弱脱氧弹簧钢夹杂物形态控制研究

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 弱脱氧弹簧钢夹杂物形态控制研究 齐江华12四，吴超”，罗德信”，杨成威2，区 铁1,2) 1)武汉钢铁（集团）公司研究院，武汉4300802)湖北省治金工艺模拟工程实验室，武汉430080 ☒通信作者，E-mail:qijianghuac@163.com 摘要采用不同炉渣碱度和精炼工艺，对弹簧钢中全氧含量，夹杂物的尺寸、大小和成分进行了分析，并对夹杂物的形态分 布进行了研究.结果表明，碱度高有利于脱氧和控制夹杂物尺寸，但容易形成脆性夹杂物：炉渣碱度低时，钢中氧含量相对较 高，夹杂物尺寸偏大.弹簧钢要保证夹杂物的塑性，应将炉渣碱度控制在1.0~1.3，同时应适当延长软吹时间，保证钢中大颗 粒夹杂的去除和钢中氧含量的降低 关键词弹簧钢：夹杂物控制：炉渣碱度：塑性化 分类号T℉762.5 Inclusion morphology control of soft-killed deoxidation spring steel QI Jiang-hua,WU Chao,LUO De-xin,YANG Chen-ei,OU Tie 1)Research Institute of Wuhan Iron and Steel (Group)Co.,Wuhan 430080,China 2)Engineering Laboratory for Metallurgy Process Simulation of Hubei Province,Wuhan 430080,China Corresponding author,E-mail:qi-jianghua@163.com ABSTRACT With different slag basicity and refining process,the total oxygen content,inclusion size,and composition were ana- lyzed,and the morphological distribution of inclusions was studied in the spring steel.The results show that,high basicity slag is pro- pitious to inclusion size control,but high basicity also results in the fragile inclusion in steel,low basicity slag can also cause the rela- tively high oxygen content and large inclusion in steel.In order to ensure the plastic inclusions in spring steel,the slag basicity should be controlled in 1.0-.3,and at the same time,the soft blowing time should be prolonged properly to ensure the removal of large inclu- sion and decrease the oxygen content in steel. KEY WORDS spring steel;inclusion control:slag basicity:plastification 弹簧是机械设备中的重要零件，多在冲击、振动 1实验方法 或承受周期性交变应力的条件下工作，疲劳破坏是 导致弹簧失效的重要原因，而钢中非金属夹杂物常 实验选取W55SiCC弹簧钢，主要化学成分控 常成为疲劳裂纹的起源.为了提高弹簧抗疲劳性 制范围如表1.采用转炉一LF精炼-RH精炼一软吹一 能，必须对钢中非金属夹杂物的组成、尺寸和形态进 连铸的工艺流程，通过造不同碱度精炼渣，并在软吹 行严格控制).有关弹簧钢夹杂物控制的报道很 过程中通过控制硅砂加入量来调整炉渣碱度. 多-)，对于Si、M弱脱氧弹簧钢，须将钢中夹杂物 控制在Ca0-SiO2-AL,03系中钙斜长石(Ca0·Al,03 2检测分析 2Si02)、鳞石英(Si02)和假硅灰石(Ca0Si02)相 精炼结束后取渣样分析炉渣成分，治炼过程取 邻的低熔点区，熔点低于1400℃6-).为弄清炉渣 过程试样和弹簧盘条试样分析钢中全氧含量，利用 成分对夹杂物形态的影响，采用不同炉渣碱度和精 电子探针对夹杂物进行成分分析.实验相关工艺和 炼工艺，对弱脱氧弹簧钢中夹杂物进行了成分、尺寸 检测结果如表2.图1和图2分别为2号和6号试 和形态分析，为弹簧钢治炼工艺的制定提供参考. 样中典型夹杂物的形貌、尺寸和能谱分析. 收稿日期：2013-10一19 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.032:http://jourals.ustb.edu.en

第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 弱脱氧弹簧钢夹杂物形态控制研究 齐江华1，2) ，吴 超1) ，罗德信1) ，杨成威1，2) ，区 铁1，2) 1) 武汉钢铁( 集团) 公司研究院，武汉 430080 2) 湖北省冶金工艺模拟工程实验室，武汉 430080 通信作者，E-mail: qi-jianghua@ 163． com 摘 要 采用不同炉渣碱度和精炼工艺，对弹簧钢中全氧含量，夹杂物的尺寸、大小和成分进行了分析，并对夹杂物的形态分 布进行了研究． 结果表明，碱度高有利于脱氧和控制夹杂物尺寸，但容易形成脆性夹杂物; 炉渣碱度低时，钢中氧含量相对较 高，夹杂物尺寸偏大． 弹簧钢要保证夹杂物的塑性，应将炉渣碱度控制在 1. 0 ～ 1. 3，同时应适当延长软吹时间，保证钢中大颗 粒夹杂的去除和钢中氧含量的降低． 关键词 弹簧钢; 夹杂物控制; 炉渣碱度; 塑性化 分类号 TF762 + . 5 Inclusion morphology control of soft-killed deoxidation spring steel QI Jiang-hua1，2)  ，WU Chao 1) ，LUO De-xin1) ，YANG Chen-wei 1，2) ，OU Tie 1，2) 1) Ｒesearch Institute of Wuhan Iron and Steel ( Group) Co． ，Wuhan 430080，China 2) Engineering Laboratory for Metallurgy Process Simulation of Hubei Province，Wuhan 430080，China Corresponding author，E-mail: qi-jianghua@ 163． com ABSTＲACT With different slag basicity and refining process，the total oxygen content，inclusion size，and composition were ana￾lyzed，and the morphological distribution of inclusions was studied in the spring steel． The results show that，high basicity slag is pro￾pitious to inclusion size control，but high basicity also results in the fragile inclusion in steel，low basicity slag can also cause the rela￾tively high oxygen content and large inclusion in steel． In order to ensure the plastic inclusions in spring steel，the slag basicity should be controlled in 1. 0-1. 3，and at the same time，the soft blowing time should be prolonged properly to ensure the removal of large inclu￾sion and decrease the oxygen content in steel． KEY WOＲDS spring steel; inclusion control; slag basicity; plastification 收稿日期: 2013--10--19 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 032; http: / /journals． ustb． edu． cn 弹簧是机械设备中的重要零件，多在冲击、振动 或承受周期性交变应力的条件下工作，疲劳破坏是 导致弹簧失效的重要原因，而钢中非金属夹杂物常 常成为疲劳裂纹的起源． 为了提高弹簧抗疲劳性 能，必须对钢中非金属夹杂物的组成、尺寸和形态进 行严格控制［1--3］． 有关弹簧钢夹杂物控制的报道很 多［4--7］，对于 Si、Mn 弱脱氧弹簧钢，须将钢中夹杂物 控制在 CaO--SiO2--Al2O3 系中钙斜长石( CaO·Al2O3 ·2SiO2 ) 、鳞石英( SiO2 ) 和假硅灰石( CaO·SiO2 ) 相 邻的低熔点区，熔点低于 1400 ℃［6--7］． 为弄清炉渣 成分对夹杂物形态的影响，采用不同炉渣碱度和精 炼工艺，对弱脱氧弹簧钢中夹杂物进行了成分、尺寸 和形态分析，为弹簧钢冶炼工艺的制定提供参考． 1 实验方法 实验选取 W55SiCrC 弹簧钢，主要化学成分控 制范围如表 1． 采用转炉--LF 精炼--ＲH 精炼--软吹-- 连铸的工艺流程，通过造不同碱度精炼渣，并在软吹 过程中通过控制硅砂加入量来调整炉渣碱度． 2 检测分析 精炼结束后取渣样分析炉渣成分，冶炼过程取 过程试样和弹簧盘条试样分析钢中全氧含量，利用 电子探针对夹杂物进行成分分析． 实验相关工艺和 检测结果如表 2． 图 1 和图 2 分别为 2 号和 6 号试 样中典型夹杂物的形貌、尺寸和能谱分析．

·174 北京科技大学学报 第36卷 表1W55SiCC的主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of W55SiCrC % C Si Mn P Cr Ni Cu 0.51~0.59 1.20-1.60 0.60-0.80 ≤0.025 ≤0.025 0.60-0.80 ≤0.12 ≤0.10 表2实验相关工艺和检测结果 Table 2 Relevant process and analysis results of experiments 序号 炉渣碱度，R(Ca0/Si02) 精练结束时全氧含量/10~6 软吹后全氧含量106 盘条成品全氧含量/106 1.01 28 13 3 1.08 25 12 10 1.17 19 3 1.26 21 12 9 5 1.56 16 10 6 1.76 17 11 9 (a) Si Mg Ca 6 5m☐ 能量eV (b) 4331 n 6 5um 能量keV 图12号试样中典型夹杂物形貌和能谱分析 Fig.1 Image and energy dispersive spectroscope (EDX)analysis of typical inclusion in sample2 从表2可以看出，当炉渣碱度较低时，精炼结束 Factsage软件计算出钙长石(Ca0·AL,03·2Si02)范 后，钢中氧含量较高，炉渣碱度较高时，钢中氧含量 围的塑性区，将不同试样中夹杂物成分分析结果投 较低，可见炉渣碱度较高时，有利于脱氧.经过软吹 影在Ca0Si02-Al,0,三元相图中，图3为不同炉渣 处理后，钢中氧含量都能降到12×10-6以下.通过 碱度试样中夹杂物的组成分布. 电子探针的观察发现（如图1和图2），碱度较低时， 如图所示，炉渣碱度控制在1.0~1.1时，夹杂 钢中大颗粒夹杂物数量要多于碱度高的炉次，但碱 物分布均在塑性区，且在塑性区上部（如图3(a)和 度高时夹杂物中A!含量增加，容易形成脆性夹 3(b)),当炉渣碱度控制在1.1~1.3时，夹杂物分 杂物. 布也在塑性区，但在塑性区下部（如图3（℃）和3 3结果分析与讨论 (d).当炉渣碱度控制在1.56时，夹杂物生成区域 向塑性区右边移动（如图3(）)，表明此时钢中的 为进一步弄清夹杂物的组成范围，利用热力学 铝含量增加，可能会有莫来石(3A山，03·2Si02)生成

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 W55SiCrC 的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of W55SiCrC % C Si Mn P S Cr Ni Cu 0. 51 ～ 0. 59 1. 20 ～ 1. 60 0. 60 ～ 0. 80 ≤0. 025 ≤0. 025 0. 60 ～ 0. 80 ≤0. 12 ≤0. 10 表 2 实验相关工艺和检测结果 Table 2 Ｒelevant process and analysis results of experiments 序号 炉渣碱度，Ｒ( CaO/SiO2 ) 精练结束时全氧含量/10 － 6 软吹后全氧含量/10 － 6 盘条成品全氧含量/10 － 6 1 1. 01 28 13 12 2 1. 08 25 12 10 3 1. 17 19 13 12 4 1. 26 21 12 9 5 1. 56 16 10 8 6 1. 76 17 11 9 图 1 2 号试样中典型夹杂物形貌和能谱分析 Fig． 1 Image and energy dispersive spectroscope ( EDX) analysis of typical inclusion in sample 2 从表 2 可以看出，当炉渣碱度较低时，精炼结束 后，钢中氧含量较高，炉渣碱度较高时，钢中氧含量 较低，可见炉渣碱度较高时，有利于脱氧． 经过软吹 处理后，钢中氧含量都能降到 12 × 10 － 6 以下． 通过 电子探针的观察发现( 如图 1 和图 2) ，碱度较低时， 钢中大颗粒夹杂物数量要多于碱度高的炉次，但碱 度高 时 夹 杂 物 中 Al 含 量 增 加，容易形成脆性夹 杂物． 3 结果分析与讨论 为进一步弄清夹杂物的组成范围，利用热力学 Factsage 软件计算出钙长石( CaO·Al2O3 ·2SiO2 ) 范 围的塑性区，将不同试样中夹杂物成分分析结果投 影在 CaO--SiO2--Al2O3 三元相图中，图3 为不同炉渣 碱度试样中夹杂物的组成分布． 如图所示，炉渣碱度控制在 1. 0 ～ 1. 1 时，夹杂 物分布均在塑性区，且在塑性区上部( 如图 3( a) 和 3( b) ) ，当炉渣碱度控制在 1. 1 ～ 1. 3 时，夹杂物分 布也在塑性区，但在塑性区下部( 如图 3 ( c) 和 3 ( d) ) ． 当炉渣碱度控制在 1. 56 时，夹杂物生成区域 向塑性区右边移动( 如图 3 ( e) ) ，表明此时钢中的 铝含量增加，可能会有莫来石( 3Al2O3 ·2SiO2 ) 生成． ·174·

增刊1 齐江华等：弱脱氧弹簧钢夹杂物形态控制研究 ·175· 3 5um 能量keV 5 gm 能量keV 图26号试样中典型夹杂物形貌和能谱 Fig.2 Image and energy dispersive spectroscope (EDX)analysis of typical inclusion in sample 6 当炉渣碱度在1.76时，夹杂物生成区域向塑性区下 点不高，轧制过程可以发生少许变形).对于$引、 方移动（如图3(）)，表明此时钢中铝、钙含量都有 Mn弱脱氧弹簧钢，能否将夹杂物的控制在钙铝黄长 增加，可能生成钙铝黄长石(2Ca0·AL,03·Si0,). 石范围，需要更进一步的研究其对弹簧钢疲劳性能 综合上述分析结果，如果要保证弹簧钢夹杂物 是否造成影响，在技术可行的基础上，力求经济上更 的塑性化，应控制炉渣碱度在1.0~1.3，同时应适 合理 当延长软吹时间，保证钢中大颗粒夹杂的去除和钢 4结论 中氧含量的降低，但此工艺对炉衬侵蚀大，成本高 如果采用炉渣碱度在1.5~1.8，钢中氧含量低，夹 (1)对于弱脱氧弹簧钢，碱度高有利于脱氧和 杂物尺寸小，对保护炉衬有利，并可减少软吹时间， 控制夹杂物尺寸，但容易形成脆性夹杂物，炉渣碱度 降低成本，生成的钙铝黄长石属于半塑性夹杂物. 低时，钢中氧含量相对较高，夹杂物尺寸偏大. 从弹簧钢夹杂物控制的特点来看，在用A!脱氧工艺 (2)要保证弹簧钢夹杂物的塑性化，理想的炉 生产的弹簧中，目前有报道是将夹杂物控制在 渣碱度在1.0~1.3，同时应适当延长软吹时间，保 12Ca07A山，03相邻的区域，该区域夹杂物不属于在 证钢中大颗粒夹杂的去除和钢中氧含量的降低， 钢热轧过程中能良好变形的塑性夹杂物，但由于熔 (3)当炉渣碱度在1.5~1.8时，夹杂物己偏离 Sio. 0A1.00 0入1.00 (a) ) R=1.01 R=1.08 0.25 0.75 0.25 0.75 质量分数 0.50 0.50 分数 质量分数 0.50 0.50 分数 0.75 0.25 0.75 0.25 06 1.0 0.25 0.50 0.75 0 0.25 0.50 0.75 CaO+MgO 质量分数 A1,0, Ca0+Mgo 质量分数 A1,03

增刊 1 齐江华等: 弱脱氧弹簧钢夹杂物形态控制研究 图 2 6 号试样中典型夹杂物形貌和能谱 Fig． 2 Image and energy dispersive spectroscope ( EDX) analysis of typical inclusion in sample 6 当炉渣碱度在 1. 76 时，夹杂物生成区域向塑性区下 方移动( 如图 3( f) ) ，表明此时钢中铝、钙含量都有 增加，可能生成钙铝黄长石( 2CaO·Al2O3 ·SiO2 ) ． 综合上述分析结果，如果要保证弹簧钢夹杂物 的塑性化，应控制炉渣碱度在 1. 0 ～ 1. 3，同时应适 当延长软吹时间，保证钢中大颗粒夹杂的去除和钢 中氧含量的降低，但此工艺对炉衬侵蚀大，成本高． 如果采用炉渣碱度在 1. 5 ～ 1. 8，钢中氧含量低，夹 杂物尺寸小，对保护炉衬有利，并可减少软吹时间， 降低成本，生成的钙铝黄长石属于半塑性夹杂物． 从弹簧钢夹杂物控制的特点来看，在用 Al 脱氧工艺 生产 的 弹 簧 中，目前有报道是将夹杂物控制在 12CaO·7Al2O3 相邻的区域，该区域夹杂物不属于在 钢热轧过程中能良好变形的塑性夹杂物，但由于熔 点不高，轧制过程可以发生少许变形［6--7］． 对于 Si、 Mn 弱脱氧弹簧钢，能否将夹杂物的控制在钙铝黄长 石范围，需要更进一步的研究其对弹簧钢疲劳性能 是否造成影响，在技术可行的基础上，力求经济上更 合理． 4 结论 ( 1) 对于弱脱氧弹簧钢，碱度高有利于脱氧和 控制夹杂物尺寸，但容易形成脆性夹杂物，炉渣碱度 低时，钢中氧含量相对较高，夹杂物尺寸偏大． ( 2) 要保证弹簧钢夹杂物的塑性化，理想的炉 渣碱度在 1. 0 ～ 1. 3，同时应适当延长软吹时间，保 证钢中大颗粒夹杂的去除和钢中氧含量的降低． ( 3) 当炉渣碱度在 1. 5 ～ 1. 8 时，夹杂物已偏离 ·175·

·176 北京科技大学学报 第36卷 Si0, Sio. (c) 0A1.00 d 0A1.00 R=1.17 R=1.26 0.25 0.75 0.25 0.75 质量分数 质量 0.50 050 质量分数 质量 0.50 0.500 0.75 0.25 0.75 0.25 1.00 0 1.004 0 0.25 0.50 0.75 1.0 0.25 0.50 0.75 CaO+MgO 质量分数 A103 Ca0+Mgo 质量分数 ALO, Si0. SiO, (e) 01.00 ) 01.00 R=1.56 R=1.76 0.25 0.75 0.25 0.75 0.50 质量分数 0.50 0.50 0.75 0.25 0.75 0.25 ● 1.0 1.00 0 0.25 0.50 0.75 108 0.25 0.50 0.75 108 Ca0+Mgo 质量分数 ALO, Ca0+Mgo 质量分数 ALO, 图3不同炉渣碱度试样中夹杂物的组成分布 Fig.3 Effect of slag basicity on composition of inclusions 塑性区，生成的钙铝黄长石属于半塑性夹杂物，是否 tion processes on inclusion in spring steel.Shanghai Metals 对弹簧钢疲劳性能造成影响应做更进一步的研究， 2010,32(1):23 (曲巍，郑少波，张全会，等.不同脱氧工艺对弹簧钢中非金 在技术可行的基础上，力求经济上更合理 属夹杂物的影响.上海金属，2010,32(1)：23) 5] Xue Z L,Li Z B,Zhang J W,et al.Thermodynamic conditions 参考文献 for oxide inclusion modification in spring steels.J fron Steel Res [Liu Y Q,Wang L J,Hu X J,et al.Comparison of processing 2000.12(6):20 techniques used in ultra-ow oxygen spring steel production both (薛正良，李正邦，张家雯，等。改善弹簧钢中氧化物夹杂形 domestic and abroad.J fron Steel Res,2012,24(12):1 态的热力学条件.钢铁研究学报，2000,12(6)：20) (刘延强，王丽君，胡晓军，等.国内外超低氧弹簧钢生产工 6]Li H B,Wang X H,Zhang W,et al.Control of non-metal inclu- 艺比较.钢铁研究学报，2012,24(12)：1) sion in ultra-ow oxygen spring steel.Steelmaking,2008,25(5): Shen Y,Shen B.Wu J,et al.Technology development and produc- 19 tion process situation of spring steel.Met Prod,2009,35(3):2 (李海波，王新华，张玮，等。超低氧含量弹簧钢中非金属夹 (申勇，申斌，吴静，等.弹簧钢的技术发展及生产工艺现状 杂物的控制.炼钢，2008,25(5)：19) 金属制品，2009,35(3)：22) [7] Wang X H,Chen B,Jiang M,et al.Effect of slag-metal reaction B]Zhou H X,Wang Y,Wang X H,et al.A study on inclusion in on formation of non-metallic inclusions of lower melting tempera- ultra-ow oxygen spring steel 60Si2Mn.Special Steel,2008,29 ture in high strength alloyed structural steel.Iron Steel,2008,43 (2):47 (12):28 (周红霞，王郢，王新华，等.超低氧弹簧钢60Si2Mn的夹杂 (王新华，陈斌，姜敏，等.渣钢反应对高强度合金结构钢中 物研究.特殊钢，2008,29(2)：47) 生成较低熔点非金属夹杂物的影响.钢铁，2008,43(12)： 4]Qu W,Zheng S B,Zhang Q H,et al.Effect of different deoxida- 28)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 不同炉渣碱度试样中夹杂物的组成分布 Fig． 3 Effect of slag basicity on composition of inclusions 塑性区，生成的钙铝黄长石属于半塑性夹杂物，是否 对弹簧钢疲劳性能造成影响应做更进一步的研究， 在技术可行的基础上，力求经济上更合理． 参 考 文 献 ［1］ Liu Y Q，Wang L J，Hu X J，et al． Comparison of processing techniques used in ultra-low oxygen spring steel production both domestic and abroad． J Iron Steel Ｒes，2012，24( 12) : 1 ( 刘延强，王丽君，胡晓军，等． 国内外超低氧弹簧钢生产工 艺比较． 钢铁研究学报，2012，24( 12) : 1) ［2］ Shen Y，Shen B，Wu J，et al． Technology development and produc￾tion process situation of spring steel． Met Prod，2009，35( 3) : 22 ( 申勇，申斌，吴静，等． 弹簧钢的技术发展及生产工艺现状． 金属制品，2009，35( 3) : 22) ［3］ Zhou H X，Wang Y，Wang X H，et al． A study on inclusion in ultra-low oxygen spring steel 60Si2Mn． Special Steel，2008，29 ( 2) : 47 ( 周红霞，王郢，王新华，等． 超低氧弹簧钢 60Si2Mn 的夹杂 物研究． 特殊钢，2008，29( 2) : 47) ［4］ Qu W，Zheng S B，Zhang Q H，et al． Effect of different deoxida￾tion processes on inclusion in spring steel． Shanghai Metals， 2010，32( 1) : 23 ( 曲巍，郑少波，张全会，等． 不同脱氧工艺对弹簧钢中非金 属夹杂物的影响． 上海金属，2010，32( 1) : 23) ［5］ Xue Z L ，Li Z B，Zhang J W，et al． Thermodynamic conditions for oxide inclusion modification in spring steels． J Iron Steel Ｒes， 2000，12( 6) : 20 ( 薛正良，李正邦，张家雯，等． 改善弹簧钢中氧化物夹杂形 态的热力学条件． 钢铁研究学报，2000，12( 6) : 20) ［6］ Li H B，Wang X H，Zhang W，et al． Control of non-metal inclu￾sion in ultra-low oxygen spring steel． Steelmaking，2008，25( 5) : 19 ( 李海波，王新华，张玮，等． 超低氧含量弹簧钢中非金属夹 杂物的控制． 炼钢，2008，25( 5) : 19) ［7］ Wang X H，Chen B，Jiang M，et al． Effect of slag-metal reaction on formation of non-metallic inclusions of lower melting tempera￾ture in high strength alloyed structural steel． Iron Steel，2008，43 ( 12) : 28 ( 王新华，陈斌，姜敏，等． 渣--钢反应对高强度合金结构钢中 生成较低熔点非金属夹杂物的影响． 钢铁，2008，43 ( 12) : 28) ·176·