第３７卷增刊２００２年１０月钢铁Ｖｏｌ． ３７， Ｓｕ即ｌ．Ｏｃｔ ｏｂｅｒ ２００２ＩＲＯＮ ＡＮＤ ＳＴＥＥＬ浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响张莉萍葛建国（包头钢铁集团公司）摘共在改变Ｉｌｔ鱼工茎和采用竺ｋＡ抹术上大胆尝试，并有较大突破无ＡＩ脱载工艺和喂线技术的应用对控制俐中夹杂物，提高重轨钢和其他产品的质ｉｆ取得了明显效果。关．词夹杂哟控制提李Ｍ毕ＯＮ ＩＮＣＬＵＳＩＯＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＡＮＤ ＳＴＥＥＬ ＱＵＡＬＩＴＹＺＩ －ＩＡＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ ＧＥ Ｊｉａｎｇｕｏ（ Ｂａｏｔｏｕ Ｉｏｒｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ） Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．）ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｎｏｎ一ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ Ａ眨马，ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｄ ｂｙ ｄｅｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄ Ｃａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈｏｕｔ Ａｌ ａｎｄ ｃｏｒｅｄ ｗｉｒｅ ｈｅａｄｉｎｇ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｉｍ－ｐｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｒａｉｌ ｓｔｅｅｌ．ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ， ｃｏｎｔｒｏｌ， ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ， ｑｕａｌｉｔｙ１前官且还能降低钢的力学性能和疲劳性能。 随着钢铁工业的进一步发展，钢的材质设计和应用技术的开发给冶金工业带来了极大的挑战。钢铁产品将向着高洁净度、高的成分控制精度和产品性能的高稳定性方向发展，其中高纯净度钢的生产是２１世纪钢铁企业面临的重大课题，它的解决与钢的冶炼过程密切相关，而脱氧制度（脱氧剂种类、用量、时间、次序）的不同，必然对钢液的脱氧效率、洁净度乃至钢材产品的质量等产生极大的影响。本文将通过分析脱氧产生的夹杂物对钢质ｔ的影响，结合包钢近年来脱氧工艺变化的实际，说明夹杂物的控制对提高钢液洁净度，改善钢质量的作用。２钢中主要夹杂物对产品性能的影响钢的性能主要取决于钢的化学成分和组织。目 前，用户对钢的强度、韧性、加工性能等要求日趋提高，对钢的化学成分和组织均匀性的要求也越来越２．１从场夹杂 此类夹杂物为钢中内生夹杂物。在镇静钢中，采用有Ａｌ脱氧工艺即用Ｆｅ一ＡＩ一Ｓｉ或Ａｌ脱氧时，Ａ１２０３是常见氧化物夹杂中对钢质影响最大的一类，它属于脆性不变形夹杂物，与基体的热变形能力差异较大，在热加工的应力作用下，大块的Ａ１２０３脆性夹杂，经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂，并成链状分布在基体中，这些坚硬的形状不规则Ａ１２０３夹杂在变形中能将基体划伤，并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹〔‘〕。在重轨钢及轴承钢中，Ａ１２０３夹杂在周期应力的作用下，会成为疲劳源，最终因疲劳裂纹的扩展造成大块金属脱落的“掉块”导致钢的断裂。根据国内客车运行和制动条件，应用断裂力学理论计算表明，当高。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，且都是以独立相存在，它们的存在破坏了钢基体的连续性，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，而从氏夹杂大于２６ ｍ时，ａｊ也可使之成为疲劳裂纹源，因此，在重轨的有关标准中，对非金属夹杂物从马要求特别严，即“Ｂ类夹杂不大于１级”。２．２硅酸盐及钙的铝酸盐夹杂此类夹杂物成分复杂，它的产生受钢液脱氧工 联系人：张利稗，高级工程师，包头（０１４０１０）包头锅铁集团公司技术监任处增刊张莉萍等：浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响艺、钢水条件及浇注系统中耐火材料使用情况等的影响，有内生的，也有外来的，还有内外共同作用的。在轧制过程中，这些夹杂物保持原来的球点状，特别是硅酸盐夹杂，它在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些液态硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以过冷液体即玻瑞态的形式存在于钢中，在８０。一１３００℃内，塑性依其组成不同变化很快［［２］。在低碳钢特别是沸腾钢中，此类夹杂物（通常为外来夹杂）会使盘条塑、韧性降低，或引起带钢分层等。３钥中主要夹杂物的来派 钢中的非金属夹杂物来源于两个方面：一是随冶炼过程产生，即在出钢时加铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢水和空气的二次氧化产物，称内生夹杂，此类夹杂一般颖粒细小，在钢中分布均匀；二是因种种原因从外界带人的，称外来夹杂物，此类夹杂物多为外形不规则、尺寸较大且分布不均匀。３．１内生夹杂内生夹杂主要产生于下列几种情况： （１）在冶炼过程中， 脱氧产物未能全部排除，或浇注过程温度下降，继续反应生成的脱氧产物来不及上浮残留于钢中，它们有的以小质点存在于钢的基体组织中，有的则集聚成大顺粒（如Ａ１２０３），有的则以固溶状态（如ＭｎＯ，ＦｅＯ）存在于钢中。（ ２）在出钢及浇注过程中，钢液与空气接触被氧化，氧与钢中元素结合形成二次氧化产物而留在钢中。 另外，在钢液凝固过程中，低熔点的ＦｅＳ，ＦｅＯ等由于钢液“选分结晶”，最后在晶粒边界及树枝晶间析出ｉ３］３．２外来夹杂 这类夹杂主要是由原料带人泥沙、熔渣及保护渣等卷人或浇注系统的耐火材料受钢水冲刷、浸蚀等进人钢液中并滞留于钢中造成的，多为大颗粒夹杂。４钢中夹杂物的控制近年来， 随着产品质童、性能要求的不断提高，生产非金属夹杂物少的洁净钢或控制非金属夹杂物性质及形态是冶炼和浇注过程中一个艰巨的任务。为减少钢中夹杂物， 最根本的途径，一是尽量减少外来夹杂物对钢水的污染，二是设法促使已存在于钢水中的夹杂物排出，以净化钢液。４．１外部夹杂物的控制减少外来夹杂物对钢水的污染，应根据其来源 采取相应的措施。对连铸坯来讲，从出钢到钢水进人结晶器前做好如下工作：①控制好出钢时的脱氧操作及挡渣操作，防止 钢包下渣；②采用保护浇注， 防止二次氧化； ③采用炉外精炼新技术；④使用大容量中间包， 使夹杂物充分上浮；⑤采用合适的保护渣， 高质量的耐火材料；⑥钢包及中间包等要洁净。 包钢于１９９７年引进德马克炉外精炼设备ＬＦ 及ＶＤ处理炉和弧形连铸机后，大大解决了钢中外来夹杂物多的问题，但值得注意的是，保护渣及耐火材料的质量在一定程度上成为影响钢质量的主要原因。４．２内部夹杂物的控制 任何钢的冶炼过程都要脱氧，因此，脱氧产物一非金属氧化物的产生是不可避免的，但如何控制好内生非金属夹杂物，特别是Ａ１２０３夹杂的数量、形态和分布，合理的选择脱氧剂及脱氧制度具有关键的作用。包钢是我国生产重轨的主要基地之一，多年来一直致力于开发生产强度高、耐磨性好的钢轨产品，如ＢＮｂＲＥ轨，但随着我国铁路运输高速、重载及行车安全的要求，解决钢中夹杂问题，提高钢轨耐磨、耐疲劳性能是当前炼钢工作的重点，为此，包钢在脱氧工艺方面做了大量的研究和试验，通过运用无ＡＩ脱氧工艺及Ｃａ处理技术来控制钢中夹杂物，取得了一定的效果。４．２．１脱氧剂及脱氧工艺的优化选择根据元素与氧亲和能力的大小，通常的冶炼过 程采用的脱氧元素有Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等，其中川的脱氧能力最强，其脱氧产物Ａ１２０３熔点高、易形成细的固体顺粒，且其表面张力比钢液界面张力大，易于上浮，故常用来做终脱氧剂；相比之下，Ｓｉ，Ｍｎ的脱氧能力差些，但Ｍｎ可以增加Ｓｉ和Ａｌ的脱氧作用，Ｓｉ的脱氧产物ＳｉＯ２只有与ＭｎＯ作用形成低熔点化合物才易从钢液中排出，且二者都是钢中主要的合金元素。对脱氧剂和脱氧工艺的选择要根据不同钢种的 成分和要求来确定，包钢目前所用的各类脱氧剂有Ｆｅ一Ｓｉ，Ｓｉ一Ｍｎ，Ｆｅ一Ｍｎ，Ｆｅ一Ａｌ一Ｓｉ及Ａｌ块等，其中Ａｌ块主要用于沸腾钢的脱氧。下面以包钢的重轨钢为例，说明脱氧工艺与钢中夹杂物控制的关系。脱氧工艺一： ・２５８・俐恢第３７卷 早在包钢连铸投产前，生产重轨钢主要以平炉模铸为主，其脱氧工艺为：先在炉内加一定数量高碳Ｆｅ－Ｍｎ进行部分脱氧，后在出钢过程中，雄内加Ｓｉ散，使从氏夹杂表面ＣａＯ含量升高，当ＣａＯ ＞ ２５％时，钙铝酸盐呈液态，这种含Ｃａ（）量高的液态钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液，进人渣层，少部分未一Ｍｎ合金预脱氧，最后加入Ｆｅ一ＡＩ一Ｓｉ终脱氧，并通过大皓直接模注。这种工艺在包钢已很成熟，所生产的重轨钢均能满足产品要求，但弊端在于钢中的夹杂、气体不易充分排出，夹杂物不易控制，钢液不洁净。 脱氧工艺二：包钢引进先进的连铸设备后，１ ９９８年开始采用连铸坯生产重轨，先进的炉外精炼装备给钢水的净化提供了良好条件，其脱氧工艺为：转炉出钢过程在嫩内加人Ｓｉ一Ｍｎ， Ｆｅ一Ｓｉ或Ｆｅ一Ｍｎ合金进行脱载合金化，终脱氧采用Ｆｅ一ＡＩ一Ｓｉ或纯ＡＩ终脱氧，然后经ＬＦ炉处理后，喂Ｓｉ一Ｃａ线或加Ｓｉ一Ｃａ粒压渣，再经ＶＤ炉除去钢中气体。这种工艺对提高钢的沽净度有很大作用，钢中大顺粒夹杂基本不存在，但不能彻底消除Ａ１２０３对钢质的影响。脱氧工艺三： 为解决钢中Ａ１２０３夹杂对钢疲劳性能的影响，包俐于１９９９年首次在出口ＵＩＣ５４钢轨上试验用无ＡＩ脱氧工艺，即：在转炉出钢过程中，雌内加人Ｓｉ一Ｍｎ，Ｓｉ一Ｆｅ或Ｍｎ一Ｆｅ等合金脱抓合金化，用Ｓｉ一Ｃ或Ｓｉ一Ｃａ进行终脱氧，并用无ＡＩ峨衬的大橄，专旅专用，其后的精炼浇注过程同工艺二。这种工艺对控制钢中Ａ１２０３夹杂起到了一定作用。 通过对上述三种工艺的比较，显然，第三种是最优的方案。目前，包钢生产的重轨和８２Ｂ等质量要求严格的钢种均采用这种工艺，且钢中【Ａｌｓ ］基本能控制在要求以下。４．２．２夹杂物的变性处理：目前，在提高钢质ｔ方面钙处理技术也被世界 广泛认识，并作为一项处理夹杂物最有效的手段被大量运用。４．２．２．１钙对夹杂物控制的变性机理：Ｃａ是一种很好的钢液净化剂， 它不仅可以深脱氧，还可以深脱硫，在钢液脱氧后，［０〕已很低的情况下，Ｃａ直接脱氧反应成为次要过程，此时它主要与钢中Ａ１２０３发生反应：３Ｘ Ｃａ＋３ Ｙ Ａ１２０３＝１３Ｘ （ＣａＯ）・（ ３Ｙ一Ｘ） Ａ１２０３１＋２ＸＡ１钙在这些Ａ１ ２０３夹杂顺粒中扩散，使钙连续的进人铝的位里，置换出的铝进人钢液，随着Ｃａ的扩漂浮的夹杂顺粒也以较小呈球状残留于钢中，这样，不仅解决了脱氧问题，而且大大减少了钢中Ａ１２０３夹杂，同时，还可使钢坯的组织显微结构趋于均匀，并可改善钢水流动性，减少浇注过程水口堵塞等问题。４．２．２．２钙处理工艺：夹杂物变性处理工艺是： 在钢液正常脱氧后，用喷粉或喂线的方法往钢中加人碱土金属，以改变夹杂物的组成，改善氧化物、硫化物等在钢中的存在形态。目前包钢所用的Ｃａ处理工艺为：重轨钢： 无Ａｌ脱氧工艺＋ＬＦ一ＶＤ精炼＋Ｓｉ一Ｃａ粒压渣；其他钢： 正常Ａ１脱氧工艺＋ＬＦ／ＶＤ精炼后喂Ｓｉ一Ｃａ线。 另外，在钙合金中含Ｂａ时，可大大提高Ｃａ的变性效果，且含Ｂａ量越高，变性效果越理想。目前，包钢正在做Ｓｉ －Ｂａ－Ｃａ脱氧剂方面的实验，且效果良好。４．２．２．３金相检验结果：钢包喂Ｓｉ 一Ｃａ线技术在包钢试验初期，曾在车轴坯上做过高倍金相夹杂检验，检验结果表明，当喂人一定量的Ｓｉ一ｃａ后，钢中夹杂条状及簇状极少，几乎全部为球状或纺锤状复相夹杂，且球状夹杂中含较多的Ｃａ，Ｍｎ， Ｓ和少量的Ａ１， Ｏ，即中心多为复合氧化物，而外围为大量的Ｃａ和Ｍｎ的硫化物。显然，喂Ｓｉ一Ｃａ线后钢中ＭｎＳ和从几夹杂同时变性［［４１。这一实验结果与理论分析基本一致。５结论 （１）钢中夹杂物对钢的性能、质量有极大影响，特别是Ａ１２０３夹杂，是影响重轨钥疲劳性能的主要原因之一，必须在炼钢过程加以控制。（ ２）先进的连铸工艺装备对控制钢中内外部夹杂提供了良好的环境，其中，采用无ＡＩ脱氧工艺生产的重轨钢，钢中Ａ１２０３夹杂得到了控制，并取得了较好效果。（ ３）钙处理技术可使钢中从ｑ， ＭｎＳ等夹杂变性，改善钢的性能、质ｔ。包钢运用钙处理工艺有、效的校制了钢中夹杂物的形态，使钢的内在质量、力学性能等均有极大提高，特别是对重轨钢质量的提高有积极作用。增刊张莉萍等：浅谈钢中央杂物的控制对钢质ｔ的影响今考文献周寿好，龚志翔．车轮轮艳钢失效与夹杂物控制钢铁研究，２０００．陈家祥．钢铁冶金学．北京：冶金工业出版杜，１９９３蔡开科，活魄浮．连续铃俐５００问．北京：冶金工业出版社，１９９７．郑培新．喂线技术在转炉冶炼车轴坯钢中的应用．包钢科技．２０００２５９
