钢的熔炼与质量检验

1 钢的熔炼与质量检验

1.1 实验目的

钢的质量与冶炼过程有着密切的关系，用感应电炉可以获得含气体和夹杂物较少的钢或合金，钢中非金属夹杂物的种类、颗粒大小、数量及分布特征和钢的低倍缺陷是评判钢质量好坏的重要指标。不同的钢种中存在的非金属夹杂物和低倍缺陷种类不同。本实验通过冶炼和浇注不同的钢种，使学生掌握感应电炉的冶炼工艺过程，了解打结坩埚的基本操作。同时，使学生掌握钢中非金属夹杂物金相检验方法和钢低倍检验的原理及检验步骤，进一步加深对钢中非金属夹杂物和低倍缺陷的认识，研究不同钢种中易出现的非金属夹杂物和低倍缺陷种类。1.2 实验原理

感应电炉炼钢是利用交流电磁感应的作用，使坩埚内的金属炉料（以及钢液）本身发出热量，以进行熔炼的一种炼钢方法。感应电炉的工作原理如图1.1所示。在一个用耐火材料筑成的坩埚外面，套着螺旋形的感应器（感应线圈）。坩埚内装有金属炉料，它有如插在线圈当中的铁芯。当往线圈上通以交流电时，由于交流电的电磁感应作用，在金属炉料内部产生感应电动势，并因此产生涡流。由于金属材料有电阻，因而当电流通过时就会发热，这种产生热量的方法称为感应加热。感应电炉炼钢所用的热量就是利用这种原理产生的。感应电炉炼钢有加热速度较快，炉子的热效率较高，以及氧化烧损较轻，吸收气体较少等优点。

图1.1 感应电炉的工作原理

①通入感应器电流的方向②在钢液（炉料）中产生感应电流的方向

1-感应器2-坩埚3-炉料

金相法检验钢中非金属夹杂物设备简单、操作方便，是钢铁生产中日常检验项目。金相显微镜是显微镜的一种，它是由物镜、目镜、照明系统、光栏、样品台、滤色片及镜架组成，用以观察不透明金属等样品。钢中夹杂物金相鉴定是借助金相显微镜，在明现场、暗视场和偏振光下，根据夹杂物的光学、力学及化学性质来鉴别夹杂物。

明视场是金相显微镜的主要观察方法，入射光线垂直或近似垂直地照射在试样表面，利用试祥表面反射光线进入物镜成像。暗视场是通过物镜的外周照明试样，并借助曲面反射镜以大的倾斜角照射到试样上。若试样是一个镜面，由试样上反射的光线仍以大的倾斜角反射，不可能进入物镜，故视场内是漆黑—片。只有在试样凹洼之处或透过透明夹杂而改变反射角，光线才有可能进入物镜而被观察到，因此在暗场下能观察到夹杂物的透明度以及本身固有的颜色（体色）和组织，体色是白光透过夹杂时，各色光被选择吸收的结果。不透明夹杂通常比基体更黑，有时在夹杂周围可看到亮边，如TiN，这是由于一部分光由金属基体与夹杂交界处反射出来的缘故。偏光是在明场的光路中加入起偏振镜和检偏振镜构成的。起偏镜是将入射的自然光变为偏振光。当偏振光投射到各向同性，经过抛光的金属试样表面时，它的反射光仍为偏振光，振动方向不变，因而不能通过与起偏镜正交的检偏镜，视场呈黑暗的消光现象。当偏振光照射到各向异性的夹杂物上，使反射光的振动方向发生改变，其中有一部分振动方向的光能够通过检偏镜进入目镜，因而在暗黑的基体中显示出来。旋转载物台360°，各向同性夹杂亮度不会发生变化，而各向异性夹杂则出现四次暗黑和发亮现象。有些夹杂各向异性效应较弱，如石英，转动载物台360°，仅交替出现两次暗黑及明亮现象，称为弱各向异性夹杂。各向异性效应是区别夹杂物的重要标志。

金相片是利用金属试样在抛光状态下，各种夹杂物在金相显微镜的明场、暗场及偏振光照明条件下的光学特性不同，各种夹杂物的外貌、分布、色彩等具有不同的特征，从而对非金属夹杂物进行识别并鉴定其类型和级别。各种夹杂物的金相鉴定特征参表1 内容。

钢的低倍检验是钢铁生产中评判钢质量的常规检验项目。低倍缺陷又称宏观缺陷，它是用肉眼或低倍（10 至15 倍）放大镜下检查钢材的纵、横断面或断口上的各种宏观缺陷，具体的检验方法有酸浸检验、断口检验、塔形车削发纹检验和硫印试验。本实验主要进行钢的酸蚀检验，酸蚀可以检验钢的疏松、偏析、白点、缩孔、裂纹、非金属夹杂、气泡、翻皮等宏观缺陷。

1.3 实验内容与方法

1 实验内容：

(1) 分别冶炼Q235、C45 和低合金钢等几个不同的钢种。

(2) 分别对各钢种进行金相和低倍检验，观察不同钢种中存在的夹杂物和低倍缺陷种类。

2 实验装置与步骤：

(1) 感应电炉熔炼实验

实验采用公称容量为20 公斤的中频感应电炉，钢锭模、保温帽、漏斗、浇注小车以及必用的辅助工具如：取样勺、样盒等。

使用废钢铁料，各种铁合金如：锰铁、硅铁、铬铁、钒铁等等。

使用各种造渣材料如：石灰、萤石、硅铁粉、碳粉等等，也使用发热剂。感应电炉熔炼实验步骤

A. 通电启动：打开发电机组、电容器，感应线圈的冷却水阀门然后通电启动。

B. 装料：准确称量所需要加入的废钢料（要注意块度大小搭配）分批装入炉内，装料要做到“下紧上松”。

C. 通电熔化：装料后接通激磁电流开始向炉内供电。在熔化期应随时调整电容量以保证最大功率向炉子供电。在调整电容时应牢记一点：只有切断激磁电流，停止向炉内供电时才能启动增减电容的手柄。

D. 摇料与加料：随着熔化的进行，坩埚下部炉料熔化后应及时轻摇上部冷料使之随着炉料的熔化而下降，同时补加部分炉料直到全部加完。加料过程要防止炉料“搭桥”。

E. 扒渣取样：炉料全部熔清，温度合适即可扒去全部氧化渣（可根据情况用硅铁或锰铁进行预脱氧）。用取样勺取中间试样送炉前分析室。

F. 还原：取样后立即加约300 克还原渣盖住整个钢液面。渣料的配比大致如下：石灰：萤石：硅铁粉：碳粉为2.5：1.0：0.5：0.5。加渣料后用石棉板盖住炉口。还原过程中可补加2-3 次还原渣料。还原期用最大功率的70%供电。

G. 成分调整：根据中间试样结果调整合金成分。补加铁合金时要注意加入时间和方式并适当升温。

H. 炉后工作：在冶炼期中炉后应清理好钢锭模、保温帽、漏斗并将其在高温下烘烤出钢时将钢锭模放在浇注小车上戴好保温帽，放上漏斗推至炉前准备接钢。

I. 出钢：成分调整完毕，测温合格后扒渣，用0.5kg/T 钢的铝块进行终脱氧。取成品样，断电出钢。

J. 护炉与脱模：出钢后检查炉况。进行扒补炉。炉后应及时取下漏斗并向保温帽内加入发热剂，待钢液完全凝固后进行脱模。

K. 停炉：向坩埚内放入石墨电极或废钢料通电几分钟烧红炉料（不能熔化）以使坩埚缓冷，然后停机关水，但感应圈的冷却水要在坩埚冷却后才能关断。（2）金相检验实验

金相法实验备有暗场及偏光装置的金相显微镜、显微硬度计、10%HNO3 酒精溶液等。金相显微镜如图1.2 所示。

图1.2 金相显微镜

实验操作步骤如下：

A. 试样的选取：试样的选取具有代表性，能说明钢中夹杂物的类型、形状、分布位置等；试样可以是圆形或方形，当量直径一般不大于20mm，不高于15mm。

B. 试样处理：试样观察面必须与加工方向一致，以便观察夹杂物的变形度；切取好的试样先进行淬火处理，以达到试样磨光性；对试样处理时要做到夹杂物不脱落、外形完整，无拖尾现象，为此应采用金刚砂研磨膏等切削能力强的抛光剂，同时抛光时间要短并不时转动试样。

（3）低倍缺陷检验实验

钢的低倍检验实验设备有酸蚀槽、加热装置、酸液温度检测及控制装置、电吹风等。

实验操作步骤如下：

酸蚀检验有热酸浸蚀法、冷酸浸蚀法和电解腐蚀法，若无特殊规定，一般以热酸浸蚀法为准。

A. 取样：取样方法和显微组织试样相同。取样部位应是缺陷最严重的部位。取样应避免热影响及塑性变形的影响，故试验面应离剪切面、锯割面或烧割面一定距离。剪切面与试验面间的距离不小于材料直径或厚度的1/2，但不得小于20mm，锯割面与试验面的距离不小于5mm，烧割面与试验面的距离一般不小于40mm，但必须保证将热影响部分完全切除。纵向试样的试验面必须通过钢材的纵轴。

B. 试样加工：取样后，将试样的试验面进一步车光、刨光或磨光，必要时也可以用砂纸细磨，试样面的光洁度一般不低于3.2。纵向试样的试验面最后一次加工方向应垂直于钢材加工方向。在酸浸前，试样表面须清洁而无划痕，并不应有油污存在，必要时可用汽油、酒精或苯洗净。

C. 酸浸：酸浸法腐蚀速度快，浸蚀程度深，常用于呈示各种低倍缺陷。所用酸浸温度规定为65 至80 oC。通常酸液成分为50%盐酸（工业用盐酸比重1.19）水溶液。所用试剂及浸蚀规范如表1.1。

酸浸法是将浸蚀剂装在铅槽、耐酸瓷槽或其他耐酸容器中，将试样预热到65 至80 后浸入酸蚀剂中，试验面不能与容器或其他试样接触，保证试验面与浸蚀剂接触良好。在浸蚀过程中温度须保持在表述范围内，浸蚀完后取出，用水冲洗。再用表中所列溶液或2%NaOH 或3—5%NaCO3 水溶液刷洗，最后用热水清洗并吹干。

酸浸操作中应特别注意安全，谨防酸液溅出伤人，此外还应注意试样的浸蚀面不受沾污，划伤或用手触摸，试样刷洗后如发现表面因刷洗不净而有水迹或其他缺点时可放入热酸中略行浸蚀后取出，再接上述进行处理。试样刷洗后，如发现浸蚀过浅则应继续浸蚀至符合要求的程度为止，如发现浸蚀过深，必须将试样表面重新加工去掉1mm 以上再按上述操作方法进行浸蚀。

D. 观察与评级：用肉眼或借助放大镜（15 倍以下）观察试样的试验面，对照国际规定的低倍组织缺陷评级图分辨试样面上是否有低倍缺陷。若有，则评判出缺

陷的种类和级别。

1.4 实验报告要求

(1) 用熔炼所得钢样制样，将制好的试样不经腐蚀在金相显微镜的明场、暗场、偏光下观察，必要时作显微硬度测定和化学腐蚀实验配合鉴定。先在明场100 至150 倍下观察夹杂物的分布特征，然后在明场400 至500 倍下观察夹杂物的反光性、组织、色彩。暗场下观察夹杂物透明程度（透明、半透明、不通明）和色彩。偏光下观察夹杂物的各向同性或异性以及透明度和颜色。对各种条件下观察到的现象作好详细记录。

(2) 综合观察结果，对照附表，确定夹杂物类型。

(3) 根据夹杂物类别、颗粒大小、数量及分布特征，根据国际规定的评级图谱，对夹杂物进行评级。

(4) 用肉眼或借助放大镜（15 倍以下）观察试样的试验面，对照国际规定的低倍组织缺陷评级图分辨试样面上是否有低倍缺陷。若有，做好记录，并判断出缺陷的种类和级别。

(5) 分析不同钢种中存在的非金属夹杂物和低倍缺陷种类。

1.5 思考题

(1) 简述感应熔炼实验过程以及熔炼工艺的特点。

(2) 明场、暗场及偏光下观察到夹杂的颜色有何区别和类同?

(3) 为什么金相检验对试样表面的光洁度要求严格？

(4) 试分析降低低倍和高倍缺陷和夹杂物的工艺方法。