鋼中氧化物夾雜的來源及控制

江蘇科技大學課內(nèi)論文鋼中氧化物夾雜的來源及控制江蘇科技大學冶金與材料學院摘要簡述了鋼中氧化物夾雜的種類、來源和控制方法，加鋁脫氧工藝析出的一次脫氧產(chǎn)物的去除方法是解決問題的主要方法。對于對氧含量要求高的鋼種，加入變性劑使氧化物夾雜改性是必要手段。關鍵詞氧化物夾雜深脫氧吹氬變性劑隨著科學技術的進步，各行各業(yè)對鋼材性能和質量的要求越來越高。純凈鋼的市場需求不斷增加，關于純凈鋼生產(chǎn)技術的研究也越來越深入[1]。其研究主要包括兩方面內(nèi)容：一是提高鋼的純凈度，二是嚴格控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)。而非金屬夾雜物中，氧化物夾雜是最主要的部分，其分類如圖1所示[2]。簡單氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。在鑄鋼中,當用硅鐵或鋁進行脫氧時,SiO2和Al2O3夾雜比較常見。Al2O3在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。復雜氧化物,包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,以及鈣的鋁酸鹽。硅酸鹽夾雜也屬于復雜氧化物夾雜,有2FeO·SiO2(鐵硅酸鹽)、2MnO·SiO2(錳硅酸鹽)和CaO·SiO2(鈣硅酸鹽)等。這類夾雜物在鋼的凝固過程中,由于冷卻速度較快,某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結晶,其全部或部分以玻璃態(tài)的形式保存于鋼中[2]。明確氧化物夾雜的來源并探討其控制方法對于二次精煉以及純凈鋼冶煉來說十分重要。圖1氧化物夾雜的分類1氧化物夾雜的危害鋼中O與Ai、Si、Cr、Mn、Fe等元素反應，可形成Al2O3、SiO2、Cr2O3、MnO、Fe2O3、FeO氧化物和FeO·Cr2O3等復雜氧化物夾雜。鋼中氧化物和硅酸鹽的存在,破壞了鋼基體的連續(xù)性并導致了應力集中，從而降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。一方面增強鋼的力學性能的方向性使橫向性能惡化；另一方面使鋼的切削加工性能下降,而且很難拋光。一些鋼材的表面的翻皮、結疤、凹凸不平以及裂紋等缺陷均與鋼中的氧化物夾雜物有關，其主要是SiO2·FeO·Al2O3和鈦的氧化物。2氧化物夾雜的來源及形成方式2.1氧化物夾雜的來源氧化物夾雜的來源主要由以下三個方面：（1）在連鑄前，當向鋼液中加入硅、錳、鋁或碳等脫氧劑來降低溶解氧時產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)物。根據(jù)加人脫氧劑的類型、數(shù)量和鋼液靜壓力，脫氧產(chǎn)物可能為固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。鋼液的溫度決定了氧化物夾雜的化學穩(wěn)定性。隨著溫度的降低，越來越多的脫氧產(chǎn)物從鋼液中析出。它們的成分決定于脫氧產(chǎn)物形成時的溫度和鋼水成分。夾雜物在脫氧過程中的生成是不可避免的，隨著溫度的降低夾雜物也還會繼續(xù)生成直到鋼液全部凝固。鋼中析出的氧化物夾雜主要來自三部分[3]：1)是在煉鋼溫度下合金化和鋁終脫氧時析出的脫氧產(chǎn)物，稱為一次脫氧產(chǎn)物。2)鋼水從精煉溫度冷卻至液相線溫度過程中析出的脫氧產(chǎn)物，稱為二次脫氧產(chǎn)物。3)鋼水從液相線溫度冷卻到固相線溫度過程中析出的脫氧產(chǎn)物，稱為三次脫氧產(chǎn)物。在某一溫度下，如果鋼液暴露于空氣中或耐火材料本身不穩(wěn)定會使鋼液發(fā)生二次氧化。在一定溫度下，以降低鋼液中的溶解氧為目的所產(chǎn)生的氧化物夾雜的成分比較穩(wěn)定。（2）在煉鋼過程中，由于鋼液或渣對耐火材料的化學或熱侵蝕作用，耐火材料中的一些組元會進入鋼中或與鋼液發(fā)生反應會生成夾雜物，固態(tài)耐火材料顆鋼液的氣泡數(shù)量越多，去除夾雜物的數(shù)量也越多。而吹氬產(chǎn)生的氣泡尺寸主要決定于吹氬流量或吹氬強度。吹氬流量越大，氣泡脫離吹氣元件時的尺寸越大。因此采用低強度吹氬并適當延長凈化吹氬時間有利于夾雜物的去除，或采用多個吹氣元件同時吹氬，可在有限的凈化吹氬時間內(nèi)向鋼液中吹入更多的小氣泡。圖2夾雜物和氣泡尺寸對夾雜物碰撞氣泡概率的影響3.3夾雜物變性處理在鋼中加入少量變性劑，改變非金屬夾雜物的結構、組成和形態(tài)，從而改變其性質鋼中非金屬夾雜物是不可能完全消除的，在盡量降低其在鋼中含量的同時，科學地控制夾雜物的類型、尺寸、分布和形態(tài)，盡量降低其對鋼材質的危害就是變性處理的目的。由于鋼中夾雜物的組成、結構等不同，在各種溫度下的塑性情況也不相同，常用相對變形率表示其差異：v=ε1/ε2。式中v為相對變形率；ε1為夾雜物的形變量;ε2為基體的形變量。鋼中Al2O3夾雜物呈脆性，加工時破碎成鏈狀或串狀。有些夾雜物塑性很好，加工時沿加工方向延伸成長條狀、片層狀，此為塑性夾雜物，如含SiO2不高的硅酸鹽，它們的存在成為鋼材縱、橫向機械性能差異的主要原因。夾雜物變性處理能使夾雜物球化或接近球狀，這樣可使鋼材的各向異性差別減小或基本消除。鋼材中變性處理后的夾雜物消除了有尖角、銳角的一類夾雜物，減少了引起應力集中和產(chǎn)生微裂紋的可能性，由于應力集中引起的應力腐蝕也隨之降低。并能改善鋼材的疲勞壽命，延長切削刀具的加工壽命。而高熔點的夾雜物經(jīng)變性處理后則變成低熔點的在澆注溫度下仍為液態(tài)的夾雜物，澆鑄時不再堵塞水口，有利于連鑄的順利進行。常用的變性劑為鈣合金，稀土合金。用含鈣合金(如CaSi)進行鈣處理使夾雜物得以變性。鈣及其合金是常用的夾雜物變性處理劑。鈣合金在鋼液中熔化后，鈣與鋼液中的氧化物夾雜物接觸起反應，待溫度達到一定高度時鈣氣化成鈣氣泡，鈣氣泡中的Ca溶解于鋼液成為溶解[Ca]，并與鋼液中的氧及Al2O3夾雜物反應；由于鋁脫氧鋼中溶解的氧并不很高，因此鈣與鋼中大量分散的Al2O3發(fā)生反應并使Al2O3夾雜表面的CaO含量的升高，出現(xiàn)液態(tài)nCaO·mAl2O3層，此液態(tài)層不斷增加，最終改變了Al2O3夾雜的組成，成為12CaO·7Al2O3，或3CaO·Al2O3夾雜物。這兩種夾雜物在澆注溫度下由于熔點低都是液態(tài)的，它們在凝固時按最小界面能原理成為球狀。此球形夾雜物在鋼加工過程中不變形也不破碎仍為球狀，也即把鋼中鏈狀或串狀，多邊形帶棱角的Al2O3夾雜物改變?yōu)榍驙罨蚪咏驙畹拟}鋁酸鹽夾雜，使鋼材性能得到了改善。因此，對夾雜物要求很高的鋼種，如管線鋼等，在精煉深脫氧后必須使用變形劑以保證精煉的效率。4結語本文分析了鋼中氧化物夾雜物的種類、對鋼性能的影響、夾雜物的來源和產(chǎn)生方式以及對鋼中氧化物夾雜的控制原理措施。氧化物夾雜作為鋼中非金屬夾雜的主要形式，主要是二次精煉的脫氧產(chǎn)物，其次是機械夾入。機械夾入是可以避免的，但要求鋼中氧含量低就必須使用脫氧劑因而不可避免會產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物，因此對脫氧產(chǎn)物氧化物夾雜的去除是首要考慮問題。去除氧化物夾雜的方法有吹氣上浮和加入變性劑對夾雜物改性時其不會對鋼的機械性能產(chǎn)生影響?？傊?鋼中非金屬夾雜物含量雖然微小,但它對鋼的性能影響極大,所以必須對它進行檢測和研究。不同類型的氧化物夾雜物對其影響是不同的。因此我們今后研究的重要方向將是：有效降低鋼中非金屬夾雜物方法。而生產(chǎn)出非金屬夾雜物少的潔凈鋼或控制非金屬夾雜物的性質和形態(tài),這是冶煉和澆注過程中的一個關鍵問題。參考文獻[1]潘秀蘭，郭艷玲，王艷紅.國內(nèi)外純凈鋼生產(chǎn)技術的新進展.鞍鋼技術，2003，(5)：1-5[2]尹安遠，吳素君.鋼中非金屬夾雜物的鑒定.理化檢驗-物理分冊，2007，43：395-398[3]閆紹維.鋼中非金屬夾雜物來源系統(tǒng)研究.河北理工大學碩士學位論文.2007:7-8[4]董履仁，劉新華.鋼中氧化物夾雜控制.鋼鐵，1988，23（2）：51-57[5]HsiaoTse-Chiang，etal.，F(xiàn)luidFlowinLadles—ExperimentalResults.Scand.JournalofMetallurgy，1980，9：105[6]WangLaihua，etal.PredictionoftheOptimumBubbleSizeforInclusionRemovalfromMoltenSteelbyFlotation.ISIJInt.，1996，3（1）：[7]PanWei，UemuraK-IandKoy