夹杂物分类-来源和降低钢中夹杂物含量的技术措施

夹杂物分类、来源和降低钢中夹杂物含量的技术措施冶093孙苏皖099014200摘要：非金属夹杂物降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏，对钢的强度、延伸性、韧性、切削性、抗腐蚀性能、表面光洁度、焊接性能等各方面的性能有着直接的影响。夹杂物对钢的性能影响的具体程度决定于一系列因素，比如夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布等。关键词：挡渣出钢；中间包污染；二次氧化；结晶器液面波动一．钢中夹杂物的分类分类方法很多，但常见的有以下四种：1．按来源分类，可分为两类：(1)外来夹杂物：耐火材料、熔渣或两者的反应产物混入钢中并残留在钢中的颗粒夹杂称为外来夹杂。包括从炉衬或包衬、或从汤道砖、中包绝热板、保护渣进入钢水中的夹杂物（有人还将钢水二次氧化生成的夹杂物包括在内）。这类夹杂颗粒较大，易于上浮，但在钢中，它们的出现带着偶然性且不规则。(2)内生夹杂物：在冶炼、浇注和凝固过程中，钢液、固体钢内进行着各种化学反应，对于在冶炼过程中所形成的化合物、脱氧时产生的脱氧产物、或在钢水凝固过程产生的化合物，当这些化合物来不及从钢水中彻底排出而残存在钢中者，叫做内在的非金属夹杂物。内生夹杂物形成的时间可分为四个阶段：①一次夹杂（原生夹杂）：钢液脱氧反应时生成的脱氧产物；②二次夹杂：在出钢和浇注过程中温度下降平衡移动时生成的夹杂物；③三次夹杂（再生夹杂）：凝固过程中生成的夹杂；④四次夹杂：固态相变时因溶解度变化生成的夹杂。一般说来外来夹杂物颗粒较大，在钢中比较集中，而内生夹杂物则与此相反。从组成来看，内生夹杂物可以是简单组成，也可以是复杂组成；可以是单相的，也可以是多相的。在铸坯凝固以及随后的冷却过程中，夹杂物不仅与钢基体保持平衡，而且夹杂物本身也不断发生改变，例如析出新的化合物以趋于稳定状态。在轧制或热处理时，每次加热都为夹杂物和钢基体之间趋向平衡提供了条件，在室温下所观察到的夹杂物，实际上是经过了一系列复杂变化的结果。2．按化学成分分类，一般分三类。(1)氧化物：如FeO,Si02,Al2O3等，有时它们各自独立存在，有时形成尖晶石(如MnO.Al203）或固溶体(如FeO和MnO)。(2)硫化物：如FeS、MnS及(Fe.Mn)S的固溶体。当加Al过多时可能以A12S3的形态出现。(3)氮化物：如TiN,ZrN等3．按夹杂物的变形性能分类当钢进行热加工时，例如：轧制时，夹杂物此时是否也变形，它对钢的性能有明显的影响。为此，把夹杂物分为三类：(1)脆性：这类夹杂物完全没有塑性，在热加工时，尺寸和形状都没有变化，属于这一类的主要是A1203、Cr203等，它们属于高熔点的夹杂物。(2)塑性：钢在加工变形时，夹杂物也能随之变形，形成条状，属于这类的有硫化物以及含SiO240--60％的铁、锰硅酸盐。(3)球状（或点状）不变形：属于这类的有Si02及SiO270％的硅酸盐。4．按尺寸大小分类，可分三类：(1)大型：尺寸100微米。(2)中型：也叫显微型，尺寸1-100微米。(3)小型：也叫超显微型，尺寸＜100微米。二．夹杂物对钢质量和性能的影响非金属夹杂物降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。在某些特殊场合下夹杂物也能起到好的作用。夹杂物对钢的性能影响的具体程度决定于一系列因素。在考虑钢中夹杂物对钢的性能影响的时候，应当注意夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布，不同夹杂物与钢基体的连接能力的大小，夹杂物的塑性和弹性系数的大小，以及热膨胀系数、熔点、硬度等几何、化学和物理学方面的因素。（１）夹杂物对强度的影响当夹杂物颗粒比较大（＞１０μｍ），特别是夹杂物含量较低时。明显降低钢的屈服强度，且同时降低钢的抗拉强度；当夹杂物颗粒小到一定尺寸（＜０．３μｍ）时，钢的屈服强度和抗拉强度都将提高。当钢中弥散的小颗粒的夹杂物数量增加时。钢的屈服强度和抗拉强度都有所提高，但延伸率有很小的下降（２）夹杂物对延伸性的影响通常夹杂物对钢材的纵向延伸性的影响不大，而对横向延伸性的影响很显著。横向断面收缩率随夹杂物总量和带状夹杂物数量的增加而显著降低，而带状夹杂物多为硫化物。（３）夹杂物对韧性的影响随硫化物夹杂数量和长度的增加，钢材的纵向、横向冲击韧性、断裂韧性都明显下降…。由于圆柱坯中夹杂物在截面上的分布极为不均，且硫化物夹杂多为带状，因此夹杂物明显降低了管坯的韧性。（４）夹杂物对切削性能的影响球状的硫化物夹杂能显著提高钢材的切削性能，且硫化物颗粒愈大，钢材切削性愈好．Al2O3、Cr2O3、MnO·Al2O3和钙铝酸盐类氧化物夹杂在很大程度上降低了钢材的切削性，但MnO－SiO2－Al2O3系和CaO-SiO2-Al2O3系中某些成分范围内的夹杂物却能提高钢材的切削性。（５）夹杂物对疲劳性能的影响夹杂物都使钢材的抗疲劳性能下降，脆性夹杂比塑性夹杂的影响更大，外来大型氧化物夹杂更明显。（６）夹杂物对抗腐蚀性能的影响硫化物和硫化物复合的某些氧化物夹杂物是钢材造成腐蚀的根源，复合夹杂物的影响更大，而单独的氧化物夹杂不会造成点蚀现象。（７）夹杂物对表面光洁度的影响夹杂物都使钢的表面光洁度下降，氧化物夹杂是最主要的，钢的表面光洁度随夹杂物数量的增加而下降，夹杂物的本性影响不是很大。（８）夹杂物对焊接性能的影响硫化物夹杂和大型氧化物夹杂都使钢材的焊接性能下降。三．夹杂物的来源按钢的冶炼流程，在以下各个环节都有可能引起铸坯产生夹杂物1.转炉出钢下渣挡渣出钢效果相对较差，出钢时带入钢包中的炉渣较多，再加上使用过的钢包有的不太干净，出钢时很多剩渣夹裹在钢水中，污染了钢水。有的炉次吹气精炼不好，直接浇注，脱氧产物及钢水中悬浮的炉渣不能充分上浮，也造成钢水的污染。2.钢包、中间包包衬侵蚀物在生产过程中如果钢包包衬侵蚀物进入钢水，尤其是ＬＦ精炼炉升温时对钢包上部打结料的侵蚀严重，会造成包衬侵蚀污染钢水。大量的中间包填充料（粘土砖粉）和绝热板残块进入钢水也会造成污染，而被中间包填充料污染的钢水极易通过浸入式水口进入结晶器，所形成的夹杂物的尺寸也是最大的，对钢板性能的破坏亦最明显。另外，浇注后期涂料侵蚀透后，中间包打结料侵蚀进入钢水也造成污染。3.钢水二次氧化钢水由大包到中蜘包应采用全程密封保护，但在实际使用中，上部钢流往往暴露与空气中造成二次氧化。还有浇注过程中用氧气烧高压保护箱内壁上的钢瘤等时形成的氧化物极易进入结晶器凝入坯壳。．５．河北理工大学硕士学位论文精炼炉吹氩时，如果片面追求快速降温或缩短精炼时间，会使氩气压力过高，使大包液面翻动过大，一方面造成钢水面裸露二次氧化，另一方面，液面过度翻动使表面渣层裹入钢水，污染钢水。4.中间包污染浇注过程中，上下炉钢水连接时，往往由于生产组织或其它方面的原因，造成连接不好，下炉钢水不能及时再浇，中间包液面过低，上层的渣子随水口涡旋进入结晶器。中间包不干净，杂物及耐火材料碎块也污染钢水。5.结晶器液面波动如果中间包塞棒开闭和拉速调整是由人工控制，结晶器有时液面波动较大，并且前一时期浸入式水口侧孔角度偏小，插入深度经常变化以改变水口渣线的位置，都加剧了结晶器液面的波动，保护渣被钢流冲至水口到侧弧板１／２的位置聚集，并被钢流卷入钢水中，而结晶器面上下波动最易造成铸坯弯月面处初生坯壳皮下裹渣。四．降低夹杂物含量的措施控制钢中非金属夹杂的途径，一是减少冶炼及浇注工艺操作过程中夹杂的产生和外来夹杂对钢水的污染，二是设法排除已存在于钢水中的夹杂物或减轻夹杂物对钢的危害。１．转炉冶炼中夹杂物的控制为了减少生成夹杂物，转炉出钢过程中，采取合理的冶炼制度，这些措施包括：（１）减少补吹并尽量减少下渣量，以降低转炉终点的氧含量；（２）提高转炉终渣ＭｇＯ含量和碱度，减少下渣；（３）采取出钢挡渣、扒渣和炉渣变性；（４）转炉出钢过程中渣沈脱硫，降低钢水硫含量，抑制硫化物央杂危害；（５）利用渣洗过程中液态高碱度脱硫熔渣与钢水重度差，促使熔渣在与钢水充分接触的同时，从钢水内部不同层面上不断上浮析出形成脱氧及脱硫产物，为后续钢水的钙处理创造条件，促进钢中夹杂物交性。２．精炼过程及中间包内的夹杂物控制精炼过程可采取的控制措施包括，真空吹氩搅拌去除夹杂物，加入粉剂进一步去除钢中的杂质元素，钢液中夹杂物的变性，造合适的精炼渣去除夹杂物。中问包可采取的控制措施包括：（１）保证足够的停留时间，使夹杂物充分上浮；（２）采用长水口氩封保护浇注，减少来源于气体的污染；（３）优化中间包钢液流场，促进夹杂物上浮，并可使用过滤器强制吸附夹杂物；（４）用磁旋转离心器，所有比重小的夹杂物和气体受到离心力的作用脱离表面并上浮；（５）使用高碱度覆盖剂吸收夹杂物，造还原性中间包渣，使用碱性耐火材料，降低侵蚀。3.结晶器内的夹杂物控制结晶器内钢液流动状况、拉坯速度、夹杂物粒径、夹杂物停留时问、水口张角等因素都会对夹杂物的去除率产生影响，夹杂物上浮速度随着粒径的增大而增大，随着夹杂物密度的增大而减小。拉速太大会使液面钢渣卷混现象严重，钢液流速加大，使夹杂物上浮去除的凡率减小，因此要确定合适的拉速；增大侵入式水口的插入深度可以避免卷渣的产生下倾水口张角较小时容易产生钢渣卷混现象，下倾水口张角越大，会使钢液中的夹杂物在结晶器内停留的时间越短，去除率也增大。结论：钢中非金属夹杂物含量虽然少，但对钢的性能影响极大，所以必须对它进行定性和定量的检测。根据夹杂物在显微镜下不同的光学特征，可以定性鉴定钢中非金属夹杂物，在结合有关标准和相关微区成分分析可以定量评定夹杂物的级别，综合来判定钢的质量，进而找出规律，改进工艺，尽可能减少有害夹杂物的含量，提高产品质量。参考文献[1]徐祖耀.金属学原理.上海：上海科学技术出版社，1964[2]许国志.系统科学.上海：上海科技教育出版社，2000[3]段瑞珏.绿色制造与钢铁工业.钢铁，2000