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1、钢夹杂物危害及应对措施一、前言 钢铁业是几乎所有重工业的基础与支柱，在国民经济中的重要性不言而喻。钢铁材料是人类社会最主要使用的结构材料，也是产量最大应用最广泛的功能材料，在经济发展中发挥着举足轻重的作用。钢铁材料是人类社会的基础材料，是社会文明的标志。从纪元年代前后，世界主要文明地区陆续进入铁器时代以后，钢铁材料在人类生产、生活、战争中起到了举足轻重的作用。一直到今天，钢铁材料的这种作用不但没有减弱，而是在不断增强。房屋建筑、交通运输、能源生产、机器制造等都是立足于钢铁材料的应用基础之上；钢铁材料是诸多工业领域中的必选材料，既是许多领域不可替代的结构材料，也是产量最大覆盖而极广的功能材料。钢
2、铁工业长期以来是世界各国国民经济的基础产业，在国民经济中具有重要的地位，钢铁工业发展水平如何历来是一个国家综合国力的重要指标。 洁净钢是一个相对概念，一般认为：洁净钢指钢中五大杂质元素(S 、 P 、H 、N 、O) 含量较低,且对夹杂物(主要指氧化物和硫化物) 进行严格控制的钢种, 主要包括： 钢中总氧含量低， 夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀，脆性夹杂物少及其合适的夹杂物形态。钢的纯净化技术是生产高性能、高质量产品的基础，代表钢铁冶金企业的技术装备水平。20 世纪80 年代以来，钢的洁净度不断提高。日本2000年批量生产的洁净钢中，有害元素(P、S、N、O、H) 总量可达0.005 %，中国
3、宝钢可达0.008 %,国内外钢厂生产洁净钢水平见表1表1 国内外一些钢厂生产的洁净钢水平单位: 10 - 6 随着现代科技的进步和现代工业的发展对钢的质量要求越来越高，钢中夹杂物（主要是氧化物夹杂）严重影响钢材质量，随着洁净钢和纯净钢概念的提出，更是对钢中夹杂物的控制提出苛刻的要求。钢中夹杂物能降低钢的塑性，韧性和疲劳寿命，使钢的加工性能变坏，对钢材表面光洁度和焊接性能有直接影响。钢中的夹杂物对于钢材性能影响很大例如钢中夹杂物可导致汽车和电气产品用薄钢板的表面缺陷、DI罐用薄钢板裂纹、管线钢氢致裂纹、轮胎子午线加工过程断线、轴承钢疲劳性能恶化，同时钢中非金属夹杂物对于钢板抗撕裂性能和低温冲击
4、韧性也有不利影响。随着钢铁工业的不断发展，对钢的性能及其化学成分、组织均匀性的要求越来越高。钢铁产品将按着钢液洁净度高、成分控制精度高和产品性能稳定性能高的方向发展，其中洁净度钢的生产是2l世纪钢铁企业面临的重大课题。二、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
5、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： 一次夹杂：钢液脱氧反应时生成的脱氧产物； 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； 三次夹杂：凝固过程中生成的夹杂； 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
6、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
7、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SiO2 40-60的铁、锰硅酸盐。 (3)球状（或点状）不变形：属于这类的有Si02 及SiO2 70的硅酸盐。 4按尺寸大小分类，可分三类： (1)大型：尺寸 100m。 (2)中型：也叫显微型，尺寸1-100m。(3)小型：也叫超显微型，尺寸100m。三、夹杂物的来源钢的冶炼、浇注及凝
8、固结晶是一个复杂的物理一化学过程。内生夹杂是钢在液态及凝固过程中，由于复杂的化学反应而生成的各种化合物，当钢液凝固时，它们来不及上浮而嵌入钢中；或者是高温下溶解在钢中的非金属物质，当钢液温度降低时，这些非金属物质在钢中的溶解度降低而从钢中析出，以夹杂物的形式存在于钢中。如液态铁在1540 时，可溶解1.26的硫，在固态下，硫几乎不溶于铁，结果当铁凝固时，就以硫化铁夹杂物的形式出现。又如液态铁在l 520 时，可溶解0.16 的氧，常温下氧在铁中的固溶度仅为0.035 ，超过此固溶度的氧也是以各种氧化物夹杂的形式存在于钢中。一般炼钢生产多以锰铁、硅铁及铝等金属作为脱氧剂。它们与氧结合生成的氧化物
9、不能上浮至钢渣除去，即成为钢中的非金属夹杂物。此外，还有氨，它在铁中的溶解度极小，在590 时仅约为0.1 ，常温时仅0.00001左右、一般很少考虑它的影响，但在冶炼不锈钢时，由于钢中的合金元素钛、铬、铌与氮的亲合力很大，加之钢液可自大气中吸收大量的氮，因此使钢中出现氢化物夹杂。所以，钢中的内在夹杂物，一方面是由于气体造成的，另一方面，也可以说是脱氧去气反应的产物。外来的非金属夹杂物，主要是冶炼及浇注操作时的疏忽，混钢中的钢渣，或者是由于耐火材料质量不高，由炉衬、出钢槽、盛钢桶及浇注系统中剥落而混入钢中，当钢液凝固时，它们未能浮出而存在于钢中。通常情况下，严格地区分内在的与外来的这两类非金属
10、夹杂物是比较困难的。一般地讲，内在夹杂物多比较细小，不容易控制；外来夹杂物多比较粗大，在很大程度上取决于一些偶然因素，通过加强操作等可予以避免。钢中非金属夹杂物的存在，破坏了金属的连续性，降低钢的机械性能、物理性能、化学性能及工艺性能塑性夹杂物过高，会引起钢的热脆性。钢中较多的非金属夹杂物，淬火时会引起应力集中而形成裂纹，降低疲劳强度，甚至使工件直接报废；夹杂物的存在，会使零件在腐蚀介质中在夹杂物处引起腐蚀。 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
11、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 钢水由大包到中间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
12、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。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
13、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二分之一的位置聚集，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、夹杂物对钢质量和性能的影响钢的性能主要取决于钢的化学成分和组织。钢中夹杂物主要以非金属化合物形态存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，造成钢的组织不均匀，而且它们的几何形状、化学成分、物理因素等不仅使钢的冷热加工性能和某些理化指标恶化，而且还会降低钢的机械性能和疲劳性能。使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。通过研究钢中夹杂物的行为，采用相关技术防止钢中夹杂物的进一步形成和减少钢液中已存在的夹杂物，对生产高纯净度的钢乃至于提高钢
14、的性能具有十分重要的意义。金属材料受力断裂的过程分三个阶段：一是裂纹萌生，二是裂纹扩展，三是断裂。钢中大量夹杂物的存在，一方面剖裂了金属基体，减少了钢受力的有效横截面积，另一方面又提供了大量的裂纹源，使钢在较小的载荷作用下，便以某个夹杂为裂纹源产生应力集中，当这个应力增大到某一数值时，随即就在裂纹源处萌生裂纹。萌生的裂纹一旦出现，应力松动效应便同时产生，因此在继续增加载荷时，所产生的应力不再增加，而被裂纹的扩展所松动。推动裂纹扩展的应力大小由夹杂物的数量多少、尺寸大小、分布状态及其与应力的位相关系等因素决定。它有时小于 ，则屈服点消失；有时它大于 物理屈服现象虽然清晰可见，但往往引起钢材过早疲
15、劳断裂，造成强度极限低废。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（10m），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（0.3m）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
