影响钢中非金属夹杂物的关键因素的研究

(河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南471000)

非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐或氮化物等。钢中存在的非金属夹杂物会破坏钢基体的连续性，造成钢组织的不均匀性，严重影响钢的性能；同时，非金属夹杂物能以不同的方式在钢中形成解理裂纹的核，在高度变形时这些夹杂物发生变形，并在其周围伴随有裂纹的萌生，在一定的力学条件作用下，夹杂物周围的裂纹互相联结成片，形成了宏观可见的裂纹。另外，非金属夹杂物存在的另一危害就是钢材在受力过程中形成应力集中，造成钢材的强度下降。此外，钢中非金属夹杂物还能提高钢的脆性转变温度，使钢有变脆的倾向[1]。因此，可以说钢的性能、质量(如疲劳寿命、加工性能及耐蚀性能等)在一定程度上取决于钢中夹杂物的数量、形态和分布[2]。

钢中非金属夹杂物主要来源于原材料、冶炼过程中脱氧和合金元素与溶解在钢液中的O、S或N的反应产物、出钢和浇注过程中的二次氧化或钢在凝固过程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化物或氮化物、炉渣或耐火材料或其它夹杂在钢液凝固过程中未及时浮出而残留于钢中。为满足现代工程技术发展对钢的洁净度要求不断提高的需要，有必要对影响钢中夹杂物形态、尺寸及分布的关键因素进行深入探讨和研究，从而生产出更具有市场竞争力的产品。本文以中信重工42CrMo钢生产实践为基础，主要分析了冶炼过程精炼控制时间、[Mn]/[S]、Al含量等对钢中非金属夹杂物等级的影响。

1 试验条件

试验材质42CrMo生产工艺流程为：EBT超高功率电炉初炼→LF炉外精炼→VD真空脱气处理→静吹→VC真空浇注/氩气保护下铸。

操作要点有：

(1)精选炉料，熔清残余元素满足工艺要求，利用EBT超高功率电弧炉内去气、去夹杂，并最大限度降低钢中P含量，EBT出钢前加强喷吹碳粉操作以免钢水过度氧化，出钢采用留钢留渣操作，严禁氧化渣进入精炼包，并随钢流加入铝脱氧。

(2)到达LF精炼工位后尽快造好还原性渣，控制好熔渣碱度及流动性，并尽量避免因氩气搅拌而导致卷渣或钢液裸露现象，调整合金成分达到钢种要求，出钢前喂入适量Si-Ca线终脱氧。

(3)VD处理真空度≤66.5Pa，有效高真空保持时间不低于15min，并保证适宜的氩气搅拌强度。VD真空处理结束后，静吹时间大于15min，有效保证钢中夹杂物的上浮。

2 试验结果及分析

2.1 精炼时间对钢中非金属夹杂物评级的影响

表1所示为试验统计精炼时间与钢中非金属夹杂物评级的关系。可以看出，精炼总时间对钢中非金属夹杂评级的影响具有两重性，当精炼时间低于1.5 h或达到3.5 h以上时，钢中非金属夹杂物超过1.5级的几率明显增加：这主要是由于若精炼时间过短，钢液中各物质之间的物化反应尚不充分，颗粒直径小的脱氧/脱硫产物没有足够充分的上浮时间浮出钢液面而残留于钢中，会导致钢中非金属夹杂升高；但若精炼时间过长，则容易造成钢渣或耐火材料等外来夹杂进入钢液导致夹杂物含量增加。只有精炼时间控制在2 h～3 h时，钢中非金属夹杂物评级才比较稳定，大约60%都能控制在1.0级以下。另外，试验各炉次VD后静吹时间不得低于15 min，以给钢液中夹杂物充分的上浮时间，并借助外力搅拌作用，使夹杂物上浮的动力学条件得以改善。

表1 精炼时间与钢中非金属夹杂物评级的关系Table 1 Relationship between refining time and grade evaluation of non-metallic inclusions in steel

表2 [Mn]/[S]与钢中硫化物夹杂等级概率的关系Table 2 Relationship between [Mn]/[S] and grade probability of sulfide inclusions in steel

2.2 [Mn]/[S]对硫化物夹杂级别及形态的影响

表2所示为试验中统计钢水中[Mn]/[S]与钢中硫化物夹杂等级概率的关系。可以看出，当[Mn]/[S]≤90时，硫化物夹杂级别100%超过1级，随着[Mn]/[S]的增大，钢中非金属夹杂中0.5级及1.0级的比例逐渐增加，只有当[Mn]/[S]≥170时，才能保证硫化物夹杂的等级全部在1.0级以内。

2.3 Al对钢中非金属夹杂评级的影响

Al是炼钢过程常用的终脱氧材料，用铝脱氧不但可以有效降低钢中的O含量，还可以起到细化晶粒、改善钢质、防止时效的作用[4]。钢中的内生夹杂物主要包括炼钢过程合金化和终脱氧时产生的初生夹杂及钢液凝固过程由于各元素溶解度降低而析出的次生夹杂。其中，初生夹杂一般尺寸较大，是影响成品钢中夹杂物评级的关键因素[5]。

图1是根据现场实际生产42CrMo钢过程中测得Al含量及钢中夹杂物评级数据的分析结果。可以看出，钢液中Al含量对非金属夹杂总量有明显的影响，通过生产过程中各工序参数的适当调整，控制钢液Al含量，可以达到控制钢液中夹杂物评级的目的。图1分析结果表明Al的较佳控制范围为0.022%～0.032%，Al含量过低或过高都会引起夹杂物总量的增加。根据试验分析，若钢液中Al含量过高，钢液中的Al很容易与渣中的氧结合，还原渣中的SiO2、MnO等化合物而导致钢水增硅，使钢液中聚集的Al2O3增加。另外，在浇注温度下，氧溶解于钢水中的能力非常大，加之各种合金元素基本上都是起增大溶解能力的作用[6]，因此过高的Al会大大增加钢液在浇注时的二次氧化现象。若Al含量过低，则会增加钢液中溶解氧的含量，不但会造成钢中氧化物的增加，还会影响钢的组织性能。因此，控制好钢中Al含量是降低夹杂物的一个关键点。

图1 Al含量与钢中非金属夹杂评级的关系Figure 1 Relationship between Al content and grade evaluation of non-metallic inclusions in steel

3 结论

(1)精炼时间对钢中非金属夹杂评级的影响具有两重性，把精炼时间控制在2 h～3 h以内，钢中非金属夹杂物评级才比较稳定，大约60%都能控制在1.0级以下。

(2)钢液中[Mn]/[S]、O和S含量的高低都会不同程度的影响硫化物夹杂的级别及形态。只有保证[Mn]/[S]≥170，并适当控制好钢中O含量，才能保证硫化物夹杂的等级全部在1.0级以内。

(3)钢液中Al含量对非金属夹杂总量有明显的影响，适当控制钢液Al含量，可以达到控制钢液中夹杂物评级的目的。Al的较佳控制范围为0.022%～0.032%，Al含量过低或过高都会引起夹杂物总量的增加。