钢中夹杂物控制技术研究

钢中夹杂物控制技术研究

王立峰王万军王新华

（北京科技大学）

摘要脆性夹杂物是影响轮胎子午线钢、弹簧钢和轴承钢等特殊钢种疲劳强度的一个重要原因，塑性夹杂物的控制成为提高超级洁净钢质量的一个关键问题。通过详细总结和对比不同的夹杂物控制技术可知，渣控夹杂物技术具有较为明显的优势，为一些特殊钢种冶

炼过程中的夹杂物控制提供了一条有效的途径。

关键词夹杂物夹杂物控制钙处理渣

Ｘ

～

，

１前言

Ｔ．Ｍａｌｋｉｅｗｉｃｚ和Ｓ．Ｒｕｄｎｉｋｔｌ】提出的夹杂物随着对钢材质洁净度要求的提高，夹变形指数公式ｒ＝ｒ。／ｒ；来表示，ｒ。、ｒ；杂物控制技术已成为现代洁净钢冶炼的分别是热加工状态下夹杂物的真实伸长主要内容之一，不同的钢种对夹杂物的性率和基体钢的真实伸长率。变形指数ｒ在质，成分、数量、粒度和分布有不周的要Ｏ～ｌ间变化，当ｖ＝０时，表示非金属夹求。在过去，人们的注意力主要集中在对杂物根本不变形而只有金属基体变形，因夹杂物的尺寸、数量和夹杂物的去除的控而在金属变形时夹杂物和基体之间产生

制上，而对夹杂物成分和形态的控制关注

滑动，界面结合力下降，并沿金属变形方

不够。随着对夹杂物的尺寸、数量控制技

向产生裂纹和空洞，成为疲劳裂纹源。当术的提高，人们发现随着杂质元素和夹杂ｖ＝ｌ时表示非金属夹杂物的变形与金属物数量的降低，钢材的质量改善不再显基体的变形率相同。因而在变形时，金属著，从而越来越认识到夹杂物物的性质对与夹杂物一起变形并保持良好的结合。钢材质量的重要性。在钢材的生产过程ｓ．Ｒｕｄｎｉｋｌ２１研究指出，夹杂物的变形指数中，脱氧产物主要是脆性夹杂物，脆性夹

ｖ＝０．５～１．０时，在钢与夹杂物的界面上杂物在后期钢的轧制变形中是产生裂纹

很少产生形变裂纹：ｖ＝０．０３～０．５时，经的主要原因之一；同时脆性夹杂物对钢材常产生带有锥形间隙的鱼尾形裂纹；ｖ＝Ｏ的疲劳强度、耐磨耐腐性能都有很大的危时，锥形间隙与热撕裂非常明显。

害。因而对脆性夹杂物的控制，使脆性夹

研究表明”１，刚玉、铝酸钙、尖晶石和

杂物转化为塑性夹杂物或者控制脱氧产

方石英等夹杂物在钢材常规热加工温度下

物为塑性夹杂物的技术越来越引起炼钢为不变形的脆性夹杂物，而硫化锰在～８０

科技人员的关注。

℃～１２６０。Ｃ范围内的变形能力与钢基体相

同，即ｒ＝１。钢液中夹杂物可分为

２夹杂物的变性指数

ＣａＯ－Ｓｉ０２－Ａ１２０３

类

夹

杂

物和

夹杂物的变形武力一般沿用

ＭｎＯ－Ａ１２０３－Ｓｉ０２类夹杂物两种。对于

３９，

ＭｎＯ．Ａ１２０ｒＳｉ０２三元夹杂物，具有良好变形能力的夹杂物组成分布在锰铝榴石（３ＭｎＯ・Ａ１２０３・３Ｓｉ０２）及其周围的低熔点区，在该区域内Ａ１２０３的相成分在１５％－－３０％。而在ＣａＯ．Ａ１２０３．Ｓｉ０２三元夹杂物中，钙斜长石（ＣａＯ・Ａ１２０３・２Ｓ１０２）与鳞石英和假硅灰石（ＣａＯ・Ｓｉ０２）相邻的周边低熔点区有良好的变形能力，如图１所

示。

３夹杂物的变性处理

根据钢坯中硫化物的形态及分布的

不同，Ｓｉｍｓ【５懈钢中的硫化物分为３类：

Ｉ球状、无规则分布，可以是单纯的硫化物或硫化物同氧化物的复合物。

ＩＩ枝晶状，沿晶界分布。ⅡＩ块状，无规则分布，单相。在钢坯中，应尽量避免ＩＩ类硫化物的出现，而生成Ｉ类夹杂物。

３．１稀土元素在钢中夹杂物形态控制中的影响

稀土铝酸盐ＲＥＡｌｌｌ０１ｓ和ＲＥＡｌ０３的性质与Ａ１２０３的性质十分相似，在钢中成细链状分布，无塑性的稀土铝酸盐夹杂物细颗粒呈现细串链状或单独存在，或与ＭｎＳ一起构成复合夹杂物；稀土硫氧化物

ＲＥ

２０３Ｓ通常具有一定的变形能力（呈半

塑性），且颗粒较稀土铝酸盐大，也呈细链状分布；含硅的稀土铝氧化物ＲＥ

（Ａ１，Ｓｉ）ｌｌＯｌ８、ＲＥ（Ａｌ，Ｓｉ）０３具有较好

的变形能力【４１。由此可见，稀土的应用在一定程度上对脆性的Ａ１２０３起了变形作用，改善了钢的疲劳性能。

用稀使夹杂物变性的不足之处是各类稀土铝氧化物的密度大，熔点高，夹杂物不易上浮，浇钢时容易堵塞水口。此外，稀土与各种耐火材料都能反应，对钢包内衬的侵蚀比较严重，同时稀土的加入技术

也不尽完善，因而稀土对钢中夹杂物的变性作用还十分有限。

３．２钙处理钢的原理和技术

钙处理技术是生产管线钢的一项关键技术，其工作原理是将ｓｉ．ｃａ粉以喂丝的方式加入到钢包中，利用钙与硫的较强的结合能力使硫化物变性，即变条状的ＭｎＳ为球形的高熔点的ＣａＳ，以提高管线钢的抗裂纹性能。钙对夹杂物变性的反应式如

下：

３［Ｃａ］＋（Ａ１２０３）ｈ。＝２［Ａ１］＋３（ＣａＯ）ｉ。。（１）

３（ＣａＯ）ｉ。。＋２【Ａｌ】＋３［Ｓ］＝３（ＣａＳ）ｉ。。＋（Ａ１２０３）ｉ。。

（２）

钙对Ａｌ：０３的变性作用实质是，钙的加入能够使够Ａ１２０３变质为低熔点钙铝酸盐

Ｃ３Ａ、Ｃ１２Ａ７、ＣＡ、ＣＡ２和ＣＡ４（Ｃ＝ＣａＯ，

Ａ＝Ａ１２０３）等，其中前三者的熔点比钢液低，凝固时是球状。Ａ１２０３、ＣａＯ和ＳｉＯ能够生成低熔点的ＣａＯ・Ａ１２０３・２Ｓｉ０２，它是一种易切削相。

Ｍｅｃｈｅｌｓｏｎ［“、Ｗａｉｔｔ和Ｃｈｉｅｒｏ［７】等人发现，无论钢中铝含量多少，只要有钙的加入，就会有ＩＩ、ⅡＩ类硫化物的形成。Ｂａｒｔｏｎ”则发现钙能使硫化物变质为Ｉ类。Ｂｒｕｎｅｔ”和Ｎａｓｈｉｗａ”“都发现，钙在变质硫化物时，经常发现氧化物同硫化物复合在一起的现

象。夹杂物的中心是钙铝酸盐，钙、锰、

硫在一起形成硫化物的外壳。

Ｃａ／Ｓ比对夹杂物的成分和结构有重要的影响，表１给出了Ｃａ／Ｓ比对夹杂物核心及外壳的关系［１１］。当Ｃａ／Ｓ＝０～０．２时，钙不参与脱氧、脱硫反应，而主要

表１

Ｃａ／Ｓ对核心及外壳的影响

Ｃ“Ｓ

核心

外壳

０－０２

Ａ１２０３ＭｎＳ０

２加５

ｍＣａＯ・＾ＡＩｚＯ，

ＭｎＳ

０５－０７ｍＣａＯ・ＨＡｈＯ、

（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ

ｌ一２

ｍＣａＯ・月Ａ１２０、

ＣａＳ

反应为铝脱氧、锰脱硫，钙不能有效控

Ａ１２０３和ＭｎＳ夹杂的形成；Ｃａ／Ｓ再大时，钙除了继续变性Ａ１２０３外，还全部取代锰形成硫化钙。

３

制夹杂物的形态及组成；当Ｃａ／Ｓ＝０．２～

０．５时，钙处理能使氧化铝夹杂变为铝酸钙夹杂，但对硫化锰夹杂无明显影响：当Ｃａ／Ｓ＝０．５～０．７时。钙能有效改变

３通过调整渣的成分控制夹杂物的成

分和形态

２０

由稀土密度大、夹杂物不易上浮、侵（６）本身具有良好的变性能力。蚀包衬严重等缺点，使得稀土处理钢技术一般来说，项渣碱度控制在０．８—１．２

的推广受到了限制，对低硫钢进行钙处理之间，Ａ１２０３含量低于２０％，考虑到在实

时，形成的高溶点的ＣａＳ夹杂容易堵塞水际反应中的平衡情况可考虑把Ａ１２０３含量

口，因而科研工作者正致力于利用渣钢间降至１０％或更低【１２

１”。

的平衡反应，通过控制渣的组成，控制脱氧条件，使钢液脱氧产物组成分布在多元４结论及展望

塑性区（详见第２节），这也是夹杂物形通过上述分析可以得到以下结论：态控制技术的关键。

（１）钙处理钢技术较为完善，当夹杂物的成分可以用钢液与夹杂物Ｃａ／Ｓ＜０．５时，夹杂物的外壳为ＭｎＳ；当间的平衡热力学来预测，当钢渣间达到热Ｃａ／Ｓ＞Ｉ时，夹杂物的外壳是ＣａＳ。对于低力学平衡时，夹杂物的成分与钢渣的成分硫的管线钢来说，钙处理后的钢水容易堵

相同。在冶金生产过程中，绝对的钢液与塞水口。

夹杂物之间的平衡是少见的，但可达到局（２）稀土处理夹杂物技术在一定程部的钢与夹杂物、渣与钢、炉衬与钢渣、度上能够起到变性的作用，同时由于该技炉衬与钢液的准平衡状态。夹杂物的成分术存在一些不足，因而难于广泛地推广应

在很大程度上受顶渣成分和炉衬材料的用。

影响。硅和锰脱氧平衡如式３和式４所示，（３）调整顶渣成分来控制夹杂物性铝硅平衡用式５来表示：

能的技术能够弥补以上技术中的不足。理ＭｎＯｂｌ＋［Ｓ日＝Ｓｉ０２（。）＋２［Ｍｎ】

（３）论上讲，合理地控制脱氧条件和钢包顶渣【Ｓ妇＋２［Ｏ】＝Ｓｉ０２

（４）

的成分，就能够得到熔点低、塑性良好的２／３Ａ１２０３（ｓ）＋［Ｓｉ］＝Ｓｉ０２ｃ。）＋４／３［ＡＩ】（５）脱氧产物，从而使得钢的塑性、抗腐抗磨脱氧条件的控制关键是利用硅、锰脱氧，性能和疲劳强度都大大提高。该技术的关而抑制铝脱氧，因而要求钢中的铝含量要系是控制脱氧条件、调整渣的成分，创造低，但也不能过低，一般要求在百万分之一数量级的范围内。

热力学条件使钢液、夹杂物和钢包顶渣之渣控制夹杂物技术中对顶渣的要求

间达到平衡。

是：

近年来，渣控夹杂物技术成为冶金工（１）渣的氧势低；

业中的一个热门话题，日本、法国在这方（２）低熔点和良好的造渣性能：面做了一定的研究，而我国在这方面还未（３）对脱氧产物和少量的初炼炉渣见详细的报道。笔者认为，在脱氧剂中加

有强大的吸收能力；

入碱金属或稀土、在顶渣中加入碱性较强

（４）低的结晶倾向：

的化合物将是该课题中一个重要的可行（５）凝固过程中无外来相析出，易

的研究方向。

玻璃化；

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１２

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ｂｙ

１３

Ｇａｔｅｌｉｃｒ

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ａ１．ＩｎｃｌｕｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ

ｉｎ

Ｌｏｗ．ａｌｕｍｉｎｕｍＳｔｅｅｌｓ．Ｌａｒｅｖｕｅ

ｄｅ

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钢中夹杂物控制技术研究

作者：作者单位：

王立峰， 王万军， 王新华北京科技大学

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