Ovako 钢厂通过精细控制开发高性能钢，媲美 VAR 冶炼钢

通过仔细控制 EAF 熔炼和 LF 精炼阶段，奥沃科钢铁公司开发出一种夹杂物含量低、颗粒细、各向同性和疲劳强度高的钢。上述优良性能可与VAR熔炼钢相媲美。

1前言

提高钢材质量是钢铁制造商不断追求的目标，因为更复杂的设计和钢材用量的减少需要具有更高机械强度和疲劳强度的钢材。采用标准轧制工艺轧制的钢材横向强度（垂直于轧制方向）较低，导致钢材性能出现“各向异性”。为了使轧制钢材的横向性能与轧制方向相同，就必须想方设法提高钢材的横向性能。

如今，在瑞典奥沃科钢铁公司，研究“各向同性质量”的钢材被称为“IQ钢”。对IQ钢的研究必须准确测量金属基体中非金属夹杂物的数量及其颗粒尺寸。同时，还需要研究如何改进初熔炼和钢包精炼技术，以提高空气冶炼低合金钢的纯净度和疲劳强度。和显微组织与重熔法生产的钢相当。

生产IQ钢的重要条件是不采用传统重熔技术生产洁净度高的钢材，能耗低，CO2排放量低，对环境影响小，并可广泛用于循环应力和频率。它们用于风力涡轮机轴承、汽车、卡车和船用柴油发动机喷嘴以及其他机械。实践证明，应用IQ钢可使汽车百公里柴油消耗量减少1升。在过去 10 年中，仅汽车的二氧化碳排放量就估计减少了 80 公吨。据此计算，瑞典每年总共可减少二氧化碳排放量约50万吨。

2夹杂物测量

因为具有临界尺寸的非金属夹杂物会降低钢的各种性能。因此，需要计算材料更大面积的显微组织，以获得有效的非金属夹杂物统计数量。如果根据ISO3763的定义无法获得足够的信息，可以使用光学显微镜来评估微观夹杂物，并且可以使用蓝色宏观标本来评估宏观非金属夹杂物。为此，研究团队投入大量时间和人力研究合适的替代测量技术——浸入式超声波检测技术。

10MHz浸入式超声波检测装置用于测量宏观尺寸的非金属夹杂物，80MHz用于测量微观尺寸的夹杂物。实践证明，浸入式超声波测量装置具有较高的灵活性，能够很好地完成不同钢种、不同冶炼炉次之间非金属夹杂物的识别。上述识别技术不仅提高了非金属夹杂物的检测能力，而且可以检测较大体积和表面不规则处理的钢材中的非金属夹杂物。传统表面积检测方法与浸没式超声波检测技术的比较分别如表1和表2所示。

表1中蓝色断裂面和ASTME45样品对应的数量已通过体积换算成厚度为0.01mm的面积，并利用传统方法完成了材料中夹杂物数量的测量。超声波测量时，10MHz超声波评价结果表示为单位体积内超过某平底油FBH当量数的缺陷数。 80MHz通过绘制测试钢中缺陷的累积数量与缺陷尺寸的比率来完成评估。斜率与y轴的交点表示夹杂物颗粒的总数。对于尺寸小于25μm的夹杂物，通过超声波扫描电镜的自动特征分析功能完成测量。

表1 根据ISO3763蓝色断裂法和ASTM E45标准对材料测试范围和总量的评价

ISO3763蓝色断裂法ASTME4

检测特性 宏观夹杂物长度>1.0mm 微观夹杂物直径>2μm

试验材料总量～3000mm2～450mm2

覆盖测量区域面积

表2 奥沃科超声波总材料检测范围评估（10MHz和80MHz）

奥沃科10MHz奥沃科80MHzUST

宏观夹杂物检测特性，FBH>0.120 微观夹杂物>2μm，FBH>25μm

研究材料总量 ~ 1,500,000mm3 (50,000BFT) ~ 450mm3 (300E45)

覆盖范围测量体积

注：FBH-平底孔； BFT-BlueFractureTest（蓝色断裂测试）

3IQ钢冶炼

瑞典奥沃科钢厂是全球采用铸锭工艺生产高质量要求轴承钢的先驱。冶炼IQ钢时应注意以下事项：

1）采用电炉精炼，注意废钢及各种材质的选用。

2）采用LF精炼，注意强化和彻底除S，控制钢水中S含量在20ppm以内；延长脱气时间；并添加专有流程。

3）采用铸锭工艺，注意用Ar气保护，并进行保护铸造。

4）采用均热工艺，延长均热时间，以提高钢材内部均匀性。

5）生产钢坯时，提高切削速度，以减少钢中非金属夹杂物的偏析，尽量减少钢中非金属夹杂物的含量。

显微照片显示，采用IQ工艺冶炼的钢，轧制断面纵向上的细长夹杂物数量显着减少。如果采用先进的重熔工艺冶炼洁净度要求极高、金相组织要求非常均匀、疲劳强度和抗冲击要求高的钢材，则生产工艺流程长且复杂（包括脱碳、真空感应熔炼、真空电弧重熔）。熔化等），必然导致生产成本大幅增加。

但采用先进的钢包冶金技术和一定的试验方法，在空气中冶炼也可以生产低合金钢。其疲劳强度可与重熔工艺生产的钢材相媲美，其计算的疲劳损伤是所有机械装置的疲劳损伤。达标率达90%，潜在经济效益十分可观。

4、夹杂物对疲劳强度的影响

研究指出，钢的固有疲劳极限随着钢的强度或硬度的增加而增加，其增加系数约为1.6。

然而，当钢的强度增加时，疲劳强度的增加系数相对于固有强度极限不断减小。这是由材料的内部缺陷（例如夹杂物）引起的。钢内部夹杂物的作用就像增加钢的内应力一样，可以促进疲劳裂纹的爆发。

在旋转梁疲劳试验中，通过位于晶格上的非金属夹杂物诱导疲劳裂纹，可以有效地分析其化学成分、颗粒尺寸和位置。它们之间的关系如图1所示的经验曲线所示。从分析曲线可以看出，钢的强度较高，夹杂物大大降低了钢的疲劳强度。研究指出，对于640MPa（维氏硬度HV400）等中等固有强度的钢，一旦夹杂物长度低于20μm，疲劳强度就不会因夹杂物长度的进一步减小而进一步提高。但对于强度较高的钢来说，随着夹杂物长度和尺寸的进一步减小，疲劳强度可以大大提高，疲劳强度甚至可以接近固有强度。例如，对于固有强度为1120MPa（维氏硬度700HV）的钢，当夹杂物长度小于6μm时，钢的疲劳强度可接近1120MPa。

5 力的方向和大小对钢材的影响

由于传统钢通常是各向异性的，因此疲劳强度很大程度上取决于轧制载荷方向。这种效应还因轧制过程中夹杂物在轧制方向上被压碎和拉长而放大。此外，轧制材料的体积也会影响夹杂物的临界尺寸。因此，当厚钢板受到横向载荷时，其失效概率会增加。

诸如形态、化学成分和夹杂物位置等数据可以使用通用分析技术获得。这些数据可用于计算一定尺寸的已知夹杂物的含量。图1中的经验曲线可用于将钢中的夹杂物尺寸转换为引起疲劳失效所需的应力。

应用该方法对100m3高硫50CrMO4钢中碳化物夹杂物进行了分析。结果表明，当钢材沿轧制方向加载时，应力为800MPa时，疲劳破坏率为5%，当应力增加到1300MPa时，疲劳破坏（达到极限值）为50%。但当钢材受到横向加载时，应力仅需200MPa和350MPa，疲劳损伤即可分别达到5%和50%。这再次证明钢材在轧制方向的强度远大于横向。

6各向同性过程

奥沃科钢铁公司能够测量标准工艺生产的钢材中的非金属夹杂物含量，使其在炼钢工艺研究方向上取得了重大进展——它成功开发了IQ工艺，并用它生产出质量与重熔工艺钢。优质钢是IQ钢。

IQ工艺基于奥沃科的标准铸锭工艺，旨在生产具有极高质量要求的轴承钢。 IQ 工艺有两个核心目标 - 提高钢的结构疲劳性能和强化各向同性，

IQ工艺与其他工艺的区别在于：废钢及各种炼钢材料的选用；强化脱硫（将硫含量降低至20ppm以下）；增加脱气时间；铸锭过程中采用氩气保护；增加均热时间，提高钢的内部质量均匀性；它采用小钢坯生产，提高切削速度，以减少钢中夹杂物的偏析，最大限度地减少钢中的宏观夹杂物含量。

IQ工艺并不是完全去除钢中的氧化物夹杂物，而是根据夹杂物尺寸对疲劳强度的影响，创造条件使其在钢水中的分布更加细小和均匀。因此，IQ工艺生产的钢中4μm以下的非金属夹杂物总量大大超过传统工艺钢，图2。因为4μm或更小的非金属夹杂物需要很高的应力，甚至接近其应力导致钢材疲劳损伤的固有强度。因此，IQ工艺能够生产出与重熔钢相同质量的钢材。

旋转梁疲劳试验发现，IQ工艺生产的钢材的疲劳极限比传统工艺生产的钢材高10倍。比较IQ工艺生产的528Q钢和真空电弧重熔（VAR）工艺生产的300M钢的疲劳极点和夹杂物尺寸，发现引起疲劳损伤的基本条件几乎相同。

为了衡量钢各向同性的改善情况，对传统工艺和 IQ 工艺生产的 50CrMo4 钢进行了比较。两种工艺钢均沿钢坯横向轧制成同一钢板。机械加工完成后，将样品相对于原始轧制方向进行纵向和横向定向并进行测试。结果发现，IQ钢的纵向和横向疲劳几乎没有差异。然而，传统工艺生产的钢材的横向疲劳极限仅为纵向强度的一半。

7IQ钢应用

IQ钢的应用范围越来越广。例如，应用于汽车、造船、新能源和采矿等领域。此外，IQ钢可以承受各个方向的高载荷。例如，海上风速和风向的不断变化会对各种设备施加各个方向的瞬态载荷。因此，IQ钢也广泛应用于海上风力发电机的轴承、各种配件和固定件。

为了减少钢材用量，节约资源，其他应用研究方向也取得了非常先进和丰硕的成果，应用于齿轮、液压元件和机械制造等领域。 （来源：炼钢）