钢中氧化物夹杂的来源及控制

江苏科技大学课内论文钢中氧化物夹杂的来源及控制江苏科技大学冶金与材料学院摘要简述了钢中氧化物夹杂的种类、来源和控制方法，加铝脱氧工艺析出的一次脱氧产物的去除方法是解决问题的主要方法。对于对氧含量要求高的钢种，加入变性剂使氧化物夹杂改性是必要手段。关键词氧化物夹杂深脱氧吹氩变性剂随着科学技术的进步，各行各业对钢材性能和质量的要求越来越高。纯净钢的市场需求不断增加，关于纯净钢生产技术的研究也越来越深入[1]。其研究主要包括两方面内容：一是提高钢的纯净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。而非金属夹杂物中，氧化物夹杂是最主要的部分，其分类如图1所示[2]。简单氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。在铸钢中,当用硅铁或铝进行脱氧时,SiO2和Al2O3夹杂比较常见。Al2O3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,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[2]。明确氧化物夹杂的来源并探讨其控制方法对于二次精炼以及纯净钢冶炼来说十分重要。图1氧化物夹杂的分类1氧化物夹杂的危害钢中O与Ai、Si、Cr、Mn、Fe等元素反应，可形成Al2O3、SiO2、Cr2O3、MnO、Fe2O3、FeO氧化物和FeO·Cr2O3等复杂氧化物夹杂。钢中氧化物和硅酸盐的存在,破坏了钢基体的连续性并导致了应力集中，从而降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能。一方面增强钢的力学性能的方向性使横向性能恶化；另一方面使钢的切削加工性能下降,而且很难抛光。一些钢材的表面的翻皮、结疤、凹凸不平以及裂纹等缺陷均与钢中的氧化物夹杂物有关，其主要是SiO2·FeO·Al2O3和钛的氧化物。2氧化物夹杂的来源及形成方式2.1氧化物夹杂的来源氧化物夹杂的来源主要由以下三个方面：（1）在连铸前，当向钢液中加入硅、锰、铝或碳等脱氧剂来降低溶解氧时产生的脱氧产物。根据加人脱氧剂的类型、数量和钢液静压力，脱氧产物可能为固态、液态或气态。钢液的温度决定了氧化物夹杂的化学稳定性。随着温度的降低，越来越多的脱氧产物从钢液中析出。它们的成分决定于脱氧产物形成时的温度和钢水成分。夹杂物在脱氧过程中的生成是不可避免的，随着温度的降低夹杂物也还会继续生成直到钢液全部凝固。钢中析出的氧化物夹杂主要来自三部分[3]：1)是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产物，称为一次脱氧产物。2)钢水从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱氧产物，称为二次脱氧产物。3)钢水从液相线温度冷却到固相线温度过程中析出的脱氧产物，称为三次脱氧产物。在某一温度下，如果钢液暴露于空气中或耐火材料本身不稳定会使钢液发生二次氧化。在一定温度下，以降低钢液中的溶解氧为目的所产生的氧化物夹杂的成分比较稳定。（2）在炼钢过程中，由于钢液或渣对耐火材料的化学或热侵蚀作用，耐火材料中的一些组元会进入钢中或与钢液发生反应会生成夹杂物，固态耐火材料颗钢液的气泡数量越多，去除夹杂物的数量也越多。而吹氩产生的气泡尺寸主要决定于吹氩流量或吹氩强度。吹氩流量越大，气泡脱离吹气元件时的尺寸越大。因此采用低强度吹氩并适当延长净化吹氩时间有利于夹杂物的去除，或采用多个吹气元件同时吹氩，可在有限的净化吹氩时间内向钢液中吹入更多的小气泡。图2夹杂物和气泡尺寸对夹杂物碰撞气泡概率的影响3.3夹杂物变性处理在钢中加入少量变性剂，改变非金属夹杂物的结构、组成和形态，从而改变其性质钢中非金属夹杂物是不可能完全消除的，在尽量降低其在钢中含量的同时，科学地控制夹杂物的类型、尺寸、分布和形态，尽量降低其对钢材质的危害就是变性处理的目的。由于钢中夹杂物的组成、结构等不同，在各种温度下的塑性情况也不相同，常用相对变形率表示其差异：v=ε1/ε2。式中v为相对变形率；ε1为夹杂物的形变量;ε2为基体的形变量。钢中Al2O3夹杂物呈脆性，加工时破碎成链状或串状。有些夹杂物塑性很好，加工时沿加工方向延伸成长条状、片层状，此为塑性夹杂物，如含SiO2不高的硅酸盐，它们的存在成为钢材纵、横向机械性能差异的主要原因。夹杂物变性处理能使夹杂物球化或接近球状，这样可使钢材的各向异性差别减小或基本消除。钢材中变性处理后的夹杂物消除了有尖角、锐角的一类夹杂物，减少了引起应力集中和产生微裂纹的可能性，由于应力集中引起的应力腐蚀也随之降低。并能改善钢材的疲劳寿命，延长切削刀具的加工寿命。而高熔点的夹杂物经变性处理后则变成低熔点的在浇注温度下仍为液态的夹杂物，浇铸时不再堵塞水口，有利于连铸的顺利进行。常用的变性剂为钙合金，稀土合金。用含钙合金(如CaSi)进行钙处理使夹杂物得以变性。钙及其合金是常用的夹杂物变性处理剂。钙合金在钢液中熔化后，钙与钢液中的氧化物夹杂物接触起反应，待温度达到一定高度时钙气化成钙气泡，钙气泡中的Ca溶解于钢液成为溶解[Ca]，并与钢液中的氧及Al2O3夹杂物反应；由于铝脱氧钢中溶解的氧并不很高，因此钙与钢中大量分散的Al2O3发生反应并使Al2O3夹杂表面的CaO含量的升高，出现液态nCaO·mAl2O3层，此液态层不断增加，最终改变了Al2O3夹杂的组成，成为12CaO·7Al2O3，或3CaO·Al2O3夹杂物。这两种夹杂物在浇注温度下由于熔点低都是液态的，它们在凝固时按最小界面能原理成为球状。此球形夹杂物在钢加工过程中不变形也不破碎仍为球状，也即把钢中链状或串状，多边形带棱角的Al2O3夹杂物改变为球状或接近球状的钙铝酸盐夹杂，使钢材性能得到了改善。因此，对夹杂物要求很高的钢种，如管线钢等，在精炼深脱氧后必须使用变形剂以保证精炼的效率。4结语本文分析了钢中氧化物夹杂物的种类、对钢性能的影响、夹杂物的来源和产生方式以及对钢中氧化物夹杂的控制原理措施。氧化物夹杂作为钢中非金属夹杂的主要形式，主要是二次精炼的脱氧产物，其次是机械夹入。机械夹入是可以避免的，但要求钢中氧含量低就必须使用脱氧剂因而不可避免会产生脱氧产物，因此对脱氧产物氧化物夹杂的去除是首要考虑问题。去除氧化物夹杂的方法有吹气上浮和加入变性剂对夹杂物改性时其不会对钢的机械性能产生影响。总之,钢中非金属夹杂物含量虽然微小,但它对钢的性能影响极大,所以必须对它进行检测和研究。不同类型的氧化物夹杂物对其影响是不同的。因此我们今后研究的重要方向将是：有效降低钢中非金属夹杂物方法。而生产出非金属夹杂物少的洁净钢或控制非金属夹杂物的性质和形态,这是冶炼和浇注过程中的一个关键问题。参考文献[1]潘秀兰，郭艳玲，王艳红.国内外纯净钢生产技术的新进展.鞍钢技术，2003，(5)：1-5[2]尹安远，吴素君.钢中非金属夹杂物的鉴定.理化检验-物理分册，2007，43：395-398[3]闫绍维.钢中非金属夹杂物来源系统研究.河北理工大学硕士学位论文.2007:7-8[4]董履仁，刘新华.钢中氧化物夹杂控制.钢铁，1988，23（2）：51-57[5]HsiaoTse-Chiang，etal.，FluidFlowinLadles—ExperimentalResults.Scand.JournalofMetallurgy，1980，9：105[6]WangLaihua，etal.PredictionoftheOptimumBubbleSizeforInclusionRemovalfromMoltenSteelbyFlotation.ISIJInt.，1996，3（1）：[7]PanWei，UemuraK-IandKoy