鋼中夾雜物的產(chǎn)生與去除途徑

1、鋼中夾雜物的產(chǎn)生與去除途徑李振旭鋼中夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量的影響越來越受到重視，怎樣減少鋼中夾雜物對(duì)鋼材性能的影響， 各大院校、鋼鐵研究機(jī)構(gòu)有很多研究成果及文獻(xiàn)。生產(chǎn)清潔鋼有很多措施與手段，在此不作 詳細(xì)介紹，我想就電弧爐單設(shè)備冶煉，結(jié)合很多的文獻(xiàn)作一下具體分析與驗(yàn)證。鋼中夾雜物的來源無非有兩大類：一、外來夾雜。二、內(nèi)生夾雜。外來夾雜是由原材料、爐渣、耐火材料等引起的。如煉鋼的廢鋼帶入的泥沙、鉛鋅砷銻金必等， 出鋼時(shí)鋼液混渣，爐襯、出鋼槽、盛鋼桶等耐火材料的侵蝕、沖刷剝離等造成的。內(nèi)生的夾雜物是由脫氧產(chǎn)物、析出氣體的反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成的。一般脫氧產(chǎn)物稱為一次夾雜。二 次夾雜為鋼液從澆注溫度下降到液相線，由于

2、溫度下降氣體的溶解度下降析出而產(chǎn)生的夾雜 物。三次夾雜是金屬在固相線下由于結(jié)晶而產(chǎn)生的。四次夾雜是結(jié)晶完成后到常溫過程中由 于發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的。由此可以看出鋼中的夾雜物大部分是一次夾雜和二次夾雜。外來夾雜通過現(xiàn)場(chǎng)管理及使用優(yōu)質(zhì)耐火材料是可以控制或減少的，三、四次夾雜是無法消 除的，故此不做討論。重點(diǎn)討論一二次夾雜的產(chǎn)生與去除。鋼在熔煉的過程中為了去除由原料帶入的雜質(zhì)及有害元素，往往采取氧化法冶煉。利用 碳氧沸騰來增加熔池的動(dòng)能，通過一氧化碳的排出將熔于鋼液中的氣體及夾雜物去除，氧化 以后鋼液得到凈化。但當(dāng)氧化結(jié)束以后，鋼液中存在較多的溶解氧及氧化鐵，這種鋼液在澆 注時(shí)會(huì)因氣體含量高而引起冒

3、漲而導(dǎo)致無法使用，那么就要對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧操作。目前脫氧 主要有沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧及兩種方法結(jié)合的綜合脫氧法。硅鐵、錳鐵是目前最常用的脫氧 劑，其他的有鋁、硅鋁鐵、硅錳合金、硅鈣合金、硅鈣鋇、硅鋁鋇、硅鎂、鎳鎂合金混合稀 土等等。用于擴(kuò)散脫氧的有碳粉、硅鐵粉、硅鈣粉、鋁粉、碳化硅粉等。作為沉淀脫氧劑的 硅鐵、錳鐵等直接加入鋼液，它的脫氧產(chǎn)物是SIO2和MnO,MnS等，用鋁作為終脫氧劑脫氧 其產(chǎn)物是AI2O3,其中一部分會(huì)上浮排除，當(dāng)然還會(huì)有部分存在于鋼液中，造成氧化物夾雜。 另一方面，由于鋼液中存在少量的氮、硫、磷、氫、氧，他們也會(huì)與鐵等元素發(fā)生反應(yīng)生成 非金屬夾雜物。分為硫化物、氧化物、氮化

4、物，如FeS、MnS、SIO2、VN、AIN、TIN等，簡(jiǎn) 單氧化物MnO、FeO、AI2O3等，復(fù)合氧化物FeO.MnO,FeO.AI2O3還有鐵硅酸鹽、錳硅酸鹽 等。鋼中夾雜物的形態(tài)特征：內(nèi)生夾雜物的特點(diǎn)是顆粒小、分布較均勻。硫化物一般為網(wǎng)狀、 也可以呈細(xì)長(zhǎng)針狀，呈網(wǎng)狀的硫化物易引起熱脆性，三氧化二鋁夾雜往往呈簇狀或串鏈狀。 硫化鈣、鋁酸鈣及尖晶石類硅酸鹽為點(diǎn)狀不變形夾雜。硫化物夾雜在軋鋼中表現(xiàn)為沿軋制方 向的帶狀物。二氧化硅或含二氧化硅高的硅酸鹽類夾雜一般呈球狀不變形物。但如果想要知 道究竟是哪一類夾雜要依靠EPMA （電子探針）掃描電鏡和自帶能譜分析儀（SEM、EDS） 的幫助。為了減

5、少鋼中夾雜物的數(shù)量，控制夾雜物的形成、形態(tài)及分布很重要，為此眾多的 研究及技術(shù)人員加入研究之中。首先從脫氧方法、脫氧工藝入手，通過優(yōu)化脫氧工藝，改變 傳統(tǒng)的脫氧方法，采用新的脫氧劑、發(fā)展?fàn)t外精煉等手段，使純凈鋼的冶煉得到很大發(fā)展。一般的脫氧程序是：加入硅鐵、錳鐵沉淀脫氧，然后加碳粉、碳化硅、或硅鐵粉、硅鈣 粉等擴(kuò)散脫氧，出鋼時(shí)用鋁終脫氧。這種方式易產(chǎn)生二氧化硅、三氧化二鋁等夾雜。用鋁作為終脫氧劑，也稱深脫氧。他的優(yōu)點(diǎn)是脫氧較充分，尤其是鋼液中Mn=0.66%， SI=0.17%時(shí)（錳硅比大約為4）鋁的脫氧能力提高5-10倍。同時(shí)殘鋁可以起到固氮的作用， 生成的AIN起到強(qiáng)烈細(xì)化晶粒的作用，可以

6、顯著提高鋼的性能、特別是韌性指標(biāo)。另外鋼中 含有部分殘鋁，可以防止鋼液的二次氧化，特別是硅的二次氧化，為了充分利用他的優(yōu)點(diǎn)， 往往要求鋼中的酸熔鋁AIS為0.02-0.05%，而鋼中殘鋁大于0.010%則被視為過度鋁脫氧。 它的脫氧產(chǎn)物是AI2O3,其顆粒非常細(xì)小，熔點(diǎn)達(dá)2050C,在煉鋼溫度下呈固態(tài)，它的可塑 性差、不變形。如果形成顆粒較大的鋁酸鈣可以上浮排除，但細(xì)小顆粒的氧化鋁則留于鋼液 中。鑒于此，在還原期及出鋼前的爐渣中保持一定數(shù)量的三氧化二鋁，以增強(qiáng)爐渣對(duì)氧化鋁 的吸附能力是必要的。同時(shí)，對(duì)過量鋁脫氧鋼采取鈣處理（喂硅鈣線），來改變AI2O3形態(tài)， 經(jīng)鈣處理后AI2O3夾雜變?yōu)殁}長(zhǎng)石

7、（CaO.AI2O3.SIO2）其熔點(diǎn)為1200-1400C，在鋼液中 呈液態(tài)易上浮。這一方法稱輕鈣處理。如果加鋁量大，則需重鈣處理，使氧化鋁變?yōu)橐簯B(tài)鋁 酸鈣。但鈣處理前應(yīng)控制鋼液硫含量小于0.010%。當(dāng)S=0.010.015%時(shí)用鈣處理時(shí)有硫化 鈣產(chǎn)生。當(dāng)S=0.030.04%時(shí)，用鈣處理首先會(huì)產(chǎn)生硫化鈣，造成硫化鈣夾雜。用重鈣處理 要計(jì)算好用量，因?yàn)殁}的溶解度很小，避免鈣過量產(chǎn)生中間產(chǎn)物（CaAI2、CaAI6）。有報(bào)道 稱，用鋁終脫氧的鋼，加鈣處理靜置兩分鐘后，夾雜物總量可以減少60-70%、且形態(tài)為I 型，全氧含量可下降到0.002%以下。（氧含量分為兩種，一是溶解氧，另一種是全氧。

8、全氧 是指鋼液中全部氧化物中的化合氧加溶解氧的總和。氣體含量是指溶解量。）根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算1873K（1600C）時(shí)，酸熔鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.020.05%時(shí)殘鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 應(yīng)大于18X10-6，最好控制在31X10-6。通過計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明噸鋼鈣的加入量為 149.1171.5克，夾雜物的變性效果好。如超過185.4克，隨加入量的增加，殘鈣量降低、 鈣的收得率也降低，但夾雜物的變性效果差。如果硅鈣線為直徑13 mm的鐵包芯線，鐵粉比為1:1.36,每米重380克,鈣含量28%,每米含純 鈣61.3克,那么噸鋼需喂硅鈣線2.4-2.8米效果最好。也可以插鋁0.5 kg/噸鋼，加硅鈣鋇 合金2-2.

9、5 kg/噸鋼。除了采取由單一脫氧劑如硅鐵、錳鐵改為復(fù)合脫氧劑如硅錳合金外，在終脫氧劑的選擇 上也由單純的鋁改為硅鋁鐵、硅鋁鋇、硅鈣鋇及鋇鎂合金等。用硅鋁鋇脫氧，其中的鋇能提高硅、鋁的脫氧能力，其脫氧產(chǎn)物更易上浮，由于鋇的變 性作用，夾雜物的總量降低3040%。用硅鈣鋇終脫氧較硅鋁鋇有更好的效果。其中的鈣、 鋇起到使夾雜物雙重變形的效果。通過采取脫氧控制及合成渣精煉相結(jié)合的夾雜物成分及形 態(tài)控制技術(shù)，能減少鋼中有害夾雜數(shù)量，縮小氧化物夾雜的粒徑。前面講過，鋼中的二次夾雜是鋼液由澆注溫度下降到液相線時(shí)，由于氣體的溶解度大幅 下降，熔于鋼液中的氣體析出，在析出的過程中氣體與鋼液中的包括鐵在內(nèi)元素發(fā)

10、生反應(yīng)產(chǎn) 生的夾雜物。那么去除此類夾雜唯一的方法就是盡最大可能降低鋼液中的氣體。除了氧化期 利用氧化沸騰去除氣體外，還原期所使用的材料，包括鐵合金、造渣材料、脫氧劑等必須充 分烘烤或干燥。因?yàn)樗质前l(fā)氣量非常大的物質(zhì)，每克水在大于100 C過熱、氣化完全時(shí)， 產(chǎn)生的氣體體積是550毫升。另外還原期控制溫度及造渣，避免鋼液吸氣同樣重要。過高的 溫度和爐渣堿度都會(huì)增加鋼液的吸氣傾向。出鋼要求鋼渣混出的目的除了脫硫和渣洗去夾雜 外，他的另一個(gè)作用就是隔氣和減少二次氧化。另外，選擇合適的還原渣系，對(duì)于夾雜物的去除有重要意義。通常采用的脫氧劑是硅錳 合金或硅鐵、錳鐵，擴(kuò)散脫氧劑有硅鐵粉、硅鈣粉，終脫氧劑

11、一般選用鋁，其脫氧產(chǎn)物是二 氧化硅、硅酸鹽、三氧化二鋁、鋁酸鹽等。如果還原渣的性質(zhì)、成分與其相去甚遠(yuǎn)，那么爐 渣對(duì)脫氧產(chǎn)物不具有親和力。如果爐渣的成分性質(zhì)與脫氧產(chǎn)物的性質(zhì)成分接近，由于其電子 數(shù)接近，脫氧產(chǎn)物吸附在爐渣上的能力是很強(qiáng)的。例如，爐渣中保持一定數(shù)量的三氧化二鋁， 對(duì)于去除鋁脫氧鋼的夾雜效果明顯。對(duì)于這一點(diǎn)可以在電渣重熔中得到證實(shí)。一般生產(chǎn)上常 用的重熔用渣為CaF2-70%、-AI2O3-30%，這一渣系對(duì)去除三氧化二鋁的效果是最好的， 經(jīng)過重熔后的鋼，硫含量及三氧化二鋁夾雜都非常低。電渣重熔的原理同時(shí)也佐證了鋼渣混 出、渣洗去夾雜的重要意義。稀土合金的使用越來越受到重視。它的作用

12、有很多，其中它與氧、氫有很強(qiáng)的親和力， 它可吸氫、脫氧，與氧形成稀土氧化物，與硫形成稀土硫化物，這兩種氧化物都可以很容易 的從鋼液中排出，它對(duì)減少鋼中的氣體及夾雜物貢獻(xiàn)是很大的，同時(shí)它可以改變夾雜物的形 態(tài)與分布，可以將多角形的夾雜變?yōu)榍蛐?，減少應(yīng)力的產(chǎn)生，減少裂紋的產(chǎn)生及夾雜物的危 害。如果采取LF精煉加真空脫氣處理，鋼液的氣體含量會(huì)有明顯的下降。冶煉潔凈鋼部分 鋼廠采取的工藝路線是：電弧爐熔煉一一LF精煉-真空脫氣處理。鋼包簡(jiǎn)單吹氬，工藝 得當(dāng)會(huì)有一定的效果。在去氣的同時(shí)也會(huì)使脫氧產(chǎn)物隨氬氣泡上浮排除。所以對(duì)于減少鋼中 的一次夾雜和二次夾雜是有很大幫助的。綜上所述:在電弧爐單設(shè)備冶煉對(duì)夾雜

13、物要求嚴(yán)格的產(chǎn)品及重要鑄件時(shí)，為了減少夾雜 物的數(shù)量，控制它的形態(tài)分布應(yīng)采取的工藝路線：氧化沸騰（脫碳量、脫碳速度要達(dá)到）-采用復(fù)合脫氧劑及擴(kuò)散脫氧-加稀土凈化- 加硅鈣鋇合金終脫氧（或插鋁終脫氧-喂線鈣處理）-吹氬脫氣-鎮(zhèn)靜澆注。通過對(duì)爐號(hào)420-430十個(gè)爐次的觀察，通過采取以上措施后，其夾雜物有非常明顯的 變化-數(shù)量大幅減少、顆粒細(xì)小，一般均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但有個(gè)別爐次效果不明顯，顯然 技術(shù)是成功的，在實(shí)際操作中的過程控制有待加強(qiáng)。另外430型中頻爐，夾雜物不達(dá)標(biāo)，改為堿性爐襯后，通過采取出鋼前脫氧后加稀土凈 化、停電靜置后打渣等措施后，夾雜物有了明顯改善?；具_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。氧化物夾雜所起的作用并非都是有害的，在一定條件下，氧化物可以作為