采用ASPEX扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物的定量关系

工程科学学报，第37卷，增刊1：3544,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,Suppl.1:35-44,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.s1.007:http://journals.ustb.edu.cn 采用ASPEX扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物 的定量关系 于会香12)四，邵肖静》，张静，王新华” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 3)首钢技术研究院，北京1000414)南京钢铁股份有限公司中厚板卷厂，南京210035 ☒通信作者，E-mail:yuhuixiang(@usth.cdu.cn 摘要为了弄清钢中总氧(T.O)和非金属夹杂物的量、尺寸之间的关系，本文选取四类钢种正常生产的铸坯，采用能进行 大面积试样检测的ASPEX自动扫描电镜系统研究了钢中的T.O、夹杂物及两者之间的定量关系，并采用Thermo-ealc热力学 软件进行了计算和验证.结果表明：夹杂物的主要组成与钢的生产工艺有很大关系。随着夹杂物尺寸的增加，单位检测面积 上该尺寸范围的夹杂物数量显著减少.与T.0<0.002%的钢种相比，T.0为0.01%的钢中夹杂物的数量、面积均明显增加. 当T.0<0.002%时，T.0与夹杂物的面积表现出较好的对应关系.相比于夹杂物的数量来说，T.0更准确的表征夹杂物的面 积.大型夹杂物的出现具有偶然性.实验结果与热力学计算结果、钢中氧硫含量吻合很好. 关键词钢洁净度：总氧：非金属夹杂物：ASPEX自动扫描电镜：热力学计算 分类号TF769.2 Study on the quantitative relationship between total oxygen content and non-metallic inclusion in steel with ASPEX SEM YU Hui-xiang,SHAO Xiao-jing,ZHANG Jing,WANG Xin-hua 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100041,China 4)Wide Plate and Coil Plant,Nanjing Iron and Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210035,China Corresponding author,E-mail:yuhuixiang@ustb.edu.cn ABSTRACT The total oxygen content (T.O),non-metallic inclusions and the relationship between them in pipeline steel,gear steel,tire cord steel and Q235 steel,which were taken from industrial products,were systematically investigated by ASPEX automatic scanning electron microscope (SEM),which can scan large area metallographic specimen,and thermodynamic software Thermo-Cale was used to calculate and validate.The obtained results indicate that non-metallic inclusions are greatly influenced by the production process of steel.With the inclusion size increasing,the amount of inclusions in this size range decreases.Both quantity and area of in- clusions increase sharply when T.O increases from less than 0.002%to 0.01%.When T.O is lower than 0.002%,it only shows good positive relationship with the area of all inclusions per square mm steel samples.T.O indicates the area of inclusions in steel more accurately than the quantity of inclusions.Large sized inclusions appear accidentally.The experimental results agree very well with thermodynamic calculations and the content of T.0,[S]in steel. KEY WORDS steel cleanliness:total oxygen content;non-metallic inclusion:ASPEX scanning electron microscope:thermodynam- ic calculation 收稿日期：20150105 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB630806):国家自然科学基金(51404020)

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1: 35--44，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，Suppl． 1: 35--44，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． s1． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 采用 ASPEX 扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物 的定量关系 于会香1，2) ，邵肖静3) ，张 静4) ，王新华1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 3) 首钢技术研究院，北京 100041 4) 南京钢铁股份有限公司中厚板卷厂，南京 210035  通信作者，E-mail: yuhuixiang@ ustb． edu． cn 收稿日期: 2015--01--05 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2010CB630806) ; 国家自然科学基金( 51404020) 摘 要 为了弄清钢中总氧( T． O) 和非金属夹杂物的量、尺寸之间的关系，本文选取四类钢种正常生产的铸坯，采用能进行 大面积试样检测的 ASPEX 自动扫描电镜系统研究了钢中的 T． O、夹杂物及两者之间的定量关系，并采用 Thermo-calc 热力学 软件进行了计算和验证． 结果表明: 夹杂物的主要组成与钢的生产工艺有很大关系． 随着夹杂物尺寸的增加，单位检测面积 上该尺寸范围的夹杂物数量显著减少． 与 T． O ＜ 0. 002% 的钢种相比，T． O 为 0. 01% 的钢中夹杂物的数量、面积均明显增加． 当 T． O ＜ 0. 002% 时，T． O 与夹杂物的面积表现出较好的对应关系． 相比于夹杂物的数量来说，T． O 更准确的表征夹杂物的面 积． 大型夹杂物的出现具有偶然性． 实验结果与热力学计算结果、钢中氧硫含量吻合很好． 关键词 钢洁净度; 总氧; 非金属夹杂物; ASPEX 自动扫描电镜; 热力学计算 分类号 TF769. 2 Study on the quantitative relationship between total oxygen content and non-metallic inclusion in steel with ASPEX SEM YU Hui-xiang1，2)  ，SHAO Xiao-jing 3) ，ZHANG Jing4) ，WANG Xin-hua1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China 4) Wide Plate and Coil Plant，Nanjing Iron and Steel Co． ，Ltd． ，Nanjing 210035，China  Corresponding author，E-mail: yuhuixiang@ ustb． edu． cn ABSTRACT The total oxygen content ( T． O) ，non-metallic inclusions and the relationship between them in pipeline steel，gear steel，tire cord steel and Q235 steel，which were taken from industrial products，were systematically investigated by ASPEX automatic scanning electron microscope ( SEM) ，which can scan large area metallographic specimen，and thermodynamic software Thermo-Calc was used to calculate and validate． The obtained results indicate that non-metallic inclusions are greatly influenced by the production process of steel． With the inclusion size increasing，the amount of inclusions in this size range decreases． Both quantity and area of in￾clusions increase sharply when T． O increases from less than 0. 002% to 0. 01% ． When T． O is lower than 0. 002% ，it only shows good positive relationship with the area of all inclusions per square mm steel samples． T． O indicates the area of inclusions in steel more accurately than the quantity of inclusions． Large sized inclusions appear accidentally． The experimental results agree very well with thermodynamic calculations and the content of T． O，［S］in steel． KEY WORDS steel cleanliness; total oxygen content; non-metallic inclusion; ASPEX scanning electron microscope; thermodynam￾ic calculation

·36 工程科学学报，第37卷，增刊1 钢的洁净度主要指与非金属夹杂物的数量、尺寸、 承、弹簧为例，即便将T.0(质量分数)控制在 形貌等有关的信息，其评价方法包括直接方法和间接 0.00035%~0.00050%极低含量范围，钢中仍有个别 方法·.常用的直接方法有金相显微镜观测法、扫 数十、数百微米的大型夹杂物存在.那么在当前钢材 描电镜法、电解萃取法、MDAS(mannesmann inclusion 洁净度水平较高的情况下，钢中T.0和夹杂物数量、 detection by analysis surfboards)夹杂物检测法等.不同 尺寸之间的关系是什么？钢中大尺寸夹杂物的出现与 方法各有自己的特点，如金相显微镜观测法和扫描电 T0、小夹杂物的关系是什么？关于这些问题目前尚 镜法主要针对钢中的微小夹杂物，能观察夹杂物的形 不明确.因此，本文选取工业中稳定工艺下生产的管 貌、尺寸和分布，扫描电镜(scanning electron micro-- 线钢、齿轮钢、帘线钢和Q235普碳钢四类钢种，采用 scope,SEM)如果配以能谱仪(energy dispersive spec- 能进行大面积金相试样（最大检测面积为8000mm2) trometer,EDS)或电子探针(electro-probe microanalyzer, 检测的ASPEX自动扫描电镜和热力学计算的方法系 EPMA)还能确定夹杂物的组成：但这两种方法的检测 统研究了铸坯中的T.0、非金属夹杂物及两者之间的 面积较小，一般在5mm2以下，因而所得夹杂物的统计 定量关系 意义有限.电解萃取法和MDAS检测法主要针对钢 中大型夹杂物(>50m),能检测较大的试样；但电解 1研究方法 萃取法检测周期长，且需经过几次过滤和清洗操作，每 1.1非金属夹杂物检测方法 一步都会影响最终的结果，MIDAS检测法不能观察夹 对于每一类钢，选取现场生产的正常铸坯，避开表 杂物的原始形貌及确定夹杂物的组成.由于直接方法 面位置截取三块尺寸为20mm×20mm×15mm(高度) 存在成本、时间等局限性，治金生产中还采用间接方法 的试样.经粗磨、细磨、抛光等工序制成标准的金相试 来评价钢的洁净度，包括T.0测定、吸氮量、示踪剂研 样，采用SEM-EDS对夹杂物的形貌和成分进行分析， 究等，其中最常用的是T.0测定法 每个试样随机观察20个典型夹杂物.夹杂物的类型、 长期以来，治金生产和科研过程中常用T.0来衡 数量和尺寸分布采用美国ASPEX公司制造的ASPEX 量钢的洁净度，表征夹杂物的量”-0.这对于钢中夹 型自动扫描电镜进行分析.该设备除具备常规扫描电 杂物主要为AL,0,类的钢种是合适的D9,如研究表明 镜的基本功能外，还能够对较大尺寸试样（最大检测 T.O和冷轧产品sliver的发生率呈正相关关系.学者 尺寸为80mm×l00mm)进行自动分析，得到检测区域 们针对某一钢种的洁净度情况、影响因素及改进措施 内夹杂物的信息网.如图1所示，该设备的检测原理 等进行了较多研究-.所用夹杂物的检测方法主 如下：(1)图1(a)中网格点覆盖区域表示试样的检测 要为金相显微镜观测法、扫描电镜法和电解萃取法. 区域，阴影区域表示夹杂物：较大的黑点表示搜索点， 这些研究没有定量分析T.0和夹杂物含量之间的关 其包围区域为搜索网格：较小的黑点表示测量点，其包 系，也没有把不同生产工艺下钢中的这两者之间的关 围区域为测量网格.首先电子射束采用较大步长即搜 系放在一个平台上进行研究. 索网格进行移动扫描.(2)当发现夹杂物后，改用较小 随着钢材洁净度的提高，钢中的T.0逐渐降低. 步长，即测量网格，使用旋转弦算法寻找特征的中心并 近年来研究6-切发现，有些钢种虽然T.0很低，但钢 以22.5°为间隔绘制8条通过中心的弦，如图1(b)所 中仍能发现尺寸较大的夹杂物.以重要装置用高端轴 示，从而得到夹杂物的计量参数，包括平均值、最大和 图1 ASPEX扫描电镜工作原理示意图.(a)搜索网格和测量网格：(b)典型的特征图像 Fig.1 Schematic diagram of working principle of ASPEX SEM:(a)the search grid and the measurement grid:(b)the representative image of a fea- ture

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 钢的洁净度主要指与非金属夹杂物的数量、尺寸、 形貌等有关的信息，其评价方法包括直接方法和间接 方法［1 － 6］． 常用的直接方法有金相显微镜观测法、扫 描电镜法、电解萃取法、MIDAS( mannesmann inclusion detection by analysis surfboards) 夹杂物检测法等． 不同 方法各有自己的特点，如金相显微镜观测法和扫描电 镜法主要针对钢中的微小夹杂物，能观察夹杂物的形 貌、尺 寸 和 分 布，扫 描 电 镜 ( scanning electron micro￾scope，SEM) 如果配以能谱仪( energy dispersive spec￾trometer，EDS) 或电子探针( electro-probe microanalyzer， EPMA) 还能确定夹杂物的组成; 但这两种方法的检测 面积较小，一般在 5 mm2 以下，因而所得夹杂物的统计 意义有限． 电解萃取法和 MIDAS 检测法主要针对钢 中大型夹杂物( ＞ 50 μm) ，能检测较大的试样; 但电解 萃取法检测周期长，且需经过几次过滤和清洗操作，每 一步都会影响最终的结果，MIDAS 检测法不能观察夹 杂物的原始形貌及确定夹杂物的组成． 由于直接方法 存在成本、时间等局限性，冶金生产中还采用间接方法 来评价钢的洁净度，包括 T． O 测定、吸氮量、示踪剂研 究等，其中最常用的是 T． O 测定法． 图 1 ASPEX 扫描电镜工作原理示意图． ( a) 搜索网格和测量网格; ( b) 典型的特征图像 Fig． 1 Schematic diagram of working principle of ASPEX SEM: ( a) the search grid and the measurement grid; ( b) the representative image of a fea￾ture 长期以来，冶金生产和科研过程中常用 T． O 来衡 量钢的洁净度，表征夹杂物的量［7 － 10］． 这对于钢中夹 杂物主要为 Al2O3类的钢种是合适的［7 － 9］，如研究表明 T． O 和冷轧产品 sliver 的发生率呈正相关关系． 学者 们针对某一钢种的洁净度情况、影响因素及改进措施 等进行了较多研究［11 － 15］． 所用夹杂物的检测方法主 要为金相显微镜观测法、扫描电镜法和电解萃取法． 这些研究没有定量分析 T． O 和夹杂物含量之间的关 系，也没有把不同生产工艺下钢中的这两者之间的关 系放在一个平台上进行研究． 随着钢材洁净度的提高，钢中的 T． O 逐渐降低． 近年来研究［16 － 17］发现，有些钢种虽然 T． O 很低，但钢 中仍能发现尺寸较大的夹杂物． 以重要装置用高端轴 承、弹 簧 为 例，即 便 将 T． O ( 质 量 分 数) 控 制 在 0. 00035% ～ 0. 00050% 极低含量范围，钢中仍有个别 数十、数百微米的大型夹杂物存在． 那么在当前钢材 洁净度水平较高的情况下，钢中 T． O 和夹杂物数量、 尺寸之间的关系是什么? 钢中大尺寸夹杂物的出现与 T． O、小夹杂物的关系是什么? 关于这些问题目前尚 不明确． 因此，本文选取工业中稳定工艺下生产的管 线钢、齿轮钢、帘线钢和 Q235 普碳钢四类钢种，采用 能进行大面积金相试样( 最大检测面积为 8000 mm2 ) 检测的 ASPEX 自动扫描电镜和热力学计算的方法系 统研究了铸坯中的 T． O、非金属夹杂物及两者之间的 定量关系． 1 研究方法 1. 1 非金属夹杂物检测方法 对于每一类钢，选取现场生产的正常铸坯，避开表 面位置截取三块尺寸为 20 mm × 20 mm × 15 mm( 高度) 的试样． 经粗磨、细磨、抛光等工序制成标准的金相试 样，采用 SEM--EDS 对夹杂物的形貌和成分进行分析， 每个试样随机观察 20 个典型夹杂物． 夹杂物的类型、 数量和尺寸分布采用美国 ASPEX 公司制造的 ASPEX 型自动扫描电镜进行分析． 该设备除具备常规扫描电 镜的基本功能外，还能够对较大尺寸试样( 最大检测 尺寸为 80 mm × 100 mm) 进行自动分析，得到检测区域 内夹杂物的信息［18］． 如图 1 所示，该设备的检测原理 如下: ( 1) 图 1( a) 中网格点覆盖区域表示试样的检测 区域，阴影区域表示夹杂物; 较大的黑点表示搜索点， 其包围区域为搜索网格; 较小的黑点表示测量点，其包 围区域为测量网格． 首先电子射束采用较大步长即搜 索网格进行移动扫描． ( 2) 当发现夹杂物后，改用较小 步长，即测量网格，使用旋转弦算法寻找特征的中心并 以 22. 5°为间隔绘制 8 条通过中心的弦，如图 1( b) 所 示，从而得到夹杂物的计量参数，包括平均值、最大和 ·36·

于会香等：采用ASPEX扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物的定量关系 ·37 最小直径、方位和质心.(3)如果所测数值通过了用户 表2LF炉精炼结束炉渣化学成分（质量分数） 定义的形态接受标准（如，要求检测夹杂物尺寸>1 Table 2 Chemical composition of refining slag at LF end% um),则使用EDS,以该夹杂物为中心采集EDS光谱 钢种Ca0Mg0Al203SiO2Mn0 TFe Ca0/Si02 并进行量化.(4)对检测区域重复此过程，最终得到夹 管线钢54.878.3425.177.840.280.577.00 杂物的数量、尺寸、位置、组成等信息 齿轮钢55.366.9427.095.950.230.42 9.30 本研究检测时避开金相试样边部，随机选取一处， 帘线钢43.748.442.3741.061.200.81 1.07 圈定面积≥50mm2的区域，设定好分析参数后进行自 动检测.对所统计夹杂物的最小尺寸设定为1μm,即 本文所选四类钢种具有代表性.从化学成分角 不统计尺寸在1m以下的夹杂物.每个钢种分析三 度，包括低碳、中碳和高碳含量的钢种，[C]分别为 块试样，取统计结果的平均值作为本文的结果 0.046%,0.200%,0.730%和0.200%.从洁净度角 1.2钢样和渣样化学成分分析方法 度，包括洁净度水平较高和较低的钢种，T.0分别为 钢样的化学成分分析方法为：C]、S]、[O],红 0.0011%、0.0012%、0.0017%和0.0100%.从脱氧制 外吸收法；[1]，电感耦合等离子体质谱法(ICP- 度角度，包括铝脱氧钢和硅锰脱氧钢，如齿轮钢和管线 MS):其他元素，等离子发射光谱法.炉渣的化学成分 钢为铝脱氧钢，而帘线钢和Q235为硅锰脱氧钢.从 分析方法为：CaO、Mg0、AL,03、MnO,电感耦合等离子 渣/钢精炼角度，包括有渣/钢精炼钢和无渣/钢精炼 体原子发射法(ICP-AES):SiO2,重量法：FeO,滴定法： 钢，如管线钢、齿轮钢和帘线钢为有精炼渣精炼的钢 S,红外吸收法 种，而Q235为无精炼渣精炼的钢种：对于有渣/钢精 1.3热力学计算方法 炼的钢种，精炼渣包括高碱度高A山0，含量还原渣和 Thermo-ealc热力学软件的经典版本TCCR基于整 低碱度低A山，0，含量渣，如管线钢和齿轮钢所用精炼 体吉布斯能最小技术(global Gibbs energy minimization 渣为高碱度高A山20，含量还原渣，碱度分别为7.00和 technique),是研究钢中夹杂物生成及转变的通用软 9.30,A0,质量分数分别为25.17%和27.09%， 件.为了更好地揭示钢中T.0和非金属夹杂物之间的 (Mn0+TFe)质量分数分别为0.85%和0.65%：帘线 定量关系，本文采用该软件研究平衡状态下600~ 钢所用精炼渣为低碱度低A山，0，含量渣，碱度为1.07， 1600℃温度区间内钢中夹杂物的生成与转变行为. L,03质量分数为2.37% 2.2钢中的非金属夹杂物 2结果与讨论 (1)管线钢 2.1钢样和渣样的化学成分 本文所选管线钢铸坯的生产工艺为：铁水预处理 本文研究所用管线钢、齿轮钢、帘线钢和Q235普 +转炉→LF精炼→RH真空处理→钙处理→板坯连 碳钢四类钢种试样的基本化学成分及其生产过程中 铸，采用铝脱氧、高碱度还原性炉渣精炼.试样的T.0 LF炉精炼结束时炉渣的化学成分分别见表1和2. 为0.0011% 图2为采用SEM-EDS观察到的管线钢试样中夹 表1钢样的基本化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of steel sample 杂物的典型形貌和能谱. 采用ASPEX扫描电镜对试样中非金属夹杂物进 钢种C Si Mn P S Al.,T.O 管线钢0.0460.151.780.0090.00120.03300.0011 行扫描统计，分析面积总计为170.1mm2,共检测到 齿轮钢0.2000.290.790.0130.00300.04400.0012 5928个夹杂物，所占面积为21419.96μm2.夹杂物主 帘线钢0.7300.200.470.0050.0090<0.00050.0017 要为CaS-Cat0-Al20,类，其数量所占比例为95.67%. Q2350.2000.160.500.0260.02200.00030.0100 管线钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的数量、面积 元素0 Mg Al S Ca Mn 700 原子分数(48.473.9017.88107018.46059 600 500 400 300 200 100 Mn 2 0 10 能量keV 图2管线钢中典型夹杂物的形貌(a)和能谱(b) Fig.2 Morphology (a)and EDS (b)of typical inclusions in pipeline steel sample

于会香等: 采用 ASPEX 扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物的定量关系 最小直径、方位和质心． ( 3) 如果所测数值通过了用户 定义的形态接受标准( 如，要求检测夹杂物尺寸 ＞ 1 μm) ，则使用 EDS，以该夹杂物为中心采集 EDS 光谱 并进行量化． ( 4) 对检测区域重复此过程，最终得到夹 杂物的数量、尺寸、位置、组成等信息． 本研究检测时避开金相试样边部，随机选取一处， 圈定面积≥50 mm2 的区域，设定好分析参数后进行自 动检测． 对所统计夹杂物的最小尺寸设定为 1 μm，即 不统计尺寸在 1 μm 以下的夹杂物． 每个钢种分析三 块试样，取统计结果的平均值作为本文的结果． 1. 2 钢样和渣样化学成分分析方法 钢样的化学成分分析方法为: ［C］、［S］、［O］，红 外吸 收 法; ［Al］，电 感 耦 合 等 离 子 体 质 谱 法 ( ICP-- MS) ; 其他元素，等离子发射光谱法． 炉渣的化学成分 分析方法为: CaO、MgO、Al2 O3、MnO，电感耦合等离子 体原子发射法( ICP--AES) ; SiO2，重量法; FeO，滴定法; S，红外吸收法． 1. 3 热力学计算方法 Thermo-calc 热力学软件的经典版本 TCCR 基于整 体吉布斯能最小技术( global Gibbs energy minimization technique) ，是研究钢中夹杂物生成及转变的通用软 件． 为了更好地揭示钢中 T． O 和非金属夹杂物之间的 定量关系，本 文 采 用 该 软 件 研 究 平 衡 状 态 下 600 ～ 1600 ℃温度区间内钢中夹杂物的生成与转变行为． 2 结果与讨论 图 2 管线钢中典型夹杂物的形貌( a) 和能谱( b) Fig． 2 Morphology ( a) and EDS ( b) of typical inclusions in pipeline steel sample 2. 1 钢样和渣样的化学成分 本文研究所用管线钢、齿轮钢、帘线钢和 Q235 普 碳钢四类钢种试样的基本化学成分及其生产过程中 LF 炉精炼结束时炉渣的化学成分分别见表 1 和 2． 表 1 钢样的基本化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of steel sample % 钢种 C Si Mn P S Als T． O 管线钢 0. 046 0. 15 1. 78 0. 009 0. 0012 0. 0330 0. 0011 齿轮钢 0. 200 0. 29 0. 79 0. 013 0. 0030 0. 0440 0. 0012 帘线钢 0. 730 0. 20 0. 47 0. 005 0. 0090 ＜ 0. 0005 0. 0017 Q235 0. 200 0. 16 0. 50 0. 026 0. 0220 0. 0003 0. 0100 表 2 LF 炉精炼结束炉渣化学成分( 质量分数) Table 2 Chemical composition of refining slag at LF end % 钢种 CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO TFe CaO/SiO2 管线钢 54. 87 8. 34 25. 17 7. 84 0. 28 0. 57 7. 00 齿轮钢 55. 36 6. 94 27. 09 5. 95 0. 23 0. 42 9. 30 帘线钢 43. 74 8. 44 2. 37 41. 06 1. 20 0. 81 1. 07 本文所选四类钢种具有代表性． 从化学成分角 度，包括低碳、中碳和高碳含量的钢种，［C］分 别 为 0. 046% ，0. 200% ，0. 730% 和 0. 200% ． 从 洁 净 度 角 度，包括洁净度水平较高和较低的钢种，T． O 分别为 0. 0011% 、0. 0012% 、0. 0017% 和 0. 0100% ． 从脱氧制 度角度，包括铝脱氧钢和硅锰脱氧钢，如齿轮钢和管线 钢为铝脱氧钢，而帘线钢和 Q235 为硅锰脱氧钢． 从 渣/钢精炼角度，包括有渣/钢精炼钢和无渣/钢精炼 钢，如管线钢、齿轮钢和帘线钢为有精炼渣精炼的钢 种，而 Q235 为无精炼渣精炼的钢种; 对于有渣/钢精 炼的钢种，精炼渣包括高碱度高 Al2 O3 含量还原渣和 低碱度低 Al2O3 含量渣，如管线钢和齿轮钢所用精炼 渣为高碱度高 Al2O3含量还原渣，碱度分别为 7. 00 和 9. 30，Al2 O3 质 量 分 数 分 别 为 25. 17% 和 27. 09% ， ( MnO + TFe) 质量分数分别为 0. 85% 和 0. 65% ; 帘线 钢所用精炼渣为低碱度低 Al2O3含量渣，碱度为 1. 07， Al2O3质量分数为 2. 37% ． 2. 2 钢中的非金属夹杂物 ( 1) 管线钢． 本文所选管线钢铸坯的生产工艺为: 铁水预处理 →转炉→LF 精炼→RH 真空处理→钙处理→板坯连 铸，采用铝脱氧、高碱度还原性炉渣精炼． 试样的 T． O 为 0. 0011% ． 图 2 为采用 SEM--EDS 观察到的管线钢试样中夹 杂物的典型形貌和能谱． 采用 ASPEX 扫描电镜对试样中非金属夹杂物进 行扫描统计，分析面积总 计 为 170. 1 mm2 ，共 检 测 到 5928 个夹杂物，所占面积为 21419. 96 μm2 ． 夹杂物主 要为 CaS--CaO--Al2O3类，其数量所占比例为 95. 67% ． 管线钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的数量、面积 ·37·

·38· 工程科学学报，第37卷，增刊1 及尺寸分布如图3所示，其中图3(a)为单位面积上不 积上该尺寸范围的夹杂物数量和面积减小：与夹杂物 同尺寸的夹杂物数量，图3(b)为单位面积上不同尺寸 数量的变化相比，夹杂物面积减少相对较小 的夹杂物面积.可见，随着夹杂物尺寸的增加，单位面 0 (a) (b) 30 20 40 10 2 S3 3-5510 >10 3 35 5-10 >0 夹杂物尺寸加m 夹杂物尺寸m 图3管线钢中单位检测面积上夹杂物的数量()、面积(b)及尺寸分布 Fig.3 Amount (a),area (b)and size distribution of inclusions per square mm in pipeline steel sample (2)齿轮钢. 为0.0012% 本文所选齿轮钢铸坯的生产工艺为：铁水预处理 图4为采用SEM-EDS观察到的齿轮钢试样中夹 →转炉→LF精炼→RH真空处理→钙处理→方坯连 杂物的典型形貌和能谱. 铸，采用铝脱氧、高碱度还原性炉渣精炼.试样的T.0 Ca 元素11SCa 1200 原子分数%6.4033.72598 1000 800 400 200 0 4 能量keV 800 元素NTng 原子分数%41265601272 600 400 200 N N 10 能量keV (a) b 图4齿轮钢中典型夹杂物的形貌()和能谱(b) Fig.4 Morphology (a)and EDS (b)of typical inclusions in gear steel sample 采用ASPEX扫描电镜对试样中非金属夹杂物进 积上该尺寸范围的夹杂物数量显著减少，但夹杂物面 行扫描统计，分析面积总计为157.96mm2,共检测到 积的变化规律不明显.虽然单位面积上≤3um的夹杂 3626个夹杂物，所占面积为28286.90um2.夹杂物主 物数量最多，但其所占的面积并不是最大的 要有两类：(a)CaS-Ca0-AL,O,类，其数量所占比例为 (3)帘线钢 75.18%:(b)TiN类，其数量所占比例为23.33%，此类 本文所选帘线钢铸坯的生产工艺为：铁水预处理 夹杂物的产生与该厂的入炉原材料有很大关系.齿轮 一→转炉一→吹氩→LF精炼→方坯连铸，采用硅锰脱氧、 钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的数量、面积及尺 低碱度炉渣精炼.试样的T.0为0.0017%. 寸分布如图5所示，其中图5(a)为单位面积上不同尺 图6为采用SEM-EDS观察到的帘线钢试样中夹 寸的夹杂物数量，图5(b)为单位面积上不同尺寸的夹 杂物的典型形貌和能谱. 杂物面积.可见，随着夹杂物尺寸的增加，单位检测面 采用ASPEX扫描电镜对试样中非金属夹杂物进

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 及尺寸分布如图 3 所示，其中图 3( a) 为单位面积上不 同尺寸的夹杂物数量，图 3( b) 为单位面积上不同尺寸 的夹杂物面积． 可见，随着夹杂物尺寸的增加，单位面 积上该尺寸范围的夹杂物数量和面积减小; 与夹杂物 数量的变化相比，夹杂物面积减少相对较小． 图 3 管线钢中单位检测面积上夹杂物的数量( a) 、面积( b) 及尺寸分布 Fig． 3 Amount ( a) ，area ( b) and size distribution of inclusions per square mm in pipeline steel sample ( 2) 齿轮钢． 本文所选齿轮钢铸坯的生产工艺为: 铁水预处理 →转炉→LF 精炼→RH 真空处理→钙处理→方坯连 铸，采用铝脱氧、高碱度还原性炉渣精炼． 试样的 T． O 为 0. 0012% ． 图 4 为采用 SEM--EDS 观察到的齿轮钢试样中夹 杂物的典型形貌和能谱． 图 4 齿轮钢中典型夹杂物的形貌( a) 和能谱( b) Fig． 4 Morphology ( a) and EDS ( b) of typical inclusions in gear steel sample 采用 ASPEX 扫描电镜对试样中非金属夹杂物进 行扫描统计，分析面积总计为 157. 96 mm2 ，共检测到 3626 个夹杂物，所占面积为 28286. 90 μm2 ． 夹杂物主 要有两类: ( a) CaS--CaO--Al2O3类，其数量所占比例为 75. 18% ; ( b) TiN 类，其数量所占比例为 23. 33% ，此类 夹杂物的产生与该厂的入炉原材料有很大关系． 齿轮 钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的数量、面积及尺 寸分布如图 5 所示，其中图 5( a) 为单位面积上不同尺 寸的夹杂物数量，图 5( b) 为单位面积上不同尺寸的夹 杂物面积． 可见，随着夹杂物尺寸的增加，单位检测面 积上该尺寸范围的夹杂物数量显著减少，但夹杂物面 积的变化规律不明显． 虽然单位面积上≤3 μm 的夹杂 物数量最多，但其所占的面积并不是最大的． ( 3) 帘线钢． 本文所选帘线钢铸坯的生产工艺为: 铁水预处理 →转炉→吹氩→LF 精炼→方坯连铸，采用硅锰脱氧、 低碱度炉渣精炼． 试样的 T． O 为 0. 0017% ． 图 6 为采用 SEM--EDS 观察到的帘线钢试样中夹 杂物的典型形貌和能谱． 采用 ASPEX 扫描电镜对试样中非金属夹杂物进 ·38·

于会香等：采用ASPEX扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物的定量关系 ·39· 100 (a) 15 10 50 3 3-5 5-10 >10 ≤3 3-5 5-10 >10 夹杂物尺寸μm 夹杂物尺寸μm 图5齿轮钢中单位稳测面积上夹杂物的数量()、面积(b)及尺寸分布 Fig.5 Amount (a),area (b)and size distribution of inclusions per square mm in gear steel sample 600 元素0 Si Mn Ca Al S Mg 原子分数61.1712.736267589.621.541.10 00 3 100 Mn 4 10 能量eV 1000 元煮SMnK 800 原子分数%492450.680.08 200 5 10 能量keV (b) 图6帝线钢中典型夹杂物的形貌(a)和能谱(b) Fig.6 Morphology (a)and EDS(b)of typical inclusions in tire cord steel sample 行扫描统计，分析面积总计为151.47mm2,共检测到 位面积上不同尺寸的夹杂物数量，图7(b)为单位面积 3865个夹杂物，所占面积为62852.5um2.夹杂物主要 上不同尺寸的夹杂物面积.可见，随着夹杂物尺寸的 有两类：(a)SiO,-Mn0-Ca0-Al,O,类，其数量所占比 增加，单位面积上该尺寸范围的夹杂物数量逐渐减少， 例为53.58%；(b)MnS-Mn0类，其数量所占比例为 而夹杂物面积却呈增加的趋势，也就是说，虽然小尺寸 46.42%.帘线钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的 夹杂物的数量较多，但其所占的面积却不一定大；相 数量、面积及尺寸分布如图7所示，其中图7(a)为单 反，大尺寸夹杂物的数量较少，但其所占面积却可能较 240r 180 60 3-5 5-10 >10 ≤3 35 5-10 >10 火杂物尺寸加m 夹杂物尺小m 图7帘线钢中单位检测面积上夹杂物的数量()，面积(b)及尺寸分布 Fig.7 Amount (a),area (b)and size distribution of inclusions per square mm in tire cord steel sample

于会香等: 采用 ASPEX 扫描电镜研究钢中总氧和非金属夹杂物的定量关系 图 5 齿轮钢中单位检测面积上夹杂物的数量( a) 、面积( b) 及尺寸分布 Fig． 5 Amount ( a) ，area ( b) and size distribution of inclusions per square mm in gear steel sample 图 6 帘线钢中典型夹杂物的形貌( a) 和能谱( b) Fig． 6 Morphology ( a) and EDS ( b) of typical inclusions in tire cord steel sample 行扫描统计，分析面积总计为 151. 47 mm2 ，共检测到 图 7 帘线钢中单位检测面积上夹杂物的数量( a) 、面积( b) 及尺寸分布 Fig． 7 Amount ( a) ，area ( b) and size distribution of inclusions per square mm in tire cord steel sample 3865 个夹杂物，所占面积为 62852. 5 μm2 ． 夹杂物主要 有两类: ( a) SiO2 --MnO--CaO--Al2 O3 类，其数量所占比 例为 53. 58% ; ( b) MnS--MnO 类，其数量所占比例为 46. 42% ． 帘线钢中每平方毫米检测面积上夹杂物的 数量、面积及尺寸分布如图 7 所示，其中图 7( a) 为单 位面积上不同尺寸的夹杂物数量，图 7( b) 为单位面积 上不同尺寸的夹杂物面积． 可见，随着夹杂物尺寸的 增加，单位面积上该尺寸范围的夹杂物数量逐渐减少， 而夹杂物面积却呈增加的趋势，也就是说，虽然小尺寸 夹杂物的数量较多，但其所占的面积却不一定大; 相 反，大尺寸夹杂物的数量较少，但其所占面积却可能较 ·39·