淺談鐵基合金中的非金屬夾雜物的產(chǎn)生原因及改善方法

劉蘇柳 馬君

【摘要】本文綜述了鐵基合金中的非金屬夾雜物的危害和不同類型的非金屬夾雜物產(chǎn)生的原因，并依據(jù)非金屬夾雜產(chǎn)生的原理提出如何減少非金屬夾雜物的改善方法。

【關(guān)鍵詞】冶金 鐵基合金 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物，主要來源于冶煉和澆鑄過程，一般情況下是不可避免的，但其危害是不可忽視的。鐵基合金中夾雜物的危害主要是降低塑性和韌性、疲勞性能和耐腐蝕性能以及工藝性能，具體危害主要有以下五點(diǎn)：1、容易引起淬火裂紋;2、低熔點(diǎn)夾雜物容易引起熱脆;3、造成焊接缺陷;4、降低產(chǎn)品的表面光潔度進(jìn)而影響疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性;5、氫在夾雜處聚集，引發(fā)氫的鼓泡和延遲性裂紋造成氫脆。因其尺寸、數(shù)量、形態(tài)或分布不同，對鋼材質(zhì)量的影響也不同，很多零部件出現(xiàn)開裂、裂紋、腐蝕、工藝性能差與非金屬夾雜物含量不達(dá)標(biāo)有關(guān)。然而，一般情況下廠家在訂貨時(shí)往往會忽略此問題，在制定供銷合同時(shí)，多未注明其級別，故夾雜物引起的質(zhì)量問題在近年來愈發(fā)嚴(yán)重。

一、非金屬夾雜物的產(chǎn)生原因

概念弄清楚之后大家不禁要問這些非金屬夾雜物是如何產(chǎn)生的了，為了弄清其產(chǎn)生的的原因首先要從煉鋼說起。

煉鋼始于1856年英國H.Bessemer發(fā)明的酸性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，到現(xiàn)在為止，煉鋼最主要的過程就是一個(gè)氧化——還原反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中完成：脫碳、脫磷、脫硫、脫氧、脫氮、氫等;去除非金屬夾雜物;合金化、升溫、成型凝固。煉鋼的主要反應(yīng)：

1、氧化反應(yīng)：爐料被氧化，鐵被氧化，2Fe+O2=FeO+Q

1）FeO進(jìn)入鋼液，進(jìn)一步氧化。

2）2FeO+1/2O2=Fe2O3+Q? ? ?3FeO+1/2O2=Fe3O4+Q

2、還原反應(yīng)：Fe3O4.Fe2O3在爐渣界面被還原。

1）Fe2O3+Fe=FeO+Q? ? ?Fe3O4+Fe=FeO+Q

2）FeO+C→ Fe+ CO放熱;

3）CO以氣泡形式上浮，如果不形成氣泡，氧化還原反應(yīng)就不能進(jìn)行;

經(jīng)過整個(gè)反應(yīng)過程之后就就會產(chǎn)生以下幾種夾雜物

1、內(nèi)生夾雜

氧化就是鋼液中加入脫氧劑或吹氧，鋼中的溶解氧、氮、硫等與脫氧劑發(fā)生反應(yīng)，生成夾雜物沉淀出來，鋼冷卻凝固時(shí)析出，同鐵等其他元素合成單項(xiàng)或復(fù)相夾雜物、固溶體、化合物、共生物等，即內(nèi)生夾雜。

內(nèi)生夾雜的特點(diǎn)是尺寸小、數(shù)量多、分布均勻，通過粒子間碰撞可以長大達(dá)到5～30um。鋼包精煉攪拌，85%內(nèi)生夾雜物都能從鋼中上浮進(jìn)入渣相。內(nèi)生夾雜來源主要是冶煉中加入的脫氧劑，Si、Mn、Al等在鋼中形成的非金屬夾雜物，把鐵還原出來。

1）Si+FeO→2Fe+SiO2

2）或SiO2+2FeO →2FeO. SiO2

3）Mn+FeO →Fe +MnO

4）或Mn+FeO →（m MnO .nFeO）+ Fe

2、次生夾雜

主要是在鋼的冷卻中，由于氧、硫等偏析，在凝固過程中可產(chǎn)生氧化物和硫化物等，稱次生夾雜物。次生夾雜殘留在鋼的樹枝晶間或晶界，難以去除。

3、二次氧化

1）鋼水中的合金元素與空氣中的氧、爐渣、耐火材料中的氧接觸發(fā)生反應(yīng)，生成新的氧化物。

2）澆鑄過程中二次氧化源包括：注流與空氣的接觸吸氧、注流卷入空氣中氧、鋼水裸露吸氧。

3）鋼水與爐渣、鋼包頂渣、中間包覆蓋劑、連鑄保護(hù)渣等也發(fā)生二次氧化。

4、外來夾雜：

1）鋼水與中間包襯和浸入式水口的反應(yīng)。二次氧化生成的夾雜，也可能混入包中形成夾雜物，屬于外來夾雜。

2）外來夾雜物顆粒較大，大于50um，甚至幾百微米，組成復(fù)雜，多為復(fù)相，對產(chǎn)品危害大。

3）數(shù)量較少，顆粒大，但是比起數(shù)量多，分布彌散的小夾雜危害大。環(huán)形不規(guī)則的，比球形危害大;

4）保護(hù)渣（SiO2+CaO）為主，（NaO2+MgO+Al2O3+KO+CaF）復(fù)合夾雜，呈塊狀，基體呈條狀。

5）中包水口：ZrO以顆粒狀分布于B類或DS類夾雜中。

6）中包涂料：MgO以顆粒狀分布在B類或DS類夾雜中。

7）耐火材料鎂鋁尖晶石：（30%MgO+70%Al2O3）以塊狀分布在B類或DS類夾雜中。

8）浮在鋼水表面的爐渣或煉鋼爐、出鋼槽、盛鋼桶、連鑄過程等內(nèi)壁剝落的耐火材料或其他夾雜，進(jìn)入鋼液，并在凝固前未能浮出被保留在鋼中。純粹的外來夾雜較少見，與內(nèi)在夾雜發(fā)生交互作用或沉積在表面，一般顆粒大，形狀不規(guī)則，復(fù)相多，分布無規(guī)律。

二、如何改善鋼中的非金屬夾雜物

說完了非金屬夾雜物的產(chǎn)生原因，接著就該談一下如何改善這一材料缺陷了。鋼廠的同志都聽過這么一句行話——煉好鋼就要煉好渣，渣的理化性能決定著熔渣的物理和化學(xué)性能，而熔渣的物理和化學(xué)性能又影響煉鋼的化學(xué)反應(yīng)平衡和反應(yīng)速率。因此，煉鋼過程中必須控制好爐內(nèi)渣的物理和化學(xué)性能。

談到爐渣先明確一下爐渣在煉鋼過程的作用：

1、去除鐵水中的硫、磷等有害元素;

2、靠氧化渣傳氧，靠還原渣除氧;

3、保溫，防止鋼液吸氣（H、N），防止鋼液過度氧化，并減少元素?zé)龘p以達(dá)到保護(hù)元素的目的;

同時(shí)，有利就有弊，爐渣還會給煉鋼帶來一些害處：

1、熔渣侵蝕和沖刷爐襯，尤其是低堿度熔渣，降低爐襯使用壽命。

2、熔渣帶走大量熱，增加了能力消耗。

3、熔渣中裹帶小顆粒金屬及未被還原的金屬氧化物，降低金屬回收率。

4、加入的造渣材料，如：石灰、白云石、螢石及磚塊;爐料（鋼鐵料）中帶入的泥石砂石，會帶入一定量的如Si、Mn、P、S、Fe……的氧化產(chǎn)物成為夾雜物;

5、被燒蝕的爐襯耐火材料，變成夾雜物，如MgO……。

除了根據(jù)爐渣對煉鋼夾雜物的利弊來合理控制外，還要根據(jù)其具體的理化特征來調(diào)配爐渣。去除鋼中氣體及雜質(zhì)很大程度取決于爐渣的氧化性，F(xiàn)eO越多氧化性越強(qiáng)。含碳量低FeO高，含碳量高時(shí)FeO低。另一個(gè)重要因素就是鋼渣的流動性，流動性差的鋼渣參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)擴(kuò)散慢;結(jié)果有兩個(gè)，一是阻礙鋼液吸收氣體;二是阻礙冶金反應(yīng)的進(jìn)行。而堿性高會降低爐渣流動性，也就是說表面厚稠的爐渣，表明石灰石量大，堿性高，爐渣反應(yīng)慢，需加螢石，鐵釩土，碎礦石來降低粘度;反之，爐渣稀薄，有不溶解的石灰漂浮在表明，說明含SiO2高，含F(xiàn)eO，CaO較低，這時(shí)需要補(bǔ)加石灰（早期酸性渣稀薄，表面有泡沫，也是石灰不足。），但酸度一高就會侵蝕爐襯，不能保證脫除P和S。

綜合以上所有的夾雜物成因和改善方法，根據(jù)鋼廠的設(shè)備和原料實(shí)際情況合理安排工藝路線和參數(shù)一定能最大限度降低鐵基合金的非金屬夾雜程度。