作者：王子錚
（本溪鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，本溪 117000）
（來源：中鑄協(xié)鑄鋼委）
（版權歸原作者或機構所有）
摘 要：鋼鐵是我國基礎設施的重要原材料，在汽車、建筑以及工業(yè)等領域有極其廣泛的應用。隨著我國現(xiàn)代化進程的加快，鋼鐵產(chǎn)品的需求量越來越大，對產(chǎn)品的純度提出了更高的要求。文章從鋼鐵夾雜物的來源、分布及主要危害等方面闡述對煉鋼- 精煉- 連鑄鋼的夾雜物控制的一些觀點。
關鍵詞：煉鋼；精煉；連鑄鋼；夾雜物
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋼材的需求量逐漸增加，對鋼材的質(zhì)量要求不斷提高。管線、橋梁、汽車、造船、壓力容器及其他工業(yè)生產(chǎn)用鋼都需要大量的鋼材，且對夾雜物級別的控制也有著較高要求，因此需要加強對鋼材純凈度要求的控制，以提高鋼材的整體質(zhì)量和品質(zhì)。
1 潔凈鋼基本概念
潔凈鋼并沒有明確的定義，也沒有科學的界定方式。一般情況下，潔凈鋼內(nèi)含有少量的磷、氧、氮、氫以及硫類雜質(zhì)物，因此需要加強對非金屬夾雜物的合理控制，如硫化物和氧化物等。通常情況下，潔凈鋼有以下3 個特點：第一，鋼鐵中含有的氧含量相對較少；第二，所含的夾雜物尺寸和數(shù)量控制在理想范圍內(nèi)，且雜質(zhì)物的分布情況良好；第三，脆性夾雜物的含量極少。因此，想要提高純凈鋼鐵的質(zhì)量品質(zhì)和性能，需要具備良好的純凈化技術，同時加強對先進設備和先進技術的引進工作。從20 世紀80 年代初期開始，在連鑄鋼、煉鋼以及精煉的生產(chǎn)活動中，純凈化技術的應用顯著提高了鋼的潔凈度。2000 年左右，日本生產(chǎn)的潔凈鋼包含的有害元素數(shù)量占比僅有0.005%；我國寶山鋼鐵股份有限公司所生產(chǎn)的潔凈鋼，也將有害元素控制在0.008% 左右�，F(xiàn)階段，隨著交通建設、國防建設以及特種建設等方面對鋼材的要求越來越高，對潔凈鋼的要求也越來越高，因此要求鋼企不斷提升潔凈鋼的潔凈程度。
2 鋼中夾雜物的危險分析
鋼中的夾雜物以氧化物、硫化物以及氮化物等多種非金屬化合物的形式存在，導致鋼材結構不均勻。此外，由于夾雜的幾何形狀、化學成分、物理性能等因素的影響，導致鋼材的力學性能和疲勞性能下降[1]。
2.1 氧化鋁夾雜物
Al2O3是鎮(zhèn)靜鋼中對鋼性能影響的一種氧化物夾雜，屬于脆性不變形夾雜物，其熱變形與基材有很大差別。在熱加工應力的作用下，大量的Al2O3脆性夾雜發(fā)生變形、破碎，形成帶尖角的夾雜物，在基底上形成鏈狀分布。這種堅固而不規(guī)則的Al2O3夾雜物可以在基體上刮出一道裂縫，并在循環(huán)應力作用下成為應力集中點。
2.2 硅酸鹽夾雜物
在鋼水凝固時，由于溫度過高，一些液態(tài)硅酸鹽沒有及時結晶，而是全部或部分以過冷液體（即玻璃狀態(tài)）存在。溫度從800 ℃上升至1 300 ℃時，塑性迅速發(fā)生變化。硅酸鹽和鋁酸鹽夾雜成分比較復雜，在軋制時仍呈球形[2]。這種夾雜物在低碳鋼尤其是沸騰鋼材中會導致盤條塑化、韌性降低，造成帶鋼剝離。
3 夾雜物的成因與分布
鋼中夾雜物的來源主要有兩種：一是隨著熔煉產(chǎn)生，也就是在出鋼時融入了鐵合金鋼的脫氧劑，以及在澆注時摻雜了鋼液和空氣的二次氧化產(chǎn)物[2]；二是外部引入的各種因素，也就是外來的包體，大多形狀不規(guī)則、尺寸大、分布不均勻。
內(nèi)生夾雜物主要在以下條件下發(fā)生。一是冶煉時，脫氧產(chǎn)物不能被完全排除，或者是澆注時溫度降低，繼續(xù)反應后產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)物在鋼中來不及浮起而殘留，以小質(zhì)點的形式分布在鋼的基體組織，有的聚集成大顆粒（如Al2O3），有的在鋼中呈固溶狀態(tài)（如MnO、FeO），都是造成鑄坯內(nèi)部缺陷和表面裂紋的重要原因。二是出鋼和澆注時，鋼液暴露在空氣中發(fā)生氧化反應，氧和鋼中的元素相結合，生成二次氧化物殘留在鋼中；在連鑄時產(chǎn)生大量夾雜物和疏松缺陷，導致產(chǎn)品質(zhì)量下降。鋼液凝固時FeS、FeO 等因鋼液的“選分結晶”而產(chǎn)生，臨末晶粒邊界和樹枝晶之間發(fā)生沉淀[3]。
20 世紀60 年代末，Kohnvertral 進行了一項調(diào)查，連鑄坯內(nèi)夾雜物的來源涉及生產(chǎn)過程中各種渣系問題、接觸高溫熔體的耐火材料以及鋼液和空氣中二次氧化物等。20 世紀70 年代，植田顥冶等通過對連鑄坯的研究，得出以下結論：中間包鋼液和鋼包鑄流被大氣氧化；鋼包內(nèi)襯滲入鋼液；在結晶器內(nèi)保護渣進入鋼液。熊井等人認為，大顆粒夾雜物是由耐材侵蝕物質(zhì)和鋼液的氧化形成的。20 世紀80 年代，Byrne、Cramb、Fenide 等人分析了連鑄坯中出現(xiàn)夾雜的原因：在轉爐渣進入鋼包時，大的渣滴容易浮出，致使鑄件存在較少的渣珠；吹氬氣流量過大，鋼包中的夾雜物和氧的總量都會增大。陳宏豫指出，在連鑄過程中，大量的外來夾雜物與小顆?夾雜融合容易形成復合夾雜。大顆粒夾雜物由鋼包渣、保護渣引起，小顆粒夾雜物由二次氧化引起，而脫氧劑和鋼液與耐火材料 進行相互作用后會產(chǎn)生許多復合夾雜物。
4 控制夾雜物
通常情況下將雜質(zhì)視為有害成分，但在實際中夾雜物可以轉變成有益成分。例如，高硫的鋼會產(chǎn)生硫化物夾雜，可能會降低鋼材強度，但對易切削鋼材來說，是一種脆性夾雜物，呈細條狀或紡錘狀，硬度較低，可以大幅度提高切割速度。若鋼中含有少量鈣，則可使原夾雜CaO•SiO2溶于Al2O3， 或變?yōu)?CaO•2SiO2，在切割過程中可以在工具表面沉積，覆蓋工具的表面，避免切屑和工件與工具的前、后兩面發(fā)生摩擦。
5 降低鋼材夾雜物的技術措施
為了控制和降低夾雜物，煉鋼和連鑄作業(yè)過程中采取的加工工藝措施主要有脫氧凈化、鋼包精煉、過濾凈化、真空處理技術以及電磁凈化等手段。
5.1 脫氧法
如果鋼中的氧含量太高，會形成大量的氧化物和宏觀夾雜物，從而對鋼的品質(zhì)造成不利影響。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，脫氧劑由單一的脫氧劑向復合脫氧劑過渡。采用復合脫氧劑會導致產(chǎn)品之間產(chǎn)生化合物或出現(xiàn)相互溶解的現(xiàn)象，從而降低產(chǎn)品的實際活性。脫氧劑是一種熔融化合物，熔點較低，易生成液體脫氧物。復合脫氧法可以減小脫氧劑在鋼液中的界面張力，加速脫氧劑的脫氧率。復合脫氧劑的成分比較復雜，目前已知的脫氧劑有150 多種。鈣作為一種優(yōu)良的除氧劑，能實現(xiàn)深度脫氧和深度脫硫。
5.1.1 復合脫氧劑應用
目前脫氧劑材料眾多，如堿土金屬復合材料、硅鐵稀土合金以及鋯二元合金等。在具體的應用過程中，四元脫氧劑能夠充分發(fā)揮錸元素與鋼材內(nèi)氧、氮以及硫元素的親和性。在鋁脫氧鋼中加入鈣，可以使部分鈣溶解在鋼材中，并與固態(tài)的氧化鋁產(chǎn)生雜物反應生成鋁酸鈣。在冶煉過程中，隨著多種物質(zhì)的加入，氧化鈣的總量會加速富集，以降低液相線溫度。除此之外，鈣會與硫發(fā)生化合反應形成硫化鈣。如果鋼材中錳元素較多，也會生成硫化錳。復合脫氧劑能夠清除大部分雜質(zhì)物，且效果顯著。
5.1.2 鈣的應用
在鋼液凈化過程中，鈣的凈化效果比較好，既可以對其進行深脫硫，還能起到深脫氧的效果。鋼液脫氧后，氧元素的含量較低，此時鈣脫氧反應效果不佳。當氧化鋁夾雜顆粒較多時，隨著鈣元素的擴散，鈣與鋁發(fā)生反應，對鋁元素進行置換，使得氧化鋁夾雜物表面富含的氧化鈣數(shù)量會不斷增加。如果氧化鈣的含量大于25%，則會出現(xiàn)液態(tài)的鈣鋁酸鹽，漂浮在鋼液表層，而其余沒有漂浮的夾雜顆粒數(shù)量較小，將殘留在鋼材內(nèi)[4]。鈣的應用不僅能有效解決脫氧問題，還能清除氧化鋁夾雜物，可以提高鋼水的流動性，改善澆筑過程中水口堵塞等問題。
5.1.3 稀土應用
20 世紀初，稀土對鋼中夾雜物影響的研究顯示，稀土能夠改變鋼材中夾雜物的形態(tài)。到了20 世紀70 年代，相關研究發(fā)現(xiàn)，如果能有效控制鋼材內(nèi)硫含量與稀土的比例，便可以有效降低鋼材夾雜物比例。稀土可以與鋼材內(nèi)大量的有害元素之間保持良好的親和性，產(chǎn)生化合物，清除鋼液中的雜質(zhì)，完成對鋼水的凈化。研究結果顯示，加入稀土后，如果硫元素與稀土的百分比在25% ～ 33%，則稀土硫化物能夠全面取代硫化錳與氧化鋁等物質(zhì)，實現(xiàn)夾雜物細化的效果。
5.2 冶煉工藝
5.2.1 采用射線法進行爐外凈化的工藝
射線法的爐外精煉有噴吹和喂線兩類。噴粉技術是20 世紀60 年代在鋼液中加入鈣以及鈣的主要成分；喂線技術可以改善微合金化的精確度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。煉鋼所用的包芯線可分成線芯和外層兩部分，以脫氧劑、粉末合金為主，外層采用低碳鋼，厚度為0.3 ～ 0.4 mm。在實際生產(chǎn)中，工作人員利用轉速控制器和長度計數(shù)器控制進料速率和進給量。
5.2.2 氬氣攪拌鋼包
如果將一定數(shù)量的氬氣注入鋼液中會產(chǎn)生氬氣泡，氬氣泡中的氧、氮、氫分壓為零，在鋼液中溶解的氣體經(jīng)擴散聚合后排除。在此過程中，熔體的溫度和組成變得更為均勻。吹氬設備一般可分成3 種：第一，用耐火材料封口吹氣，常用頂吹氬槍；第二，采用多孔吹氬氣，優(yōu)點是可以有效解決單孔吹氬氣的射流過于集中的問題；第三，氬氣由安裝在包底的透氣磚完成。
5.3 保護澆鑄工藝
為減少鋼中夾雜物的產(chǎn)生，連鑄保護澆鑄技術和中間包冶金技術必不可少。為避免鋼水由鋼包進入中間包期間與空氣接觸，一般利用長水口通氬氣進行密封或采用耐火材料箱進行保護澆鑄。開澆前通過氬氣對中間包進行吹掃，以減少開澆過程造成的鋼水二次氧化。另外，為防止中間包鋼水氧化，需及時加入中包覆蓋劑，且保證覆蓋劑加入量，使得鋼水與大氣形成物理屏障。結晶器是夾雜物去除的臨末區(qū)域，夾雜物可以通過吸附在氬氣泡或通過結晶器流場上浮到結晶器的保護渣中。對于夾雜物要求嚴格的鋼種需控制塞棒和滑板氬氣量，保證澆鑄的同時防止因吸氣形成氧化物夾雜[5]。
5.4 過濾技術
20 世紀80 年代，為有效提高鋼材的潔凈度，西方發(fā)達國家加強了鋼液過濾處理技術方面的科學分析，以莫來石、氧化鋯以及氧化鋁為基礎材料，對過濾器進行合理改良。陶?泡沫過濾器與陶瓷真空過濾器是較為常見的兩種過濾器。陶瓷真空過濾器要求低于50% 的孔隙率，而陶瓷泡沫過濾器要求更小的密度，氣孔率通常超過70%。機械原理是過濾處理技術清除雜物的有效手段，根據(jù)不同的過濾方式，可將其分為高床式過濾、堆積式過濾以及篩網(wǎng)式過濾等。篩網(wǎng)式過濾指當金屬液流經(jīng)過濾器表層時，液體中固體夾雜物被攔截，在篩網(wǎng)空隙上方受阻，去除大顆粒夾雜物，實現(xiàn)凈化處理；堆積式過濾指在金屬液體流經(jīng)過濾器表層后，實現(xiàn)金屬液體和固態(tài)夾雜物的有效分離，使其停滯在過濾器的表層，并以塊狀堆積層的方式堆積雜質(zhì)物；高床式過濾的過濾孔徑一般需要超過夾雜物粒徑，在金屬液流經(jīng)過濾器時，其內(nèi)部網(wǎng)絡狀通徑能夠通過過濾器的內(nèi)部結構進行有效吸附，達到凈化效果。
6 結語
夾雜物的存在會對材料的力學性能產(chǎn)生較大影響。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展，人們對鋼鐵產(chǎn)品的純度提出了更高要求。因此，煉鋼廠必須準確了解鋼中夾雜物的來源、分布及主要危害，并采取科學的處理和凈化工藝，協(xié)調(diào)鋼制品的性能和經(jīng)濟效益，以達到相關的使用標準，推動企業(yè)的發(fā)展。
參考文獻
[1] 郭志紅，史賽超，王旗，等.Mg-Al-Ti 系氧化物冶金工藝夾雜物控制的熱力學分析[J]. 鋼鐵釩鈦，2022（6）：126-137.
[2] 韋士琨. 探究煉鋼- 精煉- 連鑄鋼中夾雜物控制[J]. 冶金與材料，2021（6）：113-114.
[3] 蔣星亮，敖翔. 煉鋼- 精煉- 連鑄鋼中夾雜物控制研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2021（34）：91-94.
[4] 任強，姜東濱，張立峰，等.Q235 鋼中夾雜物演變規(guī)律和生成機理分析[J]. 鋼鐵，2020（7）：47-52.
[5] 馬春輝，蔡境，宋佳旺. 軸承鋼精煉中夾雜物來源與控制[J]. 冶金管理，2021（19）：28-29.
（圖片來源于網(wǎng)絡，圖文無關）
