钢中非金属夹杂物及其危害

专题

钢中非金属夹杂物及其危害

姓名

（西安建筑科技大学，陕西西安，710055）

摘要:对钢中非金属夹杂物按来源和化学成分进行分类，讨论它产生的原

因及其对钢的危害和钢性能的影响，最后简述降低钢中非金属夹杂物的措施。

关键词: 钢；非金属夹杂物；分类；危害

Non-metallic Inclusions in Steel and its Hazards.

English name

(Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an

Shanxi , 710055)

Abstract: The non-metallic inclusions in steel is classified by source and the chemical composition is presented in this paper. The course of its production ,the hazards of it to steel and its effect to the quality of the steel are described in this paper.At last,the measure of reducing the non-metallic inclusions in steel is evaluated.

Key words: steel; non-metallic inclusions; classification; hazards

0 前言

钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮

化物。它们是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧化物、硅酸盐和钢在凝固过

程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物, 这些夹杂物来不及排出而留在钢中。外来夹杂物是炉渣或耐火材料或其它夹杂在钢液凝固过程中未及时浮出而残留于钢中。它们常作为衡量钢质量的重要指标,其类型、组成、形态、含量、尺寸、分布等各种状态因素都对钢性能产生影响（1）。

随着近代精炼技术的发展,钢的“洁净度”大大提高, 夹杂物在钢中的含量虽然极微, 但对钢的性能却具有不可忽视的影响，非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性，致使材料的塑性、韧性降低和疲劳性能降低,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。钢中夹杂物对钢性能的影响主要表现在对钢韧性的危害, 而且危害程度随钢的强度增高而增加。然而其中夹杂物的数量及分布形态是影响钢材质量的重要指标之一。

1 非金属夹杂物的分类

1.1 钢中非金属夹杂按来源分类

钢中非金属夹杂物的来源主要来源有内生夹杂和外来夹杂两部分组成(9)。

1.1.1 内生夹杂物

钢铁的冶炼实质是液态金属的氧化一还原反应。由于金属在高温液体状态下对氧和其它气体的溶解量远远大于凝固状态，因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去，因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去。排除的方法：在电炉炼钢中主要是靠含氧低的炉渣，使氧从钢液中扩散到渣中去，另外向钢液中加入对氧亲和力较强的脱氧元素，这样在钢液中就发生了脱氧反应，并生成了夹杂物。例：

[Si]+2[O]→{SiO2}

[Mn]+[O] →{MnO}

2[Al]+3[O] →Al2O3

由于这些夹杂一般尺寸较大, 大多数可以在还原期上浮到渣内, 从而去除了钢液中相当数量的氧。但仍有一部份残留在钢液中。另外上述的反应是与钢液温度密切相关的, 当钢液温度逐步降到凝固温度时, 上述反应不断向右进行, 形成的非金属夹杂物的颗粒也不断减小, 浮出钢液就逐渐变得困难。当钢液浇入钢锭模后, 由于冷却速度突然加快, 液态钢对气体的溶解度也骤然降低因此上述脱氧反应也迅速加剧。此时除Mn，Si和Al等强脱氧元素进行脱氧反应外, 其它如Cr、Fe等也会参加脱氧反应，生产FeO·SiO2、FeO·Al2O3、MnO·Cr2O3、mMnO·nFeO等复合夹杂物, 而这类夹杂物大多是从钢中原有的脱氧产物SiO2、MnO、Al2O3等为核心而伴生的，因此这类夹杂物的组成和结构都极为复杂，而且其数量一般占钢中总夹杂量的40~60%(4)。

1.1.2 外来夹杂物

该夹杂是指由渣、耐火材料或与钢液相接触的其它材料机械结合所形成的夹杂物。钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用, 形成熔渣而滞留在金属中, 其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则, 尺寸比较大, 分布也没有规律, 又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的(4)。

1.2 钢中非金属夹杂物按化学成分分类

钢中非金属夹杂物按化学成分主要分为三大类，详见图1。

1.2.1 氧化物系夹杂

简单氧化物有FeO, Fe2O3 , MnO, SiO2 , Al2O3 , MgO和Cu2 O 等。在铸钢中, 当用硅铁或铝进行脱氧时, SiO2 和Al2 O3 夹杂比较常见。A l2O3 在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物, 包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等,以及钙的铝酸盐。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂, 这类夹杂物有

2FeO · SiO2 ( 铁硅酸盐) 、2MnO · SiO2 ( 锰硅酸盐) 和CaO · SiO2 ( 钙硅酸盐) 等。这类夹杂物在钢的凝固过程中, 由于冷却速度较快, 某些液态的硅酸盐来不及结晶, 其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中。

非金属夹杂物

硫化物氧化

物氯化物

简单氧化物复杂氧化物硅酸盐

TiN AlN Al2O3

FeO FeO Al2O3 nFeO·mSiO2 Fe S MnS

VN等 MnO 等MnO·Al2O3

等nAl2O3·mSiO2 Cr2S3

图 1 钢中非金属夹杂按照化学成分分类图