钢中大型非金属夹杂的分析工艺及设备研制

本文调查了弧形连铸机浇注钛稳定不锈钢铸坯中非金属夹杂物数量、形态、组成和分布。结果指出:Ti 稳定不锈钢中夹杂物分为两类:一类是含有 Ti、Na和 K的氧化物系,其尺寸为100~200μm;另一类是 TiN 群簇团,单相 TiN<30μm。并发现在内弧表面和铸坯中心处有集聚现象

在金属材料内部夹杂物的超声检测中,如何通过检测获得的回波信号辨识夹杂物的属性和位置,一直是其重点和难点问题.通过建立包含夹杂物缺陷的二维金属板模型,采用有限元数值模拟的方法,对材料内部超声波场进行计算,获得了两种最典型的夹杂物Al2O3和TiN,以及二者在材料内部不同深度时的超声回波信号.研究了夹杂物类型和夹杂物深度对超声回波时域波形以及对界面波、夹杂物缺陷回波和底面回波频谱分布的影响规律

在轧制27SiMn液压支架用无缝钢管的过程中，管体出现局部开裂，对管体的化学成分进行了检验，利用金相显微镜和扫描电镜对其进行微观分析.分析结果表明，连铸坯中存在较多的非金属夹杂物，破坏了钢基体组织的连续性，在轧制过程中，该部位的金属受力不均产生显微裂纹.再加热过程的快速升温，增大钢管沿壁厚方向的温度梯度，外表面由于相变收缩而产生切向拉应力，显微裂纹进一步扩展从而导致局部开裂.对夹杂物做定性分析，找出其来源，并提出相应的技术改进措施

采用物理模拟手段研究球形、立方体、圆柱体、树枝状、团簇状等钢中常见形状夹杂物形状修正系数的差异性,并分析粒子表面形貌和运动取向对形状修正系数的影响.粒子的形状修正系数与阻力系数满足线性正相关,可以用形状修正系数评价粒子的上浮去除能力;在体积相同情况下,同类型夹杂物粒子的去除能力依次为树枝状(垂直)<粗糙球形<立方体<圆柱(半经6 mm)<圆柱(半经4 mm)<树枝状(水平)<团簇状(水平)<光滑球形;粗糙表面的球形其表面积约为光滑球形的2倍,其形状修正系数同时增加2.1倍.简单粒子的形状修正系数受运动取向影响较小,复杂粒子则受运动取向影响较大,树枝状颗粒垂直上浮时的形状修正系数约为水平上浮时的2倍

系统研究了Ti-IF钢冶炼过程和铸坯中含Ti夹杂物的组成、分布与微观形貌，揭示了含Ti夹杂物的衍变规律.热力学分析和实验结果表明：在IF钢冶炼过程中无TiN生成，含Ti夹杂物的存在形式是以TiO2为主的钛氧化物结合其他氧化物的复合夹杂：而在连铸凝固过程中，由于钢液温度降低和元素的偏析作用，TiN夹杂以异质形核的方式生成.IF钢铸坯中非金属夹杂物主要是大尺寸Al2O3颗粒和存在中间过渡层的TiN—Al2TiO5-Al2O3复合夹杂物，其形核长大过程是[Al]、[Ti]和[O]先在细小的Al2O3颗粒上反应生成一层Al2TiO5，然后TiN在Al2TiO5表面形核长大.根据连铸过程和铸坯中含钛夹杂物的研究得出，Ti-IF钢铸坯中TiN夹杂难以去除，但是可以使其变性以实现对钢中含钛夹杂物的控制

1.稀土元素在纯铁液、生铁液以及熔渣中之挥发量均较小。其与熔渣、大气以及耐火材料均有剧烈的作用,致使金属中稀土残留量较少且不稳定。稀土硫化物等稀土夹杂物上浮符合一级反应规律,稀土在金属熔体中之扩散、烧损也符合一级反应规律,但斜率较小。2.稀土元素与粘土砖、高铝砖、镁砖、铝镁砖、硅砖、刚玉、电熔氧化镁、氧化锆等多种耐火材料均有不同程度的作用。其作用产物会剥落而进入钢液形成稀土夹杂。稀土脱氧、脱硫产物以及与耐火材料作用产物上浮时有相当一部分未浮至液面而粘附在坩埚壁上,这一实验结果有助于了解钢包中非金属夹杂物的去除机理。用自射线照相研究了稀土与耐火材料作用机理。3.各单一稀土金属加入铸铁液时之吸收率按递减的顺序可排列为:Y≈Dy≈Gd>Ce≈Sm≈Nd≈Pr>La。按单位稀土原子浓厚的脱硫率的递减顺序则为:La≥Sm≥Ce≈Pr≈Nd>Y≈Dy≈Gd。用35硫自射线照相证实了稀土在钢液脱硫及回硫现象。4.用金相显微镜、电子探针、X光结构分析研究了各单一稀土元素在铸铁液中所形成之物相及其特征。稀土物相多为RE2O2,RES,RE2S3,REAlO3、C6C2用Y2C3等。5.用141Ce测定铈在CaO一SiO2一Al2O3及CaO一SiO2一Al2O3一CeO2两渣中之扩散系数及其与温度的关系

非金属夹杂物对钢性能的影响与夹杂物的特征参数密切相关.首先分析拉伸和疲劳载荷下超高强度钢中TiN夹杂物导致裂纹萌生的扫描电镜原位观察结果,采用MSC Marc有限元分析软件对夹杂物及周围基体的应力场进行计算,然后对拉伸载荷下不同特征参数的TiN夹杂物及周围基体的应力应变场进行模拟.结果表明,有限元法能够解释并预测夹杂物及周围基体的力学行为.三角形夹杂物尖角附近的应力集中最严重.矩形夹杂物内部高应力区的位置受夹杂物与外载荷方向夹角的影响.随邻近夹杂物间距的增大,基体内的最大应力由夹杂物外侧移至夹杂物之间.近表面夹杂物使得基体自由表面附近出现高应力区,基体内最大应力的位置受夹杂物与自由表面距离和尺寸的影响

钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点，对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义.钢液中夹杂物主要通过上浮至顶渣被吸收而去除，这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢−渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解3个步骤.钢−渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离，这使得该步骤成为夹杂物去除的决定性环节，且由于钢−渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响，使该步骤研究难度增大

基于相似原理，采用水模拟钢液，用有机试剂模拟钢液中液态非金属夹杂物，同时采用数值仿真方法共同研究了夹杂物种类、两相间界面张力及黏度对于液滴聚并过程的影响规律.结果表明，夹杂物液滴间的聚合趋势与其自身的物理性质有紧密联系，其中液滴相与连续相之间的界面张力会促进其相互聚并，而液滴相的黏度则正相反，在液滴聚并过程中起抑制作用.因此，通过改变液态夹杂物与高温钢液之间的界面参数以及黏度参数，有望达到聚合或分散的控制目标，进而实现夹杂物尺寸的灵活控制