国际低合金会议论文30高强度低合金钢中非金属夹杂物来源检测和提高洁净度的耐火系统Word格式.docx
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提取冶金；
Ca处理；
大包下渣控制；
夹杂物的去除；
检测系统
Non-metallicInclusionsinHSLASteel–Origin,DetectionandRefractorySystemstoImproveCleanness
Abstract:
HSLAsteelsneedextremelylowlevelsoftrampelementslikeP,S,HandOt.Duringtappingthesteelisde-oxidizedwithaluminumandinthesecondarymetallurgysulphur（<
10ppm）andhydrogen（<
1ppm）areextracted.AftertankdegassingthesteelisstronglyCa-treatedbywirefeedingtoformCaSinsteadofMnS.Non-metallicinclusionsinthesteelandcentresegregationwithMnSaresinksforhydrogenwhichresultinHIC（HydrogenInducedCracking）.ThereforethesesteelsaskforexcellentoxidecleannessandS-contentsof<
10ppm.Macroinclusionsof>
50μmareharmfulfortheproduct.Theselargeinclusionsareseldomanddifficulttobedetected.Smallinclusionsof<
15μmdonoharmtotheproduct.Theoriginofnon-metallicinclusionsis,roughlyspoken,onethirdeachofde-oxidation-/re-oxidationproducts,refractoryandcastingpowder.Slagcarry-overismainlyavoidedbysensitiveelectronicdevices.Slagcoversandshroudingsystemsofthesteelstreamduringthetransferofmetalbetweenladle,tundishandmoldareeffectivetoavoidreoxidation.Systemstocontroltheflowofsteelintundishandmoldfavorthefloatationofinclusionsandtheirevendistributioninthestrand.
Keywords:
ExtralowcontentsofP,SandH.Extractionmetallurgy,Ca-treatment,controlofslagcarry-over,shrouding,flowcontrol,separationofinclusions,inspectionsystems.
高强度低合金钢主要用于大直径管线、近海设备和重型机械。
它们对非金属夹杂物和中心偏析这样的内部缺陷非常敏感。
如果要求酸性气体服务，可能会出现氢致裂纹（HIC）。
钢厂的生产线必须实现将残余元素降低至最小值、在狭窄的范围内精确合金化、连铸期间温度接近液态。
1化学成分要求
图1的饼图示出为了保证钢的洁净度对各种元素的限制。
图1描述钢洁净度的标准
在高强度低合金钢中，为了提高焊接性能，碳含量应小于50ppm，为了保证有效的钙处理，硫含量不得超过10ppm，磷含量目标值小于120ppm。
由于超过50µ
m的大型夹杂物是氢阱，还是萌生裂纹的缺口，氧化物清洁非常重要。
图2钢厂工艺线
图2示出这样的钢的生产线。
对铁水进行预处理，以降低硫含量。
吹进碳化钙。
在日本，铁水被脱硅脱磷。
采用所谓的小渣量工艺，磷含量可被降低到极低水平。
.
在出钢重量大约250t的大型转炉上生产出超过80%的钢。
通过多孔砖，从底部吹氩或吹氮。
图3显示，通过大量注入氩气，不增加渣中Fe含量，可降低终点磷含量。
出钢时必须无渣，使用浮塞、陶瓷球或滑动门系统，在转炉中阻挡渣。
在出钢过程中，添加主要合金和脱氧成分，以促进小非金属颗粒的凝固，并有利于去除这些颗粒。
一些钢厂使用钢包炉（LF）。
磷含量较低（图4），可通过电力加热熔体。
然后在钢包炉添加合金元素并脱硫。
脱硫渣应完全覆盖钢水，以免周围空气使其氧化还原。
图3底部供气对终点磷含量的影响
图4出钢温度对终点磷含量的影响
氢被减至小于1ppm，硫被减至小于10ppm。
除气器允许取样、测量温度并添加合金。
添加的铝和其它添加物的氧化被限制为接近零的水平。
处理后，通过喂丝添加硅钙合金（CaSi）。
这种强处理允许MnS变形进入轧制期间不变形的CaS，并提高HIC性能。
添加绝缘粉，在钢包上加盖。
然后将钢包送至板坯连铸机。
2连续浇注
来自二次冶金的钢是洁净的。
在出脱氧产品时，由于出钢钢水流和重氩（氮）搅拌，氧化铝在湍流中被混凝。
它们上浮，与添加的石灰、脱硫渣积聚在一起。
必须在整个浇注过程中保持这种良好的洁净状态。
因此保护系统、惰性气体和钢水流动控制是非常必要的。
2.1钢包和中间包之间的防护
主要采用两种系统。
防护幕是一个陶瓷管，用与纤维密封将其钢包喷嘴相连，用氩冲洗。
该管深入到中间包中。
图5示出一个双压力盒系统。
在这样的情况下，旋转滑门有一个降低进入砂中的圆环。
以一定的超压，将氩气吹入容器中，以避免卷入周围的空气中。
在中报浇注期间，钢水流和液面的表面未受到保护。
钢可能被氧化还原，总氧和氮量增加。
图5双盒防护系统
图6显示，通过与来自钢包的洁净钢重新混合，总氧和氮量大幅度下降。
实现大约15ppm的全氧量并处于稳定状态，大约需20分钟时间。
然后将钢包运送到右边的浇注箱，打开电渣检测系统。
大部分下渣可得以避免。
图6氧和氮的时间剖面
渣量被限制为几kg，保留在箱内。
主浇注箱很洁净。
图7来自渣检测系统的信号
图7示出AMEPA系统的典型信号。
报警声是尖利的，钢包水口自动关闭。
流入中包的渣被乳化，氧化物夹杂被送进连铸流中。
渣检测系统得到了进一步开发，以降低下渣重量。
但是，必须牢记，留在钢包中的钢随渣量的降低而增加。
图8示出结果。
通过显微镜扫描，进行了大约100cm2的的大面积研究。
每cm2的夹杂物数量随直径的增加而下降。
大型夹杂物很少。
上面的曲线示出乳化渣的数值，下面的曲线示出脱氧和氧化还原产物，粒子尺寸为33—64μm。
图8作为尺寸一个函数的有下渣和无下渣的夹杂物数量
当然，还会出现较小的夹杂物，但在研磨而未抛光的试样上，很难检测到这些夹杂物。
对于如果对钢产生影响的渣，尺寸增加到150μm。
即使这些夹杂物尺寸更大，在冶金研究的大面积平行面上也是很少被发现的。
发现氧化铝也是同样的情况。
图9表明，单压力盒改为双压力盒以及最后但并非不重要的是渣检测系统，导致洁净度改善。
连续浇注过程中钢坯过渡段的截留率被降低，钢坯尾部降低得更多。
像预期的一样，开始状态保持不变。
中包对去除夹杂物非常重要。
这与流型有很大关系。
湍流塞使钢流速度降低，导致向上流动。
钢向弯月面移动，到达中包侧壁。
与弯月面的距离较小有助于去除夹杂物。
撇渣器小坝应安装在靠近钢包流的地方，以有足够的脉冲影响流动方向。
这尤其适用于对于低拉速连铸机。
图10中的清洗块可与中包底板合并在一起。
一个必须打开渣盖的氩气幕有助于非金属夹杂颗粒漂浮出去，在中包渣中溶解。
气体通过耐火材料的孔，将气体释放出去。
图11表明，在2.3m/min的浇铸速度下，这种清洗技术得到了改进。
很多试验结果证实这种系统的益处。
浇注速度从2.3降至1.0m/min使夹杂物数量进一步减少。
图11中包中氩气清洗和浇注速度对夹杂物数量的影响
2.2中包和结晶器之间的护板
用一个浸入式喷管保护中包和结晶器之间的钢流。
通常分叉喷管使熔体均匀分布。
必须避免非金属夹杂物的沉淀物干扰钢水流动。
为此，必须保持精确的钢包冶金、良好的防护和隔离状态。
图12表明，如果发生堵塞，结晶器中的钢流是不匀称的。
下面的图中有着强钢流的侧面的夹杂物比有弱钢流的那面的夹杂物多得多。
这意味着，钢水多夹杂物多，钢水少颗粒少。
这些结果已用一个单端口潜入喷管进行了检验。
图12板坯结晶器中的流动模式和夹杂物分布
夹杂物陷在凝固前沿。
喷管未显示出堵塞的迹象，即使钢流并不是总是稳定的。
钢流从右向左流动，即使在稳定状态下。
图13使用MIDAS连续板坯中夹杂物的分布
图13示出采用MIDAS试验方法，管线钢连续板坯中的结果。
带一个较窄的传动轴的潜入喷管较为合适，但更难处理。
通常通过栓塞杆喂氩气。
这支持一个合适的护板，帮助喷管免于堵塞，改善结晶器中的流型，尤其是在浇铸宽板坯时。
这种氩气技术能导致气泡分散，这种气泡不能上升到弯月面。
它们是导致氢致裂纹的氢阱，因此氩气不应被用于酸性气体服务的管线钢。
3夹杂物的尺寸和分布
大多数高强度低合金钢板坯连铸机是弯曲机。
非金属夹杂物在钢流中自由移动，并由于密度低而上升。
已讨论了需要板坯结晶器中的对称流型的问题。
下面将讨论粒子尺寸、夹杂物重新分布和从液态钢中去除夹杂物等问题。
图14示出夹杂物的分布情况。
根据微观研究的大面积试样阐述了这些研究的结果。
使用评定量表测得夹杂物直径。
图显示出不同夹杂物尺寸曲线。
图14夹杂物尺寸分布
很少见大型夹杂物，小夹杂物出现得频繁得多。
上下表面夹杂物的数量相同。
这代表来自中包的钢的洁净度。
夹杂物在初始凝固过程中直接凝结。
在液态熔体中，由于夹杂物的密度比钢的密度低，夹杂物上升。
在结晶器中，上下侧面的钢水变得较为洁净。
随着凝固的进展，内半径的坯壳阻止夹杂物上升并使其困在其中。
在上侧面形成一个夹杂物带。
能达30-40mm的最大壳厚。
下侧面一直保持洁净。
不同夹杂物尺寸的峰值不同。
大型夹杂物与小夹杂物更接近表面。
这将见解引入粒子的上升速率。
大型夹杂物比小夹杂物分离得快。
它们到达离弯月面较近的地方，在这里壳厚较小。
小型夹杂物上升较慢，到达的区域的壳已经增长至40mm厚。
夹杂物带是夹杂物从底部向上部移动的结果。
实现了平衡。
下侧面的洁净与夹上侧面夹杂物的增加正好对应。
4夹杂物的起源
非金属夹杂物主要有三种来源，如图15中条形图所示：
脱氧产物品、氧化还原产物、耐火材料造成的夹杂物。
涉及到保护渣。
很少发现来自耐火材料或设备的颗粒。
它们通常比较大，很容易在中包浇注开始时去除。
通过氧化铝对脱氧和氧化还原产物进行表征。
保护渣含有夹杂物中发现的氟化物。
结晶器的流型必须是一种不让保护渣乳化的形式。
图15有害夹杂物的来源
如描述所述，钢在不同容器的传输过程中的防护和粒子分离适宜的条件是必须控制的最重要的技术。
这从出钢过程中的熔化单元开始，在浇注过程结束。
什么是洁净钢？
钢产品中出现缺陷的原因通常是必须在炼钢过程避免的大型夹杂物。
夹杂物级别低是对洁净钢的要求之一，但不是唯一的要求。
“洁净钢”重点在于钢产品及其应用。
从这些角度来说，对于车体来说，轴承钢、近海设备和管线或冷拔钢丝的高强度应用，必要的洁净度可能差别很大。
应当认识到，应用产品厚度降低时，这些要求可能更苛刻。
在这种背景下，夹杂物的位置和形变能力非常重要。
二次冶金过程中的夹杂物工程技术是控制夹杂物形变能力的一种非常常用的措施。
铸坯中夹杂物的位置可能受机器设计、浇注速度和结晶器的流动控制的影响。
5检测系统
主要缺陷是超过40μm的大型夹杂物。
这种夹杂物很少，很难发现，像大海捞针一样。
“洁净钢的测量比生产更难。
”需要30kg重的大试样和MIDAS系统。
图16MIDAS或硫印比较氧化物洁净度的结果
硫印是另一种有价值的含硫钢检验系统。
微观研究适合微观清洁度，但由于检验体积太小，不能发现大型夹杂物。
对夹杂物检验结果进行了评判。
图16示出一种高强度低合金管线钢试样，该试样用于MIDAS检验。
左侧面显示出的窄面附近的MIDAS试样有大型夹杂物聚集在夹杂物带的迹象。
右侧的硫印不能显示出这些大型夹杂物，但可见很小的点，MIDAS图未显示出这样的点。
制备了扫描显微镜用试样以进行进一步研究。
图17示出大型夹杂物图像。
标出各种点。
分析结果是Al和Ca脉冲。
铝酸钙的起源是保护渣。
在同样的夹杂物中也发现了尖晶石。
在下面的图像中，不到10μm的很小的夹杂物显示出Ca和S脉冲。
喂硅钙线期间罐脱气后形成硫化钙。
粗大的铝酸钙夹杂物不含硫。
来自强钙处理的CaS足以标志出这些微小夹杂物。
大型夹杂物快速上升，在上侧的夹杂物带中积聚。
显微夹杂物不能上升那么远的距离。
它们扩展的范围超过板坯厚度的一半。
能够消除有关质量的前期的疑问，板坯实现了预期。
6结论
高强度低合金钢对夹杂物和偏析这样的内部缺陷比较敏感。
在炼钢和二次冶金中，硫、磷和氢元素被提取到极低水平。
在BOF和钢包底部穿过耐火材料块的强氩搅拌加速反应并有助于形成接近平衡的条件。
对于可变形的MnS向不可变形的CaS的转变，罐脱气后的强Ca-Si处理是非常必要的。
固态氧化铝夹杂进入不在耐火喷嘴中沉淀的液态铝酸钙中。
当钢水被强搅拌时，会发生铝脱氧。
脱氧产物的凝固和溶解被优化。
为了获得良好的分离状态，实现浇注产品中夹杂物的均匀分布，需要进行中包和结晶器中的流量控制。
必须通过套管、潜入喷管、氩气和渣进行的保护性浇注保持钢的非常良好的氧化物洁净度。
通过电子装置，避免来自钢包的下渣。
质量控制系统要求使用能发现少量对产品有害的大型夹杂物的大试样。
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