行轧制，然后检测。