钢中夹杂物的产生与去除途径

钢中夹杂物的产生与去除途径
李振旭钢中夹杂物对钢质量的影响越来越受到重视，怎样减少钢中夹杂物对钢材性能的影响，各大院校、钢铁研究机构有很多研究成果及文献。

生产清洁钢有很多措施与手段，在此不作详细介绍，我想就电弧炉单设备冶炼，结合很多的文献作一下具体分析与验证。

钢中夹杂物的来源无非有两大类：一、外来夹杂。

二、内生夹杂。

外来夹杂是由原材料、炉渣、耐火材料等引起的。

如炼钢的废钢带入的泥沙、铅锌砷锑鉍等，出钢时钢液混渣，炉衬、出钢槽、盛钢桶等耐火材料的侵蚀、冲刷剥离等造成的。

内生的夹杂物是由脱氧产物、析出气体的反应产物构成的。

一般脱氧产物称为一次夹杂。

二次夹杂为钢液从浇注温度下降到液相线，由于温度下降气体的溶解度下降析出而产生的夹杂物。

三次夹杂是金属在固相线下由于结晶而产生的。

四次夹杂是结晶完成后到常温过程中由于发生组织转变而产生的。

由此可以看出钢中的夹杂物大部分是一次夹杂和二次夹杂。

外来夹杂通过现场管理及使用优质耐火材料是可以控制或减少的，三、四次夹杂是无法消除的，故此不做讨论。

重点讨论一二次夹杂的产生与去除。

钢在熔炼的过程中为了去除由原料带入的杂质及有害元素，往往采取氧化法冶炼。

利用碳氧沸腾来增加熔池的动能，通过一氧化碳的排出将熔于钢液中的气体及夹杂物去除，氧化以后钢液得到净化。

但当氧化结束以后，钢液中存在较多的溶解氧及氧化铁，这种钢液在浇注时会因气体含量高而引起冒涨而导致无法使用，那么就要对钢液进行脱氧操作。

目前脱氧主要有沉淀脱氧、扩散脱氧及两种方法结合的综合脱氧法。

硅铁、锰铁是目前最常用的脱氧剂，其他的有铝、硅铝铁、硅锰合金、硅钙合金、硅钙钡、硅铝钡、硅镁、镍镁合金混合稀土等等。

用于扩散脱氧的有碳粉、硅铁粉、硅钙粉、铝粉、碳化硅粉等。

作为沉淀脱氧剂的硅铁、锰铁等直接加入钢液，它的脱氧产物是SIO2和MnO,MnS等，用铝作为终脱氧剂脱氧其产物是AI2O3，其中一部分会上浮排除，当然还会有部分存在于钢液中，造成氧化物夹杂。

另一方面，由于钢液中存在少量的氮、硫、磷、氢、氧，他们也会与铁等元素发生反应生成非金属夹杂物。

分为硫化物、氧化物、氮化物，如FeS、MnS、SIO2、VN、AIN、TIN等，简单氧化物MnO、FeO、AI2O3等，复合氧化物FeO.MnO,FeO.AI2O3,还有铁硅酸盐、锰硅酸盐等。

钢中夹杂物的形态特征：内生夹杂物的特点是颗粒小、分布较均匀。

硫化物一般为网状、也可以呈细长针状，呈网状的硫化物易引起热脆性，三氧化二铝夹杂往往呈簇状或串链状。

硫化钙、铝酸钙及尖晶石类硅酸盐为点状不变形夹杂。

硫化物夹杂在轧钢中表现为沿轧制方向的带状物。

二氧化硅或含二氧化硅高的硅酸盐类夹杂一般呈球状不变形物。

但如果想要知道究竟是哪一类夹杂要依靠EPMA（电子探针）扫描电镜和自带能谱分析仪（SEM、EDS）的帮助。

为了减少钢中夹杂物的数量，控制夹杂物的形成、形态及分布很重要，为此众多的研究及技术人员加入研究之中。

首先从脱氧方法、脱氧工艺入手，通过优化脱氧工艺，改变传统的脱氧方法，采用新的脱氧剂、发展炉外精炼等手段，使纯净钢的冶炼得到很大发展。

一般的脱氧程序是：加入硅铁、锰铁沉淀脱氧，然后加碳粉、碳化硅、或硅铁粉、硅钙粉等扩散脱氧，出钢时用铝终脱氧。

这种方式易产生二氧化硅、三氧化二铝等夹杂。

用铝作为终脱氧剂，也称深脱氧。

他的优点是脱氧较充分，尤其是钢液中Mn=0.66%，SI=0.17%时（锰硅比大约为4）铝的脱氧能力提高5--10倍。

同时残铝可以起到固氮的作用，生成的AIN起到强烈细化晶粒的作用，可以显著提高钢的性能、特别是韧性指标。

另外钢中含有部分残铝，可以防止钢液的二次氧化，特别是硅的二次氧化，为了充分利用他的优点，往往要求钢中的酸熔铝[AI]S为0.02—0.05%，而钢中残铝大于0.010%则被视为过度铝脱氧。

它的脱氧产物是AI2O3，其颗粒非常细小，熔点达2050℃，在炼钢温度下呈固态，它的可塑性差、不变形。

如果形成颗粒较大的铝酸钙可以上浮排除，但细小颗粒的氧化铝则留于钢液中。

鉴于此，在还原期及出钢前的炉渣中保持一定数量的三氧化二铝，以增强炉渣对氧化铝的吸附能力是必要的。

同时，对过量铝脱氧钢采取钙处理（喂硅钙线），来改变AI2O3形态，经钙处理后AI2O3夹杂变为钙长石（CaO.AI2O3.SIO2）其熔点为1200--1400℃，在钢液中呈液态易上浮。

这一方法称轻钙处理。

如果加铝量大，则需重钙处理，使氧化铝变为液态铝酸钙。

但钙处理前应控制钢液硫含量小于0.010%。

当S=0.01—0.015%时用钙处理时有硫化钙产生。

当S=0.03—0.04%时，用钙处理首先会产生硫化钙，造成硫化钙夹杂。

用重钙处理要计算好用量，因为钙的溶解度很小，避免钙过量产生中间产物（CaAI2、CaAI6）。

有报道称，用铝终脱氧的钢，加钙处理静置两分钟后，夹杂物总量可以减少60--70%、且形态为I 型，全氧含量可下降到0.002%以下。

（氧含量分为两种，一是溶解氧，另一种是全氧。

全氧是指钢液中全部氧化物中的化合氧加溶解氧的总和。

气体含量是指溶解量。

）根据热力学计算1873K（1600℃）时，酸熔铝质量分数为0.02—0.05%时残钙的质量分数应大于18×10-6，最好控制在31×10-6。

通过计算及实验结果表明吨钢钙的加入量为149.1—171.5克，夹杂物的变性效果好。

如超过185.4克，随加入量的增加，残钙量降低、钙的收得率也降低，但夹杂物的变性效果差。

如果硅钙线为直径13㎜的铁包芯线,铁粉比为1:1.36,每米重380克,钙含量28%,每米含纯钙61.3克,那么吨钢需喂硅钙线2.4--2.8米效果最好。

也可以插铝0.5㎏/吨钢，加硅钙钡合金2---2.5㎏/吨钢。

除了采取由单一脱氧剂如硅铁、锰铁改为复合脱氧剂如硅锰合金外，在终脱氧剂的选择上也由单纯的铝改为硅铝铁、硅铝钡、硅钙钡及钡镁合金等。

用硅铝钡脱氧，其中的钡能提高硅、铝的脱氧能力，其脱氧产物更易上浮，由于钡的变性作用，夹杂物的总量降低30—40%。

用硅钙钡终脱氧较硅铝钡有更好的效果。

其中的钙、钡起到使夹杂物双重变形的效果。

通过采取脱氧控制及合成渣精炼相结合的夹杂物成分及形态控制技术，能减少钢中有害夹杂数量，缩小氧化物夹杂的粒径。

前面讲过，钢中的二次夹杂是钢液由浇注温度下降到液相线时，由于气体的溶解度大幅下降，熔于钢液中的气体析出，在析出的过程中气体与钢液中的包括铁在内元素发生反应产生的夹杂物。

那么去除此类夹杂唯一的方法就是尽最大可能降低钢液中的气体。

除了氧化期利用氧化沸腾去除气体外，还原期所使用的材料，包括铁合金、造渣材料、脱氧剂等必须充分烘烤或干燥。

因为水分是发气量非常大的物质，每克水在大于100℃过热、气化完全时，产生的气体体积是550毫升。

另外还原期控制温度及造渣，避免钢液吸气同样重要。

过高的温度和炉渣碱度都会增加钢液的吸气倾向。

出钢要求钢渣混出的目的除了脱硫和渣洗去夹杂外，他的另一个作用就是隔气和减少二次氧化。

另外，选择合适的还原渣系，对于夹杂物的去除有重要意义。

通常采用的脱氧剂是硅锰合金或硅铁、锰铁，扩散脱氧剂有硅铁粉、硅钙粉，终脱氧剂一般选用铝，其脱氧产物是二氧化硅、硅酸盐、三氧化二铝、铝酸盐等。

如果还原渣的性质、成分与其相去甚远，那么炉渣对脱氧产物不具有亲和力。

如果炉渣的成分性质与脱氧产物的性质成分接近，由于其电子数接近，脱氧产物吸附在炉渣上的能力是很强的。

例如，炉渣中保持一定数量的三氧化二铝，对于去除铝脱氧钢的夹杂效果明显。

对于这一点可以在电渣重熔中得到证实。

一般生产上常用的重熔用渣为CaF2--70%、--AI2O3--30%，这一渣系对去除三氧化二铝的效果是最好的，经过重熔后的钢，硫含量及三氧化二铝夹杂都非常低。

电渣重熔的原理同时也佐证了钢渣混出、渣洗去夹杂的重要意义。

稀土合金的使用越来越受到重视。

它的作用有很多，其中它与氧、氢有很强的亲和力，它可吸氢、脱氧，与氧形成稀土氧化物，与硫形成稀土硫化物，这两种氧化物都可以很容易
的从钢液中排出，它对减少钢中的气体及夹杂物贡献是很大的，同时它可以改变夹杂物的形态与分布，可以将多角形的夹杂变为球性，减少应力的产生，减少裂纹的产生及夹杂物的危害。

如果采取LF精炼加真空脱气处理，钢液的气体含量会有明显的下降。

冶炼洁净钢部分钢厂采取的工艺路线是：电弧炉熔炼----LF精炼----真空脱气处理。

钢包简单吹氩，工艺得当会有一定的效果。

在去气的同时也会使脱氧产物随氩气泡上浮排除。

所以对于减少钢中的一次夹杂和二次夹杂是有很大帮助的。

综上所述:在电弧炉单设备冶炼对夹杂物要求严格的产品及重要铸件时，为了减少夹杂物的数量，控制它的形态分布应采取的工艺路线：
氧化沸腾（脱碳量、脱碳速度要达到）---采用复合脱氧剂及扩散脱氧---加稀土净化---加硅钙钡合金终脱氧（或插铝终脱氧---喂线钙处理）---吹氩脱气---镇静浇注。

通过对炉号420---430十个炉次的观察，通过采取以上措施后，其夹杂物有非常明显的变化----数量大幅减少、颗粒细小，一般均达到标准要求。

但有个别炉次效果不明显，显然技术是成功的，在实际操作中的过程控制有待加强。

另外430型中频炉，夹杂物不达标，改为碱性炉衬后，通过采取出钢前脱氧后加稀土净化、停电静置后打渣等措施后，夹杂物有了明显改善。

基本达到标准要求。

氧化物夹杂所起的作用并非都是有害的，在一定条件下，氧化物可以作为强化元素来提高钢的性能。

一般直径小于或等于1Um的夹杂物不作评级，因其对性能几乎不产生影响。

有时小于1UM的细小夹杂物能起到弥散强化的作用，使钢材的性能得到提高。

有一种新的工艺：利用氧化物冶炼。

钢液中加入少量的易形成氧化物的元素如钛、锆、铝等，使其形成TiOx、ZrOx、AI2O3等细小夹杂诱导晶内铁素体形核，细化晶粒，提高强度与韧性。

利用氧化物冶炼技术开发出的高强度、高韧性非调质钢已得到广泛应用。