1、,現(xiàn)代鋼鐵冶金工程,Contents,鋼液的脫氧反應(yīng),鋼中的非金屬夾雜物,復(fù)合反應(yīng)的解析,6.1 鋼液的脫氧反應(yīng),1,2,3,鋼液的溶解氧含量,固體鋼中氧的溶解度變化,氧對(duì)鋼性能的影響,6.1 鋼液的脫氧反應(yīng)—脫氧的必要性,4,鋼液的脫氧,,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的溶解氧含量,6．1．1．1 鋼液的溶解氧含量在氧氣轉(zhuǎn)爐和電弧爐煉鋼過(guò)程中，均采用向金屬熔他供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質(zhì)的方法。為了獲得高的反應(yīng)效率，必

2、須向熔他供入充足的氧，在冶煉臨近結(jié)束時(shí)，鋼液實(shí)際上處于過(guò)度氧化狀態(tài)，即鋼液中含氧量高于與鋼中碳、錳等元素平衡的合氧量。鐵液與氧的反應(yīng)可表示為：,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的溶解氧含量,,,,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的溶解氧含量,實(shí)際煉鋼爐渣的αFeo<1，鋼液中溶解氧的含量[O]低于由式(6．7)和(6.8)計(jì)算得到的[O]max。鋼液中的[O]含量與溫度、爐渣氧化性、鋼液成分、煉鋼供氧工藝參數(shù)等許多因素有關(guān)

3、。,,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的溶解氧含量,LD:氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐Q—BOP:氧氣底吹轉(zhuǎn)爐K—BOP:氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)時(shí)的鋼液中[O]與[C]含量的關(guān)系，從中可以看到，鋼液的[O]含量存在一波動(dòng)范圍。以氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐為例，當(dāng)冶煉終點(diǎn)的[C]含量在0.02％—0.03％之間時(shí)，鋼液的溶解氧含量[O]在0.03％-0.07％的范圍內(nèi)。,,,,,,6．1．1 脫氧的必要性——固體鋼中氧的溶解度變化,6.1.1.2 固

4、體鋼中氧的溶解度變化,如式(6．8)所示，鐵液中氧的溶解度隨溫度的降低而減少，當(dāng)達(dá)到Fe的凝固溫度1810K時(shí)算出氧的溶解度大約為0.16％。,,6．1．1 脫氧的必要性——固體鋼中氧的溶解度變化,由此圖可知，氧的最大溶解度在δ鐵中約為0.008％(1800K)，在γ鐵中約為0.0025％(1643K)，而在α鐵中僅約為0.0003％—O.0004％(1184K)。這意味著在凝固以及隨后的冷卻過(guò)程中,鐵液中的溶解氧幾乎全部要由鐵中

5、來(lái)析出。,,,,,6．1．1 脫氧的必要性——固體鋼中氧的溶解度變化,由于鐵中的氧屬于偏析傾向嚴(yán)重的元素，固體鐵中析出的氧絕大多數(shù)以鐵的氧化物、氧硫化物或其他類型的非金屬夾雜物存在于γ或α晶粒的晶界處(圖6.3)。 鋼液和固態(tài)鋼中氧的溶解度與鐵液和固態(tài)鐵中的有所不同，但與圖6.2所示的氧溶解度的變化趨勢(shì)是一致的。,,6．1．1 脫氧的必要性——氧對(duì)鋼性能的影響,氧是在鋼的凝固過(guò)程中偏析傾向最嚴(yán)重的元素之一，其偏析系數(shù)([O]固體鋼

6、／[O]鋼液)僅為0.02。在鋼液的凝固和隨后的冷卻過(guò)程中，由于溶解度的急劇降低，鋼中原溶解的絕大部分氧由γ或α相中析出，并以鐵氧化物、氧硫化物等微細(xì)夾雜物的形式在γ或α晶界處富集存在。這些微細(xì)夾雜物會(huì)造成晶界脆化，在鋼的加工和使用過(guò)程中容易成為晶界開裂的起點(diǎn)，并最終導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞。,6.1.1.3 氧對(duì)鋼性能的影響,鋼中氧含量增加,6．1．1 脫氧的必要性——氧對(duì)鋼性能的影響,降低鋼材延展性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能降低

7、鋼材韌-脆轉(zhuǎn)換溫度降低鋼材的耐腐蝕性能容易發(fā)生時(shí)效老化鋼產(chǎn)生熱脆,,6.1.1.4 鋼液的脫氧,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,,脫氧方法,,1.直接脫氧法,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,概 念：直接脫氧是用與氧親和力較鐵與氧親和力強(qiáng)的元素做脫氧劑，脫氧劑與鋼液中的氧直接作用。發(fā)生如下式所示的脫氧反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物由鋼液上浮排除，從而達(dá)到脫氧的目的。,,直接脫氧是目前最普遍采用的一種脫氧方法。煉鋼脫氧時(shí)，將各種

8、脫氧劑以鐵合金(錳鐵、硅鐵、鋁鐵、硅錳合金等)的形式直接加入到鋼液中。對(duì)某些比重較輕或較易氣化的脫氧劑(例如鋁、鈣等)則多采用向鋼液喂絲或喂包芯線的方法加入至鋼液中。直接脫氧的反應(yīng)速率快，操作簡(jiǎn)便，成本較低，但部分脫氧產(chǎn)物會(huì)滯留在鋼中成為非金屬夾雜物。,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,,2.擴(kuò)散脫氧法,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,概 念：要向爐渣中加入碳粉、硅鐵粉、鋁粉等脫氧劑以降低爐渣的FetO含量。由下

9、式給出的氧在渣—鋼間的分配平衡關(guān)系式可知，當(dāng)渣中FetO含量不斷降低時(shí)，鋼中的氧會(huì)向爐渣中擴(kuò)散以維持其在值渣—鋼間的分配平衡，從而達(dá)到鋼液脫氧的目的。,,3.真空脫氧法,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,概 念：將鋼液置于真空條件下，通過(guò)降低CO氣體分壓來(lái)促使鋼液內(nèi)[C]一[O]反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，并利用此反應(yīng)達(dá)到脫氧的目的。真空脫氧方法的最大特點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物CO幾乎全部由鋼液排除，不3玷污鋼液，但其設(shè)備投資和生產(chǎn)成本要高于其他脫氧工

10、藝。鋼液內(nèi)的[C]一[O]反應(yīng)如下：,,圖6．4為根據(jù)上式計(jì)算得到的溫度在1873K時(shí)對(duì)應(yīng)于不同CO分壓條件下鋼液中[C]一[O]的關(guān)系。真空條件下，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中碳的脫氧能力與理論計(jì)算的平衡值相比還有較大差距。目前煉鋼真空精煉系統(tǒng)的壓刀可降至70 Pa以下。利用真空碳脫氧，低碳鋼液的溶解[0]含量可降至0.015％以下，高碳鋼液自[O]含量則可降至0.002％以下。,6．1．1 脫氧的必要性——鋼液的脫氧,6．1．2 直接脫氧

11、反應(yīng)熱力學(xué),6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--單獨(dú)元素的脫氧,,,,6.1.2.1 單獨(dú)元素的脫氧,K'被稱為脫氧常數(shù)或溶解度積，它可用來(lái)判斷元素脫氧能力的相對(duì)大小。元素的脫氧能力是指一定溫度下與一定濃度的脫氧元素相平衡的鋼液中含氧量的高低。由從上式可以看出，脫氧常數(shù)K'值越大，與一定濃度脫氧元素[M]相平衡的鋼液中的[O]含量越高，元素的脫氧能力越弱。反之，脫氧常數(shù)K'值越低，元素的脫氧能力越強(qiáng)。可

12、用于鋼液脫氧的主要脫氧元素及其脫氧常數(shù)如表6．1所示。,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--單獨(dú)元素的脫氧,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--單獨(dú)元素的脫氧,,,,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--單獨(dú)元素的脫氧,,,由圖6．5可以看到，對(duì)絕大多數(shù)脫氧元素而言，當(dāng)其含量超過(guò)0.2％—0.3％后，隨著含量的繼續(xù)增加，鋼液中[O]含量降低的幅度在減小。而對(duì)于某些脫氧能力非常強(qiáng)的元素(如[Ba]、[Al])來(lái)說(shuō)、當(dāng)其濃度超過(guò)一定值后，

13、[O]含量隨脫氧元素含量的增加反而得到了提高。這主要是由于脫氧元素與[O]之間的活度相互作用系數(shù) 均為負(fù)值，鋼液氧活度f(wàn)[O]因而會(huì)隨脫氧元素含量的增加而減小。當(dāng)[M]含量超過(guò)一定值后．由于[O]的減小，[O]含量隨[M]含量的增加而降低的幅度也減小。甚至發(fā)生了生[O]含量隨[M]含量的增加而減小的情況。,,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--單獨(dú)元素的脫氧,,,,概 念： 用含有兩種或兩種以上脫氧元素的扶合金對(duì)鋼液進(jìn)行的脫氧稱為

14、復(fù)合脫氧。實(shí) 質(zhì)：是用兩種或兩種以上的脫氧元素同時(shí)與鋼液中溶解的氧發(fā)生反應(yīng)，并使它們的脫氧產(chǎn)物彼此結(jié)合成互溶體或化合物以降低脫氧產(chǎn)物的活度。由于脫氧產(chǎn)物活度降低，鋼液的[O]含量也隨之降低了。優(yōu) 點(diǎn)：與單獨(dú)元素的脫氧相比．在多數(shù)情況下，復(fù)合脫氧能夠提高脫氧元素的脫氧能力。,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,6.1.2.2 復(fù)合脫氧,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,[Si]-[O],[Mn]-[O],,,,,

15、,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,假定Si—Mn復(fù)合脫氧產(chǎn)物中MnO和SiO2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為55％和45％，由圖6.7可以查到：脫氧產(chǎn)物中MnO的活度aMnO大約為0.27，SiO2的話度aSiO2：大約為0.55。將上述aMnO和aSiO2的數(shù)值代人式(6.24)，可以得到以下關(guān)系式：,,,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,[Si]-[O],[Mn]-[O],

16、,,[Si]單獨(dú)脫氧,Si]-[Mn]復(fù)合脫氧,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,可以看到,錳能提高硅的脫氧能力，但隨著含硅量的增加，其作用減弱了。例如，當(dāng)[Si]為0.05％時(shí)，[Mn]從0增加到0.8％可使鋼液中的[O]從0.023％降低到0.016％，而當(dāng)[si]為0.2％時(shí)，增加同樣的[Mn]僅使[O]含量從0.0104％降低到0.0094％。,1873K,,,,,,,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧

17、,在一定的溫度下，當(dāng)Si]／[Mn]2比超過(guò)某一臨界值時(shí)，錳不參加脫氧反應(yīng)，脫氧產(chǎn)物僅為固態(tài)的SiO2。圖6.10為不同溫度下[Si]／[Mn]2比臨界值的曲線圖。當(dāng)金屬中硅、錳成分位于曲線下面的區(qū)域內(nèi)時(shí)，脫氧產(chǎn)物為熔融的硅酸錳；當(dāng)硅、錳成分位于曲線上方時(shí)，脫氧產(chǎn)物是固體SiO2。,,,6．1．2 直接脫氧反應(yīng)熱力學(xué)--復(fù)合脫氧,,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué),,,脫氧元素和鋼中氧的化學(xué)反應(yīng),2,研究脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的目的是弄清

18、反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，以便針對(duì)性地采取對(duì)策加快脫氧反應(yīng)的速度。直接脫氧反應(yīng)可分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：,,以往大多數(shù)研究者都認(rèn)為，脫氧劑加入鋼液后會(huì)立即均勻溶解。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在溶解初期即使在熔池受到強(qiáng)烈攪拌的情況下，加入鋼液的脫氧劑周圍也保持著相當(dāng)高的濃度梯度。因此在討論脫氧過(guò)程的最初階段．應(yīng)該首先考慮脫氧劑的溶解及其均勻化問題。 在大多數(shù)情況下。脫氧劑在鋼液中溶解和均勻化的時(shí)間長(zhǎng)短取決于脫氧合金的塊度和鋼液中脫氧元素的擴(kuò)散速度。為了加速脫氧劑

19、的溶解和脫氧元素在鋼液內(nèi)均勻化的過(guò)程，通?？梢詠?lái)用攪拌鋼液、提高鋼液的溫度、減小脫氧劑塊度以及用液體脫氧劑等措施。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧劑的溶解與均勻化,6.1.3.1 脫氧劑的溶解與均勻化,,鋼液中鋁的溶解分布圖6.11所示為用0.12％的固態(tài)或液態(tài)鋁脫氧的動(dòng)力學(xué)曲線。由圖可見，用固態(tài)鋁脫氧時(shí)，[O]下降得較慢；而用液態(tài)鋁脫氧時(shí)，[O]能很快降到最低值。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧劑的溶解與均勻化,

20、,,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧元素和鋼中氧的化學(xué)反應(yīng),脫氧反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速度很快，通常不會(huì)成為過(guò)程的控制環(huán)節(jié)。脫氧研究：首先需要在實(shí)驗(yàn)中提取鋼液試樣并分析測(cè)定其總氧含量(ΣO)，接著用放射性同位素Si31，測(cè)定鋼液中的溶解[Si]含量，最后再根據(jù)[Si]—[O]反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算出鋼液中的溶解氧含量[O]。鋼液總氧與溶解氧含量之差即為鋼液中以SiO2形式存在的氧當(dāng)量OMXOY。,6.1.3.2

21、脫氧元素和鋼中氧的化學(xué)反應(yīng),,鐵液中加入Si后，溶解氧含量迅速下降，而以脫氧產(chǎn)物SiO2形態(tài)存在的含氧量迅速上升，這說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)速率很快。OMXOY達(dá)到最高點(diǎn)后，由于脫氧產(chǎn)物的排除而又開始下降，總氧含量ΣO的下降速率與脫氧產(chǎn)物從鐵液中排出的速率相接近。約10—15min后脫氧產(chǎn)物幾乎完全消失，之后剩余的氧絕大多數(shù)以溶解氧狀態(tài)存在，且和鐵液中的脫氧元素Si保持平衡。對(duì)于鋁、鈦等的脫氧研究也可以得到同樣的結(jié)果。由此可以斷定，化學(xué)反應(yīng)不是脫

22、氧過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧元素和鋼中氧的化學(xué)反應(yīng),,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,,體積自由能變化,,脫氧產(chǎn)物新相表面能,6.1.3.3 脫氧產(chǎn)物的形核,,鋼液中形成的脫氧產(chǎn)物核心越小，需要的能量越小，但脫氧產(chǎn)物只有達(dá)到一定的尺寸后，核心才能夠穩(wěn)定存在并繼續(xù)長(zhǎng)大。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,脫氧產(chǎn)物新相表面能,體積自由能變化,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)

23、力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,脫氧產(chǎn)物體積自由能變化,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,,,脫氧產(chǎn)物與鋼液面的界面張力σ的值越大，形核所需要的過(guò)飽和度S的值也越大。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,自發(fā)地生成脫氧產(chǎn)物 需要滿足的條件,,,減小鋼液與脫氧產(chǎn)物間的界面張力,1,,,增加脫氧產(chǎn)物的密度或減小

24、脫氧產(chǎn)物的比容,2,,,提高反應(yīng)物的過(guò)飽和度,3,脫氧劑入鋼液后的溶解過(guò)程中，脫氧劑周邊的局部濃度很高，可以滿足均質(zhì)形核所需要的過(guò)飽和度，因此均質(zhì)形核有可能發(fā)生。,,脫氧反應(yīng)產(chǎn)物依附在鋼液中巳存在的第二相粒子上形核，這被稱為非均質(zhì)形核。非均質(zhì)形核生成穩(wěn)定核心所需要的臨界自內(nèi)能變化為：,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,非均質(zhì)形核過(guò)程中．脫氧產(chǎn)物核心與鋼液中第二相粒子在構(gòu)造上的差異越小，形核越容易。實(shí)際脫氧過(guò)程的鋼液中

25、總是存在著非均質(zhì)生成脫氧產(chǎn)物的條件，如脫氧前的鋼液中存在的非金屬夾雜物可以作為析出脫氧產(chǎn)物的核心，另外鋁和合金的表面氧化物膜也可以作為核心。因此，實(shí)際脫氧過(guò)程不需用太大的過(guò)飽和度，鋼液就可析出液體或固體的脫氧產(chǎn)物。非均質(zhì)形核在實(shí)際脫氧過(guò)程中占主導(dǎo)地位，脫氧產(chǎn)物的形核一般不會(huì)成為脫氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的形核,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,長(zhǎng)大機(jī)理的解釋,,,不同尺寸脫

26、氧產(chǎn)物間的擴(kuò)散長(zhǎng)大,2,,,由于上浮速度差而碰撞凝集長(zhǎng)大,4,,,由于鋼液運(yùn)動(dòng)而碰撞凝集長(zhǎng)大,5,,6.1.3.4 脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,概 念：脫氧產(chǎn)物晶核長(zhǎng)大機(jī)構(gòu)是脫氧反應(yīng)的反應(yīng)物向已生成的脫氧產(chǎn)物核心表面進(jìn)行擴(kuò)散、反應(yīng)生成的產(chǎn)物沉積在已生成的核心上的過(guò)程。在加入脫氧劑時(shí)，假定脫氧反應(yīng)產(chǎn)物的晶核均勻分布于鋼液中，晶核數(shù)就是鋼液?jiǎn)挝惑w積中的顆粒數(shù)Z，每個(gè)顆粒都以自己為中心形成一個(gè)球形擴(kuò)散區(qū)，并與大小相等的相鄰球形擴(kuò)散區(qū)相切另外，可進(jìn)一

27、步假定鋼液中正在長(zhǎng)大的脫氧產(chǎn)物粒子與鋼液的界面存在著局部平衡，單位體積鋼液中存在著半徑相等的脫氧產(chǎn)物顆粒數(shù)，各個(gè)顆粒在自己的擴(kuò)散區(qū)域長(zhǎng)大，則長(zhǎng)大的速度與顆粒初始半徑、顆粒數(shù)以及鋼液氧的濃度有關(guān)，即存在以下關(guān)系：,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,1.擴(kuò)散長(zhǎng)大,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,,圖6．14為Turkgogan得出的脫氧產(chǎn)物顆粒半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以看到，單位體積內(nèi)脫氧產(chǎn)物顆粒數(shù)越

28、多，最終脫氧產(chǎn)物的尺寸愈小。當(dāng)顆粒數(shù)z＝105／cm3時(shí)，脫氧產(chǎn)物顆粒的長(zhǎng)大過(guò)程約在數(shù)秒鐘內(nèi)就能完成；而當(dāng)z＝103／cm3時(shí)，要完成顆粒的長(zhǎng)大需要6—7min。在脫氧過(guò)程的初期，由于鋼液氧的濃度差大，生成的脫氧產(chǎn)物顆粒多，擴(kuò)散長(zhǎng)大有一定的重要性,除極個(gè)別情況外，脫氧產(chǎn)物的擴(kuò)散長(zhǎng)大不會(huì)成為脫氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié),脫氧產(chǎn)物核心的臨界半徑越小，其周圍鋼液的過(guò)飽和度越大，因此，氧在小顆粒脫氧產(chǎn)物周圍的濃度比在大顆粒脫氧產(chǎn)物周圍的高。當(dāng)顆粒大小不

29、同的脫氧產(chǎn)物在距離上接近時(shí)，由于濃度差形成的擴(kuò)散可使小顆粒消失，同時(shí)使大顆粒長(zhǎng)大。然而，計(jì)算表明:在用硅脫氧時(shí)，脫氧產(chǎn)物平均半徑由0長(zhǎng)到2.5μm，或由2.5μm長(zhǎng)到3.0μm，相互擴(kuò)散所需時(shí)間約為30 min?？梢哉J(rèn)為，在脫氧的初期，相互擴(kuò)散凝集長(zhǎng)大不起重要的作用。,2.不同尺寸脫氧產(chǎn)物間的擴(kuò)散長(zhǎng)大,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,,布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)于膠體凝集現(xiàn)象的出現(xiàn)非常重要。由于它是以非常細(xì)微的顆粒為對(duì)象的，因而布

30、朗運(yùn)動(dòng)碰撞長(zhǎng)大機(jī)理只能適用于脫氧產(chǎn)物尺寸非常小的場(chǎng)合。若鋼液內(nèi)脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大符合布朗運(yùn)動(dòng)規(guī)律，脫氧產(chǎn)物尺寸的變化可表示為：,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——由于布朗運(yùn)動(dòng)碰撞凝集長(zhǎng)大,3.由于布朗運(yùn)動(dòng)碰撞凝集長(zhǎng)大,由于鋼液與脫氧產(chǎn)物之間存在著密度差，脫氧產(chǎn)物顆粒因而會(huì)在鋼液中上浮。脫氧產(chǎn)物顆粒越大，其上浮的速度越快，因此在上浮過(guò)程中，大顆粒與小顆粒相碰撞的機(jī)會(huì)很多，可以凝集長(zhǎng)大。若鋼液中脫氧產(chǎn)物顆粒的上浮服從Stokes定律，上浮速

31、度可表示為,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,4.由于上浮速度差而碰撞凝集長(zhǎng)大,單個(gè)脫氧產(chǎn)物顆粒上浮與此體積鋼液內(nèi)脫氧產(chǎn)物顆粒碰撞凝集后的體積變化為：,脫氧產(chǎn)物碰撞凝集長(zhǎng)大后的顆粒尺寸與顆粒的初始尺寸、單位體積鋼液中脫氧產(chǎn)物的總體積、顆粒在鋼液內(nèi)停留的時(shí)間、鋼液黏度等因素有關(guān)。圖6．15所示為根據(jù)式(6．45)得出的脫氧產(chǎn)物顆粒的碰撞凝集尺寸變化與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥吹?，較大尺寸的脫氧產(chǎn)物顆粒在技Stokes定律上浮的

32、過(guò)程中將吸收其他較小的脫氧產(chǎn)物顆粒而急速長(zhǎng)大。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,,鋼液劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速率分布極端不均勻，懸浮在其中的脫氧產(chǎn)物產(chǎn)生了很大的速率差，這造成了碰撞凝集機(jī)會(huì)的增多，其長(zhǎng)大速度可能達(dá)到靜止熔池內(nèi)的數(shù)十倍。脫氧產(chǎn)物的擴(kuò)散凝集長(zhǎng)大和上浮過(guò)程的凝集長(zhǎng)大都是作為互相獨(dú)立進(jìn)行的模型用來(lái)解析靜止熔池中脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大現(xiàn)象的。實(shí)際上，脫氧產(chǎn)物在擴(kuò)散長(zhǎng)大的同時(shí)也在熔池中上浮，并在上浮過(guò)程中碰撞凝集長(zhǎng)大。佐野信

33、雄等對(duì)照理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)中觀察到的脫氧產(chǎn)物大小隨時(shí)間的變化情況得出如下結(jié)論：在靜止的熔池中，除了在硅脫氧時(shí)，由于SiO2粒子之間不容易凝集而使脫氧產(chǎn)物主要依靠擴(kuò)散來(lái)長(zhǎng)大以外，在其他大多數(shù)的脫氧反應(yīng)中，脫氧產(chǎn)物在依靠擴(kuò)散長(zhǎng)大的同時(shí)，主要是通過(guò)上浮過(guò)程中的碰撞凝集而長(zhǎng)大的。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大,5.由于鋼液運(yùn)動(dòng)而碰撞凝集長(zhǎng)大,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,脫氧產(chǎn)物的去除,,,靜止鋼液中脫氧

34、產(chǎn)物的上浮分離,1,,,攪拌鋼液條件下脫氧產(chǎn)物的上浮分離,2,,,脫氧產(chǎn)物上浮與界面張力的關(guān)系,3,,,爐襯、包襯材料的影響,4,,,熔 渣 的 影 響,5,,6.1.3.5 脫氧產(chǎn)物的去除,,在靜止鋼液條件下，鋼液中脫氧產(chǎn)物的去除主要依賴于其在鋼液中的上浮速度，而脫氧產(chǎn)物粒子的上浮速度傳統(tǒng)上認(rèn)為應(yīng)服從Stokes定律。根據(jù)流體力學(xué)原理，球形固體顆粒在液體中上浮(或沉淀)的速度服從式(6．41)表示的Stokes定律，即上浮速度

35、與固體顆粒和液體之間的密度差成正比，與液體的黏度成反比，與顆粒半徑的平方成正比。由于鋼液的黏度、鋼液和脫氧產(chǎn)物的密度差不會(huì)有很大的變化，長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為主要應(yīng)靠增加夾雜物的顆粒半徑才能有效地去除鋼液中的脫氧產(chǎn)物。由于液態(tài)脫氧產(chǎn)物的顆粒容易凝集長(zhǎng)大，人們研究了多種復(fù)合脫氧劑，目的之一就是為了得到液態(tài)的脫氧產(chǎn)物。,1.靜止鋼液中脫氧產(chǎn)物的上浮分離,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,,①顆粒為球形；②顆粒和流體的相對(duì)速

36、度較低，即雷諾數(shù)要在2以下；②顆粒與流體分子之間沒有滑移。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,,Stokes定律應(yīng)用條件,當(dāng)雷諾數(shù)在500以上時(shí)，顆粒在液體中的上浮速度服從牛頓定律；當(dāng)雷諾數(shù)在2—500之間時(shí)，顆粒在液體中的上浮速度符合Stokes定律和牛頓定律之間過(guò)渡區(qū)域的規(guī)律。,,在鋼液熔池?cái)嚢钘l件下，脫氧產(chǎn)物粒子從鋼液分離去除的速度較Stokes定律快得多，脫氧產(chǎn)物粒子的分離去除速度與脫氧劑種類、脫氧劑用量、

37、鋼液溫度、爐襯初料等因素有關(guān)。鋼液熔池在攪拌條件下的脫氧速率一般可用下式來(lái)表示,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,2.攪拌鋼液條件下脫氧產(chǎn)物的上浮分離,k值與脫氧劑的加入量、鋼液溫度、容量、鋼液攪拌強(qiáng)度等因素有關(guān)，它的大小可以用來(lái)評(píng)價(jià)脫氧產(chǎn)物去除的速率。表6.3給出了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的鋼液中SiO2類和A12O3類脫氧產(chǎn)物的去除率，可以看到加強(qiáng)鋼液攪拌后，對(duì)應(yīng)于湍流狀態(tài)鋼液的A12O3類脫氧產(chǎn)物去除率高。,6．1．3

38、 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,A12O3夾雜物在鋼液中雖然不能成為液態(tài)的顆粒，但是它的去除速度也很快。關(guān)于鋁脫氧產(chǎn)物A12O3，上浮速度快的原因，現(xiàn)在大都認(rèn)為主要應(yīng)歸因于表面現(xiàn)象的作用。表面現(xiàn)象對(duì)于脫氧產(chǎn)物的去除有以下兩方面的影響：,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,3.脫氧產(chǎn)物上浮與界面張力的關(guān)系,鋼液與脫氧產(chǎn)物間的界面張力，σm-s越大．脫氧產(chǎn)物顆粒自發(fā)聚集的趨勢(shì)就越大。因A12O3與鋼液的界面張力大

39、，所以A12O3顆粒容易聚集。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,,Tiekink等對(duì)鋼包吹氧處理過(guò)程中鋼液在加入鋁后不同時(shí)間、不同深度處所含夾雜物的類型和數(shù)量進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未向鋼液加入鋁進(jìn)行脫氧前，鋼中溶解氧含量在0.04％左右；當(dāng)加入鋁后，鋼液中生成了大量大尺寸簇群狀A(yù)12O3夾雜物，它們由鋼液內(nèi)上浮去除得很快，吹氧處理結(jié)束時(shí)仍滯留在鋼液中的主要是尺寸小于30μm的簇群狀A(yù)12O3和較小的塊狀A(yù)12O3夾

40、雜物(見圖6.16).,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,簇群狀A(yù)12O3脫氧產(chǎn)物在二維上觀察似乎是獨(dú)立顆粒的集合體，而在三絕上看則是連成一體的。在上浮過(guò)程中，可將這種族群狀脫氧產(chǎn)物作為整體來(lái)看待。由于簇群狀脫氧產(chǎn)物顆粒問存在著鋼液，所以應(yīng)當(dāng)考慮顆粒間鋼液所占比例及其對(duì)簇群狀脫氧產(chǎn)物顆粒密度的影響。,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,4.爐襯、包襯材料的影響,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧

41、產(chǎn)物的去除,,,,鋼液表面存在的熔渣的物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)脫氧產(chǎn)物的去除有很大的影響，由于熔擅的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，它們有時(shí)能吸收脫氧產(chǎn)物，有時(shí)反而合形成附加的夾雜物。脫氧產(chǎn)物進(jìn)入熔渣過(guò)程的自由能變化可由下式來(lái)表示：,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,5.熔渣的影響,,6．1．3 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——脫氧產(chǎn)物的去除,圖6.19所示為脫氧產(chǎn)物進(jìn)入熔渣并被吸收溶解過(guò)程的示意圖。從圖中可見，脫氧產(chǎn)物在鋼液—熔渣界面完全進(jìn)入

42、熔渣前，其與熔渣之間被鋼液薄膜包裹。,1,2,3,非金屬夾雜物的種類,夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,減少和去除鋼中非金屬夾雜物,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物,非金屬夾雜物和析出物,在晶界處偏析,形成間隙固溶體,,鋼中S、P、O、C、N等雜質(zhì)組元存在方式,,,缺 點(diǎn)：非金屬夾雜物包括鋼中的氧化物、硫化物和氯化物粒子，它們的存在破壞了鋼基體的連續(xù)性，對(duì)鋼材的延性、韌性、抗疲勞破壞性能、耐蝕性、加工性能等都有不利影響

43、。提高鋼的潔凈程度、去除鋼中的非金屬夾雜物一直是煉鋼科學(xué)研究的重要課題。優(yōu) 點(diǎn)：但另一方面，鋼中非金屬夾雜物也有可利用的一面，例如：利用鋼中的硫化物可以改善好材的切削性能；在鋼材熱加工后的冷卻過(guò)程中，可利用微細(xì)氧化物、硫化物、氮化物粒子促進(jìn)晶粒內(nèi)部形成品內(nèi)鐵素體，以改善鋼材的強(qiáng)韌性和焊接熱影響區(qū)的組織和性能；利用鐵、銳、釩等的氮化物可產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化、細(xì)化鋼材組織等功效。,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物,分類標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)其化學(xué)成分、形態(tài)、

44、變形性能、來(lái)源等分為不同的類型,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜物的種類,6.2.1 非金屬夾雜物的種類,根據(jù)化學(xué)成分,簡(jiǎn)單氧化物：,復(fù)雜氧化物：各類硅酸鹽、鋁酸鹽、尖晶石類復(fù)合氧化物,硫化物：鋼中的硫化物主要為MnS、FeS、CaS等,,根據(jù)夾雜物尺寸分類,大型夾雜物：大于100μm，大顆粒(大型)夾雜在純凈鋼中的數(shù)量是很少的，主要為外來(lái)夾雜物或鋼水二次氧化時(shí)生成的夾雜物。雖然它們只占鋼中夾雜物總體積的1％，但卻對(duì)鋼的

45、性能和表面質(zhì)量影響最大。,顯微夾雜物：尺寸在1-100μm顯微夾雜主要是脫氧產(chǎn)物，這類夾雜物對(duì)高強(qiáng)度鋼材的疲勞性能和斷裂韌性影響很大，其合量與鋼中的氧含量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,亞顯微夾雜物：小于1μm，一般認(rèn)為這種微小氧化物夾雜對(duì)鋼質(zhì)無(wú)害，目前對(duì)它們?cè)阡撝械淖饔眠€研究不多,,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜物的種類,根據(jù)夾雜物的變形性能分類,塑性?shī)A雜物：在鋼熱加工時(shí)會(huì)沿加工方向延伸成條帶狀，F(xiàn)eS、Mns以及SiO2含量

46、較低(40％-60％)的低熔點(diǎn)硅酸鹽夾雜就屬于這一類。,脆性?shī)A雜物：在鋼熱加工時(shí)不變形，但會(huì)沿加工方向破裂成串，Al2O3、尖晶石型復(fù)合氧化物等高熔點(diǎn)、高硬度夾雜就屬于這一類。,不變形夾雜：在鋼熱加工時(shí)將保持原來(lái)的球狀，這類夾雜物有SiO2，SiO2含量較高(≥70％)的硅酸鹽、鈣的鋁酸鹽、高熔點(diǎn)的硫化物(如Cas)以及氮化物等。,,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜物的種類,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜

47、物的種類,根據(jù)夾雜物來(lái)源分類,,外來(lái)夾雜物： 外來(lái)非金屬夾雜物是由于耐火材料、熔值等在鋼水的冶煉、運(yùn)送、澆鑄等過(guò)程中進(jìn)入鋼液，滯留在鋼中而形成的夾雜物。與內(nèi)生夾雜物相比，外來(lái)夾雜物的尺寸大旦經(jīng)常位于鋼酌表層，目而其具有更大的危害。,內(nèi)生夾雜物：內(nèi)生類夾雜物是指在液態(tài)或固態(tài)鋼內(nèi)，由于脫氧、鋼水鈣處理等各種物理、化學(xué)反應(yīng)而形成的夾雜物。,圖6．26所示為在連鑄坯表層發(fā)現(xiàn)的來(lái)源于結(jié)晶器保護(hù)渣的非金屬夾雜物，此類夾雜物對(duì)汽車、家電用優(yōu)

48、質(zhì)冷軋薄板的表面質(zhì)量有很大危害，因此，防止連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的卷入是當(dāng)前連鑄科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜物的種類,1.外來(lái)夾雜物,6.2 鋼液中的非金屬夾雜物——非金屬夾雜物的種類,2.內(nèi)生夾雜物,鋼液脫氧等化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物被稱為原生（或一次)夾雜物；在澆鑄凝固前由于鋼液溫度下降、反應(yīng)平衡發(fā)生移動(dòng)而生成的脫氧反應(yīng)產(chǎn)物被稱為二次夾雜物；鋼凝固過(guò)程中形成的夾雜物被稱為再生(或三次)夾雜物，鋼凝固后發(fā)生固

49、態(tài)相變時(shí)．由于組元溶解度的變化而生成的夾雜物被稱為四次夾雜物。,內(nèi)生夾雜物的四個(gè)階段,,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,,,夾雜物對(duì)鋼材疲勞性能的影響,1,,,非金屬夾雜物對(duì)鋼材延性的影響,2,,,非金屬夾雜物對(duì)鋼材沖擊韌性的影響,3,,,夾雜物對(duì)鋼切削性能的影響,4,,,夾雜物對(duì)鋼材加工性能的影響,5,,6.2.2 非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,疲 勞：鋼材在使用過(guò)程中

50、要承受一定的重復(fù)或交變應(yīng)力，經(jīng)多次循環(huán)后會(huì)遭到破壞，這種現(xiàn)象被稱為疲勞。影 響：鋼中非金屬夾雜物對(duì)鋼材抗疲勞破壞性能具有很大的影響。由于夾雜物不能傳遞鋼基體中存在的應(yīng)力，加之其與基體的熱膨脹系數(shù)不同，在夾雜物周圍的鋼基體中會(huì)產(chǎn)生徑向拉伸力，該應(yīng)力與外界所施加的循環(huán)應(yīng)力的共同作用，會(huì)促使疲勞裂紋首先在靠近夾雜物的鋼基體中形成。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,6.2.2.1 夾雜物對(duì)鋼材疲勞性能的影響

51、,夾雜物尺寸,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,影響抗疲勞性能的因素,,夾雜物距鋼材表面的距離,其膨脹系數(shù),夾雜物的形狀,熱軋制過(guò)程中是否變形,夾雜物尺寸： 隨夾雜物尺寸的增大，鋼材疲勞極限呈線性的下降趨勢(shì)。當(dāng)夾雜物的尺寸小于臨界尺寸時(shí)，其對(duì)鋼材的疲勞壽命沒有影響。當(dāng)夾雜物的尺寸10μm時(shí)，疲勞裂紋容易在夾雜物周圍萌生。,夾雜物尺寸,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼

52、材性能的影響,影響抗疲勞性能的因素,,夾雜物距鋼材表面的距離,其膨脹系數(shù),夾雜物的形狀,熱軋制過(guò)程中是否變形,夾雜物距鋼材表面的距離：隨著與表面之間距離的增加，引起疲勞破壞的夾雜物的平均尺寸也在增大。相對(duì)于鋼材內(nèi)部的夾雜物來(lái)說(shuō)，存在于表面或表層的夾雜物的危害性更大，鋼材的大多數(shù)疲勞破壞就起源于鋼材表面或表面附近的單個(gè)夾雜物。在這種情況下，萌生疲勞裂紋的表面或表面附近夾雜物的尺寸就顯得不太重要了。,夾雜物尺寸,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)

53、力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,影響抗疲勞性能的因素,,夾雜物距鋼材表面的距離,其膨脹系數(shù),夾雜物的形狀,熱軋制過(guò)程中是否變形,夾雜物的形狀：夾雜物的曲率半徑越小，在鋼基體中引起的應(yīng)力集中就越嚴(yán)重。在交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋優(yōu)先在垂直于拉應(yīng)力方向的不規(guī)則形狀?yuàn)A雜物的尖角處萌生，其裂紋擴(kuò)展速率也比球狀?yuàn)A雜物的擴(kuò)展速率快得多。因此，相對(duì)于球狀?yuàn)A雜物而言，形狀不規(guī)則和多棱角的夾雜物對(duì)疲勞性能的危害更大。,夾雜物尺寸,6.2.2 直接

54、脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,影響抗疲勞性能的因素,,夾雜物距鋼材表面的距離,其膨脹系數(shù),夾雜物的形狀,熱軋制過(guò)程中是否變形,熱軋制過(guò)程中是否變形：如果夾雜物在軋制時(shí)發(fā)生良好變形，其與鋼基體之間就能保持很好的結(jié)合；反之，如果夾雜物變形很小或根本不變形，在鋼基體與夾雜物的界面上便會(huì)形成熱撕裂或帶有錐形間隙的魚尾形裂紋，它們?cè)诮蛔儜?yīng)力下會(huì)成為疲勞破壞源。,夾雜物尺寸,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材

55、性能的影響,影響抗疲勞性能的因素,,夾雜物距鋼材表面的距離,其膨脹系數(shù),夾雜物的形狀,熱軋制過(guò)程中是否變形,其膨脹系數(shù)：如夾雜物的線膨脹系數(shù)與鋼的差別很大，則當(dāng)鋼由高溫冷卻下來(lái)時(shí)，就會(huì)在夾雜物周圍產(chǎn)生附加應(yīng)力。線膨脹系數(shù)小于鋼的夾雜物，在冷卻過(guò)程中收縮較小，由于它的支撐作用，在其周圍的基體中會(huì)產(chǎn)生附加的張應(yīng)力。夾雜物的膨脹系數(shù)比鋼的小得越多，造成的張應(yīng)力就越大，就越有可能促進(jìn)疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展。,延展性：鋼材的延性通常以其在拉伸試驗(yàn)

56、中發(fā)生斷裂后的延伸率和斷面收縮率來(lái)表示。影 響：鋼中非金屬夾雜物對(duì)鋼材抵抗塑性變形能力的主要強(qiáng)度指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，但卻對(duì)鋼材的延性(延伸串、斷面收縮串等)影響很大。非金屬夾雜物對(duì)鋼材延性的影響，在鋼材的斷面收縮率上比在延伸率上要表現(xiàn)得更為顯著。在熱軋過(guò)程中發(fā)生良好變形的條帶狀?yuàn)A雜物和點(diǎn)鏈狀脆性?shī)A雜物能使鋼材性能帶有方向性，鋼材在非軋制方向(如鋼板的寬度和厚度方向)上的延性要顯著低于軋制方向上的延性。,

57、6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,6.2.2.2 非金屬夾雜物對(duì)鋼材延性的影響,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材延性的影響,沖擊韌性：沖擊韌性代表了鋼材抵抗沖擊破壞的能力影 響：非金屬夾雜物對(duì)鋼材韌性的影響是通過(guò)它對(duì)延性斷裂過(guò)程的影響而起作用的。金屬的延性斷裂過(guò)程是在不斷塑性形變的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)生發(fā)展起來(lái)的，由于大多數(shù)夾雜物同鋼基體在彈性和塑性性能上方相當(dāng)大的差別，所以在鋼材的變形

58、過(guò)程中，夾雜物和析出物不能隨基體發(fā)生相應(yīng)的變形，在它們的周圍會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越大的應(yīng)力集中并使其本身裂開，或者在夾雜物與基體的界面處產(chǎn)生微裂紋。隨著變形的不斷進(jìn)行，微裂紋在不斷發(fā)生，直至發(fā)展為顯微空洞?？斩吹牟粩鄶U(kuò)大以及相鄰空洞間的互相連接將最終導(dǎo)致鋼材的破裂。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,6.2.2.3非金成夾雜物對(duì)鋼材沖擊韌性的影響,切削性能：為了適應(yīng)機(jī)械加工過(guò)程中切削高速化和自動(dòng)化的需要，同時(shí)為了延

59、長(zhǎng)刀具壽命．降低切削阻力，保證工件的表面光潔度和尺寸精度，在軸類、聯(lián)接、緊固等標(biāo)準(zhǔn)件的加工中要大量使用易切削鋼。在易切削鈉中一般要加入S、Pb等元素，以使其與其他元素相結(jié)合形成非金屬夾雜物或金屬間化合物。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,6.2.2.4 夾雜物對(duì)鋼切削性能的影響,易切削鋼有許多種類，目前應(yīng)用較多的是硫系易切削鋼和鉛系易切削鋼，其中鈣處理硫系易切削鋼發(fā)展得很快。通過(guò)向易切削鋼中添加一定數(shù)量

60、的Ca，可起到如下作用：①生成較Mns夾雜硬的(Ca，Mn)S夾雜物，在軋制后的鋼材中保持較低的長(zhǎng)與寬之比；②(Ca．Mn)s依附于Al2O3、夾雜表面析出長(zhǎng)大．將堅(jiān)硬的A120：夾雜物包裹在其中；②所形成的(Ca，Mn)S夾雜物在高速車削加工時(shí)能夠在刀具表面生成一層保護(hù)膜，這延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。如圖所示為硫系鈣處理易切削鋼中的非金屬夾雜物的電子探針分析照片，可以看到，在鋼中形成的復(fù)合央雜物內(nèi)部核心為堅(jiān)硬的Al2O3，而外圍則

61、為較軟的(Ca，Mn)S夾雜物,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,鋼中非金屬夾雜物對(duì)鋼材的沖壓、冷鐓、冷拉等加工性能有重要的影響。汽車、家用電器、飲料罐制作用的冷軋薄板厚度一般在0.25—0.7mm，它們要求具有良好的沖壓性能和表面質(zhì)量。此類鋼為低碳([C]：0.02％—0.07％)或超低碳([C]：0.0015％-0.0040％)鋁脫氧鋼，鋼中的非金屬夾雜物主要為內(nèi)生類Al2O3夾雜物和從連鑄保護(hù)渣等

62、混入的外來(lái)夾雜物。,6.2.2.5 夾雜物對(duì)鋼材加工性能的影響,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,在冷軋過(guò)程中，鋼中大尺寸的非金屬夾雜物會(huì)造成鋼板表面微細(xì)裂紋缺陷的產(chǎn)生(見圖6．44)。此外，較大尺寸的夾雜物還會(huì)引起易拉罐沖制過(guò)程中上口卷邊裂紋的出現(xiàn)。為了保證鋼板的沖壓性能和表面質(zhì)量，對(duì)汽車面板用冷軋鋼板，要求鋼中夾雜物尺寸≦100 μm，對(duì)易拉罐用冷軋鋼板，要求鋼中夾雜物尺寸≦40 μm。,6.2.2.

63、5 夾雜物對(duì)鋼材加工性能的影響,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——減少和去除鋼中的非金屬夾雜物,減少和去除鋼中的非金屬夾雜物,,,煉鋼終點(diǎn)鋼水的合氧量控制,1,,,煉鋼出鋼防止下渣,2,,,超低氧鋼水的爐外精煉,3,,,,促進(jìn)鋼水中央雜物聚合、上浮、去除,4,,,保 護(hù) 澆 鑄,5,,,防止連鑄結(jié)品器保護(hù)渣的卷入,6,在氧氣煉鋼轉(zhuǎn)爐或電弧爐的冶煉終點(diǎn)，鋼水的含氧量除與含碳量有很大關(guān)系外，還與爐渣的氧化性、供氧參數(shù)(氧氣流量、氧槍

64、高度等)、熔池?cái)嚢璧仍S多因素有關(guān)。如圖6．46所示，在氧氣轉(zhuǎn)爐的吹煉終點(diǎn)，鋼水的氧含量通常在一很大范圍內(nèi)波動(dòng)。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——減少和去除鋼中的非金屬夾雜物,6.2.3.1 煉鋼終點(diǎn)鋼水的合氧量控制,生產(chǎn)潔凈鋼應(yīng)盡量將煉鋼終點(diǎn)鋼水的含氧量控制在其波動(dòng)范圍的下限，為此可采取的主要措施包括：①氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐應(yīng)保證良好的底吹攪拌效果；②采用煉鋼終點(diǎn)自動(dòng)控制技術(shù)，盡量提高終點(diǎn)控制的精度，以減少過(guò)吹、后吹等。,6.2.

65、2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——減少和去除鋼中的非金屬夾雜物,,,,,出鋼帶渣或下渣： 在氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐煉鋼終點(diǎn)的爐渣中，F(xiàn)etO的含量通常在15％-25％。在出鋼過(guò)程后期，當(dāng)爐內(nèi)鋼水降低至一定深度時(shí)，出鋼口上方的鋼水內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生游混，它能將表面的爐渣鈾引至鋼水包中。此外．在出鋼臨近結(jié)束時(shí)，也會(huì)有爐渣隨著鋼水流進(jìn)鋼水包內(nèi)。這個(gè)過(guò)程被稱為出鋼帶渣或下渣。為了減少和防止出鋼下渣，在電弧爐煉鋼中主要采用偏心爐底出鋼和出鋼爐內(nèi)留部分鋼水的技術(shù)，在

66、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼中則可采用擋渣球、擋渣錐(塞)、氣動(dòng)擋邊等技術(shù)。爐渣的流動(dòng)性和渣量對(duì)擋渣效果有重要的影響，為了減小下渣量，應(yīng)盡量減少渣量的產(chǎn)生并要降低終點(diǎn)爐渣的流動(dòng)性。目前擋渣較好的鋼廠．出鋼后其鋼水包內(nèi)的渣層厚度可以控制在30—50mm。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,6.2.3.2 煉鋼出鋼防止下渣,如圖6．47所示，在鋼水包內(nèi)，由于溫度不均勻會(huì)造成鋼水的自然對(duì)流,澆鑄開始后也會(huì)引起鋼水的流動(dòng)。如果

67、鋼水表面存在高氧化性爐渣，爐渣中的FetO會(huì)與鋼水中的[Al]、[Si]等發(fā)生反應(yīng)，生成的、Al2O3，SiO2等會(huì)被鋼水流帶入到內(nèi)部，從而成為鋼中的非金屬夾雜物。,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響,目前優(yōu)質(zhì)彈簧、齒輪、軸件等合金鋼的總氧含量均可以被控制在0.0012％以下，軸承鋼中的總氧則可以被控制在0.0O05％以下。此類超低氧鋼的生產(chǎn)主要采用鋁直接脫氧+鋼包爐(LF爐)精煉+真空精煉的方法。 以氧

68、氣轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)超低氧合金鋼為例，在轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中可向鋼水包內(nèi)的鋼水加入錳鐵、硅鐵和部分鋁以進(jìn)行部分脫氧和合金化，在鋼包爐(LF爐)精煉開始后則可向鋼水中加入足夠的鋁（加入鋁鐵或喂鋁線)，這可充分發(fā)揮鋁所具備的強(qiáng)脫氧能力，能將鋼水的溶解氧脫除至0.0003％—0.0005％左右。在采用鋁進(jìn)行直接脫氧的同時(shí)，還需采用爐渣擴(kuò)散脫氧的工藝。,6.2.3.3 超低氧鋼水的爐外精煉,6.2.2 直接脫氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——非金屬夾雜物對(duì)鋼材性能的影響