第二篇洁净钢发展及钢中夹杂物控制

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第二篇洁净钢发展及钢中夹杂物控制

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2.1洁净钢定义洁净钢(Clean Steel)泛指O、S、P、H、N以及Pb、As、Cu、Zn等杂质元素低的钢种，1962年由英国学者Kiessling率先提出。 Σ O+S+P+H+N总和水平：– 20世纪60年代≤900ppm;– 20世纪70年代≤800ppm;– 20世纪80年代≤600ppm;– 20世纪90年代≤100ppm;– 2000年后≤50ppm。

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洁净钢对炼钢工艺要求去除有害元素超低C:汽车面板钢超低S:油气管线钢超低N:铁素体不锈钢，冷锻线棒材超低P:高压容器钢板

去除夹杂物超低O:轴承钢、汽车板形态控制：拉拔钢丝，管线钢

成分控制化学成分控制在较窄的范围，性能均一Institute of Ferrous Metallurgy

纯净钢洁净度控制水平表国内外先进钢铁企业的洁净钢生产水平

杂质元素控制，×10-6企业日本神户制钢日本新日铁德国蒂森韩国浦项制铁中国宝钢中国武钢中国攀钢中国鞍钢

C3 3 20<15 9

P20 25 15 15 40 18 20

S3 3 5 5-10 3.4 24 5

N10 14 15 11 12 12 20

H1.0 1.0 0.7<1.0 1.0 2.0 0.96

T.O5 5 10 5-8<15 10 18 18

合计33 52 65.7 80 67 81.4 74 63.96

钢种马氏体时效钢深冲钢深冲钢轴承钢 IF钢、管线 IF钢、管线深冲钢管线钢

工艺真空感应炉 LD+OB+RH LD+RH BOF+LF+RH BOF+LF+RH BOF+LF+RH BOF+LF+RH BOF+LF+VD

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不同钢种洁净度要求

表一些钢种对洁净度的要求产品汽车板和深冲钢板易拉罐钢高级别管线钢轮胎帘线钢滚珠轴承钢钢轨 D—夹杂物直径。洁净度 T.O<20ppm,D<50μm T.O<20ppm,D<20μm S<30ppm, D<50μm冷拔0.15-0.25mm, D<10μm T.O<10ppm,D<15μm备注防止薄板表面线缺陷防止飞边裂纹氢致裂纹，耐酸气腐蚀防止冷拔断裂延长疲劳寿命

T.O<20ppm,单个D<13μm,断裂，增加耐磨性链状D<200μm

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洁净钢的综合认识

洁净钢是一个“相对”概念；杂质含量降低到什么水平取决于钢种和产品用途；有害元素的降低程度取决于装备和工艺水平；钢中夹杂物数量、尺寸、形态分布应得到有效控制。

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2.2洁净钢总氧控制理论A→B炼铁过程矿石经还原、渗碳，变成铁水，其中氧由30%降低至2×10-6左右；

B→C炼钢过程经BOF吹炼脱碳，氧由2×10-6上升至5×10-4~ 1×10-3左右；

C→D精炼过程通过各种脱氧方式，再将氧降低至1×10-5或者更低。

图钢铁生产流程中氧位的变化

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总氧理论

钢中总氧=自由氧(活度氧)+夹杂物氧；活度氧可以利用氧传感器方便测得，被脱氧元素的热力学平衡所控制，

例如金属Al脱氧反应：

1873K,k=1.05×10-13,如果[%Al]=0.03-0.06,则[O]sol为3-5ppm;由于钢中自由氧受控于平衡反应，变化很小，因此，总氧基本可以代表钢中夹杂物中的氧含量水平。

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金属Al脱氧

Al是炼钢最有效的脱氧剂，故冶金中常有低碳铝镇静钢的说法，LCAK-Low Carbon Aluminum Killed Steel。但Al脱氧产生的脆性Al2O3夹杂物对产品性能产生不利影响，有时为了控制氧化铝夹杂的产生，也常采用Si脱氧，又称硅镇

静钢；用Al脱氧降低钢中总氧存在一个最佳区间。

图 1600℃铁液中的脱氧平衡

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不同的研究者进行的平衡实验证明，当[Al]=0.01%~0.02%时，对应的总氧量最小，达到2~5×10-6。

再增加[Al],T.O不降反升。

一般认为，当大量铝的脱氧产物形成且未能排出钢液时， T.O反而增加。

图用铝脱氧时钢中总氧量的变化

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真空下C脱氧在冶炼超低碳钢[C]<0.010%时，为避免钢液的过氧化而耗用过量铝，从而生成大量脆性、链状夹杂物，可采用转炉终点C控制0.05-0.06%,左图a点。然后在真空精炼(RH、DH、VD)时，利用真空下PCO降低，碳脱氧能力强的特点，将碳降低至0.01%以下，然后再用铝脱氧；

C O CO g

图 1600℃时的碳-氧平衡图

这种真空下碳脱氧生产超低碳钢的技术在 80年代中期至今被广泛采用。

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炉渣组成对T.O的影响真空处理钢包精炼

图出钢氧含量对钢包RH脱气时T.O的影响

图钢包顶渣成分与结晶器钢水中T.O的关系

为防止炉渣向钢液传氧，对钢包顶渣进行还原改质处理十分必要！Institute of Ferrous Metallurgy

炉渣改质化学反应：

表冶炼铝镇静钢时对钢包顶渣的还原处理

企业Inland Steel, No.4 BOF Shop神户制钢 Algoma Steel, Canada Sollac Dunkirk France韩国浦项 JFE福山台湾中钢集团武钢第三炼钢厂宝钢

钢包渣中(FeO+MnO)改质前(FeO) 8.1%, (MnO) 5.2% (FeO) 30% (FeO) 12%-25% (FeO+MnO) 9%-18% (FeO) 26.8%, (MnO) 4.7%

年份1990 1991 1999 1997 1998 1996 1996 2000 2000

改质后(FeO) 2.4%, (MnO) 1.4% (FeO) 0.64%-1.23%, (FeO) 1.5%, (MnO) 0.8% (FeO) 2%-5% (FeO+MnO) 3%-5% (FeO)<2% (FeO) 6.8, (MnO) 5.5% (FeO)<1% (FeO)<2%

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2.3钢种对夹杂物特征的要求钢种 IF钢汽车深冲钢板易拉罐钢压力容器钢抗HIC钢(油气管)管线钢滚珠轴承帘线钢重轨钢最高纯净度，×10-6[C]≤30,[N]≤40, T.O≤40[C]≤10,[N]≤50[C]≤10,[N]≤30[C]≤30,[N]≤30, T.O≤20[P]≤70[P]≤50,[S]≤10[S]≤30,[N]≤35, T.O≤30 T.O≤10[H]≤30,[N]≤40, T.O≤15[H]≤2,[N]≤40, T.O≤20最小夹杂物尺寸，μm

100 20

100 15 10, 2

0 13/单个，200/群络

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2.4非金属夹杂物的变形特征轧制前a)轧制过程不易变形的“硬质”夹杂物 b)轧制过程中碎裂成小块的“脆性”夹杂

轧制后

c)轧制过程中的簇群状夹杂物 d)硬质夹杂物镶嵌在软夹杂物基体内 e)轧制过程易变形的“软”夹杂物

图热加工前后夹杂物形貌改变的示意图

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2.5洁净钢中夹杂物夹杂物来源：I. II. III.脱氧产物钢水二次氧化与耐火材料的反应和卷渣

夹杂物水平：1吨典型铝镇静钢中夹杂物个数：总数：107-109数量级； 80-130μm:约400个； 130-200μm:约10个； 200μm以上：不多于1个；其余均小于50μm。

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