D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.09.030 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 洁净钢中夹杂物快速检测技术 唐复平常桂华栗红陈本文李广帮 鞍钢股份有限公司，鞍山114001 摘要介绍了利用光谱仪分析钢中夹杂物技术的原理.通过对光谱仪原始脉冲强度的研究，建立了A山203光谱强度与化学 分析含量的工作曲线，确定了光谱强度与夹杂物粒径的关系，实现了A1203含量和粒径分布的快速分析·与化学分析相比，分 析误差平均为3×10-6，夹杂物含量和粒径的分析时间由2~5d缩短到5min,为炼钢及精炼过程夹杂物控制提供了有效技术 手段。 关键词洁净钢：夹杂物；光谱分析；脉冲强度：含量分析：粒径分析 分类号TF777.7 随着洁净钢的发展，控制钢中夹杂物已成为钢 1990年开发了PDA光谱仪检测夹杂物技术，该技 铁生产企业技术发展战略的关键山，在提高钢质量 术的特点是在分析钢水中各元素含量的同时可分析 方面主要采用了二次精炼、优化中包覆盖剂、结晶器 夹杂物含量和粒径，分析一个试样时间约5min:日 保护渣以及铸造参数优化等方法，为了判断工艺条 本一些钢厂应用PDA技术实现了精炼过程中夹杂 件对钢中夹杂物含量、形态的影响，需要在炼钢过程 物与元素同时快速分析和控制.比利时、瑞典的一 中建立一种评价钢中夹杂物水平的在线检测方法， 些钢铁公司在开发光谱仪在线分析夹杂物方面也做 找出钢水中夹杂物指标和产品等级的关系，确定最 了大量工作，鞍钢利用PDA5500光谱仪开发了夹 优化的炼钢工艺 杂物的快速检测技术，即在分析试样元素含量的同 传统的夹杂物检验方法有电解法、光学显微镜 时分析夹杂物含量和粒径，该技术已进行了初步应 观察法、电子探针或扫描电镜法]等，这些方法由 用 于检测时间较长，不能及时反馈检测的信息，甚至分 析精度不能满足洁净钢的需要，难以作为炼钢工艺 1光谱仪分析夹杂物实验方法 的在线分析方法使用. 使用PDA5500-Ⅱ光谱仪对铝脱氧钢连铸坯进 日本和欧洲等国相继开发了水冷坩埚熔融技术 行研究，实验利用在惰性气体保护下试样与电极间 和电子束熔融技术[3]检测夹杂物，并得到了应用， 发生火花放电，获得分析元素Al/Fe、O/Fe的发光 两项技术特点都是将金属块在惰性气体保护条件下 脉冲强度分布图（如图1），其中(a)为铝脉冲强度 加热到一定温度使试样中夹杂物富集在金属块表 图，（凸）为氧脉冲强度图，根据强度图将铝的脉冲强 面，然后通过扫描电镜等方法分析夹杂物形貌、组 度分解为基体（固溶体）部分和夹杂物（非固溶）部 成、粒径分布等，该方法分析一个试样的时间约 分，确定夹杂铝的临界值；将氧的脉冲强度分解为夹 30mim,欧洲钢技术研究委员会的一个项目组利用 杂氧部分和仪器背景氧部分，确定氧的临界值，原 了4a的时间开发的簇状铝夹杂的检测分析法[， 始的铝、氧脉冲强度同时高于各自临界值的脉冲部 能定量检测簇状夹杂分布和氩气泡情况，自动检测 分为夹杂物(A203),图1中的①、②脉冲对应一个 的时间与光学显微镜法检测时间相近，日本田口勇 A1203夹杂物，③、④脉冲因其铝强度高于临界值而 在1985年介绍了CMA检测夹杂物技术句，CMA 与其对应的氧强度低于临界值，故不是A203夹杂 由电子探针和图像处理系统组成，可作夹杂物的定 物·然后将激发一点所得的脉冲强度进行数据处理 性和定量分析.这一分析技术对试样尺寸为5cm× 计算夹杂物部分脉冲强度，通过夹杂物强度与夹杂 5cm上的100m×100m面积进行分析，分析点数 物含量的工作曲线，换算出夹杂物含量 为500时，分析五个元素，大约需要41min,日本自 将夹杂物的Al/Fe强度通过含量工作线换算成 收稿日期：2006-09-27修回日期：2006-11-03 每个夹杂物的含量，根据每次放电的蒸发量计算出 作者简介：唐复平(1958一)男，教授级高工，博士 每个夹杂物的质量，然后换算成当量直径，根据确定
洁净钢中夹杂物快速检测技术 唐复平 常桂华 栗 红 陈本文 李广帮 鞍钢股份有限公司鞍山114001 摘 要 介绍了利用光谱仪分析钢中夹杂物技术的原理．通过对光谱仪原始脉冲强度的研究建立了 Al2O3 光谱强度与化学 分析含量的工作曲线确定了光谱强度与夹杂物粒径的关系实现了 Al2O3 含量和粒径分布的快速分析．与化学分析相比分 析误差平均为3×10－6夹杂物含量和粒径的分析时间由2～5d 缩短到5min为炼钢及精炼过程夹杂物控制提供了有效技术 手段． 关键词 洁净钢；夹杂物；光谱分析；脉冲强度；含量分析；粒径分析 分类号 TF777∙7 收稿日期：2006-09-27 修回日期：2006-11-03 作者简介：唐复平（1958－）男教授级高工博士 随着洁净钢的发展控制钢中夹杂物已成为钢 铁生产企业技术发展战略的关键［1］．在提高钢质量 方面主要采用了二次精炼、优化中包覆盖剂、结晶器 保护渣以及铸造参数优化等方法．为了判断工艺条 件对钢中夹杂物含量、形态的影响需要在炼钢过程 中建立一种评价钢中夹杂物水平的在线检测方法 找出钢水中夹杂物指标和产品等级的关系确定最 优化的炼钢工艺． 传统的夹杂物检验方法有电解法、光学显微镜 观察法、电子探针或扫描电镜法［2］等．这些方法由 于检测时间较长不能及时反馈检测的信息甚至分 析精度不能满足洁净钢的需要难以作为炼钢工艺 的在线分析方法使用． 日本和欧洲等国相继开发了水冷坩埚熔融技术 和电子束熔融技术［3］ 检测夹杂物并得到了应用． 两项技术特点都是将金属块在惰性气体保护条件下 加热到一定温度使试样中夹杂物富集在金属块表 面然后通过扫描电镜等方法分析夹杂物形貌、组 成、粒径分布等．该方法分析一个试样的时间约 30min．欧洲钢技术研究委员会的一个项目组利用 了4a 的时间开发的簇状铝夹杂的检测分析法［4］ 能定量检测簇状夹杂分布和氩气泡情况自动检测 的时间与光学显微镜法检测时间相近．日本田口勇 在1985年介绍了 CMA 检测夹杂物技术［5］CMA 由电子探针和图像处理系统组成可作夹杂物的定 性和定量分析．这一分析技术对试样尺寸为5cm× 5cm 上的100μm×100μm 面积进行分析分析点数 为500时分析五个元素大约需要41min．日本自 1990年开发了 PDA 光谱仪检测夹杂物技术该技 术的特点是在分析钢水中各元素含量的同时可分析 夹杂物含量和粒径分析一个试样时间约5min．日 本一些钢厂应用 PDA 技术实现了精炼过程中夹杂 物与元素同时快速分析和控制．比利时、瑞典的一 些钢铁公司在开发光谱仪在线分析夹杂物方面也做 了大量工作．鞍钢利用 PDA5500光谱仪开发了夹 杂物的快速检测技术即在分析试样元素含量的同 时分析夹杂物含量和粒径．该技术已进行了初步应 用． 1 光谱仪分析夹杂物实验方法 使用 PDA5500－Ⅱ光谱仪对铝脱氧钢连铸坯进 行研究．实验利用在惰性气体保护下试样与电极间 发生火花放电获得分析元素 Al／Fe、O／Fe 的发光 脉冲强度分布图（如图1）其中（a）为铝脉冲强度 图（b）为氧脉冲强度图．根据强度图将铝的脉冲强 度分解为基体（固溶体）部分和夹杂物（非固溶）部 分确定夹杂铝的临界值；将氧的脉冲强度分解为夹 杂氧部分和仪器背景氧部分确定氧的临界值．原 始的铝、氧脉冲强度同时高于各自临界值的脉冲部 分为夹杂物（Al2O3）图1中的①、②脉冲对应一个 Al2O3 夹杂物③、④脉冲因其铝强度高于临界值而 与其对应的氧强度低于临界值故不是 Al2O3 夹杂 物．然后将激发一点所得的脉冲强度进行数据处理 计算夹杂物部分脉冲强度通过夹杂物强度与夹杂 物含量的工作曲线换算出夹杂物含量． 将夹杂物的 Al／Fe 强度通过含量工作线换算成 每个夹杂物的含量根据每次放电的蒸发量计算出 每个夹杂物的质量然后换算成当量直径根据确定 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．030
第9期 唐复平等：洁净钢中夹杂物快速检测技术 ,891 6000 粒径关系图 5000 ① (a） 3 铝临界值 10c 4000 8 3000 R2-0.9901 2000 61 1000 0 21 41 6181101121 放电次数 (a)铝脉冲强度 6000 10 20 30 40 50 5000 (b) A山，0，质量分数/10 氧临界值 ① 图2A山2O3强度与含量的关系 3000 2000 Fig-2 Curve of pulse intensity with Al2Os content 1000 hnlli 0 21 41 61 81 101 121 放电次数 (b)氧脉冲强度 6 图1铝、氧脉冲强度图 Fig.1 Pulse intensities of Al and O 的分析模式可直接给出每个激发点的粒径分布，采 用极值统计法推测试样中最大夹杂粒径 4 6 10 据文献[6]介绍，PDA5500光谱仪分析夹杂物 AlO,夹杂粒径m 的种类主要是Al203,其次有Si02、MnS、Ca0.日本 图3夹杂强度与夹杂粒径的关系 川崎等钢铁企业目前使用光谱仪分析夹杂含量、粒 Fig-3 Curve of inclusion pulse intensity with size 径分布主要针对铝脱氧钢A203类夹杂，因为钢中 A1203类夹杂严重影响薄板（汽车板）表面质量，因 此开发光谱分析夹杂主要是研究钢中Al203类夹杂 3分析及讨论 的含量和粒径分布 3.1光谱分析夹杂物的分析条件 2实验结果 使用光谱仪进行分析时，设备因素、分析条件和 环境干扰等对分析结果影响较大，因此应正确选择 实验建立了Al203光谱强度与Al203化学分析 分析条件，以减少各种因素带来的误差 含量的关系及夹杂物强度与夹杂粒径的关系，并据 分析夹杂时，将背景和干扰设为零，在对夹杂物 此采用极值统计法推断出试样中夹杂物最大粒径， 强度数据处理时考虑其影响.古本亘等们认为利用 2.1A20g光谱强度与A20化学分析含量的关 光谱分析夹杂物含量和粒径分布，激发一点的放电 系 次数应选2000次·为消除制样和外来因素带来的 研究光谱分析试样的全铝脉冲强度和氧脉冲强 干扰，对光谱分析试样需要设定预燃时间，实验确 度，确定出夹杂物脉冲的铝、氧临界值，采用一定的 定预燃时间为700个脉冲.每个试样至少激发4~5 数据处理模式对光谱分析的A2O3夹杂标样的脉冲 点，以避免钢中夹杂物分布不均匀带来的分析误差 强度进行计算，得到夹杂物的强度值，建立A203光 谱强度与A1203化学分析含量值关系曲线（图2）， 3.2光谱分析夹杂含量 曲线的回归系数达到0.9901. 3.2.1铝、氧临界值的确定 2.2夹杂强度与夹杂粒径的关系 夹杂物与基体元素临界值采用元素强度频数分 以含量工作曲线为基础，确定夹杂物的粒径分 布统计法确定，当火花放电激发到正常元素时，元 析模式，根据光谱分析夹杂物的原理，每个异常脉 素的谱线图呈正态分布，以铝为例，由于夹杂物 冲相当于一个夹杂物，该粒径模式直接给出每个激 Al2O3、A1N等的存在，激发到含有夹杂物元素时，铝 发点的粒径分布.图3为某一激发点的强度和夹杂 的谱线强度分布偏离正态分布规律.根据光谱分析
图1 铝、氧脉冲强度图 Fig．1 Pulse intensities of Al and O 的分析模式可直接给出每个激发点的粒径分布采 用极值统计法推测试样中最大夹杂粒径． 据文献［6］介绍PDA5500光谱仪分析夹杂物 的种类主要是 Al2O3其次有 SiO2、MnS、CaO．日本 川崎等钢铁企业目前使用光谱仪分析夹杂含量、粒 径分布主要针对铝脱氧钢 Al2O3 类夹杂因为钢中 Al2O3 类夹杂严重影响薄板（汽车板）表面质量．因 此开发光谱分析夹杂主要是研究钢中 Al2O3 类夹杂 的含量和粒径分布． 2 实验结果 实验建立了 Al2O3 光谱强度与 Al2O3 化学分析 含量的关系及夹杂物强度与夹杂粒径的关系并据 此采用极值统计法推断出试样中夹杂物最大粒径． 2∙1 Al2O3 光谱强度与 Al2O3 化学分析含量的关 系 研究光谱分析试样的全铝脉冲强度和氧脉冲强 度确定出夹杂物脉冲的铝、氧临界值采用一定的 数据处理模式对光谱分析的 Al2O3 夹杂标样的脉冲 强度进行计算得到夹杂物的强度值建立 Al2O3 光 谱强度与 Al2O3 化学分析含量值关系曲线（图2） 曲线的回归系数达到0∙9901． 2∙2 夹杂强度与夹杂粒径的关系 以含量工作曲线为基础确定夹杂物的粒径分 析模式．根据光谱分析夹杂物的原理每个异常脉 冲相当于一个夹杂物该粒径模式直接给出每个激 发点的粒径分布．图3为某一激发点的强度和夹杂 粒径关系图． 图2 Al2O3 强度与含量的关系 Fig．2 Curve of pulse intensity with Al2O3content 图3 夹杂强度与夹杂粒径的关系 Fig．3 Curve of inclusion pulse intensity with size 3 分析及讨论 3∙1 光谱分析夹杂物的分析条件 使用光谱仪进行分析时设备因素、分析条件和 环境干扰等对分析结果影响较大因此应正确选择 分析条件以减少各种因素带来的误差． 分析夹杂时将背景和干扰设为零在对夹杂物 强度数据处理时考虑其影响．古本亘等［7］认为利用 光谱分析夹杂物含量和粒径分布激发一点的放电 次数应选2000次．为消除制样和外来因素带来的 干扰对光谱分析试样需要设定预燃时间．实验确 定预燃时间为700个脉冲．每个试样至少激发4～5 点以避免钢中夹杂物分布不均匀带来的分析误差． 3∙2 光谱分析夹杂含量 3∙2∙1 铝、氧临界值的确定 夹杂物与基体元素临界值采用元素强度频数分 布统计法确定．当火花放电激发到正常元素时元 素的谱线图呈正态分布．以铝为例由于夹杂物 Al2O3、AlN 等的存在激发到含有夹杂物元素时铝 的谱线强度分布偏离正态分布规律．根据光谱分析 第9期 唐复平等： 洁净钢中夹杂物快速检测技术 ·891·
.892 北京科技大学学报 第29卷 夹杂物的原理，Al/Fe、O/Fe谱线均为异常脉冲，即 450 Al/Fe、O/Fe脉冲强度均超过各自临界值时，确认是 一个夹杂物，据此可以判定在铝、氧的脉冲强度频 300 数分布图中，偏离正态分布的较高强度的脉冲由夹 杂物放电引起.通过用统计Al/Fe、O/Fe同时偏离 150 正态分布点来确定基体和夹杂物的临界值，同时确 定A2O3夹杂物的个数，然后将一次放电所得的夹 4 10131619222528 杂物脉冲强度分成基体（固溶体）部分和夹杂物（非 强度比 固溶)部分，积分统计夹杂物部分A1的脉冲强度，进 行数据处理. 图4Al/Fe和OWFe脉冲强度的频数分布 通过大量数据研究发现，Al/Fe脉冲强度频数 Fig.4 Frequency distribution of Al/Fe and O/Fe pulse intensity 分布中，最高峰值十分重要，可以确定Im为夹杂铝 3.2.2光谱分析与化学分析的Al203含量比较 与基体铝的临界值（图4）· 通过光谱分析夹杂物强度与含量的关系曲线， 钢中的氧主要以氧化物的形式存在，可以推定 对试样进行夹杂分析，每个试样分析四，点，计算出试 O/Fe强度是由夹杂氧和测定系统背景氧组成，通 样中A1203夹杂物加权平均强度，换算成光谱分析 过研究可以将O/Fe脉冲强度的平均值作为夹杂氧 的Al203含量.试样中的A1203含量光谱分析结果 与背景氧的临界值I。(图4)， 与化学分析结果比较见表1所示， 表1光谱分析与化学分析的A1O:质量分数比较 Table 1 Al2Os contents measured by spectrum and chemical methods 10-6 试样号化学分析光谱分析 差值 试样号化学分析光谱分析 差值 试样号化学分析光谱分析 差值 25 -1 5 2 26 -5 9 43 2 28 31 -3 6 24 30 10 45 40 5 3 30 28 7 24 23 11 22 23 -1 25 22 3 44 47 12 21 23 -2 从表1数据可见，分析的试样中，两种分析方法 表2一次放电所蒸发的氧化物数量的期望值 误差平均值为3×10-6，最大误差为5×10-6.分析 Table 2 Desirable values of oxides resulted from one discharge 结果表明，光谱分析得到的Al203含量与化学分析 粒径/m 0~112 2-3 3-44-5 结果比较吻合，使用快速、便捷的光谱分析替代耗 氧化物 7.11.5×10-12.3×10-27.8×10-33.3×10-4 时、费力的化学分析，为开发钢中Al203夹杂物在线 个数/g 检测创造了条件 3.3夹杂物粒径分析 根据上述分析，可以得出光谱分析脉冲强度中 3.3.1夹杂数量与发光强度的关系 每一个Al、0对应的异常脉冲相当于一个大于1m 川崎制铁所山本公等[8]认为一次异常发光相 Al203夹杂， 当一个氧化物，据此可以用下面方法评估一次放电 表3为某钢种铸坯试样采用光谱法分析的 能够蒸发氧化物的个数[)：对使用激光衍射法测定 A203夹杂粒径分布.分析结果可见，A203夹杂粒 粒径分布的样品进行2000次放电，根据放电前后 径主要分布在35m之间. 的质量差计算一次放电的蒸发量.利用一次放电的 3.3.2极值法推测最大粒径 蒸发量与粒径分布(g)的关系，可以计算出一次放 火花放电光谱分析中一个脉冲的放电斑痕约数 电所蒸发的氧化物数量的期望值，用这种方法进行 十个m、深度大约10m左右，用本方法直接测定 实验得到结果见表2.在一次放电中可能有数个 的氧化物粒径在10m左右[8].然而实际样品中存 1m以下的氧化物被蒸发，但在一次放电中有数个 在的最大粒径可能大于10m,因此采用极值统计 1m以上的氧化物被蒸发的可能性极小，即认为一 法推测试样中最大夹杂粒径10. 次异常发光相当于一个氧化物
夹杂物的原理Al／Fe、O／Fe 谱线均为异常脉冲即 Al／Fe、O／Fe 脉冲强度均超过各自临界值时确认是 一个夹杂物．据此可以判定在铝、氧的脉冲强度频 数分布图中偏离正态分布的较高强度的脉冲由夹 杂物放电引起．通过用统计 Al／Fe、O／Fe 同时偏离 正态分布点来确定基体和夹杂物的临界值同时确 定 Al2O3 夹杂物的个数．然后将一次放电所得的夹 杂物脉冲强度分成基体（固溶体）部分和夹杂物（非 固溶）部分积分统计夹杂物部分 Al 的脉冲强度进 行数据处理． 通过大量数据研究发现Al／Fe 脉冲强度频数 分布中最高峰值十分重要可以确定 Im 为夹杂铝 与基体铝的临界值（图4）． 钢中的氧主要以氧化物的形式存在可以推定 O／Fe 强度是由夹杂氧和测定系统背景氧组成．通 过研究可以将 O／Fe 脉冲强度的平均值作为夹杂氧 与背景氧的临界值 Io（图4）． 图4 Al／Fe 和 O／Fe 脉冲强度的频数分布 Fig．4 Frequency distribution of Al／Fe and O／Fe pulse intensity 3∙2∙2 光谱分析与化学分析的 Al2O3 含量比较 通过光谱分析夹杂物强度与含量的关系曲线 对试样进行夹杂分析每个试样分析四点计算出试 样中 Al2O3 夹杂物加权平均强度换算成光谱分析 的 Al2O3 含量．试样中的 Al2O3 含量光谱分析结果 与化学分析结果比较见表1所示． 表1 光谱分析与化学分析的 Al2O3 质量分数比较 Table1 Al2O3contents measured by spectrum and chemical methods 10－6 试样号 化学分析 光谱分析 差值 1 24 25 －1 2 28 31 －3 3 30 28 2 4 25 22 3 试样号 化学分析 光谱分析 差值 5 21 26 －5 6 24 30 －6 7 24 23 1 8 44 47 －3 试样号 化学分析 光谱分析 差值 9 43 42 1 10 45 40 5 11 22 23 －1 12 21 23 －2 从表1数据可见分析的试样中两种分析方法 误差平均值为3×10－6最大误差为5×10－6．分析 结果表明光谱分析得到的 Al2O3 含量与化学分析 结果比较吻合使用快速、便捷的光谱分析替代耗 时、费力的化学分析为开发钢中 Al2O3 夹杂物在线 检测创造了条件． 3∙3 夹杂物粒径分析 3∙3∙1 夹杂数量与发光强度的关系 川崎制铁所山本公等［8］ 认为一次异常发光相 当一个氧化物．据此可以用下面方法评估一次放电 能够蒸发氧化物的个数［9］：对使用激光衍射法测定 粒径分布的样品进行2000次放电根据放电前后 的质量差计算一次放电的蒸发量．利用一次放电的 蒸发量与粒径分布（g －1）的关系可以计算出一次放 电所蒸发的氧化物数量的期望值用这种方法进行 实验得到结果见表2．在一次放电中可能有数个 1μm以下的氧化物被蒸发但在一次放电中有数个 1μm以上的氧化物被蒸发的可能性极小即认为一 次异常发光相当于一个氧化物． 表2 一次放电所蒸发的氧化物数量的期望值 Table2 Desirable values of oxides resulted from one discharge 粒径／μm 0～1 1～2 2～3 3～4 4～5 氧化物 个数／g －1 7∙1 1∙5×10－12∙3×10－27∙8×10－33∙3×10－4 根据上述分析可以得出光谱分析脉冲强度中 每一个 Al、O 对应的异常脉冲相当于一个大于1μm Al2O3 夹杂． 表3为某钢种铸坯试样采用光谱法分析的 Al2O3 夹杂粒径分布．分析结果可见Al2O3 夹杂粒 径主要分布在3～5μm 之间． 3∙3∙2 极值法推测最大粒径 火花放电光谱分析中一个脉冲的放电斑痕约数 十个μm、深度大约10μm 左右用本方法直接测定 的氧化物粒径在10μm 左右［8］．然而实际样品中存 在的最大粒径可能大于10μm因此采用极值统计 法推测试样中最大夹杂粒径［10］． ·892· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 唐复平等：洁净钢中夹杂物快速检测技术 ,893 表3光谱分析夹杂粒径分布 Table 3 Inclusion distribution analyzed by spectrum 夹杂粒径/m 次数 0-1 12 2-3 34 4-5 5-6 67 7-8 8-9 9-10 10~11最大值 40 141 117 22 0 5.61 37 9> 191 102 13 5.67 42 101 165 108 20 7.62 3 27 83 119 76 10 0 1 10.31 5 47 86 123 0 0 5.64 6 2 22 37 0 0 9.08 7 5 51 78 142 140 0 0 0 7.53 8 2 40 109 190 118 0 0 5.6 9 30 83 120 93 13 0 5.85 10 38 8> 巴 16 7.73 图5是某实验用试样分析10点的极值统计图 分析比较，在分析的七个试样中最大粒径差值6m, 横坐标是每，点分析的最大粒径和推测的最大粒径， 分析认为重现性较好，如表4所示， 纵坐标是相关系数.该试样推测的最大粒径是 表4不同时期分析的最大粒径比较 20m Table 4 Maximal particle sizes in different periods m 10f 最大粒径 最大粒径 试样 差值 试样 ·差值 1 2 1 2 5 21 6 201# 22 17 205# 25 4 202# 21 17 4 206# 19 23 4 4 203# 28 22 6 17 2 极大值 207÷ 204#25 25 0 10 15 20 25 3.3.4光谱法与金相法分析夹杂最大粒径比较 夹杂粒径仙m 采用扫描电镜、定量金相和普通的金相等方法 图5某个试样分析10点的极值统计图 分析试样最大夹杂粒径，结果见表5所示，在分析 Fig.5 Statistical extremum data of 10 points in one sample 的试样中，有两个试样(5*、6#)光谱分析的最大粒 径比金相分析的粒径小2~3m·其余试样光谱分 极大值统计法计算出的试样最大粒径尽管是理 析的最大粒径比金相分析的粒径大，图6是某连铸 论上的推测，但这种推测是根据大量子样采点由概 坯试样应用化学残渣法分离出A1203夹杂物颗粒在 率分布进行推导的，实际生产和实验中，在不可能 扫描电镜下分析的夹杂粒径分布情况，图6(a)为 观测到最大值的情况下，由这种方法推导出的最大 A203和Si02颗粒，分析看出Al203颗粒较多且较 值具有重要的指导意义 小，(b)是大颗粒Al203夹杂，从残渣的扫描电镜分 3.3.3光谱分析最大夹杂粒径的重现性 析中极少观测到20m以上的Al203大颗粒夹杂 对同一试样不同时间分析的最大夹杂粒径进行 物.这与光谱分析结果的趋势是一致的 表5金相分析最大粒径与光谱分析最大粒径比较 Table 5 Maximal particle sizes analyzed by spectrum and metallographic methods m 序号 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 光谱分析 20 14 12 25 8 14 18 18 21 26 28 25 17 金相分析 9 8 10 17 16 11 6 8 11 扫描电镜 6 20 14 17 11
表3 光谱分析夹杂粒径分布 Table3 Inclusion distribution analyzed by spectrum g －1 次数 夹杂粒径／μm 0～1 1～2 2～3 3～4 4～5 5～6 6～7 7～8 8～9 9～10 10～11 最大值 1 5 40 84 141 117 22 0 0 0 0 0 5∙61 2 5 37 97 191 102 13 0 0 0 0 0 5∙67 3 6 42 101 165 108 20 1 1 0 0 0 7∙62 4 3 27 83 119 76 10 0 0 0 0 1 10∙31 5 4 47 86 123 89 14 0 0 0 0 0 5∙64 6 2 22 37 70 54 15 0 0 0 1 0 9∙08 7 5 51 78 142 140 12 0 1 0 0 0 7∙53 8 2 40 109 190 118 9 0 0 0 0 0 5∙6 9 3 30 83 120 93 13 0 0 0 0 0 5∙85 10 6 38 87 98 82 16 0 1 0 0 0 7∙73 图5是某实验用试样分析10点的极值统计图． 横坐标是每点分析的最大粒径和推测的最大粒径 纵坐标是相关系数．该试样推测的最大粒径是 20μm． 图5 某个试样分析10点的极值统计图 Fig．5 Statistical extremum data of10points in one sample 极大值统计法计算出的试样最大粒径尽管是理 论上的推测但这种推测是根据大量子样采点由概 率分布进行推导的．实际生产和实验中在不可能 观测到最大值的情况下由这种方法推导出的最大 值具有重要的指导意义． 3∙3∙3 光谱分析最大夹杂粒径的重现性 对同一试样不同时间分析的最大夹杂粒径进行 分析比较在分析的七个试样中最大粒径差值6μm 分析认为重现性较好如表4所示． 表4 不同时期分析的最大粒径比较 Table4 Maximal particle sizes in different periods μm 试样 最大粒径 1 2 差值 201＃ 22 17 5 202＃ 21 17 4 203＃ 28 22 6 204＃ 25 25 0 试样 最大粒径 1 2 差值 205＃ 25 21 4 206＃ 19 23 4 207＃ 21 17 4 3∙3∙4 光谱法与金相法分析夹杂最大粒径比较 采用扫描电镜、定量金相和普通的金相等方法 分析试样最大夹杂粒径结果见表5所示．在分析 的试样中有两个试样（5＃、6＃）光谱分析的最大粒 径比金相分析的粒径小2～3μm．其余试样光谱分 析的最大粒径比金相分析的粒径大．图6是某连铸 坯试样应用化学残渣法分离出 Al2O3 夹杂物颗粒在 扫描电镜下分析的夹杂粒径分布情况图6（a）为 Al2O3 和 SiO2 颗粒分析看出 Al2O3 颗粒较多且较 小（b）是大颗粒 Al2O3 夹杂．从残渣的扫描电镜分 析中极少观测到20μm 以上的 Al2O3 大颗粒夹杂 物．这与光谱分析结果的趋势是一致的． 表5 金相分析最大粒径与光谱分析最大粒径比较 Table5 Maximal particle sizes analyzed by spectrum and metallographic methods μm 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 光谱分析 20 14 12 25 8 14 18 18 21 26 28 25 17 金相分析 7 9 8 － 10 17 16 － 11 6 8 － 11 扫描电镜 － 6 － 20 － 14 － 17 － － 11 － － 第9期 唐复平等： 洁净钢中夹杂物快速检测技术 ·893·
.894 北京科技大学学报 第29卷 400y.10nn (a)Al,O,和SiO,颗粒 (b)大颗粒A1,O,夹杂 图6连铸坯中氧化物夹杂 Fig.6 Oxide inclusions of a slab 光谱分析的夹杂粒径大于金相分析结果，分析 谱分析结果看，Al203夹杂物最大粒径没有超过 认为：金相试样仅分析一个表面，面积较小；光谱分 30m,这与金相分析结果是一致的 析的试样面积大，光谱分析更具有代表性.因此，光 35 谱分析夹杂粒径结果是合理的 是 03 4光谱分析夹杂物技术在生产中的应 w 用 RH ■一中包 研究光谱仪分析夹杂物技术的目的在于结合相 市172引25 应的产品质量，确定炼钢过程各工艺环节对夹杂物 分析炉次 影响因素，制定夹杂物的控制标准，采用光谱分析 夹杂物技术以某钢种的26罐钢的精炼过程(RH)和 图8RH到中包A山O3夹杂最大粒径变化图 中包钢水中夹杂物变化为例进行光谱法分析，每个 Fig-8 Maximal sizes of Al2O from RH to tundish 试样分析10点，其结果如下. RHAl203夹杂质量分数范围为44X10-6~ 5结论 90X10-6,平均值66×10-6，中包A203夹杂物平 鞍钢通过研究PDA5500光谱仪的铝、氧脉冲强 均质量分数范围（平均值指中包浇注5,15和25m 度的解析，开发了钢中氧化物夹杂含量、粒径分布、 时光谱分析平均值)为26×10-6~72×106，平均 最大粒径推测的快速分析方法，该方法可在5min 值47×10-6；统计分析结果：RH到中包钢中Al203 内迅速检测出钢中夹杂物的含量和粒径分布，为精 夹杂含量降低18×10-6，如图7所示. 炼过程夹杂物控制提供了必要的检测手段， 60 参考文献 [1]SchadeJ.钢清洁度的测量.世界钢铁，1999(3)：21 [2]日本钢铁协会共同研究会分析部.日本钢铁行业分析技术.日 本钢铁协会，1982 [3]Hansen T.The development of rapid assessment methods for in- RH 。一中包 clusion in clean steel.Eur Commission.1989(2):36 g市立方 [4]Abbel J.Improvement of the in plant measurement system of oxi- dic inclusions for the production of the clean steel.Eur Commis- 分析炉次 sion,1989(2).54 图7AOs夹杂含量从RH到中包变化规律 [⑤]李静媛，钢中夹杂物的鉴定方法及其进展.理化检验物理分 册，1993(5)：22 Fig-7 Al2Os Content from RH to tundish [6]吉冈启一，志村真，山本公·光谱法分析钢中氧化物组成和粒 RH和中包Al203最大粒径变化如图8所示， 度.川崎制铁技报，1999(31)：97 A1203最大粒径变化没有明显规律.但从26罐钢光 [7]谷本亘，山本公，万田浩史.Development of analysis method for oxygen in stee by optical emission spectroscopy川崎制铁技报
图6 连铸坯中氧化物夹杂 Fig．6 Oxide inclusions of a slab 光谱分析的夹杂粒径大于金相分析结果分析 认为：金相试样仅分析一个表面面积较小；光谱分 析的试样面积大光谱分析更具有代表性．因此光 谱分析夹杂粒径结果是合理的． 4 光谱分析夹杂物技术在生产中的应 用 研究光谱仪分析夹杂物技术的目的在于结合相 应的产品质量确定炼钢过程各工艺环节对夹杂物 影响因素制定夹杂物的控制标准．采用光谱分析 夹杂物技术以某钢种的26罐钢的精炼过程（RH）和 中包钢水中夹杂物变化为例进行光谱法分析．每个 试样分析10点其结果如下． RH Al2O3 夹杂质量分数范围为44×10－6～ 90×10－6平均值66×10－6中包 Al2O3 夹杂物平 均质量分数范围（平均值指中包浇注515和25m 时光谱分析平均值）为26×10－6～72×10－6平均 值47×10－6 ；统计分析结果：RH 到中包钢中 Al2O3 夹杂含量降低18×10－6如图7所示． 图7 Al2O3 夹杂含量从 RH 到中包变化规律 Fig．7 Al2O3Content from RH to tundish RH 和中包 Al2O3 最大粒径变化如图8所示 Al2O3 最大粒径变化没有明显规律．但从26罐钢光 谱分析结果看Al2O3 夹杂物最大粒径没有超过 30μm这与金相分析结果是一致的． 图8 RH 到中包 Al2O3 夹杂最大粒径变化图 Fig．8 Maximal sizes of Al2O3from RH to tundish 5 结论 鞍钢通过研究 PDA5500光谱仪的铝、氧脉冲强 度的解析开发了钢中氧化物夹杂含量、粒径分布、 最大粒径推测的快速分析方法．该方法可在5min 内迅速检测出钢中夹杂物的含量和粒径分布为精 炼过程夹杂物控制提供了必要的检测手段． 参 考 文 献 ［1］ Schade J．钢清洁度的测量．世界钢铁1999（3）：21 ［2］ 日本钢铁协会共同研究会分析部．日本钢铁行业分析技术．日 本钢铁协会1982 ［3］ Hansen T．The development of rapid assessment methods for inclusion in clean steel．Eur Commission1989（2）：36 ［4］ Abbel J．Improvement of the in-plant measurement system of oxidic inclusions for the production of the clean steel．Eur Commission1989（2）：54 ［5］ 李静媛．钢中夹杂物的鉴定方法及其进展．理化检验－物理分 册1993（5）：22 ［6］ 吉冈启一志村真山本公．光谱法分析钢中氧化物组成和粒 度．川崎制铁技报1999（31）：97 ［7］ 谷本亘山本公万田浩史．Development of analysis method for oxygen in steel by optical emission spectroscopy．川崎制铁技报 ·894· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷