蔣星亮，敖 翔

（新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余 338000）

在我們生活的現(xiàn)代社會(huì)當(dāng)中，鋼材占據(jù)了越來越重要的位置，在工業(yè)、建筑以及汽車行業(yè)都有了廣泛應(yīng)用。鋼材在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對于純凈度的要求也在不斷提升，自然也就對控制夾雜物提出了更加嚴(yán)苛的要求[1]。此種背景下就需要針對鋼材當(dāng)中控制夾雜物的相關(guān)內(nèi)容開展全面研究。

1 潔凈鋼基本概念

目前關(guān)于潔凈鋼的概念并未形成準(zhǔn)確的界定，通常情況下認(rèn)為，在潔凈鋼當(dāng)中包含的氧、氮、氫、硫、磷等物種雜質(zhì)比較少，而且還要嚴(yán)格控制氧化物、硫化物等非金屬夾雜物。潔凈鋼的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：第一，鋼中包含的總氧量比較少；第二，包含的夾雜物數(shù)量、尺寸都比較小且分布均勻；第三，含有的脆性夾雜物數(shù)量少，其他合適的夾雜物形態(tài)也少。

想要生產(chǎn)出更高質(zhì)量和更高性能的鋼材產(chǎn)品，必須掌握更精準(zhǔn)的鋼的純凈化技術(shù)，積極引入鋼鐵冶金方面最先進(jìn)的技術(shù)裝備。從上個(gè)世紀(jì)80 年代之后，在煉鋼、精煉以及連鑄鋼生產(chǎn)當(dāng)中，鋼的潔凈程度得到了很明顯的提升。日本在2000 年生產(chǎn)的潔凈鋼當(dāng)中，包含的有害元素總量只有0.005%；我國寶鋼生產(chǎn)的潔凈鋼有害元素達(dá)到了0.008%。目前隨著國防與交通建設(shè)對鋼材需求和質(zhì)量要求的不斷增加，潔凈鋼需要在之后發(fā)展中不斷提升其潔凈程度。

2 鋼中夾雜物

2.1 內(nèi)生夾雜物

所謂內(nèi)生夾雜物，主要是指鋼水冷卻凝固期間的析出物，如脫氧產(chǎn)物。低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中的氧化鋁夾雜和硅鎮(zhèn)靜鋼中氧化硅夾雜，它們形成于鋼中溶解氧和置入的鋁之間所產(chǎn)生的一系列反應(yīng)，該種脫氧生成的夾雜物，具有明顯的典型性。氧化鋁夾雜物若在高氧濃度比較高的狀態(tài)下，會(huì)表現(xiàn)出樹枝狀。點(diǎn)簇狀氧化鋁夾雜均產(chǎn)生于脫氧，是鋁脫氧鋼中存在的具有明顯典型性的一種形式。因?yàn)榻缑婺茌^高，氧化鋁夾雜極易通過不同的形式，如碰撞、聚集等，形成三維點(diǎn)簇狀。點(diǎn)簇狀?yuàn)A雜內(nèi)每個(gè)單體直徑大概為2.5μm。在與其他顆粒碰撞、分離亦或者聚集前，上述單體所呈現(xiàn)的夾雜物形狀，可以是花盤型，也可以是多面體型。因?yàn)樵阡撍谐尸F(xiàn)出的狀態(tài)，可以是液態(tài)亦或者是玻璃質(zhì)，所以這個(gè)時(shí)候的硅夾雜物一般呈現(xiàn)為球形，同樣也能夠形成點(diǎn)簇狀。

2.2 二次氧化產(chǎn)生的外來夾雜物

鋼中二次氧化產(chǎn)生的大型夾雜物，一般的形式為點(diǎn)簇狀A(yù)2LO3夾雜物?？諝庾鳛槎窝趸餐溃缫韵路绞竭M(jìn)入鋼液：因?yàn)樵阡撍⑷胩幘薮蟮耐牧鲗?dǎo)致中間包鋼水表面吸入空氣，流動(dòng)的鋼液表面所得到的氧化膜再一次卷入鋼液后，會(huì)得到極其薄的氧化物顆粒帶；鋼水從鋼包進(jìn)入中間包、中間包進(jìn)入結(jié)晶器的水口連接所在部位吸入空氣；在澆鑄期間，鋼包、中間包、結(jié)晶器鋼水上面的空氣得到充分的滲透。在諸如此類的二次氧化過程中，脫氧元素會(huì)提前氧化，如AL等，氧化產(chǎn)物進(jìn)化為非金屬夾雜物，一般比脫氧夾雜物大1-2 個(gè)數(shù)量級。為了避免該類二次氧化情況的發(fā)生，就需要在澆鑄期間充分地保護(hù)好鋼液，以此有效地避免其在空氣中顯現(xiàn)；在鋼包長水口、中間包浸入式水口連接所在部位，實(shí)施鋼環(huán)達(dá)到氣幕保護(hù)的目標(biāo)；澆鑄之前可將保護(hù)氣體充入中間包內(nèi)進(jìn)行保護(hù)；控制鋼包內(nèi)的氣體吹入有效防止氣眼的產(chǎn)生。

2.3 腐蝕造成的外來夾雜物

耐火材料的侵蝕物涵蓋磚塊上的砂粒、松散的臟物等，屬于比較多見的，而且具有明顯典型的固態(tài)型外來夾雜物的來源，與鋼包、中間包本身材料有著密切的聯(lián)系。一般情況下，它們尺寸比較大，外形比較多變。

3 鋼中夾雜物來源及危害分析

3.1 鋼中夾雜物主要來源

在鋼材加工當(dāng)中所出現(xiàn)的夾雜物來源主要有兩個(gè)方面，第一是產(chǎn)生于鋼材冶煉過程。在鋼材冶煉出鋼時(shí)，加入鐵合金之后會(huì)有脫氧產(chǎn)物出現(xiàn)；在澆筑階段鋼水和空氣作用會(huì)出現(xiàn)二次氧化產(chǎn)物。冶煉中所產(chǎn)生的夾雜物顆粒通常較小，分布相對均勻[2]。第二，由于多種原因的綜合影響，在冶煉中受到外部帶來的夾雜物的影響，這種夾雜物的外形一般不規(guī)則，尺寸也比較大，分布狀態(tài)也不均勻。

內(nèi)生夾雜物出現(xiàn)的情況有以下幾種：第一，在鋼材具體進(jìn)行冶煉當(dāng)中，無法將拖延產(chǎn)物徹底清除掉?；蛘咴跐仓h(huán)節(jié)的溫度控制不合理，由于溫度明顯降低，產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物，無法實(shí)現(xiàn)上浮目標(biāo)，直接留在了鋼材內(nèi)部。這種類型產(chǎn)生的夾雜物大多數(shù)會(huì)通過小質(zhì)點(diǎn)的方式呈現(xiàn)出來，依附在鋼材的基體組織當(dāng)中，還有一些也會(huì)聚集成規(guī)模比較大的顆粒，通過固溶狀態(tài)的方式在材料內(nèi)部停留。第二，出現(xiàn)在澆筑階段或者是出鋼階段。在鋼液和空氣有了接觸之后，鋼液會(huì)產(chǎn)生氧化情況。而鋼材當(dāng)中的金屬元素會(huì)和氧元素發(fā)生反應(yīng)，形成二次氧化物，在鋼材內(nèi)部殘留。

鋼材內(nèi)部夾雜物的來源，不同學(xué)者所持的觀點(diǎn)不同。有些研究人員認(rèn)為，連鑄鋼坯內(nèi)部出現(xiàn)的夾雜物主要是從外部來，還有人指出在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的夾雜物是因?yàn)槎窝趸磻?yīng)產(chǎn)生[3]。下列幾條結(jié)論已經(jīng)在開展的系列研究當(dāng)中得到了證實(shí)：

第一，在對鑄坯夾雜物分布的位置差異進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，夾雜物在頭部與尾部分布的量和大夾雜物的量都要比中間位置更多。第二，在鑄坯厚度方向內(nèi)弧側(cè)片的外層位置一般會(huì)存在比較多的大型夾雜物。第三，選擇脫氧方法以及脫氧劑的類型會(huì)直接對鋼材夾雜物的含量產(chǎn)生影響。

3.2 鋼中存在夾雜物的主要危害

夾雜物在鋼中主要是通過非金屬化合物的形態(tài)存在，比如氮化物、氧化物等。這會(huì)讓鋼材的組織變得更加不均勻，同時(shí)夾雜物的化學(xué)成分、幾何形狀以及物理性能等都會(huì)導(dǎo)致鋼材的一些理化性能和冷熱加工功能惡化，導(dǎo)致鋼材的疲勞性能與機(jī)械性能等都持續(xù)降低。鋼材中夾雜物種類的不同，帶來的危害也存在著差異。

第一，夾雜物為氧化鋁。這是比較常見的鋼材夾雜物，也是眾多夾雜物中對鋼材性能產(chǎn)生影響最顯著的一種。氧化鋁本質(zhì)上為脆性不會(huì)變形的夾雜物，和基體的熱變形能力存在著十分顯著的差異。受到熱加工應(yīng)力的影響，脆性夾雜大塊的氧化鋁，在受到變形破碎之后，就會(huì)成為有比較尖銳棱角的夾雜物，以鏈狀形式在基體當(dāng)中分布。堅(jiān)硬且尖銳的夾雜物會(huì)劃傷基體，還會(huì)在夾雜物的周圍和應(yīng)力集中產(chǎn)生的交界面位置形成裂紋、空隙等，最終會(huì)導(dǎo)致鋼材發(fā)生疲勞斷裂[4]。

第二，夾雜硅酸鹽。在鋼材加工凝固過程中，因?yàn)槟痰臅r(shí)間很短，速度極快。有些液態(tài)的硅酸鹽還未來得及結(jié)晶，會(huì)部分或者全部通過過冷液體，也就是以玻璃態(tài)的方式在鋼材中存在。當(dāng)溫度介于800 度到1300度時(shí)，按照組成的差異，塑性也會(huì)變化很快。在鈣的鋁酸鹽以及硅酸鹽當(dāng)中所包含的成本十分復(fù)雜，經(jīng)過軋制過程，夾雜物會(huì)繼續(xù)以球點(diǎn)狀形式存在。若屬于低碳鋼，尤其是沸騰鋼，這種類型的夾雜物會(huì)降低鋼材的韌性、出現(xiàn)盤條塑情況和帶鋼分層情況。

4 鋼材中夾雜物控制和減少方法

4.1 控制鋼材中夾雜物整體理念

鋼鐵冶煉的常規(guī)觀念當(dāng)中，夾雜物是對鋼材質(zhì)量產(chǎn)生危害的不利因素，必須要采取嚴(yán)格的控制策略進(jìn)行去除。實(shí)際上，如果可以采取更加科學(xué)有效的控制方法，是能夠把一些夾雜物轉(zhuǎn)變成為對鋼材有利的因素。比如：若鋼材當(dāng)中的含硫量比較高，會(huì)在鋼材冶煉當(dāng)中出現(xiàn)硫化鐵等夾雜物，降低鋼材的強(qiáng)度。生產(chǎn)一般鋼材時(shí)，硫化鐵夾雜物屬于不良因素，而對于生產(chǎn)易切割鋼來說，卻屬于有利因素。因?yàn)榱蚧F是脆性的夾雜物，一般情況下會(huì)通過細(xì)小條狀物、紡錘狀物的方式在鋼材內(nèi)部存在，本身有著很低的硬度。也正是因?yàn)榇嬖谥朔N物質(zhì)，更容易折斷鋼材，讓鋼材的切削效率也大幅度提升。如果鋼材當(dāng)中出現(xiàn)了微量的鈣離子，可以溶解一部分夾雜物，形成新的夾雜物，即三氧化二鋁。這種新夾雜物的形成，會(huì)堆積在刀具的表面，完全包覆表面，避免刀具和工件之間出現(xiàn)直接的摩擦，能讓鋼材切割工件的光滑程度明顯提升，而且隨著切割時(shí)間的增加，此種優(yōu)勢也更加顯著。

4.2 減少鋼材夾雜物的方法分析

4.2.1 脫氧凈化方法及應(yīng)用

鋼材當(dāng)中如果含氧量比較高，便會(huì)產(chǎn)生較多的氧化夾雜物，對鋼材的整體質(zhì)量也有不利影響。脫氧凈化方法應(yīng)用可以幫助降低鋼材中的含氧量，這就需要用到脫氧劑。而脫氧劑在經(jīng)過了一段時(shí)間的發(fā)展之后，也得到了新的進(jìn)步。從之前單一的硅鐵、鋁和錳鐵進(jìn)步到了融合多種物質(zhì)的復(fù)合型脫氧劑。新型脫氧劑的使用，能夠?qū)Χ喾N不同因素完成脫氧，還可以讓得到的脫氧產(chǎn)物彼此之間生成化合物，實(shí)現(xiàn)共溶，讓脫氧產(chǎn)物的活度不斷降低[5]。脫氧產(chǎn)物本質(zhì)上屬于共溶化合物，其熔點(diǎn)低于純氧化物，更容易產(chǎn)生液態(tài)的脫氧產(chǎn)物。另外，在使用復(fù)合脫氧劑當(dāng)中，脫氧產(chǎn)物和鋼液的界面張力整體較小，能夠更容易析出新相，促進(jìn)脫氧反應(yīng)速度的不斷加快。

第一，復(fù)合脫氧劑應(yīng)用?，F(xiàn)階段，在國內(nèi)外鋯二元合金和堿土金屬復(fù)合材料，含鋁的復(fù)合金以及各種硅鐵稀土合金等，共發(fā)現(xiàn)150 多種。四元脫氧劑在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，能夠最大限度發(fā)揮其中含有的RE 元素和鋼材中含有的氮、硫和氧元素的親和性。鋁脫氧鋼加鈣在具體處理當(dāng)中，有些鈣可以在鋼材中溶解，然后會(huì)和固態(tài)的氧化鋁發(fā)生雜物反應(yīng)，導(dǎo)致鋁酸鈣的產(chǎn)生。在冶煉當(dāng)中，隨著各項(xiàng)物質(zhì)的添加，夾雜物的氧化鈣會(huì)不斷富集，降低液相線溫度。還有一些添加鈣可能會(huì)和硫產(chǎn)生化合作用，形成硫化鈣。若鋼材中含有錳元素，在生成硫化鈣所需要溫度更低的條件下，還會(huì)生成硫化錳等硫化物。所以可以假設(shè)會(huì)生成兩種雜物。

第二，鈣的應(yīng)用。在鋼液凈化中，鈣是一種比較好的凈化劑。不僅可以深脫氧，還可以深脫硫，在鋼液脫氧之后，氧處于很低的情況下，鈣直接脫氧反應(yīng)成為次要過程。在氧化鋁夾雜顆粒當(dāng)中，鈣會(huì)逐漸擴(kuò)散開，讓鈣接連不斷地進(jìn)入到鋁的位置當(dāng)中，將鋁置換出來。而鋁會(huì)進(jìn)入到鋼液當(dāng)中。當(dāng)鈣持續(xù)擴(kuò)散后，氧化鋁夾雜物表面上含有的氧化鈣含量也會(huì)持續(xù)增加，若氧化鈣含量超過25%，鈣鋁酸鹽會(huì)以液態(tài)形式呈現(xiàn)，直接在鋼液中浮出，進(jìn)入到渣層。還有一小部分沒有成功漂浮起來的夾雜顆粒形態(tài)比較小，在鋼材中殘留。此種方式不僅讓脫氧問題得到有效解決，還讓鋼材當(dāng)中包含的氧化鋁夾雜物問題得到充分結(jié)果。更重要的是，能夠讓鋼坯的顯微組織結(jié)構(gòu)變得更加均勻，讓鋼水的流動(dòng)性得到顯著改善，有效降低澆筑當(dāng)中水口堵塞的相關(guān)問題。

第三，稀土應(yīng)用。1922 年時(shí)開展了稀土對鋼中夾雜物影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示稀土能夠讓鋼材中夾雜物的形態(tài)出現(xiàn)改變。20 世紀(jì)50 年代之后，美國對稀土的使用范圍顯著擴(kuò)大。進(jìn)入到70 年代之后，發(fā)現(xiàn)若能夠?qū)︿摬闹械南⊥梁土蚝勘壤M(jìn)行有效控制，可以得到更好的凈化鋼材夾雜物和變形效果。美國采用稀土處理鋼材夾雜物的應(yīng)用越來越廣泛，每年用于處理鋼的稀土量可以達(dá)到400 萬噸。之所以應(yīng)用稀土，是因?yàn)橄⊥聊軌蚝弯摬漠?dāng)中的不少有害元素形成較好的親和力，在這些有害元素形成了化合物之后，可以從鋼液當(dāng)中排除，實(shí)現(xiàn)鋼水凈化的目標(biāo)。而且稀土加入后，當(dāng)稀土與硫元素比例介于3 到4 時(shí)，稀土硫化物可以完全將氧化鋁、硫化錳等取代，達(dá)到細(xì)化夾雜物的目標(biāo)[6]。但是在采用脫氧凈化方法時(shí)，還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，有不少的復(fù)合氧化劑化驗(yàn)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中含有較高的鈣元素、鋇元素與鋁元素，凈化夾雜物的整體效果也不理想。如果對比采用二次重熔法和礦熱爐法生產(chǎn)硅鋁鋇合金的效果會(huì)發(fā)現(xiàn)，采用后者的脫氧效果明顯不如前者，鋼材當(dāng)中夾雜物的含量也多。主要是因?yàn)榈V熱爐生產(chǎn)方法，鋼材中包含的合金元素是以氧化復(fù)合物形式存在，因此有著較差的脫氧效果。

4.2.2 固體電解質(zhì)脫氧方法

Oberg K E 等在1975 年對采用固體電解質(zhì)方法完成銅液脫氧實(shí)驗(yàn)及結(jié)果進(jìn)行報(bào)道，到20 世紀(jì)80 年代后，又有學(xué)者使用一氧化碳、二氧化碳?xì)怏w當(dāng)作鋯管內(nèi)壁流動(dòng)氣體，對銅液脫氧情況開展研究。20 世紀(jì)90年代后，美國冶金工作者將還原氣體通入到鋯管內(nèi)部，選擇回路電池短路方法完成了鋼液與銅液的脫氧反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)脫氧速度受到了多種因素的限制，尤其是當(dāng)處于低氧位時(shí)，受到的限制更加明顯。

氧化物固體電解質(zhì)電池脫氧方法應(yīng)用的基本原理如下：電池正極為在鋯管內(nèi)壁燒結(jié)具有良好導(dǎo)電性能的多孔金屬陶瓷涂層，在鋯管內(nèi)部填充純度更高的石墨粉，選擇耐火多孔材料進(jìn)行封口。把已經(jīng)抽成真空狀態(tài)的氧化鋁管連接密封。電池負(fù)極選擇金屬鉬陶瓷材料或者不銹鋼材料。不管是正極還是負(fù)極，都選擇鉬絲作為引線。按照對脫氧過程的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在高溫環(huán)境下，所摻雜著的物質(zhì)固體電解質(zhì)是以氧離子導(dǎo)體作為自己的基體。在金屬溶液當(dāng)中插入氧化物固體電解質(zhì)鋯管，還要讓鋯管內(nèi)部的氧分子壓比外部的氧分子壓更低。把兩個(gè)電極連接起來，構(gòu)建成原電池。此時(shí)在金屬溶液當(dāng)中，氧會(huì)借助于鋯管，通過氧離子的方式直接進(jìn)入到鋯管內(nèi)壁，最終的排出形式是氣體。金屬溶液當(dāng)中的氧也在這一過程當(dāng)中被去除。

若處于高溫反應(yīng)狀態(tài)下，電流的密度在比較小的密度時(shí)，擴(kuò)散的速度會(huì)加快。在金屬溶液中氧的擴(kuò)散，氧離子在固體電解質(zhì)的正極反應(yīng)當(dāng)中氧的擴(kuò)散速度卻比較緩慢。在明確分析了熱態(tài)脫氧過程和試驗(yàn)結(jié)果之后，可以采用以下幾種方式讓固體電解質(zhì)電解脫氧的速度不斷加快：第一，讓固體電解質(zhì)和電極之間的接觸面積不斷擴(kuò)大；第二，讓金屬熔池當(dāng)中氧擴(kuò)散速度加大；第三，幫助正極氧分壓的持續(xù)降低；第四，整個(gè)電池回路的電阻都需要降低；第五，外部電池的電流以及電壓都需要得到增強(qiáng)。

選擇固體電解質(zhì)脫氧方法，不需要另外添加鋁、錳等金屬元素或者復(fù)合脫氧劑。所以在脫氧過程當(dāng)中，也不會(huì)有相關(guān)的脫氧產(chǎn)物出現(xiàn)。本質(zhì)上解決了目前冶金行業(yè)當(dāng)中使用常規(guī)脫氧方法導(dǎo)致的參與脫氧合金量和剩下的殘余物過高情況。提供了一種更新型的，能夠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材和金屬的脫氧裝置，但也不得不承認(rèn)此種方法的局限性便是脫氧速度會(huì)受到限制。

4.2.3 過濾減少夾雜物方法

為了讓鋼材的潔凈程度變得更高，美國、日本等國家在20 世紀(jì)80 年代研究了鋼液過濾相關(guān)技術(shù)和過濾設(shè)備。其中在過濾設(shè)備的制造當(dāng)中選擇的基礎(chǔ)材料有莫來石、氧化鋯和氧化鋁等。過濾器可以分為陶瓷泡沫和陶瓷真空兩種類型，前者有更小的密度，氣孔率達(dá)到70%，后者的孔隙率小于50%。過濾技術(shù)的原理是通過使用機(jī)械，將鋼材中含有的夾雜物去除。按照過濾方法的不同，能分為高床式、篩網(wǎng)式和堆積式三種。高床式方式：一般用來過濾直徑比較大的夾雜物，通過過濾器內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)狀通徑和內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸附作用，實(shí)現(xiàn)凈化目標(biāo)。篩網(wǎng)式方法：在金屬液從過濾器的表面經(jīng)過后，會(huì)篩選掉固體夾雜物，將其阻擋在篩網(wǎng)上部，達(dá)到去除雜物的目標(biāo)。堆積式方法：金屬液在從過濾器表面經(jīng)過之后，會(huì)將金屬液體和固態(tài)夾雜物分割開來。過濾器的表面會(huì)堆積塊狀的固體夾雜物，實(shí)現(xiàn)過濾夾雜物的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

夾雜物對于鋼材的性能和質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，難以滿足當(dāng)前各行業(yè)對鋼材質(zhì)量的高要求。為了提高鋼材的純凈度，需要最大限度過濾掉其中含有的夾雜物。在本次研究中也分析了鋼材夾雜物的來源、危害，并且提出了減少鋼材夾雜物的方法，希望能夠?yàn)榛A(chǔ)建設(shè)行業(yè)提供更高質(zhì)量的鋼材產(chǎn)品。