浅谈铁基合金中的非金属夹杂物的产生原因及改善方法

刘苏柳 马君

【摘要】本文综述了铁基合金中的非金属夹杂物的危害和不同类型的非金属夹杂物产生的原因，并依据非金属夹杂产生的原理提出如何减少非金属夹杂物的改善方法。

【关键词】冶金 铁基合金 非金属夹杂物

非金属夹杂物，主要来源于冶炼和浇铸过程，一般情况下是不可避免的，但其危害是不可忽视的。铁基合金中夹杂物的危害主要是降低塑性和韧性、疲劳性能和耐腐蚀性能以及工艺性能，具体危害主要有以下五点：1、容易引起淬火裂纹;2、低熔点夹杂物容易引起热脆;3、造成焊接缺陷;4、降低产品的表面光洁度进而影响疲劳强度和耐腐蚀性;5、氢在夹杂处聚集，引发氢的鼓泡和延迟性裂纹造成氢脆。因其尺寸、数量、形态或分布不同，对钢材质量的影响也不同，很多零部件出现开裂、裂纹、腐蚀、工艺性能差与非金属夹杂物含量不达标有关。然而，一般情况下厂家在订货时往往会忽略此问题，在制定供销合同时，多未注明其级别，故夹杂物引起的质量问题在近年来愈发严重。

一、非金属夹杂物的产生原因

概念弄清楚之后大家不禁要问这些非金属夹杂物是如何产生的了，为了弄清其产生的的原因首先要从炼钢说起。

炼钢始于1856年英国H.Bessemer发明的酸性底吹转炉炼钢，到现在为止，炼钢最主要的过程就是一个氧化——还原反应，并在反应过程中完成：脱碳、脱磷、脱硫、脱氧、脱氮、氢等;去除非金属夹杂物;合金化、升温、成型凝固。炼钢的主要反应：

1、氧化反应：炉料被氧化，铁被氧化，2Fe+O2=FeO+Q

1）FeO进入钢液，进一步氧化。

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

2、还原反应：Fe3O4.Fe2O3在炉渣界面被还原。

1）Fe2O3+Fe=FeO+Q     Fe3O4+Fe=FeO+Q

2）FeO+C→ Fe+ CO放热;

3）CO以气泡形式上浮，如果不形成气泡，氧化还原反应就不能进行;

经过整个反应过程之后就就会产生以下几种夹杂物

1、内生夹杂

氧化就是钢液中加入脱氧剂或吹氧，钢中的溶解氧、氮、硫等与脱氧剂发生反应，生成夹杂物沉淀出来，钢冷却凝固时析出，同铁等其他元素合成单项或复相夹杂物、固溶体、化合物、共生物等，即内生夹杂。

内生夹杂的特点是尺寸小、数量多、分布均匀，通过粒子间碰撞可以长大达到5～30um。钢包精炼搅拌，85%内生夹杂物都能从钢中上浮进入渣相。内生夹杂来源主要是冶炼中加入的脱氧剂，Si、Mn、Al等在钢中形成的非金属夹杂物，把铁还原出来。

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、次生夹杂

主要是在钢的冷却中，由于氧、硫等偏析，在凝固过程中可产生氧化物和硫化物等，称次生夹杂物。次生夹杂残留在钢的树枝晶间或晶界，难以去除。

3、二次氧化

1）钢水中的合金元素与空气中的氧、炉渣、耐火材料中的氧接触发生反应，生成新的氧化物。

2）浇铸过程中二次氧化源包括：注流与空气的接触吸氧、注流卷入空气中氧、钢水裸露吸氧。

3）鋼水与炉渣、钢包顶渣、中间包覆盖剂、连铸保护渣等也发生二次氧化。

4、外来夹杂：

1）钢水与中间包衬和浸入式水口的反应。二次氧化生成的夹杂，也可能混入包中形成夹杂物，属于外来夹杂。

2）外来夹杂物颗粒较大，大于50um，甚至几百微米，组成复杂，多为复相，对产品危害大。

3）数量较少，颗粒大，但是比起数量多，分布弥散的小夹杂危害大。环形不规则的，比球形危害大;

4）保护渣（SiO2+CaO）为主，（NaO2+MgO+Al2O3+KO+CaF）复合夹杂，呈块状，基体呈条状。

5）中包水口：ZrO以颗粒状分布于B类或DS类夹杂中。

6）中包涂料：MgO以颗粒状分布在B类或DS类夹杂中。

7）耐火材料镁铝尖晶石：（30%MgO+70%Al2O3）以块状分布在B类或DS类夹杂中。

8）浮在钢水表面的炉渣或炼钢炉、出钢槽、盛钢桶、连铸过程等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂，进入钢液，并在凝固前未能浮出被保留在钢中。纯粹的外来夹杂较少见，与内在夹杂发生交互作用或沉积在表面，一般颗粒大，形状不规则，复相多，分布无规律。

二、如何改善钢中的非金属夹杂物

说完了非金属夹杂物的产生原因，接着就该谈一下如何改善这一材料缺陷了。钢厂的同志都听过这么一句行话——炼好钢就要炼好渣，渣的理化性能决定着熔渣的物理和化学性能，而熔渣的物理和化学性能又影响炼钢的化学反应平衡和反应速率。因此，炼钢过程中必须控制好炉内渣的物理和化学性能。

谈到炉渣先明确一下炉渣在炼钢过程的作用：

1、去除铁水中的硫、磷等有害元素;

2、靠氧化渣传氧，靠还原渣除氧;

3、保温，防止钢液吸气（H、N），防止钢液过度氧化，并减少元素烧损以达到保护元素的目的;

同时，有利就有弊，炉渣还会给炼钢带来一些害处：

1、熔渣侵蚀和冲刷炉衬，尤其是低碱度熔渣，降低炉衬使用寿命。

2、熔渣带走大量热，增加了能力消耗。

3、熔渣中裹带小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，降低金属回收率。

4、加入的造渣材料，如：石灰、白云石、萤石及砖块;炉料（钢铁料）中带入的泥石砂石，会带入一定量的如Si、Mn、P、S、Fe……的氧化产物成为夹杂物;

5、被烧蚀的炉衬耐火材料，变成夹杂物，如MgO……。

除了根据炉渣对炼钢夹杂物的利弊来合理控制外，还要根据其具体的理化特征来调配炉渣。去除钢中气体及杂质很大程度取决于炉渣的氧化性，FeO越多氧化性越强。含碳量低FeO高，含碳量高时FeO低。另一个重要因素就是钢渣的流动性，流动性差的钢渣参加化学反应的物质扩散慢;结果有两个，一是阻碍钢液吸收气体;二是阻碍冶金反应的进行。而碱性高会降低炉渣流动性，也就是说表面厚稠的炉渣，表明石灰石量大，碱性高，炉渣反应慢，需加萤石，铁钒土，碎矿石来降低粘度;反之，炉渣稀薄，有不溶解的石灰漂浮在表明，说明含SiO2高，含FeO，CaO较低，这时需要补加石灰（早期酸性渣稀薄，表面有泡沫，也是石灰不足。），但酸度一高就会侵蚀炉衬，不能保证脱除P和S。

综合以上所有的夹杂物成因和改善方法，根据钢厂的设备和原料实际情况合理安排工艺路线和参数一定能最大限度降低铁基合金的非金属夹杂程度。