高品质轴承钢LF--VD过程非金属夹杂物演变规律

对国内一钢厂EAF→LF→VD→CC工艺生产的高品质GCr15轴承钢进行系统取样,针对DS类非金属夹杂物随机性强的特点,利用能够进行大面积试样检测的ASPEX自动扫描电镜分析统计钢中非金属夹杂物的成分、尺寸、数量等信息。研究发现：GCr15轴承钢冶炼过程中非金属夹杂物主要为MgO- Al2 O3- CaO复合夹杂物和MnS,同时有少量的SiO2- Al2 O3和MgO-Al2 O3复合夹杂物;夹杂物尺寸主要集中在3~8μm,并有少量DS类夹杂物出现且尺寸范围波动很大,最大可以达70μm以上,形貌为圆形或近似圆形;VD有较强的去除夹杂物功能,经过VD真空精炼,夹杂物中CaO含量有增加趋势;吊包至铸坯过程,夹杂物成分向Al2 O3含量增多的区域移动,最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高Al2 O3含量(≥80%),少量MgO (<20%)和低CaO(<5%)的区域;DS夹杂物的生成和去除具有较强的随机性。     

Ti-Mg复合脱氧钢中夹杂物细化机制

为了探讨钢中细小夹杂物的形成机制,采用扫描电镜和能谱仪表征了钢中夹杂物的形貌、尺寸、成分及数量,理论计算了脱氧产物的生成优势区图,讨论了夹杂物长大的影响因素.钢中夹杂物的组成以MgO-A12 O3-TiOx为核心,表面包裹析出MnS,钢液中未发现单独的Al2O3和TiOx夹杂;夹杂物的形貌为近球形,平均尺寸为1μm左右,数量在1000 mm-2以上.镁含量较高的钢中含有少量以MgO-Al2O3和MgO为核心的夹杂物,不利于夹杂物的球形化,镁含量宜控制在50×10-6以下.镁的脱氧能力强,形核临界尺寸小、形核数量多以及钢液中镁、铝和钛复合脱氧的高熔点产物的特性有效地控制了钢中夹杂物的扩散与碰撞长大趋势.     

应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究。结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究。当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度。对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%。实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义。     

RH精炼过程钢中非金属夹杂物行为及演变规律

以RH精炼为研究对象,在不同时间节点取样,采用金相显微镜、SEM等手段研究了钢中夹杂物成分、数量、尺寸分布的变化规律,并对RH过程夹杂物的碰撞聚合、长大、去除行为进行了讨论.结果表明:RH精炼过程中夹杂物的去除明显,软吹结束后,几乎没有大于10μm的夹杂物.随精炼时间延长,夹杂物平均粒径变化不大,但单位面积夹杂物数量显著减少,而夹杂物面积比呈先增大后降低的趋势.弹簧钢中硅酸盐夹杂物具有一定的硫容量,可形成边缘为富硫相,内核为硅酸盐的双层夹杂物.由于RH内钢水的强烈混合,固态夹杂物极易被液态铝酸钙夹杂物捕获,形成镶嵌特征的复合夹杂物.     

EAF-LF(VD)-VT工艺生产曲拐用钢S34MnV的洁净度研究

针对EAF-LF(VD)-VC工艺生产的大型船用S34MnV曲拐探伤不合的问题,分别在电炉还原期、LF-VD精炼期、浇注和锻造后钢锭取样对钢中夹杂物进行了研究.结果表明,精炼期间大于15μm的夹杂物比例波动在1.65%～10.34%之间;钢锭横截面上凝固前沿的柱状晶截获夹杂物的几率不同,帽口中心部位大型夹杂物含量少于边部试样夹杂物含量为5.81mg/10kg;钢锭尾部中心部位夹杂物含量高于边部试样夹杂物含量为25.9mg/10kg;锻造钢锭中夹杂物富集严重,其中尾部DS类夹杂达到了4级以上.钢锭锻造后尾部含有大型夹杂物聚集部分不能完全切除是目前导致产品探伤不合的一个主要原因.     

钢液中夹杂物的碰撞长大及去除率

结合酒泉钢铁集团公司实际生产参数,通过理论分析和计算,研究了钢液中夹杂物碰撞长大的影响因素及去除率.增加搅拌能,升高钢液温度都有利于促进夹杂物间的碰撞.在夹杂物碰撞过程中,湍流碰撞起主要作用.适合于碰撞去除的夹杂物半径在1～13μm之间,其去除率为41.2%～87.8%.     

石油钻杆钢冶炼过程中夹杂物的析出和衍变

系统分析了国内某钢厂复合脱氧工艺下Cr Mo石油钻杆钢夹杂物在EAF-LF-VD-CC流程中的析晶和衍变规律.由于铝酸盐的上浮,LF冶炼前钢中T[O]含量较低,冶炼过程中氮含量逐渐升高.电镜下钢中大尺寸夹杂物(50μm左右)只出现在LF-VD阶段,主要为低熔点的硅锰酸盐、包含Na2O的混合物和含有少量Ca O的镁铝尖晶石,中间包阶段大尺寸夹杂物完全消失.小尺寸夹杂物(<10μm)出现在精炼全过程中,主要成分是Mg、Al、Si和Ca的复合氧化物、Ca S以及二者的复合物,LF冶炼前到中间包阶段小尺寸夹杂物粒径相似,铸坯中其粒径稍微增加.随着精炼过程的进行,钢中小尺寸夹杂物的成分逐渐向复合氧化物的低熔点区域转移,夹杂物中Ca O和Mg O含量存在竞争关系.铸坯中大型夹杂物(>100μm)包括卷渣引起的复合夹杂,耐材剥落产生的Mg O-Ca O夹杂和钢液内生的铝酸盐夹杂.内生铝酸盐与精炼过程中小尺寸夹杂物成分相似,外层包覆Ca S,轧制过程中容易破碎成链状引发钻杆钢裂纹.建议适当延长VD处理后钢液的镇静时间,以去除钢中大型铝酸盐夹杂,提高钻杆钢质量.     

PM Rene 95合金中夹杂物的微观力学行为

采用人工植入Al2O3夹杂物的试样,通过SEM原位观察及非线性有限元分析,研究了在单轴拉伸条件下P/MRene95合金中夹杂物与基体的相互作用机理.结果表明,不同尺寸及位置的夹杂物对拉伸进程影响不同;夹杂物/基体界面的裂纹萌生及扩展取决于界面附近基体材料的应力状态.     

无取向硅钢RH精炼过程中夹杂物行为研究

针对无取向硅钢RH精炼工艺各阶段现场取样,系统研究了钢中夹杂物数量、尺寸及成分的演变规律及钢水的洁净度变化。结果表明,钢中夹杂物主要是Al_2O_3及其复合夹杂,尺寸大部分集中在0～2μm,形状以球形和椭球形为主。从RH进站到RH出站,钢中夹杂物数量不断减少,共减少了9.63个/mm2,而尺寸小于1μm的夹杂物仅仅减少了0.85个/mm~2,可见细小夹杂物去除效果不明显。加Al脱氧一个循环时,夹杂物体积百分数下降最快,平均去除率为71.6%,钢中平均总氧含量下降了70%,钢液的洁净度明显提高。但铝脱氧后生成大量细小夹杂物,且随着加Al循环的进行有明显长大的趋势。适当延长铝脱氧的净循环时间,可能是促进细小夹杂物充分长大去除的有效途径。     

感应加热中间包夹杂物的运动及去除

针对某钢厂双通道式感应加热中间包,建立了三维非稳态数学模型来研究感应加热中间包内夹杂物的运动行为和去除率.从力平衡原理出发,采用欧拉-拉格朗日方法分析了感应加热中间包内夹杂物的运动行为.建立了感应加热情况下夹杂物碰撞长大的数学模型,考察了夹杂物碰撞长大对其去除率的影响.结果表明,钢液流过通道受到紧箍作用,夹杂物会受电磁压力作用而向通道壁面运动,有利于夹杂物的去除;碰撞长大能够显著提高小粒径夹杂物的去除率;感应加热有助于夹杂物的去除,尤其是小粒径夹杂物.     

高品质GCr15轴承钢二次精炼过程中夹杂物的演变规律

采用FE-SEM/EDS研究了转炉流程生产的GCr15轴承钢LF、RH精炼过程中夹杂物的演变规律,分析了其演变机理。结果表明:钢中复合夹杂物的演变规律可归纳为:Al2O3→MgO·Al2O3→(CaO-MgO-Al2O3-(CaS))复合氧化物夹杂和Al2O3→(Al2O3-MnS)→(Al2O3-MnS-Ti(C,N))复合氧硫碳氮物夹杂2种方式。LF精炼过程脱硫作用明显,钢中的硫化物夹杂数量大幅减少。LF精炼初期钢中主要是MnS、Al2O3、TiN的单相夹杂物。LF精炼结束后钢中的夹杂物演变为Al2O3为核心外包氧化物及MnS、TiN、Ti(C,N)、CaS的复合夹杂物。精炼渣中的CaO和耐火材料中的MgO经还原后与钢中溶解氧反应导致LF精炼结束时D类夹杂物增加。RH及软吹处理进一步强化了去除钢中的硫化物,但D类及其与A、T类复合的夹杂物含量增加。在LF阶段,夹杂物尺寸主要集中在1~3μm范围内,到RH阶段,夹杂物尺寸则主要集中分布在小于1μm的粒度范围。最大夹杂物尺寸由10.79μm降到5.68μm,单位面积夹杂个数由372个/mm2降到258个/mm2。RH及软吹处理有效地降低了钢中大于3μm的夹杂物。     

BOF--LF--CC生产SWRH82 B硬线钢的洁净度研究

采用系统取样与实验室综合分析,对BOF-LF-CC工艺生产的SWRH82B钢洁净度衍变规律进行研究。结果表明,钙处理后钢中T[ O]和显微夹杂物数量显著下降,轻微增氮;浇铸过程增氧增氮严重;铸坯中<5μm显微夹杂占97%,主要是棱角分明的纯Al2 O3夹杂,球状复合氧化物与CaS和MnS的复合夹杂,简单氧化物或氮化物与MnS的复合夹杂;LF精炼后钙处理,脱氧显著,但使得铸坯中出现很多Al2 O3硬性夹杂,对SWRH82B盘条质量造成严重的危害;中间包结构不合理,卷渣、内衬侵蚀和二次氧化严重,连铸过程钢液洁净度下降。     

稀土处理C-Mn钢显微组织和夹杂物演化

对稀土处理C-Mn钢的夹杂物和显微组织进行分析,统计稀土处理C-Mn钢中针状铁素体形核核心尺寸,并将稀土处理钢在不同温度下淬火,研究稀土夹杂物生成和长大过程. 实验结果表明:C-Mn钢加入少量稀土后钢中夹杂物从MnS﹢硅铝酸盐夹杂转变为La2 O2 S﹢LaAlO3 ﹢MnS﹢硅铝酸盐夹杂,尺寸得到细化,显微组织也从马氏体﹢贝氏体组织变成侧板条铁素体、针状铁素体和块状铁素体组织;稀土处理C-Mn钢中针状铁素体有效形核核心的尺寸集中在1~4μm,主要是在钢液中形成,冷却和凝固过程形成的数量较少;稀土夹杂物在钢液温度和冷却及凝固过程容易碰撞黏合长大,上浮从钢液中去除, MnS能在稀土夹杂物颗粒间析出.     

Determination of inclusions in liquid steel after calcium treatment

Nozzle blocking was eliminated by calcium-treated liquid steel through changing the chemical and phase composition of alumina inclusions in aluminium-killed steel. Three different methods were applied to determine the composition of inclusions in liquid steel: total oxygen content samples, sampling spoon samples, and “lollipop” steel samples. The results show that calcium modification of liquid steel influences the inclusion composition varying from 2wt% to 14wt% depending on the method used. The composition of inclusions contains mainly Al₂O₃-CaO only, or is associated with SiO₂ or MgO depending on the initial input. The methods used in this study are indicators of the inclusion composition but can be improved to quantify the inclusion size.     

钙处理过程夹杂物演变及热力学分析

通过检测分析钙处理前后钢中夹杂物的形貌和成分的变化,探讨钢液钙处理过程中夹杂物演变规律.利用热力学计算,优化钙处理工艺.结果表明,钙处理可以将钢液中不规则固态夹杂物改性为球形液态夹杂物;1873 K下,当[ Al ]为0.030%时,[O]控制在5×10-6~17×10-6,[Ca]控制在0.7×10-6~30×10-6,钢中夹杂物变性效果良好;当[Al]为0.030%时,[ S]控制在6×10-6~19×10-6,既能使钢中Al2 O3夹杂生成液态铝酸钙夹杂物,同时又可以减少CaS生成.     

不同洁净度条件下253MA钢中夹杂物的析出行为

基于多相多组元反应平衡原理及凝固过程固液相界面的溶质再分配理论,建立了253MA钢凝固过程中夹杂物析出与溶质元素偏析的耦合热力学模型,并验证了模型预测的准确性.在本模型计算条件下,253MA耐热钢中析出的夹杂物主要为Ce2O3,Ce2O2S,Ce3S4,CeS,CeN,SiO2,MnS.当氧的质量分数低于0006%时,Ce2O3夹杂析出的条件为［%O］/［%S］＞1;当氧的质量分数高于0006%时,Ce2O3夹杂析出的条件为［%O］/［%S］＞2.当氧的质量分数低于00046%时,若［%O］+［%S］＞0009,则耐热钢中可以析出Ce3S4,而CeN夹杂无法析出;若［%O］/［%S］＜1,则钢中可以析出CeS夹杂,且随着硫的质量分数的增加,CeS逐渐向Ce3S4转变.当氧的质量分数高于00046%时,CeN夹杂析出的条件为2［%O］+［%S］＜0014.     

坩埚材质对55SiCr弹簧钢中夹杂物的影响

实验采用MoSi₂炉研究了MgO,MgO-CaO两种耐火材料对55SiCr弹簧钢中夹杂物的影响.结果表明,MgO,MgO-CaO两种坩埚冶炼均能使钢种成分控制在目标范围内,但与MgO坩埚相比,MgO-CaO坩埚净化钢液的效果更好:一方面,经MgO-CaO坩埚冶炼的55SiCr弹簧钢,钢中P,S,酸溶铝［Al］_s 以及全氧T.O质量分数分别降低至56×10^-6,10×10^-6,≤5 ×10^-6,以及4×10^-6;另一方面,钢中夹杂物的平均直径由1.376μm降低至1.222μm,夹杂物尺寸＜2μm的比例由79%上升至89%.这主要是因为碱性MgO-CaO坩埚兼具脱磷、脱硫、脱氧的作用,同时CaO还能与钢中的Al₂O₃夹杂物发生反应,生成熔点更低的复合夹杂物,因此更容易上浮去除,进一步净化钢液.