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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Cu2 O 等。在铸钢中, 当用硅铁或铝进行脱氧时, SiO2 和Al2 O3 夹杂比较常见。A l2O3 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 8 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，固态耐火材料颗粒脱落进入钢中也会形成夹杂物。 （3）当钢渣界面的钢液流动速度大于卷渣的临界剪切流速时，覆盖渣会以渣滴的形势卷入钢水中。临界剪切速度的大小决定于渣的密度、黏度和表面张力。 2.2氧化物夹杂的形成方式 对于不同类型的氧化物夹杂，产生的条件和形成的方式也不同，主要由以下几个方面[4]： （1）简单氧化物类：如常见的SiO2主要由浇注填料河沙或耐火材料在高温冲击下脱落夹入形成；Al2O3在镇静钢中是脱氧产物或者在深脱氧精炼中由于聚集上浮条件不足而在钢中产生细微夹杂；而（Fe,Mn）固溶体多出现在沸腾钢中。 （2）尖晶石：作为钢中最常见的夹杂物，FeO·Al2O3，MnO·Al2O3等铝尖晶石多出现在半镇静钢或镇静钢中，是非平衡状态下的脱氧产物；镁尖晶石MgO·Al2O3是钢中铝与悬浮炉渣反应产物，在电炉内它往往和钙铝酸盐混合在一起。 （3）硅酸盐：一般的硅酸盐夹杂由硅脱氧产生；铝硅酸盐多为钢水热冲击耐材带入钢中并与钢液钢渣作用生成；钙和镁硅酸盐除去炉渣中硅酸钙外，是炉渣侵蚀碱性炉衬的产物，而后被滞留在钢中；复杂硅酸盐，通常包含SiO2,FeO,MnO,Al2O3,CaO和MgO等氧化物。随着组成和冷却条件不同，这些硅酸盐既可以是玻璃体也可以是镶嵌着固体结晶相的复合体。 3 氧化物夹杂的控制 在氧化物夹杂的控制方面主要控制的是脱氧产物，而由于卷渣，炉渣冲刷耐材等方面的操作问题只要设备调整良好，操作正确，提高耐材质量是可以避免的。在转炉过程中主要以硅作为脱氧剂，在二次精炼中，往往用铝作为深脱氧剂，因此产生的氧化铝、二氧化硅及其硅酸盐夹杂的去除是氧化物夹杂控制的主要内容。 3.1 钢液环流对夹杂物去除的影响 钢包吹氩时，钢液存在环流和上升流，按照全浮力模型，钢渣界面下钢流的最大水平速度等于钢/气流股中心线上的最大流速[5]。由钢液流动的上升速度公式，钢液环流速度公式和Stocks公式（夹杂物自由上浮公式），当钢液平循环流速远大于夹杂物自由上浮速度时，不能通过夹杂物自由上浮来实现夹杂物的有效去除。 上面公式中： α———钢/气泡混合流股中气泡体积百分比/ %； Q———氩气流量/m3·s- 1； H———钢液深度/m； R———钢包内半径/m； ρm、ρP———分别为钢液和夹杂物密度/g·cm- 3； g———重力加速度/ dyn·g- 1； dp———夹杂物直径/ cm； ηm———钢液粘度/ g·（cm·s）- 1 3.2 钢包吹氩时氩气泡对夹杂物的浮选作用 钢包吹氩条件下钢中固相夹杂物的去除主要依靠小气泡的浮选作用，即夹杂物与小气泡碰撞并粘附在气泡壁上，然后随气泡上浮而去除。夹杂物被气泡俘获的概率 P 等于夹杂物与气泡碰撞的概率PC 和碰撞发生后夹杂物粘附于气泡上的概率 PA 的乘积[6]，即：P = PC·PA。 文献表明通过水模型研究发现当固体颗粒与溶液的接触角大于 90º时，几乎所有到达气泡表面的颗粒都能粘附在气泡上，而且与接触角的大小无关[7]。当接触角小于90º时，粘附率随接触角的减小锐减。Al2O3 和 SiO2 与钢液的接触角分别为 144º和 115º，表明它们不被钢液润湿，因此很容易粘附在钢中的气泡上。因而钢中夹杂物的去除效率主要决定于它们与气泡的碰撞概率 PC，PC 是夹杂物尺寸和气泡尺寸的函数，见图 2[6]。图 2表明大颗粒夹杂物与气泡的碰撞概率远远大于小颗粒夹杂物与气泡的碰撞概率。对钢包吹氩去除夹杂物的效率ηN 的分析表明，夹杂物被气泡俘获后的去除效率决定于吹入钢液中的气泡数量和气泡尺寸[8]。气泡尺寸越小，夹杂物被气泡俘获的概率也越大，ηN 也就越大；吹入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] Hsiao Tse-Chiang，et al. ，Fluid Flow in Ladles—Experimental Results. Scand. Journal of Metallurgy，1980，9：105 [6] Wang Laihua，et al. Prediction of the Optimum Bubble Size for Inclusion Removal from Molten Steel by Flotation. ISIJ Int. ，1996，3（1）： [7] Pan Wei，Uemura K-I and Koyama S. Cold Model Experiment on Entrapment of Inclusions in Steel by Inert Gas Bubble. Tetsu-to-Hagane，1992，78（8）：1 361 [8] 薛正良，李正邦，张家雯. LF 钢包精炼过程中的脱氧. 武汉科技大学学报，2001，24（2）：111