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浅析连铸坯中非金属夹杂物_杨洪涛

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浅析连铸坯中非金属夹杂物

杨洪涛

(包钢(集团)公司炼钢厂,内蒙古　包头014010)

摘　要:本文着重分析了连铸坯中非金属夹杂物的来源以及在铸坯中的分布状况,阐述了生产洁净钢在连铸生产中,应采取的措施。关键词:连铸坯;非金属夹杂物中图分类号:TG115.21+3 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2001)S0-0053-05

1　前言

连铸坯中存在的非金属夹杂物,对钢的产品质量将会带来极大的危害。因此减少连铸坯中非金属

夹杂物,使其具有高清洁度,以保证钢的质量,对连

铸生产至关重要。随着模铸的淘汰,钢水的连铸就

是当今主要的生产工艺方法。世界上一些大的钢铁公司生产对质量要求高的钢种如:钢帘线、轴承钢、

管线钢、重轨钢、汽车板钢、深冲板钢等都采用了连

铸生产工艺。连铸坯中非金属夹杂物的来源比较复杂。因为

从出钢后到中间包开浇,钢水与耐火材料接触时间

长,二次氧化机会多以及出钢过程的脱氧产物、挡渣

失败都易使钢水被污染。另外结晶器保护渣的卷入及结晶器内钢水的强制对流,夹杂物被带到液相穴

深处无法上浮。所以连铸生产过程中采用合理的操

作工艺及技术,采取一切措施尽可能最大限度地去除钢中的非金属夹杂物,已成为连铸生产的关键。

随着技术的发展,钢中的夹杂物的浓度可控制得越

来越低,即使存在一定的夹杂物也可使其变性。

2　连铸夹杂物行为

2.1　钢中夹杂物

钢中非金属夹杂物一般称为夹杂物。从夹杂物尺寸、大小来分可分为:显微夹杂物和宏观夹杂物。显微夹杂物尺寸比较小,不大于50μm,一般在20μm

以下,此类夹杂物均匀地分布在钢中,主要来自钢中

的脱氧产物、浇注过程中的二次氧化产物。宏观夹杂物为大型夹杂物,尺寸大于50μm,这类夹杂物颗

粒大,数量少,主要是外来夹杂。此类夹杂物在钢中

呈偶然性分布,对产品质量危害最大。根据化学成

份的不同来分,一般为:氧化物系夹杂物、硫化物系夹杂物和氮化物夹杂物[1]。氧化物夹杂有:简单的

单质氧化物,FeO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、MnO等,在镇静

钢中,用硅铁或铝脱氧时,则SiO2和Al2O3比较常见;复杂氧化物,包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝

酸盐,FeO.Al2O3、MnO.Al2O3、MgO.Al2O3等;硅酸盐

和硅酸盐玻璃,此类夹杂物组成复杂,常常是多相

的。其化学通用式为:1FeO.mMnO.nAl2O3.pSiO2。硫化物夹杂主要是:FeS、MnS等。一般钢中硫化物

夹杂的成份取决于钢中的含锰量和含硫量的比值,

锰比铁对硫有较大的亲和力,向钢中加入的锰优先形成的是MnS,所以通常钢中的硫化物主要是MnS。

当钢中有Al、Ti、Zr等元素存在将形成氮化物夹杂。

钢中AlN的颗粒非常小。TiN或ZrN在钢中实际不

溶解。根据夹杂物的形态来分类有:塑性夹杂、脆性夹杂和不变形夹杂。塑性夹杂在加工过程中沿加工

方向延伸成条带状,较低熔点的硅酸盐以及FeS、

MnS夹杂属于这一类。而脆性夹杂在加工过程中不变形,沿加工方向破裂成串。尖晶石型复合氧化物第27卷增刊2001年8月包　钢　科　技Science&TechnologyofBaotouSteel(Group)CorporationVol.27,SupplementAugust,2001

收稿日期:2001-03-16作者简介:杨洪涛(1959-),男,山东省高青县人,1992年毕业于北京科技大学钢铁冶金专业,获硕士,现任包钢炼钢厂连铸车间副主任,高级工程师。以及钒、钛、锆的氮化物等高熔点、高硬度夹杂属于

这一类。不变形夹杂在加工过程保持原来的球点

状。SiO2、含SiO2较高(>70%)的硅酸盐、钙的铝酸盐和高熔点的硫化物(CaS等)为这一类型夹杂。

2.2　连铸坯中夹杂物

连铸坯夹杂物对产品质量带来极大的危害。随着技术的发展及市场需求,对钢的性能要求越来越

高,要求钢中的夹杂物越来越低。如:管线钢要求[S]<10×10-6,甚至(2～3)×10-6,轴承钢T[O]<10×10-6,钢轨钢T[O]<20×10-6,单个夹杂物直

径D<13μm,轮胎钢芯线则要求夹杂物直径D<10μm。如表1所示[2]。

　表1　钢的洁净度要求

产 品洁净度备 注

汽车板T[O]<20×10-6D<100μm防薄板表面线状缺陷

深冲罐T[O]<20×10-6D<100μm防飞边裂纹

防罩屏D<5μm防止图象浸蚀

轮胎钢芯线冷拔0.15～0.25mmD<10μm防冷拔断裂

滚珠钢T[O]<10×10-6D<15μm增加疲劳寿命

管线钢T[O]<15×10-6D<10μm酸气腐蚀

钢轨T[O]<20×10-6D<13μmD<200μm断裂

家电用板T[O]<30×10-6D<100μm银白色线条缺陷

备注:D为夹杂物直径

连铸坯内的夹杂物来源比较广泛和复杂,主要

是:(1)炼钢过程脱氧产物。这部分夹杂主要是氧化

物,是钢液中未上浮的脱氧产物,其尺寸小于20μm者居多,通常都在50μm以下,与钢中的氧含量有

关。通常是单相的晶体和尺寸较大串族状Al2O3以

及硅酸盐的复合相。这类夹杂物在钢水的精炼过程中采用合适的精炼工艺完全是可以将其去除的。(2)浇注过程中钢液与空气的二次氧化产物。钢液

中的元素在浇注过程中与空气中的氧、耐火材料和炉渣中的氧化物发生化学反应所产生的二次氧化产

物。注流与空气接触的直接氧化、注流卷入空气与

钢水的相互作用、包衬耐火材料与钢水的相互作用及机械卷入钢液内部悬浮液滴与钢水作用。在钢包※中间包※结晶器浇钢过程中,长水口及浸入式水口直径小,接触面积大,若长水口吹氩保护不好,吸入空气及钢包不能自动开浇,钢水长时间暴露在空气中中间包覆盖剂加入不及时,钢水与空气接触二

次氧化更为严重。根据文献[3]介绍,钢包开浇到钢水进入结晶器钢水中[Al]的变化为:钢包※中间钢

水中[Al]的氧化占总氧化损失的35%,中间包注流

冲击区卷入空气[Al]的氧化损失为30%,包衬和卷入渣子[Al]氧化损失约25%,水口耐火材料使[Al]

氧化损失10%。可见钢水与空气接触二次氧化使[Al]损失占总损失的60%以上,所以长水口吹氩保

护不好二次氧化是严重的。二次氧化产物,一部分在中间包内上浮分离,一部分由注流带入结晶器卷

入液相穴深部成为铸坯夹杂物。因此减少钢中夹杂

物,采取严格的保护措施,防止钢水的二次氧化是十分重要的。

图1　连铸浇注过程中易产生二次氧化的部位1-渣/钢;2-钢/空气;3-包衬/钢;4-卷入气泡和炉渣质点;5-耐火材料/钢;6-保护渣/钢

(3)精炼及浇注过程中所用耐火材料的侵蚀物和剥

落物。在钢水的精炼过程中,钢包耐火材料不断受

到钢水的冲刷及炉渣的侵蚀,使得钢包内衬的耐火材料被冲刷侵蚀进入钢水中,使钢水的夹杂物增多,

这部分是外来大型夹杂物。钢水在浇注时,长水口、

中间包内衬及浸入式水口也将受到钢水的冲刷而剥落,进入钢坯中。大包钢水浇注完毕下渣也将对中

间包内衬进行侵蚀,产生侵蚀物进入钢水中。此类

型夹杂物尺寸比较大,不规则,偶然地在这里或那里

出现,不具有连续性,但是对钢质量的危害最大。由54包钢科技 第27卷于所用的钢包内衬、中间包内衬、长水口、浸入式水

口材质有所不同,在铸坯中产生的夹杂物也有所不

同,钢包内衬、长水口、浸入式水口多采用Al质,则将产生Al2O3等夹杂及以Al2O3为基的Al酸盐夹

杂。中间包内衬采用的是MgO质,则产生MgO夹杂

物及以MgO为基的酸盐类等大型夹杂。(4)精炼※

连铸过程中钢包渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣的卷入滞留在钢中形成的夹杂物。钢水的微调成分、

提温、脱氧及部分去除由转炉出钢过程带来的非金

属夹杂物。这些精炼工序的完成,一是要向钢水加入适量的合金,二是要造合适的渣以利于去除S等

杂质,三是需要采用适当量Ar2对钢水进行搅拌以

确保成分、温度均匀及有效地去除杂质等。但是Ar2的搅拌以及电极电弧对钢水的搅拌易使渣卷入到钢水中并滞留在钢中产生夹杂物。另外合金元素的加入有少量与钢中氧[O]反应形成脱氧产物滞留在钢

中也将是夹杂物产生主要原因之一。钢水在进行真

空处理过程中,大Ar2气量的吹入以及钢液面上方压力的降低C+O的激烈反应使钢水产生激烈的运

动都可将钢渣卷入到钢水中,这些也都将使钢中夹

杂物增多。中间包液面加入覆盖剂以利于钢水的保

温、吸附夹杂物,如果开浇过早或即将换中间包时液位控制过低、换大包时烧氧时间过长中间包液位过

低,覆盖剂就有可能被卷入到注流中进入到结晶器

内,不能及时上浮,在铸坯中产生大型的外来夹杂物。结晶器保护渣在钢液面控制不稳定波动较大、

浸入式水口插入过浅有卷入钢中的可能,被凝固的

钢水所捕捉,形成钢中夹杂物。究竟在铸坯中产生

何种夹杂,取决于钢包渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣的成分。其成分见表2所示。

　表2　钢包渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣的主要成分

名　称CaOSiO2MnOMgOAl2O3CaF2Fe2O3FeOSK2ONa2O

钢包渣5320.90.39-7.3217.2-0.90.4--

覆盖剂32.3433.53-3.7312.29-2.79----

保护渣2233-3.43.53-0.88--0.488.4

2.3　连铸坯中夹杂物分布行为

连铸坯中夹杂物的类型、数量和分布,取决于它的来源、机型和浸入式水口形式、插入深度,是与钢

流带入结晶器内夹杂物数量注流在液相穴深度、钢

流运动状态和铸机类型等有关。不同型的铸机,铸坯中夹杂物的分布是不同的。

就立式、立弯式、弧型连铸机而言。立式或立弯式铸

机,铸坯内夹杂物分布均匀,中心稍有聚集。对于弧型连铸机,根据铸坯内大型夹杂物聚集机理研究认

为[4]:夹杂物从内弧到外弧的分布是不对称的。外来的大颗粒夹杂物及易于上浮的内生、二次氧化的

复合相夹杂物(尺寸>50μm,一般在100～1300μm之

间的夹杂物)主要聚集在内弧侧,离内弧表面40～60mm,约是铸坯厚度的1/4处。见图2。

夹杂物沿内弧的聚集程度还决定于铸机的弧型半径。随着弧型半径增加,夹杂物向内弧面集聚机

率减少,见图3。

经研究认为:夹杂物分布,还与液相穴内的流动状态有关。在同一铸机条件下,注流在液相穴内浸

入深度越深,夹杂物聚集位置越向铸坯中心移动。注流在液相穴内浸入深度越浅,夹杂物聚集位置越向铸坯表面移动。如果注流过浅易将保护渣卷入钢

液中。见图4。

3　减少铸坯中夹杂物的措施

要减少铸坯中夹杂物,从以上分析看,首先必须

严格控制各操作工序,使进入结晶器内钢水,具有高的清洁度,较低的夹杂物数量及水平。其次防止钢水

的二次氧化,减轻钢水的二次污染,提高耐火材料质

量和降低耐火材料的熔损,提高工艺操作水平,减少

保护渣卷入钢液中。其主要表现在以下几个方面。

图2　大颗粒夹杂聚集示意图55增刊 浅析连铸坯中非金属夹杂物

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浅析硬线钢中非金属夹杂物

浅析硬线钢中非金属夹杂物

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浅析硬线钢巾非金属夹杂物

白映林周英豪何勇王翔夏辉华

(首钢贵阳特殊钢有限责任公司。贵州贵阳550005‘)

擅要：硬线盘钢制品时钢的纯净度，夹杂物的尺寸、分布以及形态都有严格的要求，非金属夹杂物又是影响硬线钢质量的主要因素．／L--。本文通过介绍硬线钢中非金属夹杂物的来源和分类。分析了不同类型夹杂物的形成机理及形貌。指出了非金属夹杂物对硬线

钢的影响和危害。关键词：硬线钢；非金属夹杂物；影响

引育

随着现代钢铁下业的高速发展，对钢材质量的要求越来越严格，尤其在纯净度方面。

然而在今天现有的冶炼条件下，钢中的非金属夹杂物又不bT避免。所以减少钢中非金属

夹杂物，对提高钢的产品质量显得至关重要。硬线钢是金属制品行业生产中高碳产品的主

要原料，用于加1二低松弛预应力钢丝、钢丝绳、钢纹线、轮胎钢丝、弹簧钢丝、琴丝等f11．对

钢的纯净度、夹杂物的尺寸、分布以及形态都有严格的要求。然而日前我国生产的各种硬

线钢丝普遍存在力学性能不稳定，拉拔断裂等严重质量问题，给后续加T带来了很大的

困难。有关研究发现钢中的脆性夹杂物是导

致拉断的主要原因。例如，非金属夹杂物会导致应力集中，引起疲劳断裂，数量多且分布不

均匀的夹杂物会明显降低钢的埋性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性等。本文通过对硬线钢中

非金属夹杂物的来源、形貌及形成机理进行综合分析．从而指出其对硬线钢性能的影响。

l非金属夹杂物来源和特征

1．1夹杂物的来源钢液中非金属夹杂物来源主要分为内生和外来。内生夹杂物是钢液在脱氧和凝同时

产生的。内生夹杂物主要是精炼到连铸过程中的脱氧产物及浇铸过程中钢液与空气二次

氧化的产物。其特点是10】越高．脱氧产物增加，夹杂物尺寸细小，钢包精炼后，大部分上

浮。一般情况下，对钢的质量不造成大的危害。外来夹杂物主要是冶炼和浇铸过程中带

人的夹杂物，如炉体、钢包、中间包耐火材料的侵蚀物，卷入的包渣和保护渣等，如炉料表

连铸钢中的夹杂物

连铸钢中的夹杂物

1 连铸钢中的夹杂物

张立峰1，王新华2

（1 Department Mechanical and Industrial Engineering, University of Illinois at UrbanaChampaign；

2 北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083）

摘 要：首先论述了连铸过程中夹杂物的来源，包括内生与外来夹杂，着重于二次氧化产物、卷渣、内衬侵蚀以及在内衬耐火材料上的夹杂物聚集；其次，论述了由夹杂物导致产品的各类缺陷，总结了目前评估钢洁净度的“技术状况”，讨论了多种直接和间接的方法。最后论述了在中间包和连铸机方面改善钢的洁净度的操作实践。

关键词：夹杂物；缺陷；板坯连铸机；工厂测试；检测方法

中图分类号：TG143.1+3 文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2005）01-0001-05

1 前 言

非金属夹杂物是影响铸坯质量的一个重要问题，造成铸坯修磨工作量的增加或产生废坯。Ginzburg 和 Ballas论述了连铸板坯和热轧产品的缺陷，其中很多都与夹杂物有关。钢的机械性能很大程度上取决于能产生应力集中的夹杂物和沉淀析出物的体积、尺寸、分布、化学成分以及形态。夹杂物尺寸分布尤其重要。虽然大型夹杂物在数量上远少于小尺寸夹杂物，但它们所占的总体积分数却有可能很大 。

随着氧化物或硫化物夹杂的增多，钢的延塑性有所下降。当高强度低延塑性合金中存在夹杂物时钢的断裂强度减小。类似的由夹杂物引起的性能下降可以在不同的应变速率（慢的、快的或周期性的）下进行的各种测试中观察到，如蠕变性能、冲击性能和疲劳性能。图1显示夹杂物造成的孔隙，这种孔隙能够引起裂纹。大型外来夹杂物可以引起各种缺陷如降低表面质量、抛光性变差、降低抗腐蚀性能和一些异常情况、线性以及分层缺陷。夹杂物还可降低抗HIC（氢致裂纹）性能。在轴承钢中最易造成疲劳源的是硬脆性的氧化物夹杂，尤其是超过30μm的大型氧化铝夹杂物。图2显示出降低氧含量至(3～6)×10-6可以降低大型夹杂物数量，与氧含量20×10-6的钢相比，轴承寿命至少延长了30倍。为避免这些由于夹杂物引起的问题，必须严格控制有害夹杂物的尺寸和出现数量，在铸坯中不应出现超过上限尺寸的夹杂物。表1为不同用途的钢中夹杂物限制尺寸 。 2

连铸板坯非金属夹杂物成因及行为研究

连铸板坯非金属夹杂物成因及行为研究

２００２年第２期　梅山科技　・３５・　

・试验研究・　

连铸板坯非金属夹杂物成因及行为研究　

刘友荣　（技术中心）　宋景欣程乃良　（炼钢厂）　

摘要：对梅山炼钢厂现有生产工艺条件下钢中非金属夹杂物的来源及其演变状况进行系统　研究，找出了其演变规律，摸清了现有装备条件下对夹杂物的控制水平。　关键词：夹杂物　大样电解保护浇注　

梅山炼钢厂１９９９年４月１８日投产，１０　个月即达设计能力。为进一步提高连铸板坯　的质量，技术中心和炼钢厂合作，对炼钢厂现　生产工艺条件下钢中非金属夹杂物的成因及　

行为进行系统研究，并提出改进措施。　

１　工艺条件和研究方法　

１．１　工艺条件　炼钢厂现有１５０　ｔ转炉两座；钢水经吹　

氩或ＬＦ炉处理后，由１台全弧型两机两流　板坯连铸机浇注成板坯。试验钢种为　

Ｑ２３５Ａ。出钢采用挡渣帽与挡渣塞双联挡渣　方式，出钢后加合成渣５００　ｋｇ。钢包至中间　包采用长水口保护浇铸。中间包采用上挡墙　

结构，内衬为镁质涂料，液面用覆盖剂进行保　护。单中间包连浇１３炉，中间包至结晶器带　有盲板装置防止溢钢，接缝处用氩封保护。铸　

坯拉速为１．０　ｍ／ｍｉｎ。　

１．２试验及研究方法　在中间包砌筑前加入中间包涂料中，涂　料用ＺｒＯ　做示踪剂，然后将涂料抹于中间包　内，烘干待用。保温剂用Ｐｒ　Ｏ　做示踪剂，在　

试验前与中间包保温剂混装，每袋２０　ｋｇ，开　

浇后加入中间包内，在浇铸过程中视情况再　补加。钢包钢样、中间包钢样用定做的取样器　

取大样。铸坯取样，沿拉坯方向分别在一个浇　次的头部、中部、两炉连浇处、尾部分别截取　长６０　ｍｍ的一块整个断面坯料，先做硫印、　

低倍分析，再取化学分析样，大样电解样和金　相样。对各取样点的钢样含氮量进行分析。　

２试验结果　

２．１　［Ｎ］含量变化分析　

表１　［Ｎ］含量分析结果×１Ｏ　

炉号　钢包中间包铸坯ＡｘＥＮ］ｌ　ａＥＮ］２　１Ｏ１３４５７　２０　２４　３２　４　８　１Ｏ１３４５８　２０　２１　２６　１　５　２０１２４４６　２４　２６　—　２　—　２Ｏ１２４４７　２０　２４　—４　—　２０１２４４８　１７　１９　２１　２　２　１０１３４５９　３０　３０——０——　１０１３４６０　２８　２８　—０　—　２０１２４５０　２１　２３　２３　２　０　２０１２４５２　２１　２４　—　３　—　１Ｏ１３４６１　２４　２８　—４　—　１０１３４６２　—　３８　３５　０　—３　平均　２２．５　２４．７　２７．４　２．２　２．４　注：ＡｘＥＮ］ｌ钢包与中间包问的增氮量￣ＡＥＮ］２中间包与结晶　器间的增氮量。　

炼钢厂连铸技师考试题库附答案(400题)

炼钢厂连铸技师考试题库附答案(400题)

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炼钢厂连铸技师考试题库附答案（400题）

1.【判断题】炼钢过程中碳氧反应生产的产物是CO2。

正确答案：错

2.【单项选择题】铸机生产时发现铸坯外弧有呈规律分布的凹坑，凹坑的间距为628mm，则产生凹坑处辊子直经为（）.

A.314mm

B.628mm

C.200

D.384

正确答案：C

3.【判断题】脱硫、脱磷都需高碱度、大渣量，不同的是脱硫需要高温，低氧化铁，而脱磷则相反。

正确答案：对

4.【问答题】火焰切割机的主要参数包括哪些？

正确答案：火焰切割机的主要参数包括气体压力、耗量、切割速度及最小

本题解析：试题答案火焰切割机的主要参数包括气体压力、耗量、切割速度及最小定尺长度等。这些参数随切割方式不同而有所变化。

5.【判断题】中间包水口堵塞有两种情况，一是冷钢堵，另一种是夹杂堵。

正确答案：对 2 / 76

6.【填空题】拉矫机按矫直方式可分为单点矫直、（）、渐近矫直、连续矫直等型式。

正确答案：多点矫直

本题解析：试题答案多点矫直

7.【判断题】弧形连铸机的高度主要取决于所浇铸坯的大小。

正确答案：错

8.【判断题】按连铸机型不同，结晶器可分为直型和弧型两大类。

正确答案：对

9.【填空题】用同位素法监测并控制结晶器液面是由（）、探测器、信号处理及输出显示等部分组成。

正确答案：放射源

本题解析：试题答案放射源

10.【单项选择题】结晶器液面应控制在离上口（）mm处.

A.20-40

B.60-80

C.20-60

D.20-100

正确答案：B

11.【问答题】对于250mm×1200mm连铸机断面，拉速1m/min，二冷水总量2340L/min，它的冷却比是多少？（铸坯密度为ρ＝7.8t/m3，保留两位小数）

正确答案：解：δ＝W/（abVρ）＝2340 3 / 76

本题解析：试题答案解：δ＝W/（abVρ）＝2340/（0.25×1.20×1×7.8）＝1000L/t