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钢质部件的机械性能受到化学成分和经受的热处理和/或机械处理的影响。但是，当材料承受机械应力时，如非金属夹杂物的结构缺陷也影响其性能。洁净钢的性能与主要是氧化物和硫化物的非金属夹杂物紧密相关。洁净钢除了要求如氧、硫、磷、氢和氮的有害杂质含量低以外，对这些夹杂物的化学成分、尺寸、形态、类型和分布更有特殊的要求。考虑到处理钢水所用的脱氧剂的性质和数量，夹杂物的出现不可避免。但是，夹杂物的性质和数量通过在钢包中对钢水的处理可以进行调整。为了成功地处理钢水，需要合理理解工艺。在精炼阶段，通过控制钢水和渣的化学成分、温度，更主要的是钢水在顶吹氧气转炉最后阶段的含氧量可以控制非金属夹杂物的形成。通过控制这些变量，合理使用脱氧剂，可以获得力学性能合适的钢，并避免在连铸中堵塞浸入式水口。 了解非金属物的平衡状态对于精炼阶段的工艺控制十分重要，尤其是在脱氧、脱碳和夹杂物形状的控制方面。在钢包炉处理期间，熔融液的化学成分得到调整，含氧量降低。镇静钢中出现的夹杂物主要是铝和熔池中溶解氧反应生成的氧化铝。如果在用铝脱氧后添加钙，氧化铝夹杂物的形态调整与钙氧反应同时进行，并且，根据残余硫的含量的不同，还发生不同程度的硫钙反应。夹杂物的调整有利于其与钢水的分离;熔融液中残留的夹杂物尺寸小，为圆形，因此对钢的性能没有很大的影响。 为了得到要求的夹杂物化学成分，有必要在熔融液中添加钙并进行精确控制加入量。控制含氧量、含硫量和含钙量，可以得到各种类型的夹杂。这些含量根据冶炼过程参数和钢种进行确定。预测夹杂物形成的最佳条件要求进行复杂的热力计算，如盖伊和其他作者所述。每个钢种的计算要求使用大量的热力数据，这些数据不常采集，使计算愈加困难。调整夹杂物化学成分的另一手段是在钢包炉精炼期间去除夹杂物。夹杂物的有效去除取决于夹杂物的性质、覆盖渣层的化学成分和处理中熔融液的流体动力条件(惰性气体的搅拌和喷吹)。 本文利用在某钢厂二次精炼和连铸阶段中的低碳铝和硅镇静钢对非金属夹杂物的化学成分、尺寸和分布进行了研究。 在生产炉中采集铝镇静钢SAE1010和硅镇静钢SAE1005试样来确定钢包精炼阶段和连铸中夹杂物的化学成分和数量的变化。SAE1010和SAE1005试样分别编号为从1到4和从5到8。根据采集阶段和采集时间对两个钢种进行了分类显示见表1。 试样制作后先借助影像分析仪在光学显微镜中进行分析，确定单位面积夹杂物的数量。分析面积约为100mm2。然后在SEM/EDS分析系统中分析试样，估算夹杂物的化学成分。 铝镇静钢SAE1010和硅镇静钢SAE1005试样经过SEM/EDS分析后，结果在图1和图2中分别显示。夹杂物基本上由硅铝酸钙组成，并含有不同数量的其它氧化物，如氧化锰和氧化镁。根据SAE1010钢最后试样中出现的夹杂物，还可确定硫化钙和硫化锰的出现。这表明，钢水中的元素之间达到了热力平衡，夹杂物的化学成分改变。钢水处理的效果也可用两个钢种试样中出现的夹杂物中的氧化铝含量进行确定。可以看出，在与处理开始对应的试样(试样1和5)中，Al2O3的含量达到80%，随着精炼处理的进行，该含量在SAE1005钢中下降到20%以下，在SAE1010钢中下降到大约40%。这从SAE1005钢中的MnO也可看出，该含量开始较高，为50%，然后逐步下降直至处理结束。夹杂物化学成分有效调整的另一个标志是钙的含量，含钙量从处理开始到结束一直升高。这说明夹杂物发生了改变，夹杂物初期(在钢水设定温度)主要是固态氧化铝，后来变为铝酸钙，铝酸钙在处理结束时在1600℃变为液态。 图1 铝镇静钢SAE1010试样中夹杂物化学成分的变化 图2 硅镇静钢SAE1005试样中夹杂物化学成分的变化 在钢包炉中处理开始时观察到：夹杂物的化学成分极度不均匀，这可以通过钢水从顶吹氧气转炉进入钢包炉期间形成了高饱和区进行解释。在此操作期间，合金元素和脱氧剂溶解在熔融液中，在溶解粒子附近生成脱氧元素高度聚集区。这些元素将与溶解氧发生反应，生成含有高含量的SiO2和Al2O3的内生夹杂，这些内生夹杂将在出钢中加入熔渣粒子。在这个第二次反应中，根据溶解硅和铝含量以及渣中Al2O3/CaO比的不同形成不同程度的较大外生铝夹杂物。从图3和4中的结果可以推断，随着钢包炉处理的继续进行，这些大的夹杂物被逐渐去除。 但是，无论在钢包炉中处理多长时间，小于25μm的夹杂物总是出现在钢水中并在凝固后残留在显微组织中。因此，需要控制夹杂物的化学成分，使其在随后钢的塑性形变中可以变形。 图5示出了SEM/EDS分析的夹杂物的图片。图5a中的夹杂物在铝镇静钢SAE1010的试样2中测得，图5b中的夹杂物在硅镇静钢SAE1005的试样6中测得。这些夹杂物的化学成分以重量百分数在图5中显示。 图3 SAE1010和SAE1005钢试样中每100mm2面积夹杂物数量的变化 图4 SAE1010和SAE1005钢试样中夹杂物的面积比 (a)(Si0.25;Al95.50;Ca0.61;Mn3.39) (b)(Si42.08;Al33.32;Ca16.08;Mn7.98) 图5 a)铝镇静钢SAE1010试样中的夹杂物，b)硅镇静钢SAE1005试样中的夹杂物 4.1 可以进一步了解铝镇静钢SAE1010和硅镇静钢SAE1005中形成的非金属夹杂物的性质。根据了解情况，可以采取措施通过各种精炼手段减少其形成。 4.2 大的夹杂物已被逐步去除并定在顶渣中，这证明两个钢种在钢包炉中经过了充分的处理。 4.3 观察到的另一个现象与两个钢种中夹杂物的化学成分变化有关。在处理开始时，这些夹杂物实际上为在1600℃凝固的纯氧化铝，在处理结束时，在添加钙基合金后，夹杂物的化学成分变为铝酸钙。 | 
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发表于 2009-4-26 14:19:01