钢中夹杂物的类型及控制技术发展要点Word格式.docx

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TypesandProgressonTechniqueforRemovelofinclusionsinsteel

（CollegeofMetallurgyandEnergyHebeiUnitedUniversity,Tangshan063009）

Abstract：

Thebehaviorofinclusionsinmoltensteelincludesphysicalprocessessuchasnucleation,growth,polymerizationandtransmission.Theremovalofinclusionscanbeseenastheresultoftransmission,whichinvolvesinclusiongrowth,floatingandseparating.Thekeyprogressontechniqueforremovalofinclusionsinsteelisgasstirring-ladleargonblowing,gasshieldingweiranddamintundish,electromagneticcleaning-ladleelectromagneticstirring,tundishcentrifugalseparatingandmoldelectromagneticbraking,slagwashing,ultrasonictechnique,andfiltertechnique.

Keywords：

non-metallicinclusionsTypesofinclusions,TechniqueforRemovelofinclusions

1引言

钢中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。

它们是钢在冶炼过程中加入脱氧剂而形成的氧化物、硅酸盐和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、氮化物,以及炉渣或耐火材料来不及排出而留在钢中。

它们常作为衡量钢质量的重要指标,其类含量对钢性能产生重大的影响,近年来,钢中夹杂物去除技术的研究工作主要集中在两个方面:

提高钢的清洁度;

改变夹杂物的形态和分布。

随着钢铁工业的进一步发展,钢的材质设计和应用技术的开发给冶金工业带来了极大的挑战。

钢铁产品将按着钢液洁净度高、成分控制精度高和产品性能稳定性能高的方向发展,其中高纯净度钢的生产是21世纪钢铁企业面临的重大课题,它的解决与钢的冶炼过程密切相关,而本文将介绍夹杂物的分类以及相关的控制技术。

2钢中夹杂物的类型

2.1钢中夹杂物按化学成分分类

钢中非金属夹杂物按化学成分主要分为氧化物系夹杂、硫化物系夹杂、氮化物夹杂三大类[1]。

（1）氧化物系夹杂

简单氧化物有FeO,Fe2O3,MnO,SiO2,Al2O3,MgO和Cu2O等。

在铸钢中，当用硅铁或铝进行脱氧时，夹杂比较常见。

在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。

复杂氧化物，包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等，以及钙的铝酸盐。

硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂，这类夹杂物有铁硅酸盐、锰硅酸盐和钙硅盐等这类夹杂物在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃太的形式保存于钢中。

（2）硫化物系夹杂

硫化物系夹杂主要是FeS,MnS和CaS等。

由于低熔点的FeS易形成热脆，所以一般均要求钢中要含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。

因此钢中硫化物夹杂主要是MnS。

铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类：

①形态为球形，这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧不完全的钢中；

②在光学显微镜下观察呈链状的极细的针状夹杂；

③呈块状，外形不规则，在过量铝脱氧时出现。

（3）氮化物夹杂

当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成A1N，TiN，ZrN和VN等氮化物。

在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触，氮化物的数量显著增加。

2.2按夹杂物的塑性变形能力分类

按夹杂物的塑性变形能力分脆性夹物、塑性夹杂物、球状不变性夹杂、半塑性夹杂物四类[1]。

（1）脆性夹物

脆性夹物热加工时形状和尺寸都不变化，但可能沿加工方向成串排列或呈点链状，属于这类夹杂物的有Al2O3和Cr2O3。

（2）塑性夹杂物

塑性夹杂物热变形时具有良好范性，沿变形方向延伸成条带状。

属于这类的有硫化物及含量较低（40%~60%）的铁锰硅酸盐。

（3）球状不变性夹杂

球状不变性夹杂呈球状，热加工后保持球状不变，如SiO2及含SiO2较高（>

70%）的硅酸盐。

（4）半塑性夹杂物

半塑性夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。

基体铝硅酸盐有塑性，热加工时将产生塑性变形，但是其中包含着的析出相如氧化铝等是脆性的，加工时仍保持原状或只是拉开距离。

2.3钢中夹杂物按来源分类

钢中夹杂物可分为内生和外来夹杂物，内生夹杂物主要是脱氧和合金化元素与溶解在钢液中的氧以及硫、氮的反应产物所形成的夹杂物。

外来夹杂物是钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣相互作用的产物以及机械卷入钢中的各种氧化物[1]。

3钢中夹杂物去除技术

从钢液中分离夹杂物的主要途径包括两种：

（1）被表面的渣层吸附；

（2）被壁面耐火材料吸附。

3.1.1钢包吹氩

吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一,底吹氩可以均匀钢液的成分和温度,最重要的功能是促进钢液中夹杂物的去除[2]。

钢包底吹氢去除夹杂物主要依靠气泡的浮选作用,即夹杂物与气泡碰撞并粘附在气泡壁上,然后随气泡上浮而被去除。

具体过程分如下几步[2.3]:

①具有一定压力的氢气通过透气砖输送到钢液中,形成气泡,气泡在上浮的过程中又因浮力的作用,将钢水抽引并使之在气液区内产生由下向上的流动；

②气泡到达顶部时转入水平方向并流向包壁,之后在包壁附近向下回流,再次在钢包中下部被抽引至气液区内,如此循环流动形成环流；

③在环流过程中,夹杂物向气泡靠近并发生碰撞,并与气泡间形成钢液膜；

④夹杂物在气泡表面滑移,形成动态三相接触使液膜排除和破裂⑤夹杂物和气泡团稳定化合并上浮。

底吹氩去除钢中夹杂物的效率主要取决于氩气泡和吹入钢液的气体量。

小直径的气泡捕获夹杂物颗粒的概率比大直径气泡高。

增加底吹透气砖的面积、选用小透气砖孔径（即在有限的吹氢时间内成倍地增加吹入钢液的气泡数量）可以降低透气砖出口处氢气表观流速,从而减小透气砖出口处氢气泡的脱离尺寸并增加气泡捕获夹杂物的概率。

合适的精炼渣和钢包耐火材料可以大大促进钢包吹氢去夹杂的效果。

3.1.2中间包气幕挡墙

中间包“气幕”挡墙是通过垂直于沿包底流动的液流布置的排列成列的吹氩孔口，向中间包内吹氩，吹入的氩气泡在中间包内钢液中产生一道“气幕”[4]。

气幕挡墙代替中间包内的挡渣堰或挡渣坝均可以有效延长钢液的停留时间，促进夹杂物上浮去除，其中代替坝时，效果更显著[5]，同时由于气幕挡墙本身对钢液的污染少因此该技术在生产洁净钢时有很大的应用潜力。

通过埋设于中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹入的气泡，与流经此处的钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的[6]。

德国NMSG公司的应用结果表明与不吹气相比，50~200

大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物的去除效率增加50％[7]，本溪钢厂中间包底吹氩试验证实：

底吹氩形成的气幕挡墙对夹杂物去除效果明显，同不吹氩相比，铸坯中夹杂物数量下降50％，而且未观察到30-50

的夹杂物[8]。

3.2电磁技术

3.2.1电磁制动（EMBR）

利用电磁制动技术控制结晶器内的流场，去除非金属夹杂物已经引起了国内外学者的重视并取得了初步的进展[9~14]：

1）电磁制动作用于浸入式水口可以减小钢液偏流；

2）电磁制动作用于结晶器中浸入式水口出口流股上可以减缓其速率，扩大非金属夹杂物的上浮区；

3）电磁制动作用于弯月面区域对钢液的运动起抑制作用，磁感应强度越大，这种趋势

越强；

拉速提高，电磁场对弯月面区域钢液运动的抑制作用更好。

3.2.2电磁搅拌（EMS）

交变电磁场可在液体金属中产生电磁驱动力，根据此原理开发的连铸电磁搅拌技术使钢液产生强制流动，使铸坯的高温区与低温区充分混合，加快过热度的导出，并折断树枝晶，增加结晶核心及等轴晶数量，从而改善凝固组织，加快钢中夹杂物的去除，提高铸坯质量，能够使显微夹杂和宏观夹杂都得到明显改善[15-17]。

按搅拌位置，电磁搅拌可分为结晶器电磁搅拌（M-EMS）、二冷区电磁搅拌（S-EMS）和凝固末端电磁搅拌（F-EMS）[18]。

3.2.3电磁连铸（EMC）

采用电磁连铸时作用于铸坯壳上的电磁力可使坯壳与结晶器钢板不接触从而降低铸坯壳与铜板之间的传热，即冷却降低,这样防止了振痕的产生也能防止夹杂物和气泡的富集,由于没有振痕且可以防止纵裂纹的产生[19]。

3.3过滤器技术

J．M．Stemper用A1203做成的过滤网和蜂窝状过滤器过滤不锈钢和低碳钢均取得了明显效果。

市桥弘行对氧化铝、氧化锆过滤器进行了研究认为：

夹杂物的去除率与过滤器的材质、网眼直径、过滤器厚度及钢水流速有关。

梅泽一诚[20]发现：

钢水流速在6cm／sec以上时，随着钢水流速的增加，阻挡效果和惯性冲击效果提高了夹杂物的去除效果。

美国SELEE钢铁公司[21]研制的过滤器应用于中间包上，可经受5～515h的冲刷与侵蚀，连铸钢水达330t去除总氧效率为40％～80％。

国内董履仁、叶荣茂[22]对钢水过滤器进行的研究取得了较好的效果。

宝钢在多年生产经验的不断积累中，逐步开发了多柱面组合式中间包钢水过滤器，为了增加钢水回流，促进夹杂物与钢水的分离，防止夹杂物在过滤柱聚集后堵塞钢水通道，过滤柱的截面形式有五种形式。

这种过滤器一方面通过增加过滤器单位体积与钢水接触的比表面积，提高夹杂物与过滤体碰撞的机率，另一方面通过过滤柱的结构形式以及过滤柱的排列形式的优化，改善中间包钢水流经过滤器时的流动形态，促进夹杂物与钢水分离，从而净化钢水[23]。

当钢水通过过滤柱时被分割成许多较细小的钢流，靠近柱子的边界处形成了层流流动，夹杂物进入此层流边界时流速减慢，由于速度差异较大，被吸附在柱体表面，随着吸附量的增加而逐渐长大。

长大后的大型夹杂物颗粒被钢流冲掉而上浮到中间包表面被覆盖剂所吸收。

另外，钢水从过滤柱圆面流过，易在背后的平面或凹面形成回流，回流是促进夹杂物和钢水分离的最有效形式，而凹面或平面则是被吸附的夹杂物容易停留和聚集的场所，且不易被钢水冲刷带走。

随着吸附量的增加逐渐长大，长大后的大型夹杂物颗粒才有可能被钢水回流流冲下，上浮到中间包表面被覆盖剂所吸收。

这种技术有如下特点[23]：

（1）中间包过滤器对酸性夹杂物A1203有选择性，经过过滤器后A1203有明显下降；

（2）经过过滤器后，大型夹杂物基本被去除，只有小型夹杂物弥散在机体里：

（3）中问包过滤器在低碳铝镇静钢浇铸时，对氧及氮的去除有效果，但不明显。

3.4渣洗技术

渣洗通过控制炉渣成分处理钢液，是最早出现的二次精