钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践.pdf
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1、基金项目:深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室开放课题资助项目(B I P T );河北省自然科学基金资助项目(E );中央引导地方科技发展资金项目(Z G)通信作者:刘洪波(),男,高级工程师;E m a i l:u s t b l i u h o n g b o c o m;收稿日期:钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践刘洪波,康举,谢荣圆,康旭(河钢材料技术研究院,河北 石家庄 ;北京石油化工学院 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室,北京 ;河钢数字技术股份有限公司,河北 石家庄 )摘要:钢中M n S夹杂的控制是一个涉及到包括冶炼、凝固、加热和轧制过程等多工序,需要多变
2、量协同控制的系统工程.详细论述了国内外M n S夹杂的研究现状,阐述了不同元素、热处理和轧制工艺对M n S夹杂的影响机理;整理总结了当前M n S夹杂的工艺控制措施,通过采用合适的脱氧工艺提高凝固前沿氧含量、降低精炼渣碱度、采用合适的钙处理工艺、采用低碱度中间包覆盖剂、提高二冷水量加强冷却、降低电磁搅拌强度等方式能够有效地控制M n S夹杂形貌、尺寸和数量.近年来,针对M n S夹杂的变性处理和弥散化分布等控制难点,提出了一些新思路,即向钢液中添加M g、C a M g、Z r、C e、T e等元素能够有效控制钢中M n S夹杂形貌、尺寸和数量.关键词:M n S夹杂;微观组织;机械性能;夹
3、杂物改性;热处理;工业实践中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()M e c h a n i s m a n a l y s i sa n di n d u s t r i a lp r a c t i c eo f m a n g a n e s es u l f i d ei n c l u s i o nc o n t r o l i ns t e e lL I UH o n g b o,K A N GJ u,X I ER o n g y u a n,K A N GX u H B I SM a t e r i a lT e c h n o l o g yR e s e a r c
4、 hI n s t i t u t e,S h i j i a z h u a n g ,C h i n a B e i j i n gK e yL a b o r a t o r yo fP i p e l i n eC r i t i c a lT e c h n o l o g ya n dE q u i p m e n tf o rD e e p w a t e rO i l&G a sD e v e l o p m e n t,B e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y,B
5、 e i j i n g ,C h i n a H B I SD i g i t a lT e c h n o l o g yC o,L t d,S h i j i a z h u a n g ,C h i n aA b s t r a c t:T h ec o n t r o lo fM n Si n c l u s i o n si ns t e e l i sas y s t e me n g i n e e r i n gw h i c hi n v o l v e sm u l t i p l ep r o c e s s e si n c l u d i n g s m e l t
6、 i n g,s o l i d i f i c a t i o n,h e a t i n g a n d r o l l i n g,a n d r e q u i r e s m u l t i v a r i a b l ec o o p e r a t i v ec o n t r o l I nt h i sp a p e r,t h er e s e a r c hs t a t u so fM n Si n c l u s i o n sa th o m ea n da b r o a dw a sd i s c u s s e d i nd e t a i l,a n dt
7、h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo fd i f f e r e n te l e m e n t s,h e a tt r e a t m e n ta n dr o l l i n gp r o c e s so nM n S i n c l u s i o n sw e r e e x p o u n d e d I na d d i t i o n,t h e c u r r e n t p r o c e s s c o n t r o lm e a s u r e s o fM n Si n c l u s i o n sw e r es
8、u mm a r i z e d T h em o r p h o l o g y,s i z ea n dq u a n t i t yo fM n S i n c l u s i o n s c a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db ya d o p t i n ga p p r o p r i a t ed e o x y g e n a t i o np r o c e s s,i m p r o v i n gt h eo x y g e nc o n t e n ta tt h es o l i d i f i c a t
9、i o nf r o n t,r e d u c i n g t h eb a s i c i t yo f r e f i n i n g s l a g,a d o p t i n ga p p r o p r i a t eC a t r e a t m e n t p r o c e s s,a d o p t i n gl o w b a s i c i t yt u n d i s hc o v e r i n ga g e n t,i n c r e a s i n gt h es e c o n d a r yc o o l i n g w a t e rv o l u m e
10、,s t r e n g t h e n i n gc o o l i n ga n dr e d u c i n ge l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi n t e n s i t y I nr e c e n ty e a r s,s o m en e wi d e a sh a v eb e e np r o p o s e dt oc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o nt r e a t m e n ta n dd i f f u s i o nd i s t r i b u t i o no
11、 fM n Si n c l u s i o n s T h em o r p h o l o g y,s i z ea n dq u a n t i t yo fM n S i n c l u s i o n s i ns t e e l c a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db ya d d i n gM g,C a M g,Z r,C ea n dT ee l e m e n t s i n t om o l t e ns t e e l K e y w o r d s:M n S i n c l u s i o n s;m i
12、c r o s t r u c t u r e;m e c h a n i c a l p r o p e r t y;i n c l u s i o n m o d i f i c a t i o n;h e a tt r e a t m e n t;i n d u s t r i a l p r a c t i c e洁净度对特殊钢性能影响十分显著,其中主要表现为夹杂物的影响.钢中夹杂物通常被认为是有害的,夹杂物的控制一直是炼钢生产的重要方向之一.M n S夹杂是钢中最常见的非金 年月第 卷 第期炼钢S t e e l m a k i n gA u g V o l N o 属塑性夹杂之一,
13、其尺寸、形状及分布显著影响着钢材性能.根据M n S夹杂形貌主要分为三类;第I类为球状,主要由偏晶反应形成;第类为树枝状,主要由共晶反应形成;第类为多面体,主要由伪共晶反应形成.其中,类和类M n S夹杂易使钢材产生各向异性,但细小、弥散分布的球状M n S夹杂能够钉扎晶界,诱导针状铁素体形核,抑制奥氏体晶粒长大,改善钢材性能 .许多学者 指出细长的M n S夹杂对钢的力学性能不利,因为细长的M n S夹杂在轧制过程中变形造成钢材各向异性,纺锤状、椭球状的M n S夹杂对力学性能有利,同时也有利于改善切削性能.炼钢 过程中希望 获得小尺寸 的球状或椭 球状M n S夹杂,其在热加工时变形较小、
14、钢材切削性能好、对钢材力学性能影响较小,含硫钢生产中,M n S夹杂数量、形态和尺寸控制是核心技术之一 .本文对国内外M n S夹杂的研究现状进行了整理和论述,重点介绍了M n S夹杂对钢组织性能的影响、M n S夹杂的分类,阐述了不同元素、热处理和轧制工艺对M n S夹杂的影响机理,总结了控制M n S夹杂的工艺措施,并进一步提出了钢中M n S夹杂控制的新思路,以期为钢中M n S夹杂合理控制工艺制定提供参考.M n S夹杂对非调质钢组织和性能的影响钢中M n S夹杂可以改善钢材切削性能,但在生产过程中易在晶界偏聚,造成钢材力学性能的各向异性,破坏钢基体的连续性 .但细小的M n S夹杂能
15、够钉扎晶界,诱导针状铁素体形核,抑制奥氏体晶粒长大,改善钢材性能 .对钢材力学性能各向异性的影响M n S夹杂属于塑性夹杂,容易被拉轧成长条状,破坏材料的横向力学性能,降低屈服强度和疲劳性能.S p e i c h等 研究发现在A I S I 钢中,每当长条状M n S夹杂垂直于主拉应力方向时,夹 杂 物 就 会 引 发 疲 劳 裂 纹.M a c i e j e w s k i等 用A I S I 钢进行了横向和纵向拉伸试验,横向极限抗拉强度、屈服强度和伸长率明显低于纵向.有研究表明材料的各向异性的增加可归因于长条状M n S夹杂的分布.H o s s e i n i等发现在拉伸过程中应力达
16、到 M P a时,横向试样中的M n S夹杂就开始跟基体发生分离行为,且裂缝随着载荷增大而增大,小尺寸M n S夹杂并未产生脱离,如图所示.而纵向试样中M n S夹杂不与基体分离,当应力达到 M P a时,M n S夹杂断裂,如图所示.因为纵向试样周围基质倾向于压缩M n S夹杂,夹杂物断裂但不与基体分离;横向试样受拉伸载荷时M n S夹杂与钢基体显示出分离的趋势.图横向试样拉伸时M n S夹杂与基体行为F i g M n S i n c l u s i o na n dm a t r i xb e h a v i o r i nt r a n s v e r s es p e c i m e
17、 nt e n s i o n图纵向试样拉伸时M n S夹杂与基体行为F i g M n S i n c l u s i o na n dm a t r i xb e h a v i o r i nl o n g i t u d i n a l s p e c i m e nt e n s i o n 对非调质钢奥氏体钉扎作用细小弥散分布的M n S夹杂能够钉扎晶界,抑制奥氏体晶粒长大,F u r u h a r a等 研究发现钢中不含硫时奥氏体晶粒尺寸明显更大.K i r b y等 研究发现高硫钢中奥氏体晶粒尺寸明显更加细小.W u等利用高温共聚焦显微镜直接观察了非调质钢中奥氏体晶粒长大过程
18、中M n S夹杂的钉扎作用,如图所示,箭头所指的晶界向右下方移动.晶界A端被M n S夹杂钉住并保持在同一位置,而B端没有任何夹杂物则发生明显移动.M n S夹杂钉扎了奥氏体晶界,在加热过程中细化了奥氏体晶粒.炼钢第 卷图奥氏体晶界与M n S夹杂相互作用的原位观察F i g I ns i t uo b s e r v a t i o no f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r i e sa n dt h eM n S i n c l u s i o n 对晶
19、内铁素体的诱导作用M n S夹杂可作为微观粒子核心形成无取向、相互交叉连接的针状铁素体,切割粗大的奥氏体晶粒,增强材料韧性.许多学者利用扫描电镜观察到针状铁素体以细小的球状M n S夹杂或M n S包裹的T i Ox、Z r O、M g OA lO和硅酸盐为核心形核的微观图像 .同时,有学者利用扫描电镜下观察到V C粒子在M n S夹杂上形核的微观图像,M n S能够促进V N和V C在M n S夹杂上形核长大.V(C,N)和铁素体之间具有B N取向关系,M n S V(C,N)复合第二相粒子易于诱导针状铁素体形核 .同时,Z h a o等 通过理论计算证明M n SV(C,N)复合第二相粒子
20、有利于促进晶内铁素体形核,而在奥氏体晶内单独生成的V(C,N)粒子因尺寸太小无法诱导铁素体形核.综上所述,炼钢过程中控制M n S夹杂形状、尺寸和分布十分重要,小尺寸、弥散分布的纺锤状M n S夹杂有利于改善钢材性能.M n S夹杂分类及影响因素 M n S夹杂分类Y o i c h i等 根据M n S形貌将其分为类,即第I类球状、第类为扇形或链状、第类为多面体形、第类为不规则形状,如图所示.O i k a w a等根据M n S夹杂的二维和三维形貌将钢中的M n S夹杂分为类,第I类为球状,主要由偏晶反应形成,O i k a w a等通过热力学计图M n S夹杂典型形貌 F i g T y
21、 p i c a lm o r p h o l o g yo fM n S i n c l u s i o n 算发现在F e M n S体系中共晶点和偏晶点只相差,如图所示,第I类M n S可能由亚稳态偏晶反应形成;第类为树枝状,主要由共晶反应形成,其不同形态是由共晶反应中M n S体积分数不同造成的;第类为多面体形,主要由伪共晶反应形成,其形成过程受C、S i、A l、T i等元素以及冷却速率等影响,类M n S夹杂形貌如图所示.图稳定和亚稳态的F e M n S伪二元相图F i g S c h e m a t i cd i a g r a m s f o r t h eF e M n S
22、p s e u d o b i n a r yi ns t a b l ea n dm e t a s t a b l es y s t e m s图M n S夹杂典型二维和三维形貌F i g T y p i c a l Da n d Dm o r p h o l o g yo fM n S i n c l u s i o n第期刘洪波,等:钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践 M n S夹杂影响因素 O元素的影响钢中氧活度显著影响M n S夹杂形态,如图所示,随着钢中氧活度降低,M n S夹杂逐渐从第I类向第类转变 .E e g h e m等 发现全氧质量分数高于 时主要生成第I类M n
23、S夹杂;全氧质量分数在 时主要生成 第类M n S夹 杂;全 氧 质 量 分 数 低 于 时主要生成第类M n S夹杂.因为氧含量较高时在凝固初期会形成大量的M n O液滴作为形核剂分离液态M n S,促进亚稳态偏晶反应发生,形成第I类M n S;氧含量适中时发生共晶反应形成第类M n S,氧含量较低时发生伪共晶反应形成第类M n S,.M n、S的影响M n S夹杂还受到钢中M n和S的影响,如图所示,随着钢中M n和S活度升高,M n S夹杂逐渐从第I类向第类转变.T a k a d a等 研究发现当S质量分数为 时,主要发生偏晶反应生成第I类M n S夹杂;S质量分数达到 时,主要发生共
24、晶反应生成第I I类M n S夹杂;S质量分数达到 时,大量树枝状M n S夹杂以初生相生成.S含量也会影响M n S夹杂析出温 度,W a k o h等 发 现S质 量 分 数 不 超 过 时,M n S夹杂析出温度随着S含量增加而增加.S含量还会影响M n S夹杂数量,秦哲等 研究发现沿晶界析出的M n S夹杂数量随着S含量升高而增加.另外,蒋光辉等 也发现可以通过控制锰硫比减少M n S夹杂数量,形成纺锤形M n S夹杂.S含量较低时,凝固过程中首先析出F e(s)枝晶,M n S呈液相在液相中富集,达到共晶点成分图M n S夹杂形貌随M n、S和O活度变化规律 F i g V a r
25、i a t i o no fM n S i n c l u s i o nm o r p h o l o g yw i t hM n,Sa n dOa c t i v i t y 后析出F e(s)和M n S(s),在晶界处形成第类M n S夹杂;当S含量较高时,M n S夹杂析出温度较高,M n S夹杂在较早阶段以离异共晶方式从液相线中析出,均匀的分布在枝晶间隙,在奥氏体晶粒内部形成带棱角的第类M n S夹杂.C、S i、A l、T i的影响钢液中C、S i、A l、T i都会对M n S夹杂产生影响,如图所示,S质量分数为 时,M n S夹杂随着C、S i含量增加由球形转变为枝晶状再转变
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- 关 键 词:
- 硫化 夹杂 控制 机理 分析 工业 实践
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