弹簧钢生产中的夹杂物控制

弹簧钢丝生产工艺技术quotquotquotquot第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况弹簧是一种常用的弹性工作元件，也是各种机械设备和仪器仪表上的基础零件。

它在周期性弯曲、扭转交变应力下工作，能产生较大的弹性变形，因而能把机械能或动能转变成变形能，或把变形能转变为动能、机械能。

它适用于缓冲或减震、机械的储能以及控制运动方向(如气门、离合器、制动器、调节器)。

弹簧在各种工业领域及人们日常生活中具有无法取代的作用。

各种机械、电器、仪器、仪表离不开弹簧，一辆轿车上弹簧的种类就有上百种。

家庭中的弹簧更是不计其数，只要用电池就要用弹簧。

从尺寸和重量上看，小弹簧只有米粒大小，而大弹簧的重量有几十公斤;价值上，别针只值几分钱，而航天飞行器上的专用弹簧价值几万元。

制造弹簧的主要原料是弹簧钢丝。

在线材制品生产中，弹簧钢丝无论在产品数量上还是品种上都占有很重要的地位。

数量上占优质钢丝产量的一半以上，品种上按不同的生产工艺、化学成分和用途可分为quot余种。

按生产工艺可分为冷拉、退火、油回火;按化学成分可分为碳素、合金、不锈钢;按用途可分为非机械弹簧、机械弹簧、气门弹簧。

既能制造普通弹簧，也能制造高级重要弹簧。

在使用上能适应低温、中温和高温工作环境，还能用于静载荷或动载荷。

其产量之高、品种之多、用途之广，是其他钢丝品种无可比拟的。

使用中对弹簧的要求是尺寸精度高，抗松弛性能好，疲劳强度高，能够在应力负荷下不产生松弛，并且在规定的疲劳周期内不会出现早期失效。

这就对弹簧钢丝的力学性能，主要是弹性和韧性，提出了相应的要求。

??quot??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况第一节弹簧钢丝的力学性能弹簧钢丝的力学性能本质上是由加工工艺决定的，其次是由材料中的碳和锰含量以及材料规格决定的。

弹簧钢丝的应用多半需要卷成螺旋弹簧，延展性是至关重要的。

抗拉强度本身并不重要，但它是弹性极限的可靠度量，是弹簧应用中的一个控制因素。

一、实验目的本次实验旨在通过对不同材料中的夹杂物进行观察和分析，了解夹杂物在材料中的形态、分布及对材料性能的影响。

通过对实验数据的分析，为材料的质量控制和性能改进提供依据。

二、实验原理夹杂物是指材料中非金属或金属的微小颗粒、液滴或气泡等杂质。

夹杂物在材料中会对材料的力学性能、耐腐蚀性能、电学性能等产生不良影响。

本实验采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对材料中的夹杂物进行观察和分析。

三、实验材料与方法1. 实验材料：本次实验选取了三种不同类型的材料，分别为A356铝合金、20MnCr5齿轮钢和60Si2Mn-Cr弹簧钢。

2. 实验方法：（1）样品制备：将实验材料制成金相试样，经镶嵌、抛光、腐蚀等工艺处理后，用于夹杂物观察。

（2）夹杂物观察：采用扫描电子显微镜（SEM）观察材料中的夹杂物形态、分布及大小。

（3）夹杂物成分分析：采用能谱仪（EDS）对夹杂物进行成分分析。

四、实验结果与分析1. A356铝合金夹杂物分析通过SEM观察，发现A356铝合金中的夹杂物主要为块状、针状和片状。

EDS分析结果显示，夹杂物主要成分为Al2O3、MnS和MgO等。

2. 20MnCr5齿轮钢夹杂物分析通过SEM观察，发现20MnCr5齿轮钢中的夹杂物主要为Al2O3-MnS复合夹杂物、MnS夹杂物和镁铝尖晶石等。

EDS分析结果显示，夹杂物主要成分为Al2O3、MnS、MgO和CaO等。

3. 60Si2Mn-Cr弹簧钢夹杂物分析通过SEM观察，发现60Si2Mn-Cr弹簧钢中的夹杂物主要为MgO-Al2O3尖晶石、CaS 和硫化钙等。

EDS分析结果显示，夹杂物主要成分为MgO、Al2O3、CaS和S等。

五、结论1. 夹杂物在A356铝合金、20MnCr5齿轮钢和60Si2Mn-Cr弹簧钢中均存在，且形态和成分有所不同。

2. 夹杂物对材料的力学性能、耐腐蚀性能和电学性能等产生不良影响。

3. 通过控制材料的生产工艺，如控制合金元素含量、优化熔炼工艺等，可以有效降低夹杂物含量，提高材料质量。

不同碱度精炼渣系对弹簧钢夹杂物的影响吴超;孙宜强;罗德信;鲁修宇【摘要】大颗粒不变形夹杂物是造成弹簧钢疲劳失效的主要原因.为了优化高级别弹簧钢55SiCr中夹杂物的组成、形态与分布,采用两次LF炉进站精炼方式,并在二次精炼过程中设计了两种不同碱度的渣系,通过氧氮分析仪、电子探针等检测手段对比分析两种工艺下钢中全氧含量、夹杂物尺寸与成分.结果表明,低碱度精炼渣使弹簧钢夹杂物成分趋近于Al2O3-SiO2-CaO系统中低熔点塑性化区间,但不利于大颗粒夹杂物的控制与消除；高碱度精炼渣使夹杂物的平均尺寸更小,分布更均匀,但夹杂物中Al2O3含量偏高；高碱度精炼渣有利于钢液的深脱氧,钢的洁净度更高,但需注意连铸过程中钢液的氧化.%The existence of non-deformable inclusions with large size is one of the major factors that cause the fatigue failure of spring steel.To optimize the composition,morphology and distribution of inclusions in high grade spring steel 55SiCr,two LF refining processes were carried out when two kinds of refining slag system with different basicities were designed and employed in steel making process.Total oxygen content,the size and composition of inclusions in spring steel were analyzed with oxygen-nitrogen analyzer and EPMA.It is concluded that refining slag with lower basicity makes the composition of inclusions in spring steel approaching to the plastifying zone with low melting points in ternary system of Al2O3-SiO2-CaO,but is unfavourable for the removal and control of inclusions with larger size.The slag with higher basicity contributes to the formation of inclusions with smaller and even size,but increases Al2O3 content in inclusions.Refining slag with higher basicity isbeneficial for deeply-deoxidation to achieve high purity steel,at the same time,reoxidation of molten steel during continuous casting process should be prevented.【期刊名称】《武汉科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(036)004【总页数】5页(P254-257,285)【关键词】弹簧钢;碱度;精炼渣;夹杂物;塑性化【作者】吴超;孙宜强;罗德信;鲁修宇【作者单位】武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉,430080;武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉,430080;武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉,430080;武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉,430080【正文语种】中文【中图分类】TF769.2疲劳断裂是弹簧钢的主要失效形式。

夹杂物控制方案夹杂物控制是高品质钢生产的关键环节，也是控制生产成本的重要环节。

非金属夹杂物降低了钢的塑形、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。

中厚板生产，采用铝脱氧工艺，容易出现B类夹杂超标，连铸过程往往在铸坯1/4处夹杂物富集，存在大量的大颗粒氧化物脆性夹杂，造成板材B类夹杂物超标。

除此之外，A类硫化物夹杂主要是在钢水凝固过程，随着温度的降低，1415℃时开始大量析出，1000℃左右全部析出，针对凝固过程控制冷却强度等控制A类夹杂物。

接下来要开展的工作方案如下：一、B类夹杂物控制改善1）转炉终点氧含量。

夹杂物的多少与钢水中氧含量有直接的关系，控制终点氧含量，通过副枪测定[%C]和[%O]，保证波动在C-O平衡曲线附近。

通过炼几炉235B钢种，统计一下转炉终点[%O].[%C]=0.16 T=1600℃ Pco=100KPa，得出理论[%O]=160ppm。

2）脱氧剂的选择。

ASM复合脱氧剂的脱氧能力大于单一Al脱氧剂，不同脱氧剂形成脱氧产物不同，脱氧剂的消耗量也不同。

选择不同的脱氧剂，加入量如何确定？3）严禁转炉出钢下渣，通过检测包渣（FeO+MgO）。

4）出钢脱氧后吹氩去除脱氧产物。

不同脱氧剂形成的脱氧产物不同，大部分为低熔点液态大颗粒产物，氩气流量的控制加速夹杂物的上浮去除。

5）精炼工艺。

根据进站[%O],目标[%O]决定喂多少铝线，在此基础上进行Ca处理，喂多少Ca线必须通过理论计算，生成C12A7。

根据钙处理后变性产物，决定精炼渣系成分的选择，包括碱度、MI指数、w[%FeO+MgO]、w[Al2O3]。

出站前，软吹气量控制，是根据流量计还是根据渣眼裸露直径？6）防止二次氧化。

全程保护浇注，长水口及浸入式水口氩封。

二、A类夹杂物控制改善硫化物夹杂主要是在钢的凝固过程析出，控制工艺从两方面下手：1、LF深脱硫，使得钢中[%S]降低；2、改善冷却条件，调整冷却速率，二冷配水如何使得MnS选分析出。

科技成果——弹簧钢中非金属夹杂物控制关键技术技术开发单位北京科技大学所属领域钢铁冶金成果简介弹簧钢广泛用于飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中，是制造各种螺旋簧、扭簧、板簧及其类似作用的其它形状弹簧的钢种。

弹簧工作在周期的弯曲、扭转等交变力条件下，经受拉、压、冲击、扭、疲劳腐蚀等多种作用，有时还要承受极高的短时突加载荷。

除表面脱碳、表面缺陷外，造成弹簧的疲劳断裂破坏的主要因素是钢中非金属夹杂物。

非金属夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布；另一方面，由于钢基体组织和性质制约，与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物的危害最大。

钢的强度水平愈高，夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。

因此，提高弹簧的疲劳寿命，关键要提高弹簧钢的洁净度，因此就要降低氧含量，减少非金属夹杂物的含量并改善夹杂物形态分布及尺寸。

（1）不锈钢冶炼脱氧及夹杂物预测热力学。

通过热力学计算预测了弹簧钢中Al-O、Si-O、Mg-O、Ca-O脱氧平衡曲线，以及多元符合脱氧情况下Al-Si-O、Al-Mg-O、Al-Mg-Ca-O和Al-Si-Ca-O等夹杂物生成相图。

通过热力学计算预测了渣钢反应过程中不同精炼渣成分对于钢中[Al]s和[O]含量的影响，研究表明高碱度有利于氧含量的降低，低碱度有利于钢中铝含量的去除。

通过建立了钢液凝固和冷却过程弹簧钢中夹杂物变化热力学计算模型，可以预测钢液凝固和冷过过程中MnS、TiN和氧化物夹杂的变化和析出规律。

图1 弹簧钢中Al-Si-Ca-O系夹杂物热力学稳定相图（2）铁合金洁净度对弹簧钢中夹杂物的影响。

通过正常合金炉次和合金优化卢比全流程夹杂物演变规律的对比，可以看出，合金的选择对于夹杂物的性质会有较大的影响。

在LF合金调整后夹杂物成分相差较大，优化合金可以有效的控制夹杂物中Al2O3含量，而对于MgO含量影响不大，提升夹杂物塑性化比例。

夹杂物控制工艺技术与理论刘建华、包燕平、崔衡教授北京科技大学冶金工程研究院liujianhua@李为缪，《钢中非金属夹杂物》，冶金工业出版社，1988董履仁，刘新华等，《钢中大型非金属夹杂物》，1991李代锺，《钢中的非金属夹杂物》，科学出版社，1983中国金属学会译. 洁净钢－－洁净钢生产工艺技术，冶金工业出版社，2006非金属夹杂物对钢性能及生产顺行的影响非金属夹杂物特征及来源分析夹杂物与钢液和炉渣反应热力学及夹杂物控制夹杂物研究方法及国内外夹杂物控制研究进展炼钢过程各工段夹杂物去除对策典型钢种清洁度研究（管线钢、IF钢、钢帘线硅钢等）图1 夹杂物控制思路夹杂物控制要求钢材性能和质量对夹杂物控制的要求用户对钢材性能的要求冶金设备、工艺、原料、流程等的要求冶金生产对夹杂物控制要求夹杂物对管线钢质量的影响管线钢中有害夹杂物1.1 各种夹杂对钢性能的影响有害影响Crack of DI CanFlaw of IF steelFracture of steel codeFatigue of bearing and valve spring steelsHydrogen induced cracking of pipelineNozzle clogging1.1 各种夹杂对钢性能的影响有益影响硫化物可改善切削性能；细小弥散的MnS及AlN可阻止硅钢初生晶粒的长大，促进硅钢二次再结晶，提高硅钢的磁性；氧化物冶金作用。

1）钢中夹杂物均是有害的？2）钢中哪些夹杂物对钢有益？有哪些有益作用？3）如何确定钢中夹杂物控制策略？1.1.1 对切削性能的影响硫化物夹杂增加钢中含S量，对切削性能有益（如提高刀具寿命）快速切削和快速切割钢：含S量大于0.3%。

硫是易切削钢中使用最早的易切削元素，易切削钢中的主导元素。

关键：使硫形成细小弥散的纺锤状或球状硫化锰。

不同的产品对硫化物的尺寸及分布要求不同。

缺点：导致钢横向机械性能的降低。

炼钢过程中夹杂物的生成与控制炼钢是一种重要的工业生产过程，其主要目的是通过将炉料（如铁矿石和废钢铁）放入高温高压的熔炉中，使其与还原剂反应产生炉渣和钢水。

在炼钢过程中，夹杂物是不可避免的产物，但若不控制好夹杂物的生成和处理，将会对钢材的性能造成影响。

一、夹杂物的生成1. 炼钢原料中的夹杂物在炼钢过程中，钢铁厂使用的原料炉料中也含有很多夹杂物。

铁矿石中可能含有磁铁矿（Fe3O4）、方铅矿（PbS）、非磁性氧化铁等难以还原的杂质，在还原反应中难以完全还原，会留下大量夹杂物。

还有一些废钢铁，其表面可能覆盖着石灰、尘土、油脂等污物，这些污物也会在钢水中成为夹杂物。

2. 熔炼反应中的夹杂物熔炼反应中，通常需要加入气体（如氧气、氮气、煤气等）和其他物质来促进反应的进行。

在炉内加氧气时，由于气流不稳定、温度较高等因素的影响，很容易将炉外的氧气和空气带进熔池内，形成气泡。

这些气泡在熔池中翻滚，不断向上升腾，并带走了一些夹杂物。

同时，由于熔池中的温度较高，很容易与炉壁和炉料发生接触，将其熔化并带进熔池中，也会形成夹杂物。

3. 结晶过程中的夹杂物在冷却结晶的过程中，由于钢水在温度、浓度和结构等方面的变化，也会产生一些夹杂物。

比如说，当钢水流经炉铁水口时，由于温度急剧下降，容易出现结晶，从而使炉渣、氧化膜、炉渣酸性物质等固体杂质一起形成夹杂物。

二、夹杂物的控制方法1. 提高原料炉料的质量钢铁厂应该选择优质炉料作为原料炉料，减少夹杂物的含量。

同时，还要在熔炼过程中掌握好炉料的添加量和时间，避免在钢水中形成夹杂物。

2. 控制还原反应通过控制熔炼反应的强度和时间，可以减少因反应不充分而产生的夹杂物。

此外，还可以在熔池中加入一定量的草酸钡等物质，使其转化为气态物质，从而带走气体，减少夹杂物的含量。

3. 控制冷却速度在炉外输送钢水时，要注意控制输送速度和冷却速度，避免钢水与空气接触时间过长，从而减少氧化膜和炉渣等物质的形成。

在钢水过程中应当尽量避免在冷却过程中结晶，可以采用一定的技术手段，如增加钢水的流动性、提高冷却速度等方法，避免夹杂物的形成。