钢液中夹杂物粒径与全氧的关系

工程科学学报，第37卷，增刊1：15,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,Suppl.1:1-5,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.s1.001:http://journals.ustb.edu.cn 钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 敏2)四，包燕平1》，赵立华》，林路2)，杨荃2) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京100083 3)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:worldmind@163.com 摘要研究了钢中夹杂物粒径，分布状态与全氧的对应关系，并探讨了大颗粒夹杂物含量与试样中全氧波动的相关性，量 化了全氧检测法对洁净度的评价，结果表明：(1)钢中单位体积内夹杂物数量随粒径增大呈指数下降，粒径小于10m夹杂物 占总夹杂物数量的95%以上，夹杂物在钢中分布的均匀性随夹杂物粒径增大而降低：(2)钢中粒径小于10um夹杂物中含氧 量与钢中平均全氧有很好对应关系，全氧可以反映钢中分布均匀的夹杂物水平：(3)钢中大颗粒夹杂物越多，同一试样中全氧 多次检测结果的波动越大，全氧的波动可以反映钢中大颗粒夹杂物的含量 关键词夹杂物：粒径分布：全氧：洁净度 分类号TF762+.5 Relationship between the size of inclusions in steel and total oxygen (T.O) WANG Min,BAO Yan-ping',ZHAO Li-hud,LIN Lu,YANG Quan 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:worldmind@163.com ABSTRACT The relationship between the size distribution of inclusions and the total oxygen in steel was studied by following the inclusions'size and number of the samples at different locations.The content of macro-inclusions in liquid steel could be estimated accurately by the fluctuation of total oxygen in the same sample,which quantified the cleanliness evaluation index.The number of inclusions per unit volume decreased exponentially with the increase in sizes.Also,the distribution uniformity of inclusions in steel worsened as the size increased.Thus,micro-inclusions with the size below 10pm occupied above 95%of total inclusions in the liquid steel,which showed a good relationship between the measured value of total oxygen and the integration oxygen in micro-inclusions. Total oxygen could represent the uniform distribution level of inclusions in steel:good uniform of inclusions in steel meant small fluctu- ation.Macro-inclusions could result in the fluctuation of total oxygen.Large fluctuation of total oxygen reflected a high amount of mac- ro-inclusions in steel. KEY WORDS inclusions:particle distribution:total oxygen:cleanness 全氧(T.O)分析法是评价钢液洁净度简单有效的相同脱氧方式下，钢液中自由氧含量差别不大，全氧的 方法，在实际生产中被广泛应用.钢中全氧一般由自 差异主要体现在以夹杂物形式存在的结合氧部分，全 由氧[O]与以夹杂物形式存在的结合氧[O]n组成， 氧可以间接反应钢中非金属夹杂物的含量水平.正确 收稿日期：20150106 基金项目：中央高校基本科研业务费项目(RF-P-14一125A2):钢铁治金新技术国家重点实验室开发基金资助项目(KF13O9):教有部博士 点专项基金资助项目(20130006110023：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAF04B02)

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1: 1--5，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，Suppl． 1: 1--5，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． s1． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 王 敏1，2) ，包燕平1，3) ，赵立华3) ，林 路1，2) ，杨 荃2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京 100083 3) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: worldmind@ 163． com 摘 要 研究了钢中夹杂物粒径、分布状态与全氧的对应关系，并探讨了大颗粒夹杂物含量与试样中全氧波动的相关性，量 化了全氧检测法对洁净度的评价，结果表明: ( 1) 钢中单位体积内夹杂物数量随粒径增大呈指数下降，粒径小于 10 μm 夹杂物 占总夹杂物数量的 95% 以上，夹杂物在钢中分布的均匀性随夹杂物粒径增大而降低; ( 2) 钢中粒径小于 10 μm 夹杂物中含氧 量与钢中平均全氧有很好对应关系，全氧可以反映钢中分布均匀的夹杂物水平; ( 3) 钢中大颗粒夹杂物越多，同一试样中全氧 多次检测结果的波动越大，全氧的波动可以反映钢中大颗粒夹杂物的含量． 关键词 夹杂物; 粒径分布; 全氧; 洁净度 分类号 TF762 + . 5 Relationship between the size of inclusions in steel and total oxygen ( T． O) WANG Min1，2)  ，BAO Yan-ping1，3) ，ZHAO Li-hua3) ，LIN Lu1，2) ，YANG Quan2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: worldmind@ 163． com ABSTRACT The relationship between the size distribution of inclusions and the total oxygen in steel was studied by following the inclusions’size and number of the samples at different locations． The content of macro-inclusions in liquid steel could be estimated accurately by the fluctuation of total oxygen in the same sample，which quantified the cleanliness evaluation index． The number of inclusions per unit volume decreased exponentially with the increase in sizes． Also，the distribution uniformity of inclusions in steel worsened as the size increased． Thus，micro-inclusions with the size below 10 μm occupied above 95% of total inclusions in the liquid steel，which showed a good relationship between the measured value of total oxygen and the integration oxygen in micro-inclusions． Total oxygen could represent the uniform distribution level of inclusions in steel; good uniform of inclusions in steel meant small fluctu￾ation． Macro-inclusions could result in the fluctuation of total oxygen． Large fluctuation of total oxygen reflected a high amount of mac￾ro-inclusions in steel． KEY WORDS inclusions; particle distribution; total oxygen; cleanness 收稿日期: 2015--01--06 基金项目: 中央高校基本科研业务费项目( FRF--TP--14--125A2) ; 钢铁冶金新技术国家重点实验室开发基金资助项目( KF13--09) ; 教育部博士 点专项基金资助项目( 20130006110023) ; “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2012BAF04B02) 全氧( T． O) 分析法是评价钢液洁净度简单有效的 方法，在实际生产中被广泛应用． 钢中全氧一般由自 由氧［O］Free与以夹杂物形式存在的结合氧［O］in组成， 相同脱氧方式下，钢液中自由氧含量差别不大，全氧的 差异主要体现在以夹杂物形式存在的结合氧部分，全 氧可以间接反应钢中非金属夹杂物的含量水平． 正确

2 工程科学学报，第37卷，增刊1 解析夹杂物特征与全氧之间的对应关系有助于更稳定 N=2心 (1) 的控制和降低钢中夹杂物水平，提高钢液洁净度，改善 「πd 连铸浇注性”。此方面的研究也越来越受到学者重 视，唐复平等问认为钢中全氧与大颗粒簇状AL,0, 方☆Σ (2) 夹杂的相关性不强：Goto H等的研究表明，Ti脱氧 钢中粒径10μm以下含Ti夹杂中氧占据了全氧的大 V-aP.N (3) 部分：相同试样中全氧同样存在差异” 本文系统分析了不同粒径范围夹杂物与全氧的对 [o]=(p /pr)v.(O) (4) 应关系，讨论了同一试样中全氧波动与大颗粒夹杂物 式中，N,为单位体积的数量密度，m3:N。为单位面积 的关系，量化了全氧分析与洁净度的关系，通过全氧含 的氧化物夹杂数量，m2;d,为第i个夹杂物的直径；d 量来预判钢中小颗粒夹杂物水平和大颗粒夹杂物的含 为氧化物粒子直径的调和平均值：V为氧化物粒子的 量范围 体积分数：[O]为钢中以氧化物形式存在的氧的质量 1试验方法 分数p.为氧化物密度；(O)m为氧化物中氧的质量分 为了分析夹杂物粒径与全氧的对应关系，对某厂 数pm为氧化物夹杂的密度，kg"m3;pP.为钢液的密 生产铝镇静钢采用提桶取样器进行不同工序节点取 度，kgm3 样，共取得提桶样12个：线切割去除提桶试样的顶部 和底部后在提桶试样中部切取20mm×20mm的金相 6 试样1个，5mm×30mm的棒样1个，分别用于统计 夹杂物数量和检测试样中的全氧：在同炉次的铸坯内 弧1/4处切取50mm×50mm×120mm的试样1块进 行大样电解分析 采用金相显微镜52XA及成像系统在800倍下统 计连续50个视场的夹杂物的总量，夹杂物统计过程如 10μm 图1.统计得到单位面积夹杂物的数量密度为N。,利 用公式(1)得到单位体积内夹杂物的数量密度N,进 图1金相下夹杂物尺寸和数量统计图 一步通过公式(3)可以得到夹杂物的体积分数，然后 Fig.I Diagram for the size and number of inclusions by metallo- 利用公式(4)估算钢中以氧化物形式存在的氧含量： graphic observation 试样中实际全氧含量则通过红外吸收法(GB/T 2 11261一2006)进行分析，最后将估算值与实测值进行 结果分析与讨论 对比，再结合不同粒径夹杂物的氧含量得到夹杂物粒 表1为不同工序节点试样中夹杂物粒径和数量分 径与全氧的关系周 布的统计结果，在800倍光镜下统计连续的50个视场 表1夹杂物粒径和数量分布 Table 1 Distribution of the size and number of inclusions 平均粒径/μm0.81 1.08 1.35 1.62 1.89 2.16 2.73.24 4.05 5. 6.48 10.8 >10.8 试样1 专 86 19 41 27 24 14 试样2 86 43 26 12 10 8 3 2 试样3 121 3 20 15 21 > 7 5 > 3 2 试样4 50 26 6 7 10 7 2 1 1 1 试样5 64 9 35 12 6 2 1 试样6 77 3 你 2 6 3 1 试样7 45 32 13 6 试样8 名 30 20 6 试样9 82 49 22 13 8 12 3 试样10 33 19 > 试样11· 66 19 11 9 2 2 1 试样12 69 22 16 > 6 3 3 2 1 2 注：光学显微镜800倍下对50个连续视场图片上的夹杂物进行统计，每个图片大小为65μm×55μm.*统计的视场为100个

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 解析夹杂物特征与全氧之间的对应关系有助于更稳定 的控制和降低钢中夹杂物水平，提高钢液洁净度，改善 连铸浇注性［1］． 此方面的研究也越来越受到学者重 视［2--4］，唐复平等［5］认为钢中全氧与大颗粒簇状 Al2O3 夹杂的相关性不强; Goto H 等［6］的研究表明，Ti 脱氧 钢中粒径 10 μm 以下含 Ti 夹杂中氧占据了全氧的大 部分; 相同试样中全氧同样存在差异［7］． 本文系统分析了不同粒径范围夹杂物与全氧的对 应关系，讨论了同一试样中全氧波动与大颗粒夹杂物 的关系，量化了全氧分析与洁净度的关系，通过全氧含 量来预判钢中小颗粒夹杂物水平和大颗粒夹杂物的含 量范围． 1 试验方法 为了分析夹杂物粒径与全氧的对应关系，对某厂 生产铝镇静钢采用提桶取样器进行不同工序节点取 样，共取得提桶样 12 个; 线切割去除提桶试样的顶部 和底部后在提桶试样中部切取 20 mm × 20 mm 的金相 试样 1 个，5 mm × 30 mm 的棒样 1 个，分别用于统计 夹杂物数量和检测试样中的全氧; 在同炉次的铸坯内 弧 1 /4 处切取 50 mm × 50 mm × 120 mm 的试样 1 块进 行大样电解分析． 采用金相显微镜 52XA 及成像系统在 800 倍下统 计连续 50 个视场的夹杂物的总量，夹杂物统计过程如 图 1． 统计得到单位面积夹杂物的数量密度为 Na，利 用公式( 1) 得到单位体积内夹杂物的数量密度 Nv，进 一步通过公式( 3) 可以得到夹杂物的体积分数，然后 利用公式( 4) 估算钢中以氧化物形式存在的氧含量; 试样 中 实 际 全 氧 含 量 则 通 过 红 外 吸 收 法 ( GB/T 11261—2006) 进行分析，最后将估算值与实测值进行 对比，再结合不同粒径夹杂物的氧含量得到夹杂物粒 径与全氧的关系［6，8］． Nv = 2 π ·Na d ( 1) 1 d = 1 n ·∑ 1 di ( 2) V = π 6 d3 ·Nv ( 3) ［O］ox = ( ρox / ρFe )·V·( O) ox ( 4) 式中，Nv 为单位体积的数量密度，m － 3 ; Na 为单位面积 的氧化物夹杂数量，m － 2 ; di 为第 i 个夹杂物的直径; d 为氧化物粒子直径的调和平均值; V 为氧化物粒子的 体积分数; ［O］ox为钢中以氧化物形式存在的氧的质量 分数; ρox为氧化物密度; ( O) ox为氧化物中氧的质量分 数; ρox 为氧化物夹杂的密度，kg·m － 3 ; ρFe 为钢液的密 度，kg·m － 3 ． 图 1 金相下夹杂物尺寸和数量统计图 Fig． 1 Diagram for the size and number of inclusions by metallo￾graphic observation 2 结果分析与讨论 表 1 为不同工序节点试样中夹杂物粒径和数量分 布的统计结果，在 800 倍光镜下统计连续的 50 个视场 表 1 夹杂物粒径和数量分布 Table 1 Distribution of the size and number of inclusions 平均粒径/μm 0. 81 1. 08 1. 35 1. 62 1. 89 2. 16 2. 7 3. 24 4. 05 5. 4 6. 48 10. 8 ＞ 10. 8 试样 1 83 — 86 19 41 27 24 14 4 — — — — 试样 2 86 43 26 12 10 — 8 1 3 2 — 2 — 试样 3 121 43 20 15 21 7 7 5 7 3 2 1 — 试样 4 50 — 26 6 7 — 10 7 2 1 — 1 1 试样 5 64 29 35 12 6 2 3 — 1 — — — — 试样 6 77 24 18 12 6 3 1 1 — — — — — 试样 7 45 32 13 6 3 2 5 1 1 — — — — 试样 8 42 30 20 6 7 — — 1 — — — — — 试样 9 82 49 22 13 8 — 12 — — 6 3 — — 试样 10 33 17 19 7 4 1 2 — 1 — — 2 试样 11* 66 19 11 5 5 — 9 — 2 2 1 — 1 试样 12* 69 22 16 7 6 3 3 2 1 5 2 — — 注: 光学显微镜 800 倍下对 50 个连续视场图片上的夹杂物进行统计，每个图片大小为 65 μm × 55 μm． * 统计的视场为 100 个． ·2·

王敏等：钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 3 (11号和12号铸坯试样中夹杂物较少，统计视场为 200 100个)得到的不同粒径的夹杂物数量，其中每个视场 180 试样 的有效面积为3575μm2. 160 样3 2.1钢中夹杂物粒径分布规律 05 140 试样 120 试 将表1数据代入公式(1)~(3)得到铸坯中单位 100 体积夹杂物数量分布，图2表明单位体积内夹杂物数 80 60 量随粒径增大呈指数下降，钢中分布均匀的夹杂物主 式样11 式手2 要以粒径小于10m为主.图3可以看出，粒径小于 20 5μm的夹杂物数量占试样中总夹杂物数量85%以上， 2 34567891011 粒径小于10um的夹杂物数量占总夹杂物数量95% 夹杂物粒径m 以上：尺寸越大，夹杂物的数量越少 图4单位体积内夹杂物粒径分布和累积全氧的关系 Fig.4 Relationship between inclusions'size distribution and accu- mulative total oxygen per unit volume 10 ·试样 试样7 ★1王 估算值和实测全氧值的比较.可以看出，粒径小于 104 。单10 10μm夹杂物中氧含量与实测全氧值对应性较好，占全 试样6+试样12 109 氧实测值的90%以上，即钢中全氧指标主要反映钢中 微小夹杂(<10m)的含量水平，这主要由于细小夹 10 AA 杂在钢中分布均匀，在钢中分布差异性小：夹杂物尺寸 越大，其数量越少，分布越不均匀，在试样中的差异性 10 0 2 3 456789101112 越大，导致检测过程中差异性越大.因此，全氧的平均 夹杂物粒径m 水平反映钢液中分布均匀的夹杂物含量水平：大颗粒 图2单位体积内夹杂物数量与粒径分布的关系 夹杂物由于其数量少分布状态不均匀，若大颗粒夹杂 Fig.2 Relationship between the number and the size distribution of 物在全氧检测试样中出现则会造成同一工序试样全氧 inclusions per unit volume 的波动加大，同一工序试样全氧检测的波动水平也可 10x104 以间接反应出该工序的大颗粒夹杂物含量水平 8x10 200 试样1 180 ■试验点 6×104 道3 试样4 160 试样5 4x1014 140 试样8 120 100 2x104 试样12 80 ◆ 60 0 23456789101112131415 40 粒径μm 20 20406080100120140160180200 图3单位体积内累计夹杂物数量与粒径的关系 全氧计算值/10 Fig.3 Relationship between the accumulative number and the size of 图5全氧测量值和计算值对比 inclusions per unit volume Fig.5 Total oxygen comparison for the measured and the calculated values 2.2钢中夹杂物与全氧的对应关系 2.3全氧与钢液洁净度评价的关系 钢中夹杂物的种类、粒径、数量均会影响到钢液的 前面分析可知，全氧与钢液中分布均匀的夹杂物 全氧水平，图4为不同粒径夹杂物中累积氧含量水平. (<10μm)有很好的对应关系，为了对比同一试样中 从图看出，粒径小于5μum时，累积全氧含量随夹杂物 T.0的波动性与洁净度的关系，在试验中选取不同工 粒径增大显著增加，由于粒径小于5μm的夹杂物数量 序节点的试样加工成5mm×30mm的棒样，从棒样 占总夹杂物数量85%以上，对全氧的贡献率高.粒径 中间各切取多个5mm×5mm的棒样，同时检测试样 在5~10μm范围内，随夹杂物粒径增大，全氧增加缓 全氧的波动，结果见表2.根据全氧的波动利用公式 慢，粒径达到10μm时，累积全氧基本稳定在固定值. (5)推算得到试样重大颗粒夹杂物的含量范围，同一 图5为粒径小于10um的夹杂物中累计氧含量的 试样中全氧的波动如图6所示

王 敏等: 钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 ( 11 号和 12 号铸坯试样中夹杂物较少，统计视场为 100 个) 得到的不同粒径的夹杂物数量，其中每个视场 的有效面积为 3575 μm2 ． 2. 1 钢中夹杂物粒径分布规律 将表 1 数据代入公式( 1) ～ ( 3) 得到铸坯中单位 体积夹杂物数量分布，图 2 表明单位体积内夹杂物数 量随粒径增大呈指数下降，钢中分布均匀的夹杂物主 要以粒径小于 10 μm 为主． 图 3 可以看出，粒径小于 5 μm的夹杂物数量占试样中总夹杂物数量 85% 以上， 粒径小于 10 μm 的夹杂物数量占总夹杂物数量 95% 以上; 尺寸越大，夹杂物的数量越少． 图 2 单位体积内夹杂物数量与粒径分布的关系 Fig． 2 Relationship between the number and the size distribution of inclusions per unit volume 图 3 单位体积内累计夹杂物数量与粒径的关系 Fig． 3 Relationship between the accumulative number and the size of inclusions per unit volume 2. 2 钢中夹杂物与全氧的对应关系 钢中夹杂物的种类、粒径、数量均会影响到钢液的 全氧水平，图 4 为不同粒径夹杂物中累积氧含量水平． 从图看出，粒径小于 5 μm 时，累积全氧含量随夹杂物 粒径增大显著增加，由于粒径小于 5 μm 的夹杂物数量 占总夹杂物数量 85% 以上，对全氧的贡献率高． 粒径 在 5 ～ 10 μm 范围内，随夹杂物粒径增大，全氧增加缓 慢，粒径达到 10 μm 时，累积全氧基本稳定在固定值． 图 5 为粒径小于 10 μm 的夹杂物中累计氧含量的 图 4 单位体积内夹杂物粒径分布和累积全氧的关系 Fig． 4 Relationship between inclusions’size distribution and accu￾mulative total oxygen per unit volume 估算值和实测全氧值的比较． 可以看出，粒径 小 于 10 μm夹杂物中氧含量与实测全氧值对应性较好，占全 氧实测值的 90% 以上，即钢中全氧指标主要反映钢中 微小夹杂( ＜ 10 μm) 的含量水平，这主要由于细小夹 杂在钢中分布均匀，在钢中分布差异性小; 夹杂物尺寸 越大，其数量越少，分布越不均匀，在试样中的差异性 越大，导致检测过程中差异性越大． 因此，全氧的平均 水平反映钢液中分布均匀的夹杂物含量水平; 大颗粒 夹杂物由于其数量少分布状态不均匀，若大颗粒夹杂 物在全氧检测试样中出现则会造成同一工序试样全氧 的波动加大，同一工序试样全氧检测的波动水平也可 以间接反应出该工序的大颗粒夹杂物含量水平． 图 5 全氧测量值和计算值对比 Fig．5 Total oxygen comparison for the measured and the calculated values 2. 3 全氧与钢液洁净度评价的关系 前面分析可知，全氧与钢液中分布均匀的夹杂物 ( ＜ 10 μm) 有很好的对应关系，为了对比同一试样中 T． O 的波动性与洁净度的关系，在试验中选取不同工 序节点的试样加工成 5 mm × 30 mm 的棒样，从棒样 中间各切取多个 5 mm × 5 mm 的棒样，同时检测试样 全氧的波动，结果见表 2． 根据全氧的波动利用公式 ( 5) 推算得到试样重大颗粒夹杂物的含量范围，同一 试样中全氧的波动如图 6 所示． ·3·

工程科学学报，第37卷，增刊1 表2同一试样全氧的波动 Table 2 Fluctuation of total oxygen in the same sample T.0/10-6 Al脱氧3min 脱氧结束 镇静20mim 中间包 铸坯 最小值 98 97 48 36 24 最大值 140 110 53 26 *大颗粒夹杂含量/(mg10-1kg1) 21~42 6.5~13 2.5~5 4.5~9 1~2 *大颗粒夹杂物含量是根据全氧的波动得到的估算值，由公式(5)计算得到. 「(T.0e-T.0)×10最小值 夹杂，由于其在钢中的分布状态不均匀，造成全氧水平 m (5) (T.0s-T.0)×10°最大值 检测的波动.利用公式（⑤）可以根据同一试样检测得 式中，m为大颗粒夹杂物含量，mg10-kgl;T.0为 到的全氧波动推算出各工序环节大颗粒夹杂物的含量 同一试样全氧最大值，106：T.0为同一试样中全氧 水平，Al脱氧后3min钢中大颗粒夹杂物含量在21~ 多点测量得到的几何平均值，106：T.0为同一试样 42mg10-kg,脱氧结束后为6.5~13mg10-kg, 中间包中降低为4.5~9mg10kg,铸坯中则为1~ 全氧最小值，106 2mg10kg,通过对铸坯进行大样电解得到铸坯中 140 大颗粒夹杂物含量为0.8mg10kg,铸坯中典型大 120 型夹杂物如图7所示.由于大样电解采用偏酸性溶 100 液，电解过程夹杂物会损失，电解提取的主要是粒径大 80 于80m的夹杂物，因此表2中大型夹杂物含量高于 60 大样电解实测值 40 20 AI脱氧 脱氧镇静20min中间包 铸坯 3 min 合金化结束 工序节点 图6不同工序全氧波动的差异对比 Fig.6 Fluctuation comparison of the total oxygen in different process locations 500um 图6表明，同一试样平行检测多次的全氧存在差 异性，这些差异性远超过实际检测误差（脉冲加热红 图7铸坯中大颗粒夹杂物 外线吸收仪测量全氧精度为0.0002%回)的波动，因 Fig.7 Macro-inclusions in slab 此并不是检测误差所造成。结果表明，所检测试样距 图8为A1脱氧初期形成典型AL,0,夹杂三维特 离脱氧时间越近则波动越大：由于试样采用同样的加 征，A!脱氧产物很容易在形核后聚合，而大的团簇状 工方式和检测方法，可以排除由于制样和检测造成的 AL,0,的存在使得钢中夹杂物的分布非常不均匀，这便 误差；因此可以判断，实验中全氧波动的主要原因是试 是导致全氧不均匀的直接原因.因此，用全氧评价钢 样中夹杂物含量和分布状态的波动. 液洁净度时，与钢液的脱氧状态和夹杂物的分布状态 l脱氧3min后钢液中不同粒径范围的夹杂物均 有很大关系，T.0更直观有效反应的是钢液中分布均 较高，夹杂物分布（尤其是大颗粒夹杂物）极不均匀， 匀的夹杂物含量水平，大颗粒夹杂物在钢液中的分布 试样中全氧同样不均匀，在(97~140)×10-6.脱氧合 往往具有随机性，全氧测量的波动水平也能间接反应 金化结束后钢包镇静去除夹杂物，镇静20min后钢中 出钢中大颗粒夹杂物的水平. 大颗粒夹杂物得到有效去除，全氧的波动变窄为 (48~53)×10-6;中间包全氧进一步降低，在(36~ 3结论 45)×106之间波动，铸坯中全氧则在(24~26)×10-6 (1)钢中单位体积内夹杂物数量随粒径增大呈指 之间.可以看出，随着工序进行，夹杂物越少则全氧越 数下降，钢中分布均匀的夹杂物主要以粒径小于10um 低，且相同试样中全氧波动越小.钢中夹杂物分布越 的夹杂物为主，粒径小于10um夹杂物数量占总夹杂 均匀，则同样试样中全氧的波动越小，A!脱氧初期全 物数量95%以上，尺寸越大，夹杂物的数量越少，在钢 氧波动大，根本原因就是钢中存在较大比例的大颗粒 中分布状态越不均匀

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 表 2 同一试样全氧的波动 Table 2 Fluctuation of total oxygen in the same sample T． O/10 － 6 Al 脱氧 3 min 脱氧结束 镇静 20 min 中间包 铸坯 最小值 98 97 48 36 24 最大值 140 110 53 45 26 * 大颗粒夹杂含量/( mg·10 － 1 kg － 1 ) 21 ～ 42 6. 5 ～ 13 2. 5 ～ 5 4. 5 ～ 9 1 ～ 2 * 大颗粒夹杂物含量是根据全氧的波动得到的估算值，由公式( 5) 计算得到． m = ( T． Oave － T． Omin ) × 106 最小值 ( T． Omax － T． Oave ) × 10 { 6 最大值 ( 5) 式中，m 为大颗粒夹杂物含量，mg·10 － 1 kg － 1 ; T． Omax为 同一试样全氧最大值，10 － 6 ; T． Oave为同一试样中全氧 多点测量得到的几何平均值，10 － 6 ; T． Omin为同一试样 全氧最小值，10 － 6 ． 图 6 不同工序全氧波动的差异对比 Fig． 6 Fluctuation comparison of the total oxygen in different process locations 图 6 表明，同一试样平行检测多次的全氧存在差 异性，这些差异性远超过实际检测误差( 脉冲加热红 外线吸收仪测量全氧精度为 0. 0002%［9］) 的波动，因 此并不是检测误差所造成． 结果表明，所检测试样距 离脱氧时间越近则波动越大; 由于试样采用同样的加 工方式和检测方法，可以排除由于制样和检测造成的 误差; 因此可以判断，实验中全氧波动的主要原因是试 样中夹杂物含量和分布状态的波动． Al 脱氧 3 min 后钢液中不同粒径范围的夹杂物均 较高，夹杂物分布( 尤其是大颗粒夹杂物) 极不均匀， 试样中全氧同样不均匀，在( 97 ～ 140) × 10 － 6 ． 脱氧合 金化结束后钢包镇静去除夹杂物，镇静 20 min 后钢中 大颗粒 夹 杂 物 得 到 有 效 去 除，全 氧 的 波 动 变 窄 为 ( 48 ～ 53) × 10 － 6 ; 中 间 包 全 氧 进 一 步 降 低，在( 36 ～ 45) × 10 － 6 之间波动，铸坯中全氧则在( 24 ～ 26) × 10 － 6 之间． 可以看出，随着工序进行，夹杂物越少则全氧越 低，且相同试样中全氧波动越小． 钢中夹杂物分布越 均匀，则同样试样中全氧的波动越小，Al 脱氧初期全 氧波动大，根本原因就是钢中存在较大比例的大颗粒 夹杂，由于其在钢中的分布状态不均匀，造成全氧水平 检测的波动． 利用公式( 5) 可以根据同一试样检测得 到的全氧波动推算出各工序环节大颗粒夹杂物的含量 水平，Al 脱氧后 3 min 钢中大颗粒夹杂物含量在 21 ～ 42 mg·10 － 1 kg － 1 ，脱氧结束后为 6. 5 ～ 13 mg·10 － 1 kg － 1 ， 中间包中降低为 4. 5 ～ 9 mg·10 － 1 kg － 1 ，铸坯中则为 1 ～ 2 mg·10 － 1 kg － 1 ，通过对铸坯进行大样电解得到铸坯中 大颗粒夹杂物含量为 0. 8 mg·10 － 1 kg － 1 ，铸坯中典型大 型夹杂物如图 7 所示． 由于大样电解采用偏酸性溶 液，电解过程夹杂物会损失，电解提取的主要是粒径大 于 80 μm 的夹杂物，因此表 2 中大型夹杂物含量高于 大样电解实测值． 图 7 铸坯中大颗粒夹杂物 Fig． 7 Macro-inclusions in slab 图 8 为 Al 脱氧初期形成典型 Al2 O3 夹杂三维特 征，Al 脱氧产物很容易在形核后聚合，而大的团簇状 Al2O3的存在使得钢中夹杂物的分布非常不均匀，这便 是导致全氧不均匀的直接原因． 因此，用全氧评价钢 液洁净度时，与钢液的脱氧状态和夹杂物的分布状态 有很大关系，T． O 更直观有效反应的是钢液中分布均 匀的夹杂物含量水平，大颗粒夹杂物在钢液中的分布 往往具有随机性，全氧测量的波动水平也能间接反应 出钢中大颗粒夹杂物的水平． 3 结论 ( 1) 钢中单位体积内夹杂物数量随粒径增大呈指 数下降，钢中分布均匀的夹杂物主要以粒径小于10 μm 的夹杂物为主，粒径小于 10 μm 夹杂物数量占总夹杂 物数量 95% 以上，尺寸越大，夹杂物的数量越少，在钢 中分布状态越不均匀． ·4·

王敏等：钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 5 2]Tozawa H,Kato Y,Sorimachi K,et al.Agglomeration and flota- tion of alumina clusters in molten steel.IS//Int.,1999,39(5): 426 B]Ohta H,Suito H.Effects of dissolved oxygen and size distribution on particle coarsening of deoxidation product.IS//Int.,2006, 46(1):42 4]Doo W C,Kim D Y,Kang S C,et al.Measurement of the 2- dimensional fractal dimensions of alumina clusters formed in an ul- tra low carbon steel melt during RH process.IS/J Int,2007, 5e610m 47(7):1070 [5]Tang F P,Chang G H,Li H,et al.Inclusions in ultra-low carbon 图8脱氧初期钢中A山20夹杂形貌 steel.Iron Steel,2007.42(1)20 Fig.8 Morphology of Al20 inclusions at the early stage of deoxidation (唐复平，常桂华，栗红，等。超低碳钢钢中夹杂物的研究.钢 铁，2007,42(1)：20) (2)随夹杂物粒径增大，累积全氧含量显著增加. [6]Goto H,Miyazawa K,Tanaka K.Effect of oxygen content on size 当夹杂物粒径达到10μm时，累积全氧基本稳定，粒径 distribution of oxides in steel.ISIJ Int.,1995,35(3):286 小于10um的夹杂物中氧含量与实测全氧有很好的对 ] Chen Z P,JiangZK,Li YD.Discussion on sampling site of total 应关系，全氧反映的是钢液中分布均匀的夹杂物的含 oxygen for cleanliness evaluation of steelmaking process.Meishan 量和水平. Technol,2010,3:34 (陈志平，江中块，李玉娣.炼钢钢质洁净度评价的全氧取样 (3)同一试样中全氧的检测存在超出检验误差的 位置探讨.梅山科技，2010,3：34) 波动，主要是由钢中分布不均匀的大颗粒夹杂物造成 8] Wang M,Bao Y P,Cui H,et al.The composition and morpholo- 的.大颗粒夹杂物含量越高则同一试样多次检测的波 gy evolution of oxide inclusions in Ti-bearing ultra low-arbon steel 动越大. melt refined in the RH process.ISIJ Int.,2010,50(11):1606 9] Zhu Y J,LiSJ.Deng Y.Effect of sample treatment on determi- 参考文献 nation results of micro amounts of oxygen,nitrogen and hydrogen [Basu S,Choudhary S K,Girase N U.Nozzle clogging behavior of in metals.Metall Anal,2008,28(8):40 Ti-earing Al-killed ultra low carbon steel.ISIJ Int.2004 (朱跃进，李素娟，邓羽.样品制备对金属中微量氧、氮、氢分 44(10):1653 析结果的影响.治金分析，2008,28(8)：40)

王 敏等: 钢液中夹杂物粒径与全氧的关系 图 8 脱氧初期钢中 Al2O3夹杂形貌 Fig． 8 Morphology of Al2O3 inclusions at the early stage of deoxidation ( 2) 随夹杂物粒径增大，累积全氧含量显著增加． 当夹杂物粒径达到 10 μm 时，累积全氧基本稳定，粒径 小于 10 μm 的夹杂物中氧含量与实测全氧有很好的对 应关系，全氧反映的是钢液中分布均匀的夹杂物的含 量和水平． ( 3) 同一试样中全氧的检测存在超出检验误差的 波动，主要是由钢中分布不均匀的大颗粒夹杂物造成 的． 大颗粒夹杂物含量越高则同一试样多次检测的波 动越大． 参 考 文 献 ［1］ Basu S，Choudhary S K，Girase N U． Nozzle clogging behavior of Ti-bearing Al-killed ultra low carbon steel． ISIJ Int． ，2004， 44( 10) : 1653 ［2］ Tozawa H，Kato Y，Sorimachi K，et al． Agglomeration and flota￾tion of alumina clusters in molten steel． ISIJ Int． ，1999，39( 5) : 426 ［3］ Ohta H，Suito H． Effects of dissolved oxygen and size distribution on particle coarsening of deoxidation product． ISIJ Int． ，2006， 46( 1) : 42 ［4］ Doo W C，Kim D Y，Kang S C，et al． Measurement of the 2- dimensional fractal dimensions of alumina clusters formed in an ul￾tra low carbon steel melt during RH process． ISIJ Int，2007， 47( 7) : 1070 ［5］ Tang F P，Chang G H，Li H，et al． Inclusions in ultra-low carbon steel． Iron Steel，2007，42( 1) : 20 ( 唐复平，常桂华，栗红，等． 超低碳钢钢中夹杂物的研究． 钢 铁，2007，42( 1) : 20) ［6］ Goto H，Miyazawa K，Tanaka K． Effect of oxygen content on size distribution of oxides in steel． ISIJ Int． ，1995，35( 3) : 286 ［7］ Chen Z P，Jiang Z K，Li Y D． Discussion on sampling site of total oxygen for cleanliness evaluation of steelmaking process． Meishan Technol，2010，3: 34 ( 陈志平，江中块，李玉娣． 炼钢钢质洁净度评价的全氧取样 位置探讨． 梅山科技，2010，3: 34) ［8］ Wang M，Bao Y P，Cui H，et al． The composition and morpholo￾gy evolution of oxide inclusions in Ti-bearing ultra low-carbon steel melt refined in the RH process． ISIJ Int． ，2010，50( 11) : 1606 ［9］ Zhu Y J，Li S J，Deng Y． Effect of sample treatment on determi￾nation results of micro amounts of oxygen，nitrogen and hydrogen in metals． Metall Anal，2008，28( 8) : 40 ( 朱跃进，李素娟，邓羽． 样品制备对金属中微量氧、氮、氢分 析结果的影响． 冶金分析，2008，28( 8) : 40) ·5·