1、河北联合大学轻工学院冶金专业毕业设计炼钢论文 精品河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业论文论文题目：国丰Q195钢工艺研究学生姓名： 学 号：200815专业班级：08冶金 学 部：材料化工部指导教师：王硕明 教授 2012年05月26日摘 要唐山国丰钢铁有限公司成立于1993年，是一家集制氧、烧结、炼铁、炼钢、轧钢为一体的大型钢铁联合企业，具备年产铁、钢、材各800万吨的综合生产能力。为了进一步提高技术水平、增加品种、提高产品附加值、稳定产品质量，河北联合大学与国丰公司商定，广泛进行技术合作，充分发挥学校和企业在理论研究、
2、技术开发和生产经营等方面的各自优势，对国丰所冶炼的典型钢种Q195进行系统研究，明确国丰生产水平与国际、国内先进钢厂相比所处的相对地位，以明了存在的差距和进一步提高的方向，并优化工艺与设备参数，稳定产品质量，保证生产顺行。实验期间，国丰二钢对其连铸中间包进行了优化，同时中间包容量也进行了扩容。通过中间包改造前后的铸坯研究，分析国丰钢铁公司生产的钢种中非金属夹杂物，氧氮含量及钢的缺陷组织，通过其改造前后的生产数据的分析，提出相应的改进措施和优化方案。关键词：非金属夹杂物；氧氮含量；缺陷组织AbstractTangshan countries abundant steel Co., LTD. Wa
3、s established in 1993, is a collection of oxygen generation, sintering, iron, steel, steel rolling as one of the major steel joint enterprise have annual iron, steel, the material the comprehensive production capacity of 8 million tons. In order to further improve the technical level, and increasing
4、 variety, improving the added value of the products, stable product quality, hebei union university and national abundant company agreed, widely for technical cooperation, give full play to the school and enterprise theory research, technology development and production management, and other aspects
5、 of the respective superiority, the kingdom of the typical steel smelting richly Q195 system research, production level and abundant clear countries advanced international and domestic steel mill in the relative position than describing the existing gap and further improve the direction, and optimiz
6、ation of process and equipment parameters, stable product quality, ensure the production line. During the experiment, the two countries abundant steel tudish optimized, and at the same time and tundish capacity expansion. Through the tundish slab before transformation, this paper analyzes countries
7、abundant steel company in the production of steel non-metal inclusions, oxygen and nitrogen content in steel defects, through its transformation of production before and after the analysis of the data, and the corresponding improving measures and optimization scheme.Keywords：Nonmetallic inclusions;o
8、xygen and nitrogencontent;defects inthe organization 引 言 近年来，随着机械制造业，特别是汽车工业以及航空工业等的迅速发展，Q195钢的应用领域日益扩大。用户对Q195钢性能的要求也不断提高，需要具有较高的屈服强度、抗拉强度和韧性。作为应用广泛的中碳钢，Q195钢中的非金属夹杂物、氧氮含量，组织缺陷对铸坯及最终产品性能的影响很大。为了系统分析国丰Q195钢中非金属夹杂物、氧氮含量，组织缺陷，进一步提高铸坯质量，连续化大规模生产铸坯。以生产Q195钢铸坯中夹杂物为研究对象，采用以下方法来系统分析Q195钢中夹杂物，氧氮含量以及低倍组织缺陷。1
9、）采用大样电解法研究铸坯中大型夹杂物夹杂物。2）采用金相法检验铸坯中的显微夹杂物。3）通过热酸蚀低倍检验方法观察低倍组织缺陷。通过本课题的研究，深刻了解影响Q195钢质量的影响因素，进而改善铸坯质量，为国丰钢铁公司生产高质量产品提供保障，同时起到对类似工艺的炼钢生产具有一定指导和借鉴意义的目的。第1章 文献综述Q195钢是碳素结构钢即普碳钢的一种。碳素结构钢使用量很大，约占钢总产量的70%，大部分作为结构件，少量用于制造机器零件和其他制品。碳素结构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，性能基本上能够满足一般工程构建的要求，所以使用极为广泛，这类钢除了要求有足够的强度外，还要求具有良好的塑性和韧性，且易于
10、成型和焊接。在国家标准GB/T700-1988中，将碳素结构钢屈服强度的下限值分为五个级别，它们的钢号分别为Q195,Q215,Q235,Q255,Q275。这里Q代表屈服强度，数字代表屈服强度的下限值，单位MPa。1）化学成分成分CSiMnPS含量0.060.120.300.250.500.0450.0502） 力学性能抗拉强度（b/MPa）：315-430伸长率（5/%）：33（钢材厚度或直径16mm），32（钢材厚度或直径16-40mm）3） 主要特征及应用举例具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低。用于制造地脚螺栓、犁铧、烟筒、屋面板、铆钉、低碳钢丝、薄板、焊管、拉
11、杆、吊钩、支架、焊接结构等。轧制薄板和盘条。冷、热轧薄钢板及以其为原板制成的镀锌、镀锡及塑料复合薄钢板大量用于屋面板、 装饰板、通用除尘管道、包装容器、铁桶、仪表壳、开关箱、防护罩、火车车厢等。盘条则多冷拔成低碳钢丝或经镀锌制成镀锌低碳钢丝，用于捆绑、张拉固定或用作钢丝网、铆钉等 。1.2.影响Q195钢质量的因素根据对Q195钢质量检测，发现影响钢质量主要有以下几个方面：钢的化学成分，表面裂纹，钢中夹杂物和钢的显微组织。1.2.1 化学成分的影响钢中化学成分C，Si，Mn，P，Cr，Ti，Ni，Mo等都是强化元素，其中以C对强度作用效果最为明显。所以应该将各种强化元素，尤其是C元素要控制在其
12、允许范围的下限。改变合金元素含量，要注意该合金元素在钢中的作用，以满足用户的基本要求。1.2.2 表面裂纹的影响表面裂纹产生的原因有：一是钢坯质量不合格，导致钢锭皮下气泡或皮下夹杂在轧制中暴露于钢坯或钢材表面；二是轧制不当所导致的表面裂纹，轧钢过程中如存在严重的温度不均匀，会在钢材表面形成横向裂纹。1.2.3 钢中非金属夹杂物的影响非金属夹杂物是钢中不可避免的，但其夹杂物成分、数量、形态、分布等特性对钢的性能影响是多方面的。1）夹杂物对裂纹的形成的影响统计发现，约有82%的疲劳断裂其裂纹发源地都有夹杂物存在。非金属夹杂物往往为作为显微裂纹的发源地对钢起了破坏作用，从而使得钢的性能变坏35,36
13、。2）夹杂物对钢塑性和韧性的影响非金属夹杂物往往为作为显微裂纹的发源地而在其中起着重要的作用，其表现为使钢的伸长率和断面收缩率降低。颗粒夹杂物常作为应力集中源，在降低钢冲击韧度值的同时使钢的脆性转变温度升高。3）夹杂物对钢的疲劳性能的影响钢中夹杂物对疲劳性能的影响的最主要因素之一是夹杂物的变形能力。若夹杂物的变形能力低，在钢基体和夹杂物的界面处就可能产生微裂纹，这些微裂纹便成为了疲劳裂纹的发源地。4）夹杂物对钢压力加工性能的影响除了在钢中晶界上存在的低熔点夹杂物使钢在热变形加工时可能产生“热脆”现象外，钢中非金属夹杂物可降低钢在室温时的塑性，也必然使钢的冷变形性能破坏。5）夹杂物对钢耐腐蚀性能
14、的影响在腐蚀介质中工作或表面附着有腐蚀介质的钢制零件，当其表面存在有大量非金属夹杂物时，由于非金属夹杂物与钢基体的电极部位不同而构成腐蚀微电池37，将会在非金属夹杂物与钢基体的交界处发生电化学腐蚀。6）夹杂物对钢热处理性能的影响钢中非金属夹杂物通常是零件热处理淬火时开裂的一个主要原因。这是因为夹杂物在钢中破坏了其连续性。7）夹杂物对钢焊接性能的影响非金属夹杂物对钢焊接性能的影响主要是容易引起焊接件在焊缝或焊缝热影响区产生裂纹。1.3 钢中非金属夹杂物的研究质量良好的金属材料不仅化学成分符合技术标准的要求，材料中的非金属夹杂物也要尽可能的少，因为即使很少量的非金属夹杂物亦足以影响金属的机械性能，
15、降低材料的质量。这些铸坯中的非金属夹杂物破坏了钢的连续性和致密性，对金属制品的质量有着极为重要的影响。连铸坯内较多的非金属夹杂物，淬火时会引起应力集中而引起裂纹，降低疲劳强度，甚至使工件直接报废，夹杂物的存在，会使零件在腐蚀介质中在夹杂物处引起腐蚀。非金属夹杂物对金属材料质量的影响不仅决定于其数量的多寡并与夹杂物的组成、外形及分布状态有关；不利的外形分布，如：沿晶界分布的、链状的、被轧成条状的夹杂物对机械性能的影响尤其大。在外力作用下往往在非金属夹杂物存在的地方引起应力集中，当应力足够大时则导致材料破裂。因此夹杂物类型、含量和分布等通常认为是评定钢材质量的一个重要指标，并被列为优质钢及高级优质
16、钢出厂常规检验项目之一。连铸凝固速度快，夹杂来不及上浮而且存在分散，连铸钢水和耐火材料熔渣接触，暴露在空气中的机会也多，因此，夹杂来源复杂，根据以往的研究成果，提出了夹杂物的来源、类型和减少夹杂物的措施。1.3.1 夹杂物来源按照钢的冶炼流程，在以下各个环节都有可能引起铸坯产生夹杂物24：1）转炉出钢下渣挡渣出钢的效果相对较差，出钢时带入钢包中的炉渣较多，再加上使用过的钢包有的不太干净，出钢时很多剩渣夹裹在钢水中，污染了钢水。有的炉次吹气精炼不好，直接浇注，脱氧产物及钢水中悬浮的炉渣不能充分上浮，也造成钢水污染233。2）钢包、中间包包衬侵蚀物在生产过程中如果钢包衬侵蚀物进入钢水，尤其是LF精
17、炼炉升温时对钢包上部打结料的侵蚀严重，会造成包衬侵蚀污染钢水。大量的中间包填充料（粘土砖粉）和绝热板残块进入钢水也会造成污染，而被中间包的填充物污染的钢水极易通过浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物尺寸也是最大的，对钢板性能的破坏亦最明显。另外，浇注后期涂料侵蚀透后，中间包打结料侵蚀进入钢水也造成污染。3）钢水二次氧化钢水由大包到中间包应采用全程密封保护，但在实际使用中，上部钢流往往暴露与空气中造成二次氧化。还有浇注过程中用氧气烧高压保护箱内壁上的钢瘤等时形成的氧化物极易进入结晶器凝入坯壳。精炼炉吹氩时，如果片面追求快速降温或缩短精炼时间，会使氩气压力过高，使大包液面翻动过大，一方面造成钢水面
18、裸露二次氧化，另一方面，液面过度翻动使表面渣层裹入钢水，污染钢水。4）中间包污染浇注过程中，上下炉钢水连接时，往往由于生产组织或其它方面的原因，造成连接不好，下炉钢水不能及时再浇，中间包液面过低，上层的渣子随水口涡旋进入结晶器。中间包不干净，杂物及耐火材料碎块也污染钢水。5）结晶器液面波动如果中间包塞棒开闭和调整拉速是由人工控制，结晶器有时液面波动较大，并且前一时期浸入式水口侧孔角度偏小，插入深度经常变化以改变水口渣线的位置，都加剧了结晶器液面的波动，保护渣被钢流冲至水口到弧板边1/2的位置聚集，并被钢流卷入钢水中，而结晶器面上下波动最易造成铸坯弯月面处的初生坯壳皮下裹渣。1.3.2非金属夹杂
19、物的分类1）按夹杂物来源分钢中的夹杂物按照来源可以分为内生的和外来的两大类25，26。内生夹杂主要为氧化物夹杂有以下几种来源：一是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出脱氧产物，称为一次脱氧产物；二是钢液从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱氧产物，称为二次脱氧产物；三是钢液从液相线温度冷却到固相线温度时析出的脱氧产物，称为三次脱氧产物。内生夹杂物在钢中的分布相对来说是比较均匀的，它们的颗粒一般比较细小。外来的主要是在钢的熔炼、出钢和浇铸过程中，钢液同耐火材料和炉渣相接触，炉渣被卷入钢液中(特别是出钢的时候)，耐火材料在高温受到冲蚀，它的颗粒混入钢液中，这些情况都难以避免。混入钢液中的耐火材料和
20、炉渣颗粒通过与钢液起化学反应不断在成分和结构上发生变化。这些颗粒，不论是刚刚被机械地带入钢液中的，还是经历了相当变化的，一旦被滞留到铸件中，就变成了钢中的夹杂物，这些就叫外来夹杂物。外来一般来说尺寸较大，外形不规则，结构复杂，只是偶然在这里或者那里出现。2）按化学成分第一类夹杂物简单氧化物30。如FeO，MnO，钛、钒、妮的氧化物，Cr2O3，A12O3，SiO2等。第二类夹杂物复杂氧化物。其中尖晶石类夹杂物通常用化学式AOB2O3表示。化学式中A表示二价金属，如镁、锰、铁等，B表示三价金属，如铁、铬、铝等。尖晶石类夹杂物为一大类氧化物，如MnOAl2O3，MnOCr2O3，MnOFe2O3，
21、FeOAl2O3，FeO-Cr2O3，MgO-A12O3等。钙的铝酸盐如CaOA12O3，CaO2A12O3 也属于复杂氧化物。但不属于尖晶石类夹杂物。第三类夹杂物硅酸盐及硅酸盐玻璃。通用化学式可写成 lFeOmMnO nA12O3P SiO2。它们一般是多成分的。既可以是单相的，也可以是多相的。在单相情况下，一般是玻璃态的。在用锰铁、硅铁和铝进行脱氧而且加铝量较少时出现各式各样的硅酸盐，如铁硅酸盐、铁锰硅酸盐、铁锰铝硅酸盐等。第四类夹杂物硫化物。主要是FeS，MnS：此外，根据情况可能出现CaS、TiS、稀土硫化物等。第五类夹杂物氮化物。如VN，TiN，AlN等。3）按夹杂物粒度大小分（1）
22、微观夹杂 （2）宏观夹杂微观夹杂指的是粒度小于50m的夹杂，这类夹杂物一般为脱氧产物；粒度大于50m的称作宏观夹杂，这类夹杂与钢中氧含量无直接关系，也说明宏观夹杂并不是或不完全是由脱氧造成的。由此可见，以往那种认为连铸坯凝固快，夹杂物来不及聚集，多呈细小分散状态的观点已不能全面反映连铸坯夹杂物的实际状况。4）按热加工温度下相对变形程度分（1）脆性：指那些不具有塑性的氧化物和氧化物玻璃。当钢经受热加工变形时，这类的形状和尺寸不发生变化，但分布有变化。氧化物夹杂在钢锭中成群(簇)出现；钢经热加工变形后，氧化物颗粒沿钢延伸方向排列成串，呈点链状。属于这类的有Al2O3，Cr2O3、尖晶石类氧化物、钒
23、、钛、锆的氧化物以及一些高熔点的氧化物。特别是对硬线钢来说，当钢丝存在尺寸大于钢丝直径2%的颗粒时就会导致钢丝在拉拔过程中断裂。（2）塑性：这些在钢经受热加工变形时具有良好的塑性并沿着钢塑性流变的方向延伸成条状，属于这类的有硫化物、含Si02量较低(40%60%)的铁锰硅酸盐和其中溶有FeO，MnO，Al2O3的硅酸钙和硅酸镁等。（3）球状(点状)不变形：这类在钢锭中或在铸钢中呈球形，钢经形变后保持球形不变。属于这类的有SiO2、含SiO2较高(70%)的硅酸盐、钙的铝酸盐(CaOA12O3，CaO2A12O3)玻璃、纯的硅酸铝等。（4）半塑性：指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基底铝硅酸盐玻璃一般在
24、钢经受热加工变形时具有塑性，但是在基底上分布的析出相晶体(如刚玉、尖晶石类氧化物)不具有塑性。当析出相的相对量较大时，脆性的析出相好象是被一层范性相的膜包着。钢经热变形后，塑性的相多少随钢变形延伸，而脆性的相不变形，仍保持原来形状，只是或多或少地拉开了颗粒之间的距离。1.3.3 钢中非金属夹杂物的控制1）要控制钢中非金属夹杂物一般情况下应从两个方面考虑：（1）设法在冶炼和浇注过程中稳定操作来减少夹杂物的产生，尽量减少外来夹杂对钢水洁净度的影响；（2）利用先进的冶金技术对已存在的钢中夹杂物如何更好的去除，以达到洁净钢生产的目的。2）为了生产高质量的钢种，我们主要在以下几个方面对其钢中夹杂物进行控
25、制。（1）转炉冶炼的控制在转炉冶炼过程中，尽量减少补吹，要严格控制下渣量，以降低转炉终点的氧含量；对转炉冶炼完的渣子中，应适当提高其MgO含量和渣的碱度，并且保证减少下渣；在转炉出钢时，应严格采取出钢挡渣制度和炉渣变性处理；在转炉出钢过程中应进行渣洗脱硫，这样可降低钢水硫含量，从而抑制硫化物夹杂得形成而污染钢水；利用渣洗过程中液态高碱度脱硫熔渣与钢水重度差，促使熔渣在与钢水充分接触的同时，从钢水内部不同层面上不断上浮析出形成脱氧及脱硫产物，为后续钢水的钙处理创造条件，促进钢中夹杂物变性。（2）精炼过程可采取的夹杂物控制利用真空吹氩搅拌来有效去除钢中夹杂物；在精炼过程中，加入粉剂来去除钢中有害杂
26、质；对钢液中夹杂物要进行必要的变性处理；在造渣方面，应造合适的精炼渣来有利于去除夹杂。（3）中间包可采取的控制措施通过合理优化中间包结构及设置内部挡墙的方法来保证钢液在中间包内有足够的停留时间，使夹杂物能够得到充分上浮；由钢包到中间包采用长水口，并且通过氩气密封保护浇注，来减少钢液暴露在大气中而使钢液得到污染；在开浇前，应通过氩气（或氮气）对中包内部进行清扫，以防止钢液的二次氧化；中间包内衬使用的耐火材料质量应当稳定较好，及时更换中包；通过中包底部吹氩气来进一步促使夹杂物上浮；使用的中间包覆盖剂碱度要高，这样易于吸收更多的夹杂物，造还原性中间包渣，使用碱性耐火材料，降低侵蚀。1.4钢中低倍组织
27、缺陷1) 方框形偏析偏析是钢中化学成分及杂质的不均匀分布现象（通常也称液析）。在钢锭结晶过程中出现有区域偏析，晶内偏析、晶间偏析等。低倍检验所涉及的偏析是区域偏析，如方框形偏析、点状偏析、碳化物偏析（碳化物剥落）等，而方框形偏析又是常见的。1特征：在横向酸浸试片上方框形偏析是组织不均匀致密的易腐蚀的“黑色方框”，“方框”的形状由钢锭模的形状决定。但由于钢坯在热加工时变形程度不同，方框也稍有变化。易腐蚀的暗色方框区域中主要是碳、硫、磷及合金元素的偏析。当偏析以合金元素为主时，方框形与基体主要是颜色上的差别；而当偏析主要是以低熔点杂质硫、磷、碳为主时，则方框形主要是由受浸蚀后留下的不规则疏松孔隙所
28、组成。方框经常出现在钢材横截面1/2半径处，但由于结晶过程的变化，也可能出现在靠近中心部位或靠近边缘。有时也可出现几层方框。2产生原因：方框偏析是钢锭结晶过程的产物。因为大多数钢锭是方形，所以偏析区呈方框形。在钢锭结晶过程中，由于柱状晶的成长把低熔点组元、气体及偏析元素推向尚未冷凝的中心液相交界处，形成一个偏析方框。这个偏析方框中所含的过量杂质没能充分在剩余钢液中呈均匀分布，或上浮到冒口，被冷凝下来后便形成啦方框偏析。方形偏析表面在钢材横断面低倍组织中腐蚀较深的一层方框区域。因其形状呈方框形，故称为方形偏析。 2）一般疏松1特征：在横酸浸试片上呈暗黑色小点和细小的孔隙，可分布在试样检验面的各部
29、位。暗色小点富集有偏析组元，因而易腐蚀，呈海绵状。2产生原因：一般疏松在钢材中比较普遍出现。钢锭结晶过程中，液态冷凝而成固态时，形成树枝状晶体。由于选分结晶的结果，树枝状晶的成长逐渐把偏析组元、气体、杂质挤到树枝状晶轴之间或各个树枝状晶之间的尚未冷凝的少量钢液中，而这种粘稠的少量钢液由于周围树枝晶的阻碍，不能与钢锭心部尚未冷凝的大量钢液结合，随后冷凝收缩时便形成了富集杂质气体的一些微小区域或小孔隙。热酸浸时，这些区域不耐腐蚀，因而显示出黑色小点或孔隙。3)中心疏松1特征：在横向酸浸试片上，相当于钢锭轴心部位组织不致密，呈暗黑色海绵状的小点和孔隙。中心疏松和一般疏松的区别是：a、分布部位不同，中
30、心疏松是在钢的轴心部位集中分布；b、表现的特征也不完全一样，中心疏松以钢液收缩时得不到补充而形成的孔隙为主。2产生原因：中心疏松是钢锭最后结晶的产物。在钢锭凝固后期，中心区等轴晶充分长大，钢液很稠，流动性不好，富集大量的夹杂、气体、偏析组元。粗大的等轴晶间由于没有钢液补充，最后凝固时出现分散的孔隙，因此中心疏松也叫收缩疏松，它通常出现在缩孔下面。由于气体、低熔点杂质，偏析组元都集中在心部最后凝固的钢液中，使这些最后凝固的部分易腐蚀，在酸浸蚀呈黑色海绵状的小点。中心疏松在材料横断面上中心部位呈现腐蚀程度较深的暗黑小点及不规则的圆形小孔隙，颜色较深。4）缩管残余1特征：在横向酸浸试片的轴心部，呈不
31、规则的空洞或裂纹，空洞或裂纹中往往残留着外来夹杂。空洞和裂纹周围疏松严重，在粗大的等轴晶之间留下许多细小孔隙，并富集大量夹杂。孔隙颜色一般较深。在纵向断口上相应于缩孔部位出现夹层。残余缩孔严重时，空洞较大，延伸很深，甚至于对穿横试样正、反面。2产生原因：缩管残余是由于铸锭过程中，钢液冷凝收缩产生缩孔，而在热加工过程中，切头不够所造成的。一般说来，若在热加工时保证适当的切头率，可将钢锭的缩孔部分切除。但是，当缩孔在钢锭中延伸很深或切头掌握不好时，将会使部分缩管残余留于钢中，造成钢材中的缩管残余缺陷。5）皮下气泡1特征：皮下气泡是单个或成簇的纺锥形，并沿纵向排列的小孔洞或内壁光滑的小裂纹。皮下气泡
32、分布在钢锭表面下一定深度处，有的深达数十毫米。在钢材横向算浸试片上，皮下气泡分布在表面下十几毫米以内的区域，但经常是距表皮几毫米的区域最多。有时皮下气泡穿透钢材表面而呈小裂纹，裂纹的末端是园角，与其他原因形成的裂纹有所区别。2产生原因1、原材料不干燥，钢液去气不良，脱氧不完善，出钢槽、成钢桶、下铸砖干燥不充分，钢锭模内壁铁锈末刷净，涂料水分高或未涂均匀等。2、采用上铸法时，操作不当造成钢水飞溅也能引起皮下气泡。因为飞溅的钢液在模壁上被空气氧化，当钢液上升，与黏在模壁上的氧化铁接触时，钢液中的碳与氧化铁皮发生反应，生成一氧化碳气泡，不能及时排除而被包围在钢锭急冷层中，便成为皮下气泡。皮下气泡在材料横断面上
