20CrMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 20CMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 王伟健罗艳张立峰任英 Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel WANG Wei-jian.LUO Yan.ZHANG Li-feng.REN Ying 引用本文： 王伟健，罗艳，张立峰，任英.20CrMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变工程科学学报，2021,43(8：1090-1099.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.12.17.003 WANG Wei-jian,LUO Yan,ZHANG Li-feng,REN Ying.Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(8):1090-1099.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.12.17.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 预热对激光熔化沉积成形12CNi2合金钢组织与性能的影响 Effect of preheating on the microstructure and properties of laser melting deposited 12CrNi2 alloy steel 工程科学学报.2018,40(11)：1342 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.008 A-Ca复合合金钢水脱氧机理的研究 Study on steel deoxidation with Al-Ca compound alloy 工程科学学报.2017,395：702htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.008 稀土-镁复合处理对GC15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.008 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020,42(2：194 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.22.004 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AIN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,39(7)：1008 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.07.005

20CrMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 王伟健 罗艳 张立峰 任英 Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel WANG Wei-jian, LUO Yan, ZHANG Li-feng, REN Ying 引用本文: 王伟健, 罗艳, 张立峰, 任英. 20CrMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变[J]. 工程科学学报, 2021, 43(8): 1090-1099. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003 WANG Wei-jian, LUO Yan, ZHANG Li-feng, REN Ying. Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(8): 1090-1099. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 预热对激光熔化沉积成形12CrNi2合金钢组织与性能的影响 Effect of preheating on the microstructure and properties of laser melting deposited 12CrNi2 alloy steel 工程科学学报. 2018, 40(11): 1342 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.008 Al-Ca复合合金钢水脱氧机理的研究 Study on steel deoxidation with Al-Ca compound alloy 工程科学学报. 2017, 39(5): 702 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.008 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005

工程科学学报.第43卷.第8期：1090-1099.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1090-1099,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003;http://cje.ustb.edu.cn 20CMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 王伟健，罗艳，张立峰2)四，任英) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，机械工程学院，秦皇岛 066004 ☒通信作者，E-mail:zhanglifeng@ysu.edu.cn 摘要为了进一步研究20CMo合金钢在生产过程中夹杂物的演变机理，实现对钢中非金属夹杂物的合理控制，保证生产顺行， 提高产品力学性能，针对“BOF→LF→RH→钙处理→连铸→热轧”工序生产20CMo合金钢全流程中非金属夹杂物的演变规律进 行了研究.在LF精炼及RH精炼加钙前钢中非金属夹杂物含有70%以上的A1O,.钙处理后，由于过量的钙加入到钢液中，夹杂 物中CS质量分数迅速增加至59%，Al203质量分数降低至21%.在连铸过程中由于二次氧化的发生，夹杂物转变为Ca0-Al203, 其中含有50%的AO3、39%的Ca0和10%的CaS.并且夹杂物平均尺寸增加.在钢的冷却和凝固过程中，CaO质量分数降低至 5%,CaS质量分数增加至57%.钢中夹杂物转变为Al0-CaO-CaS的复合夹杂物.同时含有少量大尺寸的CaO-AlO3夹杂物.在 钢的轧制过程中，夹杂物中CaO含量进一步降低，CaS含量增加，夹杂物平均尺寸增加，形成了CaO-Al2O,与CaS黏结型的复合夹 杂物与Al,O,一CaS复合夹杂物.对CaO-AlO,与CaS黏结型的复合夹杂物的形成原因进行了讨论. 关键词合金钢：钙处理：夹杂物：二次氧化：凝固 分类号TF769.2 Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel WANG Wei-jian,LUO Yan,ZHANG Li-feng2,REN Ying 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004, China Corresponding author,E-mail:zhanglifeng @ysu.edu.cn ABSTRACT 20CrMo alloy steel is commonly used to produce high-pressure pipes,gears,automobile parts,etc.,and there are stringent requirements for its yield strength,tensile strength,and impact energy.In the actual production process,the existence of nonmetallic inclusions has an important impact on the properties of 20CrMo steel;therefore,studying the evolution of inclusions in the process is necessary.To further examine the evolutionary mechanism of inclusions in the overall production process,the evolution of nonmetallic inclusions in a 20CrMo alloy steel produced via the route of"Basic oxygen furnace(BOF)Ladle furnace refining(LF) Vacuum cycle degassing process(RH)calcium treatment-Continuous casting(CC)hot rolling"was studied.This process ensured a smooth production process and improved the mechanical properties of the products.Al2O was the main inclusions in the steel during LF and RH refining,which was up to 70%.After calcium treatment,CaS in inclusions increased to 59%and Al2O;decreased to 21% due to the excessive mixing of calcium into the molten steel.Due to reoxidation during continuous casting,inclusions were transformed to CaO-Al2O3,with 50%Al2O3,39%CaO,and 10%CaS.And the average diameter of inclusions also increased,which was detrimental to the mechanical properties of the steel.After cooling and solidification of the steel,CaO decreased to 5%and Cas increased to 57%. Inclusions in the steel were transformed into Al2O;-CaO-CaS,and a small amount of large-sized CaO-Al2O;was also observed.During 收稿日期：2020-12-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1860206,51725402)

20CrMo 合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 王伟健1)，罗    艳1)，张立峰1,2) 苣，任    英1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，机械工程学院，秦皇岛 066004 苣通信作者，E-mail：zhanglifeng@ysu.edu.cn 摘    要    为了进一步研究 20CrMo 合金钢在生产过程中夹杂物的演变机理，实现对钢中非金属夹杂物的合理控制，保证生产顺行， 提高产品力学性能，针对“BOF→LF→RH→钙处理→连铸→热轧”工序生产 20CrMo 合金钢全流程中非金属夹杂物的演变规律进 行了研究. 在 LF 精炼及 RH 精炼加钙前钢中非金属夹杂物含有 70% 以上的 Al2O3 . 钙处理后，由于过量的钙加入到钢液中，夹杂 物中 CaS 质量分数迅速增加至 59%，Al2O3 质量分数降低至 21%. 在连铸过程中由于二次氧化的发生，夹杂物转变为 CaO−Al2O3， 其中含有 50% 的 Al2O3、39% 的 CaO 和 10% 的 CaS，并且夹杂物平均尺寸增加. 在钢的冷却和凝固过程中，CaO 质量分数降低至 5%，CaS 质量分数增加至 57%，钢中夹杂物转变为 Al2O3−CaO−CaS 的复合夹杂物，同时含有少量大尺寸的 CaO−Al2O3 夹杂物. 在 钢的轧制过程中，夹杂物中 CaO 含量进一步降低，CaS 含量增加，夹杂物平均尺寸增加，形成了 CaO−Al2O3 与 CaS 黏结型的复合夹 杂物与 Al2O3−CaS 复合夹杂物. 对 CaO-Al2O3 与 CaS 黏结型的复合夹杂物的形成原因进行了讨论. 关键词    合金钢；钙处理；夹杂物；二次氧化；凝固 分类号    TF769.2 Evolution of nonmetallic inclusions during production of 20CrMo alloy steel WANG Wei-jian1) ，LUO Yan1) ，ZHANG Li-feng1,2) 苣 ，REN Ying1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhanglifeng@ysu.edu.cn ABSTRACT    20CrMo  alloy  steel  is  commonly  used  to  produce  high-pressure  pipes,  gears,  automobile  parts,  etc.,  and  there  are stringent  requirements  for  its  yield  strength,  tensile  strength,  and  impact  energy.  In  the  actual  production  process,  the  existence  of nonmetallic inclusions has an important impact on the properties of 20CrMo steel; therefore, studying the evolution of inclusions in the process is necessary. To further examine the evolutionary mechanism of inclusions in the overall production process, the evolution of nonmetallic inclusions in a 20CrMo alloy steel produced via the route of “Basic oxygen furnace (BOF)→Ladle furnace refining (LF)→ Vacuum cycle degassing process (RH)→ calcium treatment→ Continuous casting (CC)→ hot rolling” was studied. This process ensured a smooth production process and improved the mechanical properties of the products. Al2O3 was the main inclusions in the steel during LF and RH refining, which was up to 70%. After calcium treatment, CaS in inclusions increased to 59% and Al2O3 decreased to 21% due to the excessive mixing of calcium into the molten steel. Due to reoxidation during continuous casting, inclusions were transformed to CaO–Al2O3 , with 50% Al2O3 , 39% CaO, and 10% CaS. And the average diameter of inclusions also increased, which was detrimental to the mechanical properties of the steel. After cooling and solidification of the steel, CaO decreased to 5% and CaS increased to 57%. Inclusions in the steel were transformed into Al2O3–CaO–CaS, and a small amount of large-sized CaO–Al2O3 was also observed. During 收稿日期: 2020−12−17 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1860206，51725402） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1090−1099，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1090−1099, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003; http://cje.ustb.edu.cn

王伟健等：20CMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 ·1091· the rolling process of steel,the CaO content in inclusions further decreased while the CaS content and the diameter of inclusions increased.Moreover,two types of inclusions were observed in the hot-rolled plate,one being Al2OCas compound inclusions,whose size was relatively small,and the other being CaO-Al2O;-CaS compound inclusions.Reasons for the formation of compound inclusions consisting of CaO-Al2O:and CaS were also discussed. KEY WORDS alloy steel;calcium treatment;inclusions;reoxidation;solidification 20CrMo合金钢一般用于生产高压管、齿轮、 及轧材中CaO-Al2O3与CaS黏结型夹杂物的形成 螺母等以及汽车零部件、垫片等，对其屈服强度、 机理进行了探讨，同时对冶炼过程中的精准钙处理 抗拉强度以及冲击功等性能有较高要求.作为 控制给出了建议，对整个生产过程中夹杂物的转变 钢中的第二相粒子，非金属夹杂物的存在破坏了 进行深入研究，为进一步有效控制钢中非金属夹杂 钢基体的连续性，容易产生应力集中，同时对产品 物、稳定生产运行、提高产品力学性能提供参考 的强度、韧性、抗疲劳性能及加工性能等也会 1工业试验及取样和分析方法 产生影响.20CMo合金钢生产过程中，非金属夹 杂物对其产品质量有重要影响，2-Wu等1学 目前该厂生产的20CMo钢的生产工艺路线 者采取钙处理技术改性钢中MnS夹杂物，以形成 为：铁水预处理→顶底复吹转炉→钢包炉精炼 有利于提高钢的性能的MnS与AlO3或CaS结合 (LF)→真空循环脱气精炼(RH)→钙处理→连铸→ 的纺锤形的低熔点复合夹杂物.丁晨等学者对 热轧，其化学成分如表1所示.在LF阶段调合金和 20CMo汽车轴承断口进行观察分析，发现钢中夹 脱硫处理.LF阶段分两次喂入铝线，分别为加热开 杂物过多是导致轴承断裂的直接原因之一.Li等1 始5min后以及加热结束阶段.RH阶段吹氩lmin 学者发现20CrMo钢中MnS形貌对钢中氢致裂纹 后加入铝块等合金，RH脱气时间为20min,脱气结 的产生存在影响.樊田等山学者通过实验室实验， 束后喂人400m钙线，软吹时间为5min.分别在 向20CMo钢中加镁，改变钢中夹杂物形貌及组 LF化渣后、RH进站、RH加钙后取钢水样：中间包 成，形成“外软内硬”的复合夹杂物，以提高20CrMo 浇注13取钢水样，以及连铸坯试样及对应连铸坯 齿轮钢的力学性能 的轧材试样.钢水样的分析位置为距离底部10mm 在怡炼过程中，20CMo钢使用铝作为脱氧 处；铸坯试样的分析位置为：板宽1/4位置、距离内 剂，并采用钙处理技术对夹杂物进行改性，以防止 弧1/4处：轧材分析位置为：坯头、板宽1/4处 水口结瘤5-刘钙处理过程存在一个合理的加钙 量范围，而合理的加钙量与钢液成分、温度等条件 表120CMo合金钢化学成分（质量分数） 有关，炉次不同加钙量也会不同.目前国内大多数 Table 1 Chemical composition of 20CrMo steel % 钢铁企业喂钙过程缺乏理论指导，仅根据实际生 Mn Cr Mo T.Al T.S T.Ca 产经验进行钙处理操作816四，同时，二次氧化现 0.20210.550.950.20.025 <0.003 0.0025 象会使钢液的洁净度降低，夹杂物尺寸变大，增加 铝损，降低钙的收得率.因此，为保证良好的钙处 使用电火花直读光谱仪对钢中T.Ca、T.Al、 理效果，还需要在连铸过程中采取良好的保护浇 及T.S含量进行检测，使用Leco ONH836对钢中 注措施，避免二次氧化现象625-2刃近年来，研究 总氧含量(T.O)及总氮含量T.N)进行检测.将钢 发现在轴承钢、管线钢以及304不锈钢等钢种的 铁试样进行研磨、抛光后，使用自动扫描电镜分析 冷却、凝固及热处理过程中，夹杂物成分、形貌等 钢中非金属夹杂物的形貌、数量及尺寸 也会发生变化28-0 2 生产过程中钢液成分变化及原因 钢中非金属夹杂物的存在对钢的力学性能以及 生产过程的顺行等都具有重要影响，因此有必要研 精炼及连铸过程钢液中氧含量、氨含量及硫 究从钢液到轧材整个生产过程中夹杂物的演变规 含量变化如图1(a)所示.RH进站时钢液硫质量分 律.本文以国内某厂生产的20CMo合金钢为研究 数为3.8×I0,由于RH精炼的微弱脱硫效果， 对象，研究整个生产过程的夹杂物演变以及钢中总 RH精炼结束之后硫质量分数降低至3×10，在 氧、氮等钢液成分变化，分析20CMo合金钢中夹 连铸过程中硫质量分数降至2.7×10.RH进站时 杂物的演变规律，对固体钢中夹杂物的转变方式以 钢液中T.O质量分数为2.3×10，RH真空结束后

the  rolling  process  of  steel,  the  CaO  content  in  inclusions  further  decreased  while  the  CaS  content  and  the  diameter  of  inclusions increased. Moreover, two types of inclusions were observed in the hot-rolled plate, one being Al2O3–CaS compound inclusions, whose size was relatively small, and the other being CaO–Al2O3–CaS compound inclusions. Reasons for the formation of compound inclusions consisting of CaO–Al2O3 and CaS were also discussed. KEY WORDS    alloy steel；calcium treatment；inclusions；reoxidation；solidification 20CrMo 合金钢一般用于生产高压管、齿轮、 螺母等以及汽车零部件、垫片等，对其屈服强度、 抗拉强度以及冲击功等性能有较高要求[1−4] . 作为 钢中的第二相粒子，非金属夹杂物的存在破坏了 钢基体的连续性，容易产生应力集中，同时对产品 的强度、韧性、抗疲劳性能及加工性能等[5−11] 也会 产生影响. 20CrMo 合金钢生产过程中，非金属夹 杂物对其产品质量有重要影响[1, 12−14] . Wu 等[15] 学 者采取钙处理技术改性钢中 MnS 夹杂物，以形成 有利于提高钢的性能的 MnS 与 Al2O3 或 CaS 结合 的纺锤形的低熔点复合夹杂物. 丁晨等[14] 学者对 20CrMo 汽车轴承断口进行观察分析，发现钢中夹 杂物过多是导致轴承断裂的直接原因之一. Li 等[13] 学者发现 20CrMo 钢中 MnS 形貌对钢中氢致裂纹 的产生存在影响. 樊田等[1] 学者通过实验室实验， 向 20CrMo 钢中加镁，改变钢中夹杂物形貌及组 成，形成“外软内硬”的复合夹杂物，以提高 20CrMo 齿轮钢的力学性能. 在冶炼过程中 ， 20CrMo 钢使用铝作为脱氧 剂，并采用钙处理技术对夹杂物进行改性，以防止 水口结瘤[15−24] . 钙处理过程存在一个合理的加钙 量范围，而合理的加钙量与钢液成分、温度等条件 有关，炉次不同加钙量也会不同. 目前国内大多数 钢铁企业喂钙过程缺乏理论指导，仅根据实际生 产经验进行钙处理操作[8, 16, 22] . 同时，二次氧化现 象会使钢液的洁净度降低，夹杂物尺寸变大，增加 铝损，降低钙的收得率. 因此，为保证良好的钙处 理效果，还需要在连铸过程中采取良好的保护浇 注措施，避免二次氧化现象[16, 25−27] . 近年来，研究 发现在轴承钢、管线钢以及 304 不锈钢等钢种的 冷却、凝固及热处理过程中，夹杂物成分、形貌等 也会发生变化[28−30] . 钢中非金属夹杂物的存在对钢的力学性能以及 生产过程的顺行等都具有重要影响，因此有必要研 究从钢液到轧材整个生产过程中夹杂物的演变规 律. 本文以国内某厂生产的 20CrMo 合金钢为研究 对象，研究整个生产过程的夹杂物演变以及钢中总 氧、氮等钢液成分变化，分析 20CrMo 合金钢中夹 杂物的演变规律，对固体钢中夹杂物的转变方式以 及轧材中 CaO−Al2O3 与 CaS 黏结型夹杂物的形成 机理进行了探讨，同时对冶炼过程中的精准钙处理 控制给出了建议，对整个生产过程中夹杂物的转变 进行深入研究，为进一步有效控制钢中非金属夹杂 物、稳定生产运行、提高产品力学性能提供参考. 1    工业试验及取样和分析方法 目前该厂生产的 20CrMo 钢的生产工艺路线 为 ：铁水预处理→顶底复吹转炉→钢包炉精炼 （LF）→真空循环脱气精炼（RH）→钙处理→连铸→ 热轧，其化学成分如表 1 所示. 在 LF 阶段调合金和 脱硫处理. LF 阶段分两次喂入铝线，分别为加热开 始 5 min 后以及加热结束阶段. RH 阶段吹氩 1 min 后加入铝块等合金，RH 脱气时间为 20 min，脱气结 束后喂入 400 m 钙线，软吹时间为 5 min. 分别在 LF 化渣后、RH 进站、RH 加钙后取钢水样；中间包 浇注 1/3 取钢水样，以及连铸坯试样及对应连铸坯 的轧材试样. 钢水样的分析位置为距离底部 10 mm 处；铸坯试样的分析位置为：板宽 1/4 位置、距离内 弧 1/4 处；轧材分析位置为：坯头、板宽 1/4 处. 表 1  20CrMo 合金钢化学成分（质量分数） Table 1   Chemical composition of 20CrMo steel % C Si Mn Cr Mo T.Al T.S T.Ca 0.2 0.21 0.55 0.95 0.2 0.025 <0.003 0.0025 使用电火花直读光谱仪对钢中 T.Ca、 T.Al、 及 T.S 含量进行检测，使用 Leco ONH836 对钢中 总氧含量（T.O）及总氮含量 (T.N) 进行检测. 将钢 铁试样进行研磨、抛光后，使用自动扫描电镜分析 钢中非金属夹杂物的形貌、数量及尺寸. 2    生产过程中钢液成分变化及原因 精炼及连铸过程钢液中氧含量、氮含量及硫 含量变化如图 1（a）所示. RH 进站时钢液硫质量分 数 为 3.8×10−5， 由 于 RH 精炼的微弱脱硫效果 ， RH 精炼结束之后硫质量分数降低至 3×10−5，在 连铸过程中硫质量分数降至 2.7×10−5 . RH 进站时 钢液中 T.O 质量分数为 2.3×10−5 ，RH 真空结束后 王伟健等： 20CrMo 合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 · 1091 ·

.1092 工程科学学报，第43卷，第8期 T.O质量分数为8×106，总氧降低效果明显，表明 105,TN质量分数增加至4.1×10，原因为喂钙过 RH精炼过程总氧去除效果明显.RH进站至RH 程中反应剧烈，钢液面部分裸露，一部分空气由于 真空结束时，由于RH的脱气作用，钢液中T.N质 向钢液中喂线而进入钢液中，加钙后至中间包过 量分数由4.8×105降低至3.5×10-5.与加钙前相 程中氧含量及氮含量均增加，表明一部分空气进 比，RH加钙后钢液中T.O质量分数增加至1.1× 入到钢液中，钢液存在二次氧化现象 (a) LF RH Tundish 1-Adding Al wire S'LJO 2-Adding CrFe Adding Al wire 3-Adding Al Adding SiFe Adding MnFe 4-Adding Ca wire 。TS o-TN T.0 20 40 60 80 100 120 Iime/min 400 (b) LF RH Tundish 1-Adding Al wire 300 -Adding CrFe Adding Al wire 200 Adding Al Adding SiFe 28 Adding MnFe -Adding Ca wire 10 ◆T.A1 0 -T.Ca 0 20 40 6080100120 Time/min 图1精炼及连铸过程相关元素含量变化.()总硫含量、总氧含量、总氨含量：(b)总钙含量、总铝含量 Fig.I Variation of composition in liquid steel:(a)T.S,T.O,and T.N contents;(b)T.Ca and T.Al contents 图1为钢液中T.A1及T.Ca含量变化.由于LF 尺寸及数密度变化.可以看到，加钙后夹杂物由于 精炼及RH精炼阶段铝线及铝块的加入，从LF精炼 钙元素的加入以及加钙过程中空气的带入夹杂物 至RH真空结束阶段T.A1含量呈增加趋势.由于喂 数量有所增加，但平均尺寸降低，表明大尺寸夹杂 钙及连铸过程的二次氧化现象，钢液中铝被逐渐氧 物所占比例有所降低，在H精炼过程中被去除 化，含量降低.RH进站中钙质量分数为3×106，加钙 由于连铸过程中发生二次氧化现象，夹杂物数量 后钙质量分数最高达2.4×10.在浇注过程由于二 及尺寸有所增加，连铸过程的保护浇注措施需要 次氧化，钙有所烧损，质量分数降低至1.8×105 加强. 3 将夹杂物成分投到Al2O3CaO-CaS三元相图 生产过程中非金属夹杂物的演变 中，Dmax为扫描到的夹杂物的最大尺寸，Dave为扫 图2为整个20CrMo生产过程中夹杂物平均 描到的夹杂物的平均尺寸，w代表质量分数.图3 60 --Average diameter -●-Number density 1-At start of LF 2-At start of RH 3-RH before adding Ca 4-RH after adding Ca 30 5-Tundish 2 6-Slab 7-Hot-rolled 15 intermediate sheet 8-Rolling plate 4.5678 Sampling point 图2生产过程中夹杂物平均尺寸及数密度变化 Fig.2 Changes in average diameter and number density of inclusions during the production process

T.O 质量分数为 8×10−6，总氧降低效果明显，表明 RH 精炼过程总氧去除效果明显. RH 进站至 RH 真空结束时，由于 RH 的脱气作用，钢液中 T.N 质 量分数由 4.8×10−5 降低至 3.5×10−5 . 与加钙前相 比 ，RH 加钙后钢液中 T.O 质量分数增加至 1.1× 10−5 ，T.N 质量分数增加至 4.1×10−5，原因为喂钙过 程中反应剧烈，钢液面部分裸露，一部分空气由于 向钢液中喂线而进入钢液中. 加钙后至中间包过 程中氧含量及氮含量均增加，表明一部分空气进 入到钢液中，钢液存在二次氧化现象. 0 20 40 60 80 100 120 Mass fraction of T.S, T.O and T.N/10−6 2 3 4 1—Adding Al wire 2—Adding CrFe Adding Al wire 3—Adding Al Adding SiFe Adding MnFe 4—Adding Ca wire RH Tundish Time/min LF 1 (a) 0 20 40 60 80 T.S T.N T.O 0 20 40 60 80 100 120 Mass fraction of T.Al and T.Ca/10−6 2 3 4 RH Tundish Time/min LF 1 1—Adding Al wire 2—Adding CrFe Adding Al wire 3—Adding Al Adding SiFe Adding MnFe 4—Adding Ca wire (b) 0 10 20 30 200 300 400 T.Al T.Ca 图 1    精炼及连铸过程相关元素含量变化. （a）总硫含量、总氧含量、总氮含量；（b）总钙含量、总铝含量 Fig.1    Variation of composition in liquid steel: (a) T.S, T.O, and T.N contents; (b) T.Ca and T.Al contents 图 1 为钢液中 T.Al 及 T.Ca 含量变化. 由于 LF 精炼及 RH 精炼阶段铝线及铝块的加入，从 LF 精炼 至 RH 真空结束阶段 T.Al 含量呈增加趋势. 由于喂 钙及连铸过程的二次氧化现象，钢液中铝被逐渐氧 化，含量降低. RH 进站中钙质量分数为 3×10−6，加钙 后钙质量分数最高达 2.4×10−5 . 在浇注过程由于二 次氧化，钙有所烧损，质量分数降低至 1.8×10−5 . 3    生产过程中非金属夹杂物的演变 图 2 为整个 20CrMo 生产过程中夹杂物平均 尺寸及数密度变化. 可以看到，加钙后夹杂物由于 钙元素的加入以及加钙过程中空气的带入夹杂物 数量有所增加，但平均尺寸降低，表明大尺寸夹杂 物所占比例有所降低，在 RH 精炼过程中被去除. 由于连铸过程中发生二次氧化现象，夹杂物数量 及尺寸有所增加，连铸过程的保护浇注措施需要 加强. 将夹杂物成分投到 Al2O3−CaO−CaS 三元相图 中，Dmax 为扫描到的夹杂物的最大尺寸，Dave 为扫 描到的夹杂物的平均尺寸，w 代表质量分数. 图 3 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 Average diameter 1—At start of LF 2—At start of RH 3—RH before adding Ca 4—RH after adding Ca 5—Tundish 6—Slab 7—Hot-rolled intermediate sheet 8—Rolling plate Average diameter/μm Sampling point 0 15 30 45 60 Number density Number density/mm−2 图 2    生产过程中夹杂物平均尺寸及数密度变化 Fig.2    Changes in average diameter and number density of inclusions during the production process · 1092 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期

王伟健等：20CMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 ·1093· 为精炼及连铸过程夹杂物成分分布，图中实线为 加钙后由于钢中硫含量较高而氧含量相对较低， 100%液相区.20CrMo合金钢转炉出钢及精炼过 钢中生成了大量的CaS,连铸过程中由于氧含量增 程中使用铝脱氧，因此RH精炼加钙前夹杂物主要 加，CaS一部分转化为CaO,与生成的Al203形成 为Al203,精炼过程中Al203质量分数可达82% 钙铝酸盐 (a) (b) Average composition 0100 Scanning area:30.30 mm2 Average composition 0 100 Scanning area:59.769 mm2 -1873 K liqudus Number density:28 mm 1873 K liquidus Number density:24 mm Dm=34.71m Area fraction:4.366x105 D=22.86 um Area fraction:6.916x10-5 De=2.62m 25 75 Dwve=2.58 um 25 15 w(CaOy 0 C w(CaOy% #(C 50 50 50 o\o 89% 15 100 10 0 25 50 75 100 0 25 50 75 100 W(ALO. W(ALO9 (c) (d) Average composition 0 100 Scanning area:38.846 mm ★ Average composition 0100 Scanning area:41.506 mm -1873 K liquidus Number density:39 mm-2 1873 K liquidus Number density:50 mm-2 Dm=20.12Hm Area fraction:5.191x10-5 Area fraction:2.0199x10- D.x-30.70m D.=1.85μm 3 Dave=2.89 um 35 75 Cao)/% 然 C 50 99a8 50 (CaS)/% 50 50 、。O。 25 0 90 898 10 0 100 50 75 25 50 W(ALO. W(ALO/% 图3精炼及连铸过程夹杂物成分分布.(a)LF进站：(b)RH进站：(c)RH加钙后叫：(d)中间包浇注1/3) Fig.3 Composition distribution of inclusions at refining and continuous casting process:(a)start of LF;(b)start of RH;(c)RH after Ca addition, (d)tundish 图4为连铸坯及轧材中夹杂物成分分布，夹杂 MgO含量降低 物成分变化不大.从图中可以看出经过凝固和冷 由于RH精炼过程中合金的加入引入了一部 却.固体钢中夹杂物主要为两部分，一部分是 分钙，溶解进入钢液中的钙与Mg0及Al2O3夹杂 Al2O,CaS的复合夹杂物，尺寸相对较小，另一部 物反应，如公式(2)及公式(3)所示.与RH进站相 分是尺寸相对较大的AlO,CaO,含有少量的CaS. 比，RH精炼加钙前的试样中夹杂物中A12O,质量 图5为20CrM0合金钢生产过程钢中非金属 分数从82%降低至75%，Ca0质量分数从5%升高 夹杂物的成分变化图，整个生产过程中Mg0含量 至14%.由于钢液中硫含量较高，而氧含量相对较 较低，质量分数小于10%，钙处理结束后小于3%. 低，因此当过量的钙加入到钢液中后会生成大量 在LF精炼过程及RH精炼加钙前阶段，钢液中夹 CaS,CaS质量分数增加至59%，Al2O3质量分数降 杂物主要为Al2O3,Al203质量分数高于70%.由 低至21% 于LF后期补加了一定量的铝线，因此RH进站时 图6为钙处理后及中间包中夹杂物尺寸与数 夹杂物中A103含量增高.同时，夹杂物中的少量 量分布，从图中可以看出，与加钙后相比，中间包 MgO通过公式(1)被还原进入钢液中，夹杂物中 中夹杂物数量增加，大尺寸夹杂物所占比例增加

为精炼及连铸过程夹杂物成分分布，图中实线为 100% 液相区. 20CrMo 合金钢转炉出钢及精炼过 程中使用铝脱氧，因此 RH 精炼加钙前夹杂物主要 为 Al2O3，精炼过程中 Al2O3 质量分数可达 82%. 加钙后由于钢中硫含量较高而氧含量相对较低， 钢中生成了大量的 CaS，连铸过程中由于氧含量增 加 ，CaS 一部分转化为 CaO，与生成的 Al2O3 形成 钙铝酸盐. 0 25 50 75 100 0 25 50 75 0 100 25 50 75 100 Scanning area: 30.30 mm2 Number density: 28 mm−2 Area fraction: 4.366×10−5 w(CaO)/% w(CaS)/% w(Al2O3 )/% Average composition 1873 K liqudus Dmax=34.71 μm Dave=2.62 μm (a) 0 25 50 75 100 0 25 50 75 0 100 25 50 75 100 w(CaO)/% w(CaS)/% w(Al2O3 )/% Scanning area: 59.769 mm2 Number density: 24 mm−2 Area fraction: 6.916×10−5 Dmax=22.86 μm Dave=2.58 μm Average composition 1873 K liquidus (b) 0 25 50 75 100 0 25 50 75 0 100 25 50 75 100 w(CaO)/% w(CaS)/% w(Al2O3 )/% Scanning area: 38.846 mm2 Number density: 39 mm−2 Area fraction: 5.191×10−5 Dmax=20.12 μm Dave=1.85 μm Average composition 1873 K liquidus (c) 0 25 50 75 100 0 25 50 75 0 100 25 50 75 100 w(CaO)/% w(CaS)/% w(Al2O3 )/% Scanning area: 41.506 mm2 Number density: 50 mm−2 Area fraction: 2.0199×10−4 Dmax=30.70 μm Dave=2.89 μm Average composition 1873 K liquidus (d) 图 3    精炼及连铸过程夹杂物成分分布. （a）LF 进站；（b）RH 进站；（c）RH 加钙后[31] ；（d）中间包浇注 1/3[31] Fig.3    Composition distribution of inclusions at refining and continuous casting process: (a) start of LF; (b) start of RH; (c) RH after Ca addition[31] ; (d) tundish[31] 图 4 为连铸坯及轧材中夹杂物成分分布，夹杂 物成分变化不大. 从图中可以看出经过凝固和冷 却. 固体钢中夹杂物主要为两部分 ，一部分是 Al2O3−CaS 的复合夹杂物，尺寸相对较小，另一部 分是尺寸相对较大的 Al2O3−CaO，含有少量的 CaS. 图 5 为 20CrMo 合金钢生产过程钢中非金属 夹杂物的成分变化图，整个生产过程中 MgO 含量 较低，质量分数小于 10%，钙处理结束后小于 3%. 在 LF 精炼过程及 RH 精炼加钙前阶段，钢液中夹 杂物主要为 Al2O3，Al2O3 质量分数高于 70%. 由 于 LF 后期补加了一定量的铝线，因此 RH 进站时 夹杂物中 Al2O3 含量增高. 同时，夹杂物中的少量 MgO 通过公式（1）被还原进入钢液中，夹杂物中 MgO 含量降低. 由于 RH 精炼过程中合金的加入引入了一部 分钙，溶解进入钢液中的钙与 MgO 及 Al2O3 夹杂 物反应，如公式（2）及公式（3）所示. 与 RH 进站相 比，RH 精炼加钙前的试样中夹杂物中 Al2O3 质量 分数从 82% 降低至 75%，CaO 质量分数从 5% 升高 至 14%. 由于钢液中硫含量较高，而氧含量相对较 低，因此当过量的钙加入到钢液中后会生成大量 CaS，CaS 质量分数增加至 59%，Al2O3 质量分数降 低至 21%. 图 6 为钙处理后及中间包中夹杂物尺寸与数 量分布，从图中可以看出，与加钙后相比，中间包 中夹杂物数量增加，大尺寸夹杂物所占比例增加. 王伟健等： 20CrMo 合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变 · 1093 ·