钢中夹杂物的类型及控制技术发展要点

1、钢中夹杂物的类型及控制技术发展XX(河北联合大学冶金与能源学院，唐山， 063009) 摘要：综合论述了钢中非金属夹杂物的按化学成分、形态、粒度、来 源的分类以及控制夹杂物含量时所采用的气体搅拌-钢包吹氩、中间包气幕挡墙、电磁净化 -钢包电磁搅拌、中间包离心分离和结晶器电 磁制动、过滤器技术、超声处理技术和渣洗技术，并针对钢中夹杂物 的控制技术的优、 缺点进行了简要的归纳。 随着氧化物冶金工艺纯净 钢产品的开发 ,夹杂物去除技术的不断进步 ,非金属夹杂物的控制技 术仍面临着新任务。关键词：非金属夹杂物；夹杂物类型；控制技术Types and Progress on Technique for

2、Removel of inclusions in steelXX(College of Metallurgy and Energy Hebei United University, Tangshan 063009) Abstract：The behavior of inclusions in molten steel includes physical processes such as nucleation, growth, polymerization and transmission. The removal of inclusions can be seen as the result

3、 of transmission, which involves inclusion growth, floating and separating. The key progress on technique for removal of inclusions in steel is gas stirring-ladle argon blowing, gas shielding weir and dam in tundish, electromagnetic cleaning-ladle electromagnetic stirring, tundish centrifugal separa

4、ting and mold electromagnetic braking, slag washing, ultrasonic technique ,and filter technique. Key words： non-metallic inclusions Typesof inclusions, Technique for Removel of inclusions1 引言 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、 硅酸盐或氮化物。它们是钢在冶炼过程中加入脱氧剂而形成的氧化 物、硅酸盐和钢在凝固过程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化 物、氮化物 , 以及炉渣或耐火材料来

5、不及排出而留在钢中。 它们常作 为衡量钢质量的重要指标 , 其类含量对钢性能产生重大的影响 , 近年 来 , 钢中夹杂物去除技术的研究工作主要集中在两个方面 : 提高钢 的清洁度 ; 改变夹杂物的形态和分布。随着钢铁工业的进一步发展 , 钢的材质设计和应用技术的开发给 冶金工业带来了极大的挑战。 钢铁产品将按着钢液洁净度高、 成分控 制精度高和产品性能稳定性能高的方向发展 , 其中高纯净度钢的生产 是 21 世纪钢铁企业面临的重大课题 , 它的解决与钢的冶炼过程密切 相关, 而本文将介绍夹杂物的分类以及相关的控制技术。2 钢中夹杂物的类型2.1 钢中夹杂物按化学成分分类钢中非金属夹杂物按化学成

6、分主要分为氧化物系夹杂、 硫化物系 夹杂、氮化物夹杂三大类 1 。（1）氧化物系夹杂简单氧化物有 FeO,FeO,MnO,SiQ,AI 2O,MgO和CuO等。在铸钢 中，当用硅铁或铝进行脱氧时，夹杂比较常见。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 类夹杂物有铁硅酸盐、 锰硅酸盐和钙硅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 部分以玻璃太的形式保存于钢中。（ 2） 硫化物系夹杂硫化物系夹杂主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔点的Fe

7、S易 形成热脆， 所以一般均要求钢中要含有一定量的锰， 使硫与锰形成熔 点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是 MnS 铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类： 形态为球形， 这种夹杂 物通常出现在用硅铁脱氧不完全的钢中； 在光学显微镜下观察呈链 状的极细的针状夹杂；呈块状，外形不规则，在过量铝脱氧时出 现。（3）氮化物夹杂当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成A1N， TiN， ZrN 和 VN等氮化物。 在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触， 氮化物的数量显著 增加。2.2 按夹杂物的塑性变形能力分类 按夹杂物的塑性变形能力分脆性夹物 、塑性夹杂物、球状不变性 夹杂、半塑性夹杂

8、物四类 1 。（ 1）脆性夹物脆性夹物热加工时形状和尺寸都不变化， 但可能沿加工方向成串 排列或呈点链状，属于这类夹杂物的有 AI2Q和CaQ。（ 2） 塑性夹杂物 塑性夹杂物热变形时具有良好范性，沿变形方向延伸成条带状。 属于这类的有硫化物及含量较低（ 40%60%）的铁锰硅酸盐。（ 3） 球状不变性夹杂球状不变性夹杂呈球状，热加工后保持球状不变，如SiO2 及含SiO2较高(>70%的硅酸盐( 4) 半塑性夹杂物半塑性夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基体铝硅酸盐有塑 性，热加工时将产生塑性变形， 但是其中包含着的析出相如氧化铝等 是脆性的，加工时仍保持原状或只是拉开距离。2.3 钢中

9、夹杂物按来源分类钢中夹杂物可分为内生和外来夹杂物， 内生夹杂物主要是脱氧和 合金化元素与溶解在钢液中的氧以及硫、 氮的反应产物所形成的夹杂 物。外来夹杂物是钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣相互作用的 产物以及机械卷入钢中的各种氧化物 1 。3 钢中夹杂物去除技术 从钢液中分离夹杂物的主要途径包括两种： (1) 被表面的渣层吸 附； (2) 被壁面耐火材料吸附。3.1.1 钢包吹氩吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一 ,底吹氩可以均匀钢液的 成分和温度 , 最重要的功能是促进钢液中夹杂物的去除 2 。钢包底吹 氢去除夹杂物主要依靠气泡的浮选作用 , 即夹杂物与气泡碰撞并粘附 在气泡壁上 , 然后

10、随气泡上浮而被去除。具体过程分如下几步 2.3 : 具有一定压力的氢气通过透气砖输送到钢液中 ,形成气泡 ,气泡在上 浮的过程中又因浮力的作用 , 将钢水抽引并使之在气液区内产生由下 向上的流动；气泡到达顶部时转入水平方向并流向包壁，之后在包 壁附近 向下回流 , 再次在钢包中下部被抽 引至气液区内 , 如此循环 流动形成环流；在环流过程中，夹杂物向气泡靠近并发生碰撞，并与 气泡间形成钢液膜；夹杂物在气泡表面滑移，形成动态三相接触使 液膜排除和破裂夹杂物和气泡团稳定化合并上浮。底吹氩去除钢中夹杂物的效率主要取决于氩气泡和吹入钢液的 气体量。小直径的气泡捕获夹杂物颗粒的概率比大直径气泡高。增加底

11、吹透气砖的面积、选用小透气砖孔径（即在有限的吹氢时间内成倍 地增加吹入钢液的气泡数量）可以降低透气砖出口处氢气表观流速 ， 从而减小透气砖 出口处氢气泡的脱离尺寸并增加气泡捕获夹杂物的 概率。合适的精炼渣和钢包耐火材料可以大大促进钢包吹氢去夹杂的 效果。3.1.2中间包气幕挡墙中间包“气幕”挡墙是通过垂直于沿包底流动的液流布置的排列 成列的吹氩孔口，向中间包内吹氩，吹入的氩气泡在中间包内钢液中 产生一道“气幕”。气幕挡墙代替中间包内的挡渣堰或挡渣坝均可 以有效延长钢液的停留时间，促进夹杂物上浮去除，其中代替坝时， 效果更显著，同时由于气幕挡墙本身对钢液的污染少因此该技术在 生产洁净钢时有很大的

12、应用潜力。通过埋设于中间包底部的透气管或 透气梁向钢液中吹入的气泡，与流经此处的钢液中的夹杂物颗粒相互 碰撞聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动， 从而达到净化 钢液的目的。德国NMSG公司的应用结果表明与不吹气相比， 50200m大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物的去除效率增加 50%，本溪钢厂中间包底吹氩试验证实：底吹氩形成的气幕挡墙对夹杂物去除效果明显，同不吹氩相比，铸坯中夹杂物数量下降50%,而且未观察到30-50山的夹杂物问。3.2电磁技术321 电磁制动（EMBR利用电磁制动技术控制结晶器内的流场， 去除非金属夹杂物已经 引起了国内外学者的重视并取得了初步的进展914:1）电

13、磁制动作用于浸入式水口可以减小钢液偏流；2）电磁制动作用于结晶器中浸入式水口出口流股上可以减缓其 速率，扩大非金属夹杂物的上浮区；3）电磁制动作用于弯月面区域对钢液的运动起抑制作用，磁感 应强度越大，这种趋势越强；拉速提高，电磁场对弯月面区域钢液运动的抑制作用更好。3.2.2 电磁搅拌（EMS交变电磁场可在液体金属中产生电磁驱动力， 根据此原理开发的 连铸电磁搅拌技术使钢液产生强制流动，使铸坯的高温区与低温区充 分混合，加快过热度的导出，并折断树枝晶，增加结晶核心及等轴晶 数量，从而改善凝固组织，加快钢中夹杂物的去除，提高铸坯质量， 能够使显微夹杂和宏观夹杂都得到明显改善15-17。按搅拌位置

14、，电磁 搅拌可分为结晶器电磁搅拌（M-EMS、二冷区电磁搅拌（S-EMS和 凝固末端电磁搅拌（F-EMS 18。3.2.3 电磁连铸（EMC采用电磁连铸时作用于铸坯壳上的电磁力可使坯壳与结晶器钢 板不接触从而降低铸坯壳与铜板之间的传热，即冷却降低 , 这样防止 了振痕的产生也能防止夹杂物和气泡的富集 , 由于没有振痕且可以防 止纵裂纹的产生 19 。3.3 过滤器技术JMStemper 用 A1203 做成的过滤网和蜂窝状过滤器过滤不锈 钢和低碳钢均取得了明显效果。 市桥弘行对氧化铝、 氧化锆过滤器进 行了研究认为：夹杂物的去除率与过滤器的材质、网眼直径、过滤器 厚度及钢水流速有关。梅泽一诚

15、20 发现：钢水流速在 6cm sec 以上 时，随着钢水流速的增加， 阻挡效果和惯性冲击效果提高了夹杂物的 去除效果。美国SELEE钢铁公司21研制的过滤器应用于中间包上， 可 经受5515 h的冲刷与侵蚀，连铸钢水达 330t去除总氧效率为 40%80%。国内董履仁、叶荣茂22对钢水过滤器进行的研究取得了 较好的效果。宝钢在多年生产经验的不断积累中， 逐步开发了多柱面组合式中 间包钢水过滤器， 为了增加钢水回流，促进夹杂物与钢水的分离， 防止夹杂物在过滤柱聚集后堵塞钢水通道， 过滤柱的截面形式有五种 形式。这种过滤器一方面通过增加过滤器单位体积与钢水接触的比表 面积，提高夹杂物与过滤体碰撞

16、的机率， 另一方面通过过滤柱的结构 形式以及过滤柱的排列形式的优化， 改善中间包钢水流经过滤器时的 流动形态，促进夹杂物与钢水分离，从而净化钢水 。当钢水通过过 滤柱时被分割成许多较细小的钢流， 靠近柱子的边界处形成了层流流 动，夹杂物进入此层流边界时流速减慢，由于速度差异较大，被吸附 在柱体表面， 随着吸附量的增加而逐渐长大。 长大后的大型夹杂物颗 粒被钢流冲掉而上浮到中间包表面被覆盖剂所吸收。 另外，钢水从过 滤柱圆面流过， 易在背后的平面或凹面形成回流， 回流是促进夹杂物 和钢水分离的最有效形式， 而凹面或平面则是被吸附的夹杂物容易停 留和聚集的场所， 且不易被钢水冲刷带走。 随着吸附量

17、的增加逐渐长 大，长大后的大型夹杂物颗粒才有可能被钢水回流流冲下， 上浮到中 间包表面被覆盖剂所吸收。这种技术有如下特点 23 ：(1) 中间包过滤器对酸性夹杂物 A1203 有选择性，经过过滤器后A1203有明显下降；(2) 经过过滤器后，大型夹杂物基本被去除，只有小型夹杂物弥 散在机体里：(3) 中问包过滤器在低碳铝镇静钢浇铸时，对氧及氮的去除有效 果，但不明显。3.4 渣洗技术 渣洗通过控制炉渣成分处理钢液，是最早出现的二次精炼方法24 。由于精炼渣可以吸附夹杂物，为了保证渣洗的效果，一般要进行 搅拌。渣洗通常与其它工艺操作配合使用。3.5 超声处理技术超声波具有独特的声学效应 , 在金

18、属的凝固过程中引入超声波 可以使金属的凝固组织由粗大的树枝晶转变为均匀细小的等轴晶 , 同时金属的宏观和微观偏析得到改善 . 在进行超声波处理金属 熔体细化其凝固组织研究的同时 , 很少有人注意到超声波对金属熔体夹杂物的作用以及超声波作用下金属液中细小、 弥散分布的微小夹 杂物对改善金属质量所起的作用 32- 34 .李杰等在实验条件下利用超声波的空化效应研究了超声波功率的变化对加稀土的高碳钢液中夹杂物的作用探讨了超声波作用于高碳钢液中夹杂物的机理 , 实验结果表明 35 1) 随超声波功率的提 高, 高碳钢中的总氧量明显降低 , 超声波功率增大到一定程度 , 钢 中总氧量不再明显降低反而有所

19、增加 . ( 2) 超声处理可以明显弥散、 细化高碳钢中的夹杂物 . 随着超声波功率的增加 , 高碳钢中的夹杂 物平均直径明显减小 , 夹杂物的当量个数明显增多 . ( 3) 加稀土高 碳钢中夹杂物当量个数增多、 平均直径减小是超声空化产生的瞬时局 部高温熔蚀、高压冲击波侵蚀及声流效应的共同作用 ; 钢中总氧含量 的降低、夹杂物的去除是由于超声空化产生的空化气泡长大、 上浮溢 出钢液面 , 同时黏附钢中夹杂物的结果 .申永刚等 36 在实验室条件下研究了超声处理去除夹杂物的可能 性以及对细化夹杂物的影响， 实验结果表明， 超声波单独处理高温钢 液时, 钢中夹杂物的去除率较低 , 去除率为 4%

20、 12% ; 随着超声波 处理时间的增加 , 钢中夹杂物的数量有减少的趋势 ; 随着超声波功 率的增大 , 由于空化效果显著 , 夹杂物细化更明显 , 使夹杂物的去 除率降低4 结束语随着氧化物冶金工艺和纯净钢产品的开发 , 对钢中非金属夹杂 物的去除技术提出更高的要求。单一的去除技术可能将无法满足要 求。在冶炼、精炼及连铸过程中 , 将各种夹杂物去除技术进行合理组 合, 最有效地发挥各自的优势 , 实现多功能精炼 , 将成为未来去除非 金属夹杂物的主要方向。参考文献l 陈家祥. 钢铁冶金学(炼钢部分) . 北京：冶金工业出版社， 1999：124-129,l 张鉴. 炉外精炼的理论与实践 M

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