钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践.pdf

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 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 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 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 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 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 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,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 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 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,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、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 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 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 Sp 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 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 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为不规则形状.因为C和S i降低了铁熔点并增加S原子活度,铁相线斜率增大,共晶点与偏晶点温差增大,如图所示,热力学计算表明增加质量分数的C会导致温差增长约,无强冷的条件下容易发生稳态的共晶反应.S质量分数为 时,随着S i含量增加M n S夹杂由球形变为枝晶状再变为不规则形状,但随着C含量增加M n S夹杂由球形转变为枝晶状,并未转变为不规则形状.因为S质量分数为 时,M n S夹杂形貌受S含量影响,如前文所述,S质量分数达到 时,大量树枝状M n S夹杂以初生相生成,随C含量增加无不规则M n S夹杂形成;S i的脱氧能力高于C,S i含量增加使钢中O含量降低,此时钢中M n S夹杂形貌主要受O含量影响,图C、S i、A l、T i对M n S夹杂影响F i g E f f e c t o fC,S i,A l a n dT i o nM n S i n c l u s i o n 炼钢第 卷图加C、S i后F e M n S伪二元相图的变化F i g T h ec h a n g eo f p s e u d o b i n a r yp h a s ed i a g r a mo fF e M n Sa f t e ra d d i n gCa n dS i当S i质量分数较高时,有不规则M n S夹杂形成.从图中可以看出,在含有A l(氩气气氛)和T i(氮气气氛)的样品中观察到角状、树枝状和棒状的M n S夹杂,而在含有T i(氩气气氛)的样品中只观察到偏晶M n S夹杂.因为对于含T i(氮气气氛)和含A l(氩气气氛)的试样中,T i N和A lO分别作为M n S夹杂形核剂,促进M n S相的一次结晶和稳定的共晶反应.图 为观察到的在T i N上析出的枝晶状和不规则形状的M n S夹杂.溶解度较小、熔点较高的固体T i N和A lO等更有利于M n S以共晶反应形核,而含T i的(氩气气氛)试样仅形成与M n O结 合 的T i O和S i O,熔 点 只 比 铁 熔 点 高 ,首先形成液态氧化物液滴,作为液相M n S的形核剂,从而有利于亚稳偏晶反应.图 枝晶状和角状M n S在T i N上析出F i g R o d l i k ee u t e c t i cM n S(a)a n dp r i m a r ya n g u l a rM n S(b)d e v e l o p e d f r o mc u b i cT i N郭沁怡等 发现加A l、T i脱氧后球状或纺锤状的第I类M n S夹杂转变为小尺寸沿晶界分布的第I I类M n S,M n S夹杂尺寸减少,数量增多.O i k a w a等 发现T i加入后,M n S夹杂尺寸明显减小,数密度增加,其与郭沁怡等研究结果一致.因为在凝固前期(T i,M n)O(L)会在固液界面通过偏晶反应(LF e(s)L)首先形成,如图 a所示;然后发生亚稳态三相偏晶反应(LF e(s)LL),M n S液滴(L)在(T i,M n)O液体表面形核,如图 b和图 所示,M n S的液滴(L)在L的表面形成.M n S(L)液滴会在凝固前沿与(T i,M n)O一起被捕捉,如图 c所示,随后被困在钢中并凝固为小尺寸M n S夹杂.图 T i镇静钢中M n S形成的示意图 F i g S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fM n Sf o r m a t i o n i nT i k i l l e ds t e e l 图 M n S(T i,M n)O在凝固前沿形成 F i g F o r m a t i o no fM n S(T i,M n)Od r o p l e t sa t t h es o l i d i f i c a t i o nf r o n t 李鹏等 研究了A l T i复合脱氧对非调质钢中M n S夹杂的影响,随着钛铝比的增加,在氧化物核心上析出的复合M n S夹杂增多,如图 所示.当钢中铝和钛质量分数分别为 和 时可以形成细小、弥散分布的球状M g O A lO T i Ox S i O M n S复合夹杂物,此时钢中大部分夹杂物尺寸在m以下.C a对M n S夹杂的变性作用C a与S结合能力很强,经常被用作M n S夹杂的改质剂.严国安等 研究发现C a处理后硫化物夹杂多为(M n,C a)S包裹钙铝酸盐复合夹第期刘洪波,等:钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践图 钛铝比对M n S在氧化物上析出率的影响 F i g E f f e c t o fT i A l r a t i oo nt h ep r e c i p i t a t i o nr a t eo fM n So no x i d e 杂,硫化物纺锤化趋势增加,且纺锤化趋势随钢中钙硫比增加而增加.B l a i s等 也发现相同的规律,且在钙硫比为 时,纺锤化趋势增长明显.鲁金龙 等研究了C a对汽车控制臂用钢M n S夹杂变性作用,如图 所示,不进行钙处理时夹杂物以M n S包裹A lO或镁铝尖晶石为主,轧制后呈长条状;钙处理过量时钢液中钙铝酸盐夹杂中C a O活度较高,复合夹杂物外围包裹层C a S比例较高,轧制后为椭球状,剩余大量夹杂物变性不完全或未变性,轧制后仍为长条状;钙处理适量时钢液中钙铝酸盐夹杂中C a O活度较低,复合夹杂物外围包裹层C a S比例较低,轧制后为纺锤状.通过合适的钙处理工艺能够形成纺锤状复合硫化物.图 复合硫化物演变示意图 F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o m p o s i t es u l f i d ee v o l u t i o n 凝固冷速对M n S夹杂影响凝固冷却速率对M n S夹杂影响显著,许多学者,研究发现随着冷却速率增大M n S夹杂平均尺寸减小,M n S夹杂数量增加,如图 所示.因为随着冷却速率增大,M n S夹杂形核、长大时间减少,可以通过控制冷却速率获得小尺寸M n S夹杂.冷却速率对M n S夹杂形貌也有一定的影响,一些学者研究发现缓慢冷却能够生成I类和类M n S夹杂,而较大冷却速率下主要生成第I I类M n S夹杂 .L i等 研究了不同冷却速率和铝含量对类M n S夹杂数量的影响,如图 所示,I I I类M n S夹杂数量随着冷却速度的增加而减少,在冷却速度 /s时未发现I I I型M n S;在 冷 却 速 度 /s,A l质 量 分 数 为 时I I I类M n S的数密度达到峰值.加热、保温工艺对M n S夹杂影响不同的加热工艺会对M n S夹杂产生一定影图 冷却速率对M n S夹杂尺寸的影响 F i g E f f e c t o f c o o l i n gr a t eo nt h es i z eo fM n S i n c l u s i o n 响,G n a n a m u t h u等 发现加热并经过长时间保温后M n S夹杂尺寸增大、数量减少.一些学者研究 了加热温度和保温时间对M n S夹杂的影响,炼钢第 卷图 冷却速率和A l质量分数对第I I IM n S夹杂数量的影响 F i g E f f e c to f c o o l i n gr a t ea n dA lm a s s f r a c t i o no nt h en u m b e ro f t y p eI I IM n S i n c l u s i o n F l o w e r s等 研 究 发 现 在 保 温 后M n S夹杂明显增大;李兵等 研究发现 和 保温h后M n S夹杂尺寸较大,而 保温h能够获得小尺 寸 弥 散 分 布 的 纺 锤 形M n S夹 杂;齐 江 华等 也发现加热到 保温有利于获得小尺寸纺锤形M n S夹杂,且随着保温时间增长纺锤化趋势增大;S h a o等 发现大尺寸长条状M n S夹杂球化需要保温时间更长,一些粗条状M n S夹杂在加热到 保温h仍无法分裂球化.同时,S h a o等 研究了不同升温速率对M n S夹杂影响,如 图 所 示,在 升 温 速 率 为 K/s和K/s时长条状M n S夹杂发生明显的分裂现象;当升温速率增加到K/s时,M n S夹杂分裂度降低,在K/s和 K/s时,M n S夹杂无明显变化,M n S夹杂的溶解速率随着加热速率的增加而降低.在加热过程中大尺寸长条状M n S夹杂演变过程如图 所示,大尺寸M n S夹杂断裂并不是M n和S元素固溶,而是表面各位置曲率不同产生化学势差引起的原子迁移造成的,断裂后小尺寸M n S夹杂在界面能驱动力作用下球化.图 不同加热速率下长条状M n S夹杂形态变化 F i g M o r p h o l o g i c a l c h a n g e so f l o n gs t r i pM n S i n c l u s i o nu n d e rd i f f e r e n th e a t i n gr a t e s 图 加热过程长条状M n S夹杂转变过程F i g T r a n s f o r m a t i o np r o c e s so f l o n gs t r i pM n S i n c l u s i o nd u r i n gh e a t i n g 轧制工艺对M n S夹杂的影响M n S夹杂为塑性夹杂,钢材轧制过程容易沿轧制方向伸长.B a k e r等 对三类M n S夹杂相对塑性和轧制温度的关系进行研究,I类M n S夹杂相对塑性随着轧制温度的升高先增加后降低,在 达到最大值,I I类和类M n S夹杂相对塑性基本随着轧制温度的增加而降低.L u o等 研究了轧制过程变形温度和变形量对M n S夹杂相对塑性的影响,当变形量一定时,M n S夹杂的相对塑性随着变形温度的升高先增加后降低,时塑性较高;当变形温度一定时,M n S夹杂物的相对塑性随变形量的增加而降低.简 龙 等 研 究 发 现M n S夹 杂 在 和第期刘洪波,等:钢中硫化锰夹杂控制的机理分析与工业实践 塑 性很高,塑性 较 低.娄德春等 研究了M n S夹杂的相对塑性与热变形温度的关系,如图 所示,M n S夹杂在 相对塑性很高,在 相对塑性较低.不同学者研究结果表明在 时M n S夹杂相对塑性很高,轧制时应尽量避开此温度区间;在 塑性较低,此温度范围下轧制有利于控制M n S夹杂形态,减少M n S夹杂对力学性能的影响.图 变形温度和变形量对M n S夹杂影响 F i g I n f l u e n c eo f d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o na m o u n t o nM n S i n c l u s i o n M n S夹杂控制工业实践 炼钢过程M n S夹杂控制工业实践炼钢过程中脱氧工艺、钙处理工艺、精炼渣和覆盖剂碱度控制、软吹和二冷水工艺参数控制等都会对钢中M n S夹杂产生影响,许多学者对此进行研究和实践并取得了较好效果.钢中氧含量对M n S夹杂影响显著,曹理强等 通过优化脱氧工艺,将铝脱氧工艺改为硅锰脱氧 工 艺,控 制L F终 点 游 离 氧 质 量 分 数 在 ,并对二冷水配水量进行优化,使纺锤状M n S夹杂明显增多,切削性能得到明显改善.陆鹏雁等 在南钢进行了钙处理变性含硫非调质钢中硫化物的工业试验,结果表明钙处理能够增加钢中含钙复合硫化物数量,轧制后形成较多的球状或纺锤状复合硫化物,有利于改善钢材的各向异性.吴鹏等 进行了曲轴用钢C N 的钙处理工业试验,结果表明在低氧、高钙、高硫条件下可使条状M n S夹杂变为纺锤状复合硫化物.炼钢生产中可以通过钙处理工艺对M n S夹杂进行控制,钙处理可以将长条状M n S夹杂变性为纺锤状复合硫化物夹杂,有利于改善钢材性能.熊 玉 彰 等 研 究 了 精 炼 渣 和 钙 处 理 对 M n V N S 钢中M n S夹杂的影响,低碱度精炼渣有利于硫含量的控制,钙处理后长条状M n S夹杂转变为球状复合夹杂.李国忠等 研究结果表明E A F采用M n、A l、B a S i沉淀脱氧,在L F喂铝线,渣面用碳粉和铝粉脱氧有利于获得球状硫化物夹杂;同时增长软吹时间有利于硫化物控制,因为软吹可使钙处理作用充分进行,同时促进了硫化物夹杂上浮,提高了精炼渣对硫化物夹杂的吸附作用.郑文超等 对含硫易切削钢C N 生产工艺进行优化,精炼末期白渣后加入硅粉脱氧进行变渣操作(前期为髙碱度渣,后期为低碱度渣),控制钙硫比在 以上,将高碱度中间包覆盖剂换为低碱度中间包覆盖剂,并优化二冷水配水量(弱冷改为强冷)和电磁搅拌强度(电流由 A降低至 A),优化后钢中纯M n S夹杂数量明显减少,小尺寸、弥散分布的纺锤状复合型硫化物增多,级以下A类细类硫化物合格率明显升高.轧制过程M n S夹杂控制工业实践王从道等 研究了加热工艺对含硫易切削钢中M n S夹杂的影响,发现降低加热速率、增长保温时间有利于获得纺锤状M n S夹杂,改善钢材切削性.在合适的加热速率和加热温度下保温足够时间有利于改变M n S夹杂形态,改善钢材性能.王英虎等 研究了轧制变形量对含硫易切削钢中硫化物的影响,如图 所示,随着轧制变形量增大,长条状M n S夹杂增多.当 mm mm的方坯被轧制成尺寸为 mm圆棒时M n S夹杂为椭圆形,轧制尺寸为 mm圆棒有长条状M n S夹杂出现,轧制尺寸为 mm圆棒主要为长条状M n S夹杂,且有部分大尺寸长条形M n S夹杂发生了破碎断裂,形成了更多更加细小的M n S夹杂.M n S夹杂控制的新思路 M g对M n S夹杂的影响M g处理能够改性M n S夹杂,一些学者 研究发现镁处理能使M n S夹杂由类向类和类转变,并改善M n S夹杂的尺寸和分布.镁处理后氧化物由A lO转变为M g OA lO,细小的M g OA lO夹杂作为M n S析出的形核核心,使夹杂物由A lO M n S转变为M g OA lO M n S,复合夹杂明显增多,形状由长条状变为球状和纺锤状,尺寸较小且弥散分布.图 为未加M g和加M g 炼钢第 卷图 不同轧制变形量对M n S夹杂影响 F i g E f f e c t o fd i f f e r e n t r o l l i n gd e f o r m a t i o no nM n S i n c l u s i o n 处理后硫化物夹杂三维形貌,加M g后树枝状和长条状硫化物减少,多面体和球状硫化物明显增多.图 加M g前后硫化物三维形貌 F i g T h r e e d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g yo fs u l f i d eb e f o r ea n da f t e ra d d i n gM g 艾克南等 研究了不同M g含量对非调质钢中M n S夹杂影响,随着M g含量增加,钢中硫化物形态由类向类和类转变,钢中复合硫化物比 例 明 显 增 加.复 合 硫 化 物 变 化 顺 序 为A lO M n S M g OA lO M n SM g O M n S,在高硫钢中,M g含 量 较 高 时 还 会 形 成M g(O,S)M n S .M g C a对M n S夹杂的影响S u n等 比较了质量分数 C a处理和 C a M g处理对非调制钢M n S夹杂物的影响,仅钙处理时,硫化物主要为长条状,纺锤形和球形夹杂物较少;C a M g处理后硫化物大部分转变为尺寸较小的纺锤形和球形夹杂物,夹杂物密度和复合夹杂物比例均增加.S h e n等 研究了C a M g处理时不同M g含量对硫化物夹杂影响,随着M g含量增加,夹杂物由C a O A lO M n S转变M g OA lO M n S,当M g质量分数增加到 时,转变为M g O M n S复合夹杂;且随着M g含量增加,硫化物数量增加,尺寸降低,钢中复合夹杂物比例明显增加,形状朝着球形或椭球形变化.Z r对M n S夹杂的影响郭沁怡等 研究了T i、A l、Z r脱氧对中硫非调质钢中硫化物形态的影响,T i、A l、Z r脱氧均可以减小钢中硫化物尺寸,但加入T i和A l后大量硫化物在晶界处聚集,加入Z r后钢中硫化物分布相对均匀,且Z r O M n S复合夹杂物比例较高.L u等 研究发现在低Z r钢(质量分数 )中,主要为沿晶界分布的I I类M n S;而在高Z r钢(质量分数 )中,M n S夹杂物主要为球形或角形,尺寸小且分布均匀.因为Z r O与M n S的晶格错配度小于,是M n S理想的形核催化剂,同时Z r O密度与液态钢密度较为接近,体积较小,在钢液中不易上浮,更容易弥散分布在钢中,促进M n S发生偏晶反应球化,改善硫化物的形态与分布.稀土C e对M n S夹杂的影响刘洁等 研究了稀土C e对非调质钢中硫化物夹杂的影响,加入C e后逐渐变为椭球形或球形的(C e,M n)S复合夹杂和(C e,M n)S T iCS复合夹杂.其原理如图 所示,C e和S先结合形成C eS,随着温度降低C eS转变为C eS,随后T iCS和M n S以C eS为核心包裹析出,硫化物弥散分布.T e对M n S夹杂的影响S h e n等 研究了T e对 M n V S 钢硫化物的影响,T e处理后形成椭球状M n T e包裹M n S的复合夹杂物.钢的凝固以及M n S和M n T e的析出是影响复合硫化物形成的主要因素,随着温度降低钢液中析出M n T e和M n S并形成M n T e M n S二元液相,温度继续降低达到共晶点 时,T e含量较低时M n T e和M n S以离异共晶形式析出,形成M n T e包裹一个M n S核的复合硫化物,如图