煉鋼- 精煉- 連鑄鋼中夾雜物控制

作者：王子錚

（本溪鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，本溪 117000）

（來源：中鑄協(xié)鑄鋼委）

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摘 　要：鋼鐵是我國基礎(chǔ)設(shè)施的重要原材料，在汽車、建筑以及工業(yè)等領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用。隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)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(diǎn)。

關(guān)鍵詞：煉鋼；精煉；連鑄鋼；夾雜物

隨著國民經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)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(diǎn)：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(shù)，同時加強(qiáng)對先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)工作。從20 世紀(jì)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(shù)的應(yīng)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(shè)、國防建設(shè)以及特種建設(shè)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(dǎo)致鋼材結(jié)構(gòu)不均勻。此外，由于夾雜的幾何形狀、化學(xué)成分、物理性能等因素的影響，導(dǎo)致鋼材的力學(xué)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(yīng)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(yīng)力作用下成為應(yīng)力集中點(diǎn)。

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(jié)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(fù)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(dǎo)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(yīng)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(diǎn)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(yīng)，氧和鋼中的元素相結(jié)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(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。鋼液凝固時FeS、FeO 等因鋼液的“選分結(jié)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(jì)60 年代末，Kohnvertral 進(jìn)行了一項(xiàng)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(jì)70 年代，植田顥冶等通過對連鑄坯的研究，得出以下結(jié)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(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣進(jìn)入鋼液。熊井等人認(rèn)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(jì)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(zhuǎn)爐渣進(jìn)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(fù)合夾雜。大顆粒夾雜物由鋼包渣、保護(hù)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(jìn)行相互作用后會產(chǎn)生許多復(fù)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(shí)際中夾雜物可以轉(zhuǎn)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(qiáng)度，但對易切削鋼材來說，是一種脆性夾雜物，呈細(xì)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(shù)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(shù)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步，脫氧劑由單一的脫氧劑向復(fù)合脫氧劑過渡。采用復(fù)合脫氧劑會導(dǎo)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(shí)際活性。脫氧劑是一種熔融化合物，熔點(diǎn)較低，易生成液體脫氧物。復(fù)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(fù)合脫氧劑的成分比較復(fù)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(shí)現(xiàn)深度脫氧和深度脫硫。

5.1.1　復(fù)合脫氧劑應(yīng)用

目前脫氧劑材料眾多，如堿土金屬復(fù)合材料、硅鐵稀土合金以及鋯二元合金等。在具體的應(yīng)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(yīng)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(yīng)形成硫化鈣。如果鋼材中錳元素較多，也會生成硫化錳。復(fù)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(yīng)用

在鋼液凈化過程中，鈣的凈化效果比較好，既可以對其進(jìn)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(yīng)效果不佳。當(dāng)氧化鋁夾雜顆粒較多時，隨著鈣元素的擴(kuò)散，鈣與鋁發(fā)生反應(yīng)，對鋁元素進(jìn)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(yīng)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(yīng)用

20 世紀(jì)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(jì)70 年代，相關(guān)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(jié)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(shí)現(xiàn)夾雜物細(xì)化的效果。

5.2　冶煉工藝

5.2.1　采用射線法進(jìn)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(shù)是20 世紀(jì)60 年代在鋼液中加入鈣以及鈣的主要成分；喂線技術(shù)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(shí)際生產(chǎn)中，工作人員利用轉(zhuǎn)速控制器和長度計數(shù)器控制進(jìn)料速率和進(jìn)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(kuò)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(shè)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(diǎn)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(hù)澆鑄工藝

為減少鋼中夾雜物的產(chǎn)生，連鑄保護(hù)澆鑄技術(shù)和中間包冶金技術(shù)必不可少。為避免鋼水由鋼包進(jìn)入中間包期間與空氣接觸，一般利用長水口通氬氣進(jìn)行密封或采用耐火材料箱進(jìn)行保護(hù)澆鑄。開澆前通過氬氣對中間包進(jìn)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(jié)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(jié)晶器流場上浮到結(jié)晶器的保護(hù)渣中。對于夾雜物要求嚴(yán)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(shù)

20 世紀(jì)80 年代，為有效提高鋼材的潔凈度，西方發(fā)達(dá)國家加強(qiáng)了鋼液過濾處理技術(shù)方面的科學(xué)分析，以莫來石、氧化鋯以及氧化鋁為基礎(chǔ)材料，對過濾器進(jìn)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(jī)械原理是過濾處理技術(shù)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(dāng)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(shí)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(shí)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(luò)狀通徑能夠通過過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效吸附，達(dá)到凈化效果。

6　結(jié)語

夾雜物的存在會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確了解鋼中夾雜物的來源、分布及主要危害，并采取科學(xué)的處理和凈化工藝，協(xié)調(diào)鋼制品的性能和經(jīng)濟(jì)效益，以達(dá)到相關(guān)的使用標(biāo)準(zhǔn)，推動企業(yè)的發(fā)展。

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（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，圖文無關(guān)）