專利名稱：一種用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煉鋼連鑄技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種表征鋼中非金屬夾雜物形貌的方法，對煉鋼連鑄過程中鋼液潔凈度控制以及各種不同類型非金屬夾雜物在鋼液中存在的真實(shí)形貌的揭示有著重要意義。

背景技術(shù)：
鋼中非金屬夾雜物極大的影響著鋼液的純凈度。隨著對鋼質(zhì)量要求的越來越嚴(yán)格，如何有效的認(rèn)識與改善鋼中非金屬夾雜物也越發(fā)顯得重要。只有對鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)有準(zhǔn)確認(rèn)識才能在冶煉過程中對其達(dá)到很好的控制和去除。
傳統(tǒng)表征鋼中夾雜物的方法主要有 (1)金相顯微鏡觀測法(MMO)；用光學(xué)顯微鏡檢測二維鋼樣薄片通過觀察夾雜物的形狀、光學(xué)特征或用化學(xué)法輔助測定夾雜物類型、尺寸、分布情況。
(2)圖像掃描法(IA)；采用高速計(jì)算機(jī)顯微鏡掃描圖像，根據(jù)灰度的斷續(xù)分辨明暗區(qū)，容易測定較大面積和較多數(shù)量的夾雜物，自動化程度高，可獲得體積分?jǐn)?shù)、粒度分布直方圖、定量等信息，但易受到如劃痕、麻點(diǎn)、凹坑、塵埃等干擾，使分析準(zhǔn)確性降低。
(3)硫印法；通過對硫富集區(qū)進(jìn)行腐蝕，區(qū)分宏觀夾雜和裂紋。
(4)電解法；以鋼樣為陽極，電解槽為陰極，通電后鋼的基體呈離子狀態(tài)進(jìn)入溶液溶解，非金屬夾雜物被保留。然后對陽極泥淘洗、磁選、還原分離得到夾雜物。
(5)電子束熔煉法(EB)；在真空條件下，用電子束熔化鋼樣，夾雜物上浮到鋼水表面，通常電子束熔煉查找的是上浮夾雜物特定區(qū)域。
(6)水冷坩堝熔煉法(CC)；在電子束熔煉的條件下，先將熔融鋼樣表面的夾雜物濃縮，冷卻后，樣品被分解，夾雜物被分離出來。
(7)掃描電子顯微鏡法(SEM)；將電子束用電磁透鏡聚焦照射于試樣表面，同時用電子束掃描，在顯像管上顯示出試樣發(fā)出的信號，可清晰地觀測到各種夾雜物的主體像，了解其分布和形態(tài)，用電子探針分析儀(EPMA)測定其組成及含量。
(8)金屬原位分析儀；通過對無預(yù)燃、連續(xù)掃描激發(fā)的火花放電所產(chǎn)生的光譜信號進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)采集和解析，測定樣品表面不同位置的原始狀態(tài)下的化學(xué)成分分布、缺陷判別和夾雜狀態(tài)分析，可獲得夾雜物數(shù)量、組成、分布和粒度等多方面的信息。
(9)曼內(nèi)斯曼夾雜物檢測法(MIDAS)。使鋼樣波動排除氣泡，然后超聲掃描檢測固態(tài)夾雜物和固氣復(fù)合夾雜物。
(10)激光衍射顆粒尺寸分析法(LDPSA)。采用激光技術(shù)檢測夾雜物的尺寸分布。
(11)X射線衍射法(XPD)。采用X射線對夾雜中的未知物定性、定量，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。
(12)X射線光電子光譜法或X射線光電子能譜法(XPS)。對被分析表面進(jìn)行定性及定量元素分析，采用X射線檢測尺寸大于10μm的夾雜物化學(xué)狀態(tài)。
(13)俄歇電子光譜法(AES)。采用電子束檢測夾雜物化學(xué)狀態(tài)，以電子束照射固體表面，分析俄歇過程從固體表面放射出來的二次電子的動能，從而進(jìn)行元素測定的方法。
(14)光電掃描法。分析用其他方法分離出來的夾雜物的光電掃描信號，以檢測其尺寸分布。
(15)鋼水超聲技術(shù)。吸收超聲脈沖反射信號，在線檢測鋼中夾雜物，在鋼樣的超聲技術(shù)方面，高頻超聲波對于氧化物夾雜能產(chǎn)生很強(qiáng)烈的缺陷波反射，高頻探傷儀可檢測＞30μm夾雜物的近似形狀和尺寸。
傳統(tǒng)表征非金屬夾雜物的方法眾多，但是都不容易直接觀察到鋼中非金屬夾雜物的真實(shí)三維形貌。金相法只能觀察到夾雜物的二維形貌，電解法雖然可以提取出鋼中非金屬夾雜物，但是夾雜物的形貌在電解和淘洗過程中容易被破壞，化學(xué)成分容易受到電解過程陽極反應(yīng)的影響而不準(zhǔn)確，且存在電解時間長，操作困難等缺點(diǎn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，利用簡單的磨樣和電解設(shè)備可以方便快捷的制備出適合觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的試樣，結(jié)合金相顯微鏡或掃描電鏡或場發(fā)射電鏡和能譜儀可以直觀的了解鋼中非金屬夾雜物的三維形貌和成分。
本發(fā)明一種用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，包括以下步驟 1)制備金相試樣，將待觀察面用砂紙打磨，然后利用拋光機(jī)拋成鏡面； 2)對磨拋后的金相試樣利用配制的電解液進(jìn)行表面電解侵蝕，使得非金屬夾雜物充分暴露，步驟為配制體積比為0.5-9∶1的溴水和甲醇的混合溶液或溴水和乙醇的混合溶液或者溴水和丙酮的混合溶液或者3-5∶2-4∶1-3的溴水、甲醇和丙酮混合溶液作為緩沖溶液，再向所述緩沖溶液中加入5％-20％的質(zhì)量濃度為5％-30％的KCl或NaCl或HCl溶液制得電解液，用可導(dǎo)電的金屬薄片或者非金屬薄片做陰極，用磨拋后的金相試樣做陽極進(jìn)行表面電解侵蝕； 3)通過控制電解電流和電解時間來控制侵蝕厚度，所述磨拋后的金相試樣經(jīng)過電解侵蝕后，非金屬夾雜物其鏡面上被凸顯出來，使得不同尺度的非金屬夾雜物的真實(shí)形貌完整地呈現(xiàn)； 4)侵蝕結(jié)束后用溫度大于70℃的水沖洗金相試樣表面，然后將金相試樣浸泡在酒精中，觀察金相試樣之前首先進(jìn)行烘干，然后通過金相顯微鏡或掃描電鏡或場發(fā)射電鏡觀察非金屬夾雜物形貌。
所述步驟1)中，金相試樣待觀察面的大小為5mm×5mm～50mm×50mm。
所述步驟1)中，將待觀察面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙按順序依次打磨。
所述步驟2)中，電解侵蝕的電流控制在0.05A～0.15A，電解侵蝕時間控制在20min-60min。
所述步驟3)中，控制試樣侵蝕厚度，通過利用下述公式(1)、(2)、(3)來控制，其中 Q＝I·t (1) Q-電解過程轉(zhuǎn)移電量，C；I-電解電流，A；t-電解時間，s；

-鐵氧化為二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量，mol； MFe鐵的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；S電解面積，m2；h理論腐蝕的深度，m；ρFe鋼基體的密度，kg·m3。
更優(yōu)選的是，在所述步驟2)中，配制溴水和乙醇體積比為1∶1的混合溶液作為緩沖溶液，向所述緩沖溶液中加入5％的質(zhì)量濃度為20％的KCl溶液作為電解液。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 1.通過簡單的試驗(yàn)設(shè)備在較短的周期內(nèi)可以方便、有效的制備出適合觀察鋼中非金屬夾雜物的真實(shí)形貌的試樣。相對于金相顯微觀測法和大樣電解法，此方法具有觀測到的非金屬夾雜物形貌更加完整，試樣制備更簡易等優(yōu)點(diǎn)。
2.通過判斷不同位置非金屬夾雜物的形貌和成分特點(diǎn)，可以為控制和去除鋼中非金屬夾雜物的研究提供依據(jù)，對于潔凈鋼生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。
3.對比其他表征非金屬夾雜物形貌的方法，本發(fā)明所述方法不破壞非金屬夾雜物的形貌；能夠真實(shí)反應(yīng)非金屬夾雜物三維形貌，以及非金屬夾雜物在基體中存在的位置。



圖1為本發(fā)明的電解裝置示意圖； 圖2為本發(fā)明的電解侵蝕過程反應(yīng)原理示意圖； 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例2中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例3中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖6為本發(fā)明的實(shí)施例4中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖7為本發(fā)明的實(shí)施例5中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖8為本發(fā)明的實(shí)施例6中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖； 圖9為本發(fā)明的實(shí)施例7中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的超低碳IF鋼未加Al脫氧前取鋼樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成10mm×10mm×10mm的金相樣，并對試樣的待觀察面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和丙酮體積比為0.5∶1的混合溶液，再配加5％的質(zhì)量濃度為10％的HCl溶液作為電解液。圖1為本發(fā)明的電解裝置示意圖，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，不銹鋼薄片做陰極，控制電流0.05A，侵蝕時間20分鐘，侵蝕厚度為22μm。圖2為本發(fā)明的電解侵蝕過程反應(yīng)原理示意圖，通電后陽極Fe失去電子形成Fe2+進(jìn)入電解液中，而電解液中的H+、Fe2+等陽離子在陰極析出，如此循環(huán)使得陽極中金相試樣Fe基體被侵蝕而非金屬夾雜物被凸顯出來。
通過掃描電鏡(SEM)觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了加Al脫氧前鋼中部分非金屬夾雜物的形貌，S1～S3為球形的MnO·FeO顆粒。
實(shí)施例2 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的超低碳IF鋼加Al脫氧3分鐘后取樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成10mm×10mm×10mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和丙酮體積比為2∶1的混合溶液，再配加10％的質(zhì)量濃度為20％的NaCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，銅片做陰極，控制電流0.15A，侵蝕時間40分鐘，侵蝕厚度為132μm。
通過掃描電鏡(SEM)觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖4為本發(fā)明的實(shí)施例2中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了加Al脫氧后鋼中部分非金屬夾雜物的形貌；S4為珊瑚狀的Al2O3、S5為樹枝狀的Al2O3，S6為由1-2μm小顆粒組成的團(tuán)簇狀的Al2O3。
實(shí)施例3 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的超低碳IF鋼鑄坯取樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成10mm×10mm×10mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和丙酮體積百分比為9∶1的混合溶液，再配加5％的質(zhì)量濃度為5％的KCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，鋁片做陰極，控制電流0.08A，侵蝕時間30分鐘，侵蝕厚度為53μm。
通過場發(fā)射電鏡觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖5為本發(fā)明的實(shí)施例3中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了鑄坯中部分非金屬夾雜物的形貌，S7～S9為鑄坯凝固過程中析出的TiN粒子。
實(shí)施例4 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的Al脫氧超低碳鋼中間包取鋼樣進(jìn)行分析。將鋼樣加工成15mm×10mm×15mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和甲醇體積比為1∶1的混合溶液，再配加5％的質(zhì)量濃度為20％的KCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，鋁片做陰極，控制電流0.05A，侵蝕時間35分鐘，侵蝕厚度為26μm。
通過掃描電鏡觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖6為本發(fā)明的實(shí)施例4中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了超低碳鋼中間包中部分非金屬夾雜物的三維形貌，S10、S11、S12為塊狀的Al2O3。
實(shí)施例5 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的Al脫氧超低碳鋼鋼包鎮(zhèn)靜過程取鋼樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成15mm×15mm×15mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和乙醇體積比為1∶1的混合溶液，再配加10％的質(zhì)量濃度為10％的NaCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，不銹鋼薄片做陰極，控制電流0.08A，侵蝕時間50分鐘，侵蝕厚度39μm。
通過掃描電鏡觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖7為本發(fā)明的實(shí)施例5中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了Al脫氧超低碳鋼在鋼包鎮(zhèn)靜過程中部分非金屬夾雜物的三維形貌，S13為彌散分布的細(xì)小的Al2O3·TiN粒子；S14為團(tuán)簇狀的Al2O3；S15為棒狀的Al2O3。
實(shí)施例6 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的Al脫氧超低碳鋼合金化后取鋼樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成20mm×20mm×20mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水和乙醇體積比為5∶1的混合溶液，再配加15％的質(zhì)量濃度為15％的NaCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，不銹鋼薄片做陰極，控制電流0.15A，侵蝕時間60分鐘，侵蝕厚度50μm。
通過掃描電鏡觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖8為本發(fā)明的實(shí)施例6中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了Al脫氧超低碳鋼合金化后鋼中部分非金屬夾雜物的三維形貌，S16、S17、S18為大顆粒球形的鈣鋁酸鹽夾雜物。
實(shí)施例7 采用本發(fā)明技術(shù)方案，對某鋼廠生產(chǎn)的Al脫氧超低碳鋼鑄坯距離內(nèi)弧表層1.5mm取鋼樣進(jìn)行分析。將各工序所取鋼樣加工成10mm×10mm×10mm的金相樣，并對試樣的待觀察表面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙分別打磨后再拋成鏡面，配制溴水、丙酮、乙醇體積比為4∶4∶2的混合溶液，再配加10％的質(zhì)量濃度為15％的NaCl溶液作為電解液，把鋼試樣觀察面浸沒在電解液中，并連接直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，不銹鋼薄片做陰極，控制電流0.10A，侵蝕時間40分鐘，侵蝕厚度88μm。
通過場發(fā)射電鏡觀察非金屬夾雜物的三維形貌。圖9為本發(fā)明的實(shí)施例7中觀察到的非金屬夾雜物三維形貌圖，圖中列舉了Al脫氧超低碳鋼鑄坯距離內(nèi)弧表層1.5mm中部分非金屬夾雜物的三維形貌，S19、S20為珊瑚狀的Al2O3、S21為樹枝狀的Al2O3。
通過本方法可以真實(shí)的反應(yīng)出煉鋼過程不同時期非金屬夾雜物的真實(shí)形貌和尺寸，對冶煉過程中鋼中夾雜物的控制和去除的研究有著重要意義。
權(quán)利要求
1.一種用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于包括以下步驟
1)制備金相試樣，將待觀察面用砂紙打磨，然后利用拋光機(jī)拋成鏡面；
2)對磨拋后的金相試樣利用配制的電解液進(jìn)行表面電解侵蝕，使得非金屬夾雜物充分暴露，步驟為配制體積比為0.5-9∶1的溴水和甲醇的混合溶液或溴水和乙醇的混合溶液或者溴水和丙酮的混合溶液，或3-5∶2-4∶1-3的溴水、甲醇和丙酮的混合溶液作為緩沖溶液，再向所述緩沖溶液中加入5％-20％的質(zhì)量濃度為5％-30％的KCl或NaCl或HCl溶液制得電解液，用可導(dǎo)電的金屬薄片或非金屬薄片做陰極，用磨拋后的金相試樣做陽極進(jìn)行電解侵蝕；
3)通過控制電解電流和電解時間來控制侵蝕厚度，所述磨拋后的金相試樣經(jīng)過電解侵蝕后，非金屬夾雜物在所述磨拋后的金相試樣鏡面上被凸顯出來，使得不同尺度的非金屬夾雜物的真實(shí)形貌完整地呈現(xiàn)；
4)侵蝕結(jié)束后用溫度大于70℃的水沖洗金相試樣表面，然后將金相試樣浸泡在酒精中，觀察金相試樣之前首先進(jìn)行烘干，然后通過金相顯微鏡或掃描電鏡或場發(fā)射電鏡觀察非金屬夾雜物形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟1)中，金相試樣待觀察面的大小為5mm×5mm-50mm×50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟1)中，將待觀察面用240#，400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙按順序依次打磨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟2)中，電解侵蝕的電流控制在0.05A～0.15A，電解侵蝕時間控制在20min-60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟3)中，控制試樣侵蝕厚度，通過利用下述公式(1)、(2)、(3)來控制，其中
Q＝I·t(1)
Q-電解過程轉(zhuǎn)移電量，C；I-電解電流，A；t-電解時間，s；
-鐵氧化為二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量，mol；
MFe鐵的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；S電解面積，m2；h理論腐蝕的深度，m；ρFe試樣密度，kg·m3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟2)中的電解液是將體積比為1∶1溴水和乙醇的混合溶液作為緩沖溶液，再向所述緩沖溶液中加入5％的質(zhì)量濃度為20％的KCl溶液配制成的電解液。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，其特征在于所述步驟2)中的電解液是將體積比為1∶1溴水和乙醇的混合溶液作為緩沖溶液，再向所述緩沖溶液中加入5％的質(zhì)量濃度為20％的KCl溶液配制成的電解液。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于觀察鋼中非金屬夾雜物真實(shí)形貌的方法，屬于煉鋼連鑄技術(shù)領(lǐng)域。該方法是首先制備金相式樣，然后將溴水、甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑中的幾種混合作為緩沖溶液，向緩沖溶液中加入KCl或NaCl或HCl溶液制得電解液，對磨拋后的金相試樣利用電解液進(jìn)行表面電解侵蝕，通過控制電解電流和電解時間來控制侵蝕厚度，經(jīng)過侵蝕后，非金屬夾雜物在金相試樣鏡面上凸顯出來，使得不同尺度的非金屬夾雜物的真實(shí)形貌完整地呈現(xiàn)。通過金相顯微鏡或掃描電鏡或場發(fā)射電鏡觀察非金屬夾雜物三維真實(shí)形貌。該方法的應(yīng)用和推廣將有益于人們對煉鋼、連鑄過程中非金屬夾雜物的形成、轉(zhuǎn)變、去除有更加深刻的理解和拓展，對高純凈鋼生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。
文檔編號C25F3/06GK101812720SQ201010169428
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者王敏, 包燕平, 吳維雙, 崔衡 申請人:北京科技大學(xué)