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1、摘 要 非金属夹杂物是钢铁产品出现缺陷的主要诱因，尤其是以铝作为主要脱氧剂的钢种，其脱氧产物Al2O3容易聚集成簇状夹杂不易上浮去除，残留在钢中的Al2O3夹杂物在轧制过程中沿轧制方向碎裂为链状夹杂物带，其尖锐的棱角易引发形成空穴和成为应力源，破坏了钢基体的连续性，使钢组织不均匀，对钢材的冲击韧性和疲劳寿命产生危害，而且在铝镇静钢的浇铸过程中Al2O3夹杂物也是造成水口堵塞的主要因素之一。由此看来Al2O3的去除至关重要。引 言随着社会的发展，市场对洁净钢的需求增加，生产价廉质优的洁净钢是钢铁企业永恒追求的目标！宏观夹杂对我们来讲是一个很困惑的问题，大型宏观夹杂对钢的机械性能危害最大，其尺寸分
2、布非常重要。据报道，1kg典型的低碳铝镇静钢含107109个夹杂物(其中，仅含80130Lm夹杂物100个，130200Lm夹杂物10个，200270Lm夹杂物少于1个)。显然，检测少量大型夹杂物是非常困难的。尽管大型夹杂物在数量上比小型夹杂物少得多，但其总体积分数可能较大，有时一个大型夹杂物能引起整个一炉钢的灾难性缺陷。因此，纯净度要求高的钢不仅要控制钢中夹杂物平均含量，而且还要避免夹杂物尺寸超过对产品有害的临界尺寸。Al2O3作为最常见的杂质存在于钢水中，对钢材的性能有很大的影响。本文就Al2O3产生的原因及处理措施做简单介绍。关键词：Al2O3、夹杂物、形态特征、产生原因、处理措施Al2
3、O3的熔点高达2050，因此，炼钢温度下铝的脱氧产物是细小的固体颗粒。按照低熔点理论，它们从钢中排除将会很困难。Al2O3有简单氧化物和复杂氧化物两类。其中FeOAl2O3、 MnOAl2O3等铝尖晶石类夹杂物，不仅熔点高而且在钢液中呈固态并具有形成外形良好的坚硬八面体晶体的倾向，热轧时不易变形；冷轧时，特别是轧制规格较薄的产品是易造成表面损伤。另外，Al2O3的存在破坏了钢基体的连续性，造成钢组织的不均匀，对钢的各种性能都会产生一定的影响。氧化铝夹杂物在高氧浓度条件下呈树枝状，见下图。纯铁脱氧期间形成的枝晶状和点簇状Al2O3夹杂（左）及珊瑚状Al2O3夹杂（右） 一Al2O3的来源主要有以
4、下几个方面：（1）原材料带入的杂物 炼钢所用的原材料如钢铁料和铁合金中的杂质、铁矿石中的脉石，以及固体料表面的泥沙等都可能被带入钢液而形成夹杂物。（2）冶炼和浇注过程中的反应产物 钢液在转炉内冶炼、包内镇静及浇注过程中生成而未能排除的反应产物，残留在钢中便形成了夹杂物。例如低碳铝镇静钢内的主要夹杂物是Al2O3，该夹杂物因钢中溶解氧与加入的脱氧剂(如Al)化学反应而产生，Al2O3夹杂在富氧环境下生成，形状呈树枝状，其中可能也包括一些较小的Al2O3颗粒碰撞聚集物。这是非金属夹杂物的主要来源。（3）出钢和浇注过程中，炉体、钢包和浇注系统吹扫不干净，各种灰尘微粒的机械混入将成为钢中大颗粒夹杂物。
5、（4）二次氧化物 钢水中残留的Al被渣中FeO氧化或暴露在大气中氧化生成Al2O3。（5）其它来源的外来夹杂物 外来夹杂物主要是钢水和外界（卷渣及耐火材料侵蚀）之间偶然的化学和机械作用产物。在产品机械加工时，钢中的这类夹杂物可产生噪音，在机加工表面形成凹坑和划痕，容易引起断裂，以及造成工具磨损。钢中外来夹杂物的含量可通过大样电解的方法测定，如图1所示。图1 连铸板坯中大型夹杂物的尺寸分布 外来夹杂物有以下共同特性： a.尺寸大：来自耐火材料侵蚀的夹杂物通常比卷渣造成的夹杂物要大。b.复合成分及多相结构，此点由下列现象造成：由于钢水和渣中的SiO2, FeO和MnO以及炉衬耐火材料之间的多元反应
6、造成夹杂物成分复杂，产生的Al2O3可以覆在这些夹杂物表面；由于外来夹杂尺寸较大，它们在运动时，容易吸收捕获脱氧产物，如Al2O3夹杂（图2右与图3右）；外来夹杂作为异相形核核心，在钢水中运动的新夹杂物以此核心沉淀析出（图3左）；渣或者二次氧化产物与炉衬耐火材料或其脱落物之间的反应。 c.形状不规则，但卷渣或者脱氧产物氧化硅类夹杂物为球形。球形外来夹杂物通常尺寸较大（大于50m）并且大多数为多相，但球形脱氧产物夹杂通常较小并且单相；d.相比小夹杂物而言数量较少；e.与小夹杂物均匀弥散分布不同，外来夹杂物在钢中零星分布。由于此类夹杂通常是在浇铸和凝固时被捕捉，因此具有偶然性，呈零星分布状态。另一
7、方面，由于此类夹杂容易上浮去除，所以它们只集中在凝固速度最快的区域或者在某些方面上浮受阻的区域。因此，此类夹杂经常出现在表层附近。f.由于此类夹杂尺寸大，相比小夹杂物而言，它们对钢性能危害更大。图2 深冲钢中的典型外来夹杂物左：玻璃质夹杂物（铝硅酸盐或钙铝硅酸盐）中：不透明夹杂物（铝硅酸盐或复合的外来氧化物相）右：球状渣夹杂物表面为氧化铝的结晶体图3 低碳铝镇静钢中的点簇状夹杂物 卷渣带来的夹杂物任何冶炼上或钢水传递上的操作，尤其是在钢水从一种容器到另一种容器时，会引起渣钢间的剧烈混合，造成渣颗粒悬浮在钢液中。卷渣形成的夹杂物尺寸在10300m之间，含有大量的CaO和MgO成分，在钢水温度下通
8、常为液态，因此在外形上为球形（图4、图5）。使用H型中间包并且通过两个钢包注入可以在换钢包期间减少卷渣夹杂物。 对于连铸工艺，下列因素可能造成钢水卷渣：钢水从钢包到中间包和从中间包到结晶器时，尤其是敞开浇铸时； 钢水上表面出现漩涡时。钢水液位过低造成的漩涡可以采取多种方式加以避免，如在漩涡开始时关闭钢流； 钢水上表面乳化作用造成卷渣，尤其当搅拌气体超过临界气体流量时；结晶器弯月面扰动； 渣的特性尤其是界面张力和粘度。例如，结晶器保护渣卷入钢液由以下原因造成：弯月面扰动（图5（1）；漩涡（图5（3）；气泡从钢水中进入渣产生乳化作用（图5（2）和（4）；沿水口壁由于压力差引起的吸入（图5（5）；较
9、高流速将渣切入（图5（1）；液面波动（图5（2）。图4 Slime大样电解分离出的钢包钢水试样中的渣夹杂物图5 结晶器卷渣示意图（左）和圆柱体附近界面变形钢水与熔融保护渣之间的界面张力决定了弯月面的高度和卷渣的难易 。CaOSiO2Al2O3系保护渣与纯铁之间的界面张力为1.4N/m时产生的弯月面高度约8mm。表面活性物质如硫，或者如钢中的Al被渣中FeO氧化这样的界面交换反应均可降低表面张力。极低表面张力下化学反应能够通过Marangoni 效应在界面产生自发扰动，使界面发生乳化，在钢水中产生不期望的渣的颗粒。包衬耐火材料侵蚀/腐蚀造成的外来夹杂物 耐火材料的侵蚀物包括砖块上的砂粒、松散的脏
10、物、破损的砖块以及陶瓷类的内衬颗粒，是一类极为常见的典型固态的大型外来夹杂物的来源，与钢包和中间包本身材料有关。它们通常尺寸较大，外形不规则，见图6。外来夹杂物可以作为氧化铝的异相形核核心，可以包含中心颗粒，或者聚集其他内生夹杂物。耐火材料侵蚀产物或机械作用产生的夹杂物的出现完全损害了原本非常纯净的钢的质量。图6 来自内衬耐火材料的典型外来夹杂物（6）脱氧剂、合金剂加入的时间和加入量不适宜。二针对Al2O3产生的原因，做出了以下几点去除措施1.按照来源可采取的措施有：最大限度的减少外来夹杂物 在生产中减少夹杂物的方式有，a.加强原材料的管理，对废钢、生铁、合金、石灰、萤石、矿石等力求做到清洁、
11、干燥、分类保存；b.出钢前调整好炉渣的流动性、出钢后保证钢液在钢包中的镇静时间以利于炉渣的充分上浮；有效的控制内生夹杂 a.根据钢的质量要求选择合适的冶炼方法和工艺。如转炉冶炼、电炉冶炼、配加炉外精炼等；b依据所炼钢种制定合理的脱氧制度并正确地组织脱氧操作，包括综合脱氧、使用复合脱氧剂并加强搅拌，促进脱氧产物的上浮。c对于优质钢和特殊要求的钢，采用添加变质剂、热加工和热处理等方法，改善残留夹杂物的形态及分布，减轻夹杂物的危害。防止或减少钢液的二次氧化 实验发现，含碳0.550.65的镇静钢，铝氧化了0.043.二次氧化产物的颗粒比脱氧产物大得多，而且二次氧化产物的多少，往往与出钢温度高低、钢液
12、与大气接触面积大小、接触时间长短等因素有关，因此在出钢过程中，一定要做好以下三方面工作：a.控制好出钢温度 其他条件相同时，温度越高，钢液在出钢和浇注过程中二次氧化越严重。因此，实际操作中应控制好出钢温度，尽量避免高温钢。b.掌握正确的出钢操作 出钢时，要开大钢口并维持好出钢口的形状，保证钢流不散流或过细，减少钢液与大气的接触面积和缩短出钢时间。对夹杂要求严格的钢种，最好采用气体保护出钢。c.保护浇注 模铸时，注速与注温要配合好，使钢液流股处于正常的流动状态，减少空气的卷入和钢液的裸露；同时，采用保护渣如固体石墨渣、固体发热渣和各种液体渣等保护浇注，对于特殊要求的钢可采用惰性气体保护或真空浇注
13、。连铸时则采用伸入式长水口与固体保护渣组合的无氧化浇注技术。由于在钢水注入处强烈的湍流造成中间包钢水表面吸入空气，流动的钢液表面形成的氧化薄膜重新卷入钢液后形成很薄的氧化物颗粒带；钢水从钢包进入中间包以及从中间包进入结晶器的水口连接处吸入空气；在浇铸过程中，钢包、中间包和结晶器钢水表面的空气渗透。 在这类二次氧化过程中，脱氧元素如Al、Ca和Si等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物，通常比脱氧夹杂物大12个数量级。防止此类二次氧化的方法是在浇铸过程中防止钢液暴露于空气中：在钢包长水口和中间包浸入式水口连接处采用钢环或透气砖环吹入惰性气体形成气幕保护；浇铸前在中间包内充入保护气体以及浇铸过程
14、中中间包钢液表面采用气体保护；控制钢包内的气体吹入避免形成气眼。二次氧化产物另一来源是渣中以及包衬耐火材料中的SiO2，FeO和MnO。通过此类二次氧化产物形成的机理，靠近渣或包衬界面时钢水中的夹杂物通过反应SiO2/FeO/MnO+AlSi/Fe/Mn+Al2O3而长大，由此生成的氧化铝夹杂尺寸较大且含有各种成分。这种现象以下列方式进一步影响外来夹杂物的形成：上述反应能够侵蚀包衬耐火材料表面并可使其表面凹凸不平，从而改变包衬壁附近的钢水流场，并且引起包衬的破损加速；包衬破损产生的大型外来夹杂物以及卷入的渣可以捕捉小夹杂物如脱氧产物，也可以作为异相形核核心产生新的析出物，这就使得外来夹杂物的成
15、分变得比较复杂。因此因尽量避免或减少二次氧化的出现。2.在冶炼过程中可采取的措施; 钢中夹杂物与转炉终点过氧化、出钢下渣、LF的“白渣”精炼能力及钙处理效果有关，为此降低夹杂物措施为：1、为减少钢水过氧化，以早化渣早成渣为目标，采用石灰-废钢-铁水的加料模式，达到了快速形成含有一定量的FeO、CaO和一定碱度的熔渣，使金属液中P、S在最短的时间里降低至规定的范围内，减少了点吹的次数，确保了终点w(C)0.05%，减少钢水的过氧化。2、为减少出钢下渣量、提高挡渣命中率在转炉增设了挡渣小车。在应用挡渣小车后，挡渣命中率得到提高，平均钢包渣层厚度得到下降。3、为提高LF的“白渣”精炼能力，将精炼造渣工艺前移至转炉出钢时段及氩站工序，在转炉出钢过程中向钢包内加入造渣材料，利用钢流冲击功及吹氩动能，使造渣材料充分熔化，同时在吹氩站进行造渣，使钢水在氩站就形成精炼初渣，为LF“白渣”精炼去除钢中夹杂创造条件；钢水到LF后，以先化渣后升温为操作原则，使熔渣速形成R=5.00.5，w(FeO)1%,w(MnO)1%的精炼白渣。4、钙处理工艺是在对钢液中少量、未排出的Al2O3脱氧产物进行变性处理，使其形成低熔点、低密度的钙铝化合物，在钢液中集聚上浮排入熔渣，从而保证连铸顺利进行，改善钢的纯净度。钙处理工艺的核心是保持
