专题
钢中非金属夹杂物及其危害
姓名
（西安建筑科技大学，陕西西安，710055）
摘要:对钢中非金属夹杂物按来源和化学成分进行分类，讨论它产生的原
因及其对钢的危害和钢性能的影响，最后简述降低钢中非金属夹杂物的措施。
关键词: 钢；非金属夹杂物；分类；危害
Non-metallic Inclusions in Steel and its Hazards.
English name
(Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an
Shanxi , 710055)
Abstract: The non-metallic inclusions in steel is classified by source and the chemical composition is presented in this paper. The course of its production ,the hazards of it to steel and its effect to the quality of the steel are described in this paper.At last,the measure of reducing the non-metallic inclusions in steel is evaluated.
Key words: steel; non-metallic inclusions; classification; hazards
0 前言
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、硅酸盐和氮
化物。它们是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧化物、硅酸盐和钢在凝固过
程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物, 这些夹杂物来不及排出而留在钢中。外来夹杂物是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。它们常作为衡量钢质量的重要指标,其类型、组成、形态、含量、尺寸、分布等各种状态因素都对钢性能产生影响（1）。
随着近代精炼技术的发展,钢的“洁净度”大大提高, 夹杂物在钢中的含量虽然极微, 但对钢的性能却具有不可忽视的影响，非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性，致使材料的塑性、韧性降低和疲劳性能降低,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。钢中夹杂物对钢性能的影响主要表现在对钢韧性的危害, 而且危害程度随钢的强度增高而增加。然而其中夹杂物的数量及分布形态是影响钢材质量的重要指标之一。
1 非金属夹杂物的分类
1.1 钢中非金属夹杂按来源分类
钢中非金属夹杂物的来源主要来源有内生夹杂和外来夹杂两部分组成(9)。
1.1.1 内生夹杂物
钢铁的冶炼实质是液态金属的氧化一还原反应。由于金属在高温液体状态下对氧和其它气体的溶解量远远大于凝固状态，因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去，因此在炼钢的后期必须设法将过剩的氧尽量从钢液中排除出去。排除的方法：在电炉炼钢中主要是靠含氧低的炉渣，使氧从钢液中扩散到渣中去，另外向钢液中加入对氧亲和力较强的脱氧元素，这样在钢液中就发生了脱氧反应，并生成了夹杂物。例：
[Si]+2[O]→{SiO2}
[Mn]+[O] →{MnO}
2[Al]+3[O] →Al2O3
由于这些夹杂一般尺寸较大, 大多数可以在还原期上浮到渣内, 从而去除了钢液中相当数量的氧。但仍有一部份残留在钢液中。另外上述的反应是与钢液温度密切相关的, 当钢液温度逐步降到凝固温度时, 上述反应不断向右进行, 形成的非金属夹杂物的颗粒也不断减小, 浮出钢液就逐渐变得困难。当钢液浇入钢锭模后, 由于冷却速度突然加快, 液态钢对气体的溶解度也骤然降低因此上述脱氧反应也迅速加剧。此时除Mn，Si和Al等强脱氧元素进行脱氧反应外, 其它如Cr、Fe等也会参加脱氧反应，生产FeO·SiO2、FeO·Al2O3、MnO·Cr2O3、mMnO·nFeO等复合夹杂物, 而这类夹杂物大多是从钢中原有的脱氧产物SiO2、MnO、Al2O3等为核心而伴生的，因此这类夹杂物的组成和结构都极为复杂，而且其数量一般占钢中总夹杂量的40~60%(4)。
1.1.2 外来夹杂物
该夹杂是指由渣、耐火材料或与钢液相接触的其它材料机械结合所形成的夹杂物。钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用, 形成熔渣而滞留在金属中, 其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则, 尺寸比较大, 分布也没有规律, 又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的(4)。
1.2 钢中非金属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三大类，详见图1。
1.2.1 氧化物系夹杂
简单氧化物有FeO, Fe2O3 , MnO, SiO2 , Al2O3 , MgO和Cu2 O 等。在铸钢中, 当用硅铁或铝进行脱氧时, SiO2 和Al2 O3 夹杂比较常见。A l2O3 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
2FeO · SiO2 ( 铁硅酸盐) 、2MnO · SiO2 ( 锰硅酸盐) 和CaO · SiO2 ( 钙硅酸盐) 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态的形式保存于钢中。
非金属夹杂物
硫化物氧化
物氯化物
简单氧化物复杂氧化物硅酸盐
TiN AlN Al2O3
FeO FeO Al2O3 nFeO·mSiO2 Fe S MnS
VN等 MnO 等MnO·Al2O3
等nAl2O3·mSiO2 Cr2S3
图 1 钢中非金属夹杂按照化学成分分类图
1.2.2 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或脱氧不完全的钢中；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(4)。
1.2.3 氮化物夹杂
当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AlN, TiN, ZrN 和VN 等氮化物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触, 氮化物的数量是会显著增加的。
1.3 钢中非金属夹杂按不同形态分类
由于不同夹杂物在加热温度下具有不同的塑性，所以加工变形后钢材中的夹杂物将呈现不同的形态，依此可将夹杂物区分成三类：塑性夹杂、脆性夹杂及不变形夹杂。
1.3.1 塑性夹杂
塑性夹杂在热加工过程中，是沿着热加工方向延伸成条带状。在FeS、MnS 以及SiO2 含量较低（40%—60%）的时候，低熔点的硅酸盐夹杂就属于这一类夹杂。
1.3.2 脆性夹杂
脆性夹杂在热加工的过程中是不发生变形的，但它却是沿着热加工方向破裂成串。Al2O3和尖晶石型复合氧化物，以及钒、钛、锆的氮化物等一些高熔点高硬度的夹杂物，就是属于这一类夹杂。
1.3.3 不变形夹杂
不变形夹杂在热加工的过程中，是保持原来本身的球点状不变。SiO2 、含SiO2 较高（>70%）的硅酸盐、钙的铝酸盐以及高熔点的硫化物 RE2S3 、
RE2O2S 、CaS 等，都是属于这一类夹杂。
2 冶炼过程中非金属夹杂物产生的原因
2.1 造渣材料
碱性炼钢常用的造渣材料是石灰和萤石。石灰，主要成分是CaO,其含量应不小于85%，SiO2含量应不大于2%，硫含量应小于0.15%。石灰易吸收水分而变成粉末，所以，造渣时应使用刚烧好的、烧透的石灰，或对石灰进行预热后再使用，这样能防止石灰给钢液带入过多的水分，否则就会使钢液氢含量增加，影响钢的质量，严重时会使钢报废。萤石，主要成分是CaF2 ，含量为85%-95% ,SiO2含量约为6%。加入萤石能够帮助化渣，是良好的助熔剂，它可以在短时间内改善炉渣的流动性。石灰中若掺杂硫化物矿石，必须将这种萤石排除掉，否则会降低炉渣的脱硫能力，易造成硫化物（MnS）夹杂(5)。
2.2 铁合金
在冶炼时，如果使用烘烤时间短、烘烤温度低、甚至根本未经烘烤的铁合金材料，势必将会增加外来夹杂物和气体带入钢液中的机会。经过烘烤的铁合金上到炉台，在寒冷的冬季，露天摆放的铁合金会很快凉下来，将这些凉的铁合金加入到钢包内，不可能很快融化并且在钢液中分布均匀，它们得经过一段时间的熔化和搅拌的过程(5)。对于精炼炉来说，钢水在真空处理结束后，这时还要补加一些铁合
金调整钢液中元素的含量，如果没有在工艺规定的时间内出钢，势必将会影响真空除气、去杂质的效果(12)，同时又增加了外来夹杂物进入钢液中的机会，影响钢水质量。
2.3 精炼炉真空操作
精炼炉冶炼的大都是重点钢种，精炼炉的真空操作起了画龙点睛之功效(5)。精炼炉是把一般炼钢炉中要完成的部分精炼任务，移到专门的容器中进行。钢水经真空处理是为了脱氢、脱氧和排除非金属夹杂物。精炼炉冶炼的钢水是由电弧炉提供的初炼钢水，有些初炼钢水在初炼过程中没有一定的脱碳量，脱碳速度也达不到要求，这样就造成钢液去气速度小于吸气速度，不利于排出钢中气体和使夹杂物充分上浮。把这种劣质钢水兑入精炼炉，全都依靠精炼真空处理处夹杂物，不可能达到最佳的效果。真空脱氧过程中钢水、熔渣激烈沸腾使钢包内衬的耐火材料受到强烈冲刷，耐火材料的熔融混入产生的夹杂物如果不能充分上浮便进入钢液，因此对精炼包内衬的耐火材料应该进行严格的控制。
钢中非金属夹杂物的检测 一.概述 非金属夹杂物是钢中不可避免的杂质，它的存在使金属基体的均匀连续性受到破坏。非金属夹杂在钢中的形态、含量和分布情况都不同程度地影响着各种性能，诸如常规力学性能、疲劳性能、加工性能等。因此，非金属夹杂物的测定与评定引起人们的普遍重视。夹杂物的含量和分布状况等往往被认为是评定钢的冶金质量的一个重要指标，并被列为优质钢和高级钢的常规项目之一。 钢中非金属夹杂物按其来源和大小，大体可分为两大类： 1.显微夹杂物或称内在夹杂物，这类夹杂物是钢冶炼和凝固过程中，由于一系列物理和化学反应所生成。例如，在冶炼过程中，由于加入脱氧剂而形成氧化物和硅酸盐等。这些夹杂物来不及完全上浮进入钢渣，而残留在钢液中，即为内在夹杂。 如：Al、Fe-si等脱氧剂可以形成下列夹杂： 3FeO+2Al 3Fe+ Al2O3 2FeO+ Si SiO2+2Fe nFeO+mSiO2 nFeO·mSiO2 nAl2O3+mSiO2 nAl2O3·mSiO2 另外，钢在凝固冷却过程中，S、N等元素，由于溶解度的降低而生成硫化物、氮化物等也将残留在钢中。 2.宏观夹杂物或称外来夹杂物，这类夹杂物是在钢的冶炼或浇
铸过程中，由于耐火材料等外来物混入造成。其特点是大而无固定形状。 就对钢而言，宏观夹杂物的危害更大。 夹杂物的检验方法也有宏观检验法和显微检验法两种。 非金属夹杂物的显微检验法是指借助于金相显微镜在规定的实验条件下，检验金相试样中非金属夹杂物的方法。该法的主要优点是可以确定夹杂物的类型、分布、数量和大小，可以发现极细小的夹杂物。但是，由于受试样尺寸及取样位置、数量的限制。所以显微检验法的评定结果在很大程度上存在偶然性。往往会过分夸大细小夹杂物的重要性而将那些试样以外或检验面以外的较大夹杂物遗漏，所以，显微检验法总是与宏观检验法相辅相成、互相补充的。如果非金属夹杂物的宏观检验对优质钢来说是必不可少的检验项目之一，那么显微检验法则是特殊用途钢（如轴承钢、重要用途的合金结构钢等）广泛采用的检验方法。 二.显微夹杂物的分类 钢中非金属夹杂物的种类很多，应将性质相似、形态相似对钢的性能影响作用相似的各种夹杂物划分类别。从检验方便考虑，分类方法力求简单、明了、科学。 非金属夹杂物除按来源可分为内在夹杂物如外来夹杂物外，尚可按化学成分分类，分为氧化物、硫化物和氮化物等，而氧化物又可分为简单氧化物，复杂氧化物和硅酸盐（见下图）
钢中非金属夹杂物 (non-metallic inclusions in steel) 钢中夹带的各种非金属物质颗粒的统称。钢中含有氧、氮、硫等元素，它们在钢中的溶解度在高温下高，而在室温下溶解度很低，在钢冷却和凝固时析出并同铁和其它金属等结合成为各种化合物，称为非金属的夹杂物。除此以外，炉渣、耐火材料、泥沙等外来物质也可能混入钢中形成非金属夹杂物。早期文献曾把钢中非金属夹杂物称为“夹渣”，这个名称容易使人误解，以为非金属夹杂物就是混入钢中的炉渣。现在通常把各种混入钢中的物质称为外来夹杂物，它们的形状不规则(图1、图2)，而将由于内部物理和化学反应产生的夹杂物称为内生夹杂物，其典型特征是尺寸较小，数目多，分布均匀。钢中生成夹杂物的过程大致如下：脱氧剂加入钢液中以后，脱氧元素和氧发生化学反应生成不溶于钢的氧化物；有的脱氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。这类化合物称为初生夹杂物。除极少数颗粒细小的夹杂物外，大多数初生夹杂都能从钢液中浮升出来进入渣中。而当钢液冷却和凝固时，由于溶解度下降和氧、硫等的偏析，在凝固过程中又产生氧化物和硫化物等，称为次生夹杂物。次生夹杂难以从钢中排除而残留在树枝晶间或最后析出于晶粒界上。图3为FeO夹杂，图4为FeS夹杂。钢液脱氧后，继续接触到空气或其他氧化物如耐火材料等，使钢液重新吸收氧，即发生二次氧化。二次氧化是成品钢中非金属夹杂物的重要来源。 钢中有非金属夹杂物存在，破坏了金属基体的连续性，使钢的品质变坏。在特殊情况下，有的夹杂物有利于钢的某种性能(如切削性)，但这只是在特殊的条件下。一般说非金属夹杂物对钢的力学性能、物理性能和化学性能都有相当大的危害。用通俗的话来说，含夹杂物多的钢是“脏”的，纯净的钢所含有的夹杂物很少。然而纯净钢是一个相对的概念，钢的洁净与否和它的用途有关，也和夹杂物的形状、颗粒大小和可塑性等有关。数量虽少但颗粒较大的夹杂物往往比数量较多但尺寸细小的夹杂物危害更大；形状不规则的比球形的夹杂物危害大。而对于精密的细小零件，表面上的微小夹杂物也有很大的害处。所以对非金属夹杂物不仅要研究怎样减少它的含量，也要研究它的形态和分布。非金属夹杂物类型，可从不同的观察角度进行分类。按照化学成分可分为氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂；按照夹杂物的塑性可分为范性夹杂、脆性夹杂和不变形夹杂；按照夹杂物尺寸可分为大型夹杂和微型夹杂等。夹杂物的性质和形态均和它的成分有关。
断裂原因分析 一、夹杂物引起断裂 线材中非金属夹杂物的存在，破坏了组织的连续性，起到了一个显微裂纹的作用。当受到外力作用时，在夹杂物的顶端首先产生附加的应力集中。尤其在原奥氏体晶粒交界处出现的大块状、条状或片状碳化物，这些异常碳化物在材料冷变形时，严重地阻塞了位错的移动，致使该处产生应力集中。当应力集中达到一定大小时便会使碳化物开裂，或在碳化物与基体交界处产生裂纹。当裂纹达到失稳状态尺寸，地瞬时产生断裂。 非金属夹杂物的多少是衡量帘线钢质量高低的一个重要因素。在用SEM对断口进行分析的过程中，经常发现非金属夹杂物。在典型的杯锥状断口上有时候就能发现夹杂物，SEM表明大多为三氧化二铝夹杂或其它高熔点脆性夹杂物。其避免主要是通过精炼，使夹杂物变为塑性低熔点夹杂物。 脆性夹杂物是引起钢丝断裂的重要原因之一，而夹杂物引起断裂分为以下几种形势： & #61656; 1、夹杂物与钢基体之间界面脱开 拉伸过程中，在夹杂物周围的局部加剧了应力集中；裂纹优先在与拉应力垂直的夹杂物与基体的界面产生并沿着夹杂物与钢基体界面扩展，致使夹杂物与基体界面脱开。 & #61656; 2、夹杂物本身开裂 由于脆性较矮杂物本身具有缺陷，在拉伸过程中，在缺陷处产生严重的应力集中，由于局部应力升高而导致夹杂物本身开裂。 & #61656; 3、混合开裂 钢中非金属夹杂物的形状、分布是没有规律的，因此夹杂物在钢中引起裂纹也是随机性的，取决于夹杂物的性质、尺寸、形状及分布，对于同类型的夹杂物，由于形状、分布和受力方向不同，往往产生断裂的情况也不尽相同，有时两种断裂方式同时存在，有时两种断裂方式交替进行。 & #61656; 4、沿两种不同类型夹杂物的相界开裂 钢中经常出现几种夹杂物相共生在一起的复合夹杂物，由于各类夹杂物之间的力学性能和物理性质不同，相界结合力较弱，在拉应力作用下容易从相界开裂。 二、偏析引起的钢丝断裂 在一定程度上，中心偏析对钢丝拉断的危害必脆性夹杂物。因为偏析在更大程度上影响了钢丝的延伸性，从而使塑性变形不能在存在偏析的地方产生。在钢丝最初的拉拔过程中偏析导致小的裂纹的出现，等进入了最终拉拔时就导致了人字形断口(chevron cracks) 在连铸过程中减少中心偏析的途径有以下几个： & #61656; 1、中心偏析随着中包过热度的降低而降低，因此中包的钢液温度应该尽可能的低； & #61656; 2、在结晶器和二冷安装电磁搅拌。结晶器的电磁搅拌能够减少中心偏析的程度和范围。电磁搅拌同样可改善V形偏在铸坯中心的存在； & #61656; 3、尽可能的降低拉速，能够减轻中心偏析程度。
钢中非金属夹杂物的分类 (一) 夹杂物的来源 钢中非金属夹杂物按其形成原因可分为两类:即内生夹杂物和外来夹杂物。 内生夹杂物的来源主要有以下几个方面: (1) 脱氧剂及合金添加剂和钢中元素化学反应的产物，在钢液凝固前未浮出而残留在钢中。 (2) 出钢、浇注过程中钢水与大气接触，钢水中易氧化、氮化元素的二次氧化、氮化产物。 (3) 出钢至铸锭过程中，随钢水温度的下降，造成氧、硫、氮等元素及化合物溶解度的降低，因而产生或析出各种夹杂物。 一般的讲，内生夹杂物较为细小，合适的工艺措施可减少其含量，控制其大小和分布，但不可能完全消除。 外来夹杂物的主要来源有二个途径: (1) 冶炼、出钢及浇注过程中，钢水、炉渣及耐火材料相互作用而被卷入的耐火材料或炉渣等。 (2) 与原材料同时进入炉中的非金属夹杂物。 这类夹杂物一般较粗大，只要工艺、操作适当是可以减少和避免的。钢中常规检验遇到的夹杂物多数是内生夹杂物。 (二) 夹杂物的分类 1. 按夹杂物的化学组成分类 通常根据夹杂物的化学组成可分为简单氧化物(如AlO，SiO);复杂氧化物(如232
FeO?AlO，CaO?AlO);硅酸盐及硅酸盐玻璃(如2FeO?SiO);硫化物(如MnS，FeS);氮23232 化物(如TiN);复杂夹杂如硫氧化物(CeOS)，氟氧化物(LaOF)，氮碳化物(TiCN)，硫碳22 化物(TiCS)等。 422 钢中实际存在的夹杂物与钢的成分、冶炼过程、脱氧方法等因素有关。 2. 按夹杂物的塑性及分布分类 在生产检验中又根据夹杂物的塑性及分布特性分为脆性夹杂物、塑性夹杂物、点状不变形夹杂物。 (1) 塑性夹杂物热变形时具有良好的范性，沿变形方向延伸成条带状。属于 这类的夹杂物有硫化物及含SiO量较低的铁锰硅酸盐等。 2 (2) 脆性夹杂物热加工时形状和尺寸都不变化，但可沿加工方向成串或点链 状排列。属于这类的夹杂物有AlO，CrO等。 2323 (3) 点状(或球状)不变形夹杂物铸态呈球状，热加工后形状保持不变，如SiO 及2SiO含量较高的硅酸盐等。 2 (4)半塑性夹杂物指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基底铝硅酸盐有范性，热加工时延伸变形，但其中包含着的析出相如AlO等是脆性的，加工时保持原状或只是拉开距离。 23 除此之外，夹杂物还可根据化学稳定性的不同，分为易溶于稀酸，甚至在水中就能分解的不稳定夹杂物和在热的浓酸中才能溶解的稳定夹杂物。或按照钢的类型和成分分类等。
钢中常见的元素、夹杂物对钢性能的作用及影响 常见元素主要有C、Si、Mn、P、S、N、H、O及其他非金属夹杂物。 碳（C）： 是对钢的性能影响最大的基本元素。不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的，随着钢中碳含量的增加，碳钢在热轧状态下的硬度直线上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内，碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，抗拉强度不断提高，超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。 硅（Si）： 硅在碳钢的含量≤0.50％。硅也是钢中的有益元素。在沸腾钢中，含硅量很低，硅是作为脱氧元素加入到钢中。在镇静钢中硅的含量一般为0.12～0.37％。硅增大了钢液的流动性，除了形成非金属夹杂外，硅溶于铁素体中。随着硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。 锰（Mn）： 在碳钢中，锰是有益元素。锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的。对于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。因此，精炼过程中要按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量。 磷（P）： 一般来说，磷是钢中的有害元素。它来源于矿石和生铁等炼钢原料。磷能提高钢的强度，但使塑性和韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆性（低温变脆）。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严格的控制。但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。在这种情况下，可以用磷来提高钢的强度，如鞍钢生产的高强度IF钢就需要加入磷。另外，在适当的情况下，还利用磷的其他一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，如集装箱用钢；提高磁性，如电工硅钢；改善钢材的易切削加工性，减少热轧薄板的粘结等。 硫（S）: 一般来说，硫是有害元素，他主要来自于炼铁、炼钢时加入的原材料和燃烧产物，二氧化硫。硫最大的为危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓的热脆。硫能提高钢材的切削加工性，这是硫的有益作用。 氮（N）： 钢中的氮来自炉料，同时，在冶炼、浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收氮。氮引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能发生显著的影响。由于氮的时效作用，钢的硬度、强度固然提高，但是塑性和韧性降低，特别是在形变时效的情况下，塑性和韧性的降低比较显著。因此，对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而氮是有害元素。但对于一些细晶粒钢以及含钒、铌钢，由于氮化物的强化细化晶粒作用，氮成为有益元素。另外，作为合金元素，氮在不锈耐酸钢中得到应用，此外，氮化处理方法能使机器零件获得极好的综合力学性能，从而使零件的使用寿命延长。 氢（H）：
钢夹杂物危害及应对措施 一、前言 钢铁业是几乎所有重工业的基础与支柱，在国民经济中的重要性不言而喻。钢铁材料是人类社会最主要使用的结构材料，也是产量最大应用最广泛的功能材料，在经济发展中发挥着举足轻重的作用。钢铁材料是人类社会的基础材料，是社会文明的标志。从纪元年代前后，世界主要文明地区陆续进入铁器时代以后，钢铁材料在人类生产、生活、战争中起到了举足轻重的作用。一直到今天，钢铁材料的这种作用不但没有减弱，而是在不断增强。房屋建筑、交通运输、能源生产、机器制造等都是立足于钢铁材料的应用基础之上；钢铁材料是诸多工业领域中的必选材料，既是许多领域不可替代的结构材料，也是产量最大覆盖而极广的功能材料。钢铁工业长期以来是世界各国国民经济的基础产业，在国民经济中具有重要的地位，钢铁工业发展水平如何历来是一个国家综合国力的重要指标。 洁净钢是一个相对概念，一般认为：洁净钢指钢中五大杂质元素(S 、P 、H 、N 、O) 含量较低,且对夹杂物(主要指氧化物和硫化物) 进行严格控制的钢种, 主要包括：钢中总氧含量低，夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀，脆性夹杂物少及其合适的夹杂物形态。钢的纯净化技术是生产高性能、高质量产品的基础，代表钢铁冶金企业的技术装备水平。20 世纪80 年代以来，钢的洁净度不断提高。日本2000年批量生产的洁净钢中，有害元素(P、S、N、O、H) 总量可达0.005 %，中国宝钢可达0.008 %,国内外钢厂生产洁净钢水平见表1 表1 国内外一些钢厂生产的洁净钢水平单位: ×10 - 6
随着现代科技的进步和现代工业的发展对钢的质量要求越来越高，钢中夹杂物（主要是氧化物夹杂）严重影响钢材质量，随着洁净钢和纯净钢概念的提出，更是对钢中夹杂物的控制提出苛刻的要求。钢中夹杂物能降低钢的塑性，韧性和疲劳寿命，使钢的加工性能变坏，对钢材表面光洁度和焊接性能有直接影响。 钢中的夹杂物对于钢材性能影响很大例如钢中夹杂物可导致汽车和电气产品用薄钢板的表面缺陷、DI罐用薄钢板裂纹、管线钢氢致裂纹、轮胎子午线加工过程断线、轴承钢疲劳性能恶化，同时钢中非金属夹杂物对于钢板抗撕裂性能和低温冲击韧性也有不利影响。随着钢铁工业的不断发展，对钢的性能及其化学成分、组织均匀性的要求越来越高。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，其中洁净度钢的生产是2l世纪钢铁企业面临的重大课题。 二、钢中夹杂物的分类 分类方法很多，但常见的有以下四种： 1．按来源分类，可分为两类： (1)外来夹杂物：耐火材料、熔渣或两者的反应产物混入钢中并残留在钢中的颗粒夹杂称为外来夹杂。包括从炉衬或包衬、或从汤道砖、中包绝热板、保护渣进入钢水中的夹杂物（有人还将钢水二次氧化生成的夹杂物包括在内）。这类夹杂颗粒较大，易于上浮，但在钢中，它们的出现带着偶然性且不规则。 (2)内生夹杂物：在冶炼、浇注和凝固过程中，钢液、固体钢内进行着各种化学反应，对于在冶炼过程中所形成的化合物、脱氧时产生的脱氧产物、或在钢水凝固过程产生的化合物，当这些化合物来不及从钢水中彻底排出而残存在钢中者，叫做内在的非金属夹杂物。内生夹杂物形成的时间可分为四个阶段： ①一次夹杂：钢液脱氧反应时生成的脱氧产物； ②二次夹杂：在出钢和浇注过程中温度下降平衡移动时生成的夹杂物； ③三次夹杂：凝固过程中生成的夹杂； ④四次夹杂：固态相变时因溶解度变化生成的夹杂。 一般说来外来夹杂物颗粒较大，在钢中比较集中，而内生夹杂物则与此相反。从组成来看，内生夹杂物可以是简单组成，也可以是复杂组成；可以是单
IF钢中非金属夹杂物的演变行为与控制 本课题针对我国北方某钢铁集团生产的IF钢产品质量异议时有发生,铸坯洁净度水平不高等问题,通过在现场组织生产示踪试验,系统取样等工作,运用实验室仪器设备详细分析了IF钢生产过程中非金属夹杂物的演变及来源、开浇炉次内铸坯洁净度的演变、铸坯表层夹杂物的演变以及IF钢中大型夹杂物的控制。研究发现,中间包塞棒区平均氧含量57.5ppm,显微夹杂物含量平均为6.1个/mm2,明显高于冲击区的48ppm和4.1个/mm2,氮含量基本持平,中间包顶渣对钢水形成较大的污染。经Fact Sage热力学软件计算,RH精炼内脱氧合金化后,生成大量Al2O3夹杂,少量Ti N夹杂,与实验部分相吻合。 稳态铸坯w(T.O)含量15ppm,氮含量21ppm,显微夹杂物数量4.3个/mm2,夹杂物种类主要有Al2O3夹杂、Al2O3-Ti Ox夹杂、Ti N夹杂、Al2O3-Ti N夹杂,以Al2O3夹杂含量最高。稳态铸坯热轧后,显微夹杂物含量平均为5.5个/mm2,冷轧后显微夹杂物含量平均为4.7个/mm2,相对稳态铸坯(4.3个/mm2)略有上升,且脆性夹杂物呈破裂状。开浇炉次铸坯中w(T.O)、w[N]及显微夹杂物含量均呈下降趋势,铸坯洁净度水平好转,其中距引锭头部28米,w(T.O)16.3ppm,显微夹杂含量5.3个/mm2,与正常炉次铸坯洁净度基本一致。 铸坯表层显微夹杂在距内弧表面3~4mm处存在明显的聚集现象。大型夹杂物粒径大于300μm的大型夹杂占总量的30%,且组成复杂,几乎全部含有La、Ce、K、Na等示踪熔渣的元素,主要为脱氧产物聚集、钢包渣、中间包渣、结晶器保护渣及耐火材料卷入钢水所致。极值法预测板坯内夹杂物最大粒度为197μm,与大样电解实际测定数据220μm,误差在10%内。
非金属夹杂物的abcd分类 非金属夹杂物（Non-MetallicInclusions，简称NMI）是一类在金属和非金属材料中含有的固体夹杂物，这些夹杂物包括矿物、合成物、碳或碳环、熔点低于金属的冶金化合物、有机溶剂、腐蚀性夹杂物等等。非金属夹杂物在冶金制造过程中会造成金属材料的质量下降，影响材料的力学性能、延展性能等，从而影响其用途。因此，对非金属夹杂物进行检测和分类十分重要。 为了对非金属夹杂物进行分类，目前已经有了许多系统和方法。最常用的是“ABCD”系统，它是根据夹杂物的形状，大小，位置等特征，将其分为“A”类（低影响）、“B”类（中等影响）、“C”类（较 高影响）和“D”类（极高影响）。 首先，A类夹杂物包括以下几类：体积小于1倍金属厚度的非金属矿物；体积小于1倍金属厚度的合成物；少量的碳；体积小于1倍金属厚度的熔点低于金属的冶金化合物；少量的有机溶剂等，它们对金属性能的影响较小，比如，在低温下可以表现出良好的延展性能，对金属的变形影响较小。 其次，B类夹杂物包括以下几类：体积大于1倍金属厚度的非金属矿物；体积大于1倍金属厚度的合成物；大量的碳；体积大于1倍金属厚度的熔点低于金属的冶金化合物；大量的有机溶剂等，它们的影响可以被认为是中等影响，有可能对金属表面的均匀性和组织破坏造成一定程度的影响，可能导致金属表面溶剂和化学反应，破坏金属的结构，减少金属的强度，使其金属强度降低到可接受的水平。
紧接着，C类夹杂物包括以下几类：体积大于2倍金属厚度的非金属矿物；体积大于2倍金属厚度的合成物；大量的碳；体积大于2倍金属厚度的熔点低于金属的冶金化合物；大量的有机溶剂等，它们的影响可以被认为是较高影响，可能影响金属的物理性能，如抗拉强度和延展性；它们还可能对金属的力学性能造成一定程度的影响，减少金属的使用寿命，使金属不能满足要求的使用性能。 最后，D类夹杂物包括以下几类：极少量或没有铁和钢组分的腐蚀性夹杂物；极少量或没有原子组分的氧化性夹杂物等，它们的质量影响很大，由于它们的存在可能导致金属的微结构的极大变化，从而影响金属的力学性能，使金属易于破坏，加剧表面腐蚀，缩短金属的使用寿命，使其难以实现设计所需的性能。 以上就是非金属夹杂物的 ABCD类，总结起来，A类表示低影响，B类表示中等影响，C类表示较高影响，D类表示极高影响。因此，检测非金属夹杂物的 ABCD类对冶金工艺的研究和金属性能的改善具有重要意义。
摘要：根据钢中非金属夹杂物的来源和分类，综述了鉴定钢中非金属夹杂物的方法和定量评级标准，并且给出了典型夹杂物的扫描电镜照片，分析了不同类型夹杂物的形成机理及其在光学显微镜下的基本特征。 随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要求了越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。例如，非金属夹杂物导致应力集中，引起疲劳断裂；数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性；钢中呈网状存在的硫化物会造成热脆性。因此，夹杂物的数量和分布被认定是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目这一。 非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对钢性能的影响也不同。所以提高金属材料的质量，生产出洁净钢，或控制非金属夹杂物性质和要求的形态，是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。而对于金相分析工作者来说，如何正确判断和鉴定非金属夹杂笺也因此变得十分重要。 1 钢中非金属夹杂物的来源分类 1．1 内生夹杂物 钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学瓜形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。 1．2 外来夹杂物 钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁肃落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的牲是外形不规则，尺寸比较大，颁也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。 2 钢中非金属夹杂物按化学成分分类 钢中非金属夹杂物按化学成分详细分类见图1，主要分为三大类。 图1 钢中非金属夹按照化学成分分类图 2．1 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
钢中不可能除尽所有的杂质 在钢的冶炼过程中，不可能除尽所有的杂质，所以实际使用的碳钢中除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫、磷、氧、氢、氮等元素，它们的存在，会影响钢的质量和性能。 ()一• 锰和硅的影响 ● 锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。 ● 它还可把钢液中的FeO 还原成铁，并形成MnO 和2SiO 。 ● 锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS ，从而在相 当大程度上消除硫在钢中的有害影响。 ● 这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留于钢中，成为非金属夹杂物。 ● 脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中， 提高铁素体的强度。 ● 此外，锰还可以溶入渗碳体中，形成()C Mn Fe 3, 锰和硅的固溶强化作用铁素体提高钢的强度和硬度 ● 锰对碳钢的机械性能有良好的影响，它能提高钢的强度和硬度，当含锰量不 高<0.8%时，可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性。 ● 锰提高强度的原因是它溶入铁素体而引起的固溶强化，并使钢材在轧后冷却 时得到层片较细、强度较高的珠光体，在同样含锰量和同样冷却条件下珠光体的相对量增加。 ● 硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，显着提高钢的强度和硬度，但含量 较高时，将使钢的塑性和韧性下降。
()二• 硫的影响 来源： 硫是钢中的有害元素，它是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂质。 存在形式： 从FeS 相图4.25可以看出，硫只能溶于钢液中，在固态铁中几乎不能溶解，而是以FeS 夹杂的形式存在于固态钢中。 热加工开裂即热脆： 1. 硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，这种现象称为热脆 2. 造成热脆的原因是由于FeS 的严重偏折 3. 即使钢中含硫量不算高，也会出现Fe+FeS 共晶 4. 钢在凝固时，共晶组织中的铁依附在先共晶相一铁晶体上生长，最后把FeS 留在晶界处，形成离异共晶。FeS Fe +共晶的熔化温度很低989度，而热加工的温度一般为1150~1250度，这时位于晶界上的FeS Fe +共晶已处于熔融状态，从而导致热加工时开裂 5. 如果钢液中含氧量也高，还会形成熔点更低的（940度）FeS FeO Fe ++三相共晶，其危害性更大 防止热脆的方法和原理： 防止热脆的方法是往钢中加入适当的锰。由于锰与硫的化学亲合力大于铁与硫的化学亲合力，所以在含锰的钢中，硫便与锰形成MnS ，避免了FeS 的形成。MnS 的熔点为1600度，高于热加工温度，并在高温下具有一定的塑性，故不会产生热脆。 在一般工业用钢中含锰量常为含硫量的5?10倍
钢中非金属夹杂物的金相检验 碳素钢和合金钢中非金属夹杂物主要有硫化物、氧化物、硅酸盐、氮化物等。非金属夹杂物往往是工件失效的主要原因。钢中非金属夹杂物的金相检验主要包括夹杂物类型的定性和定量评级。夹杂物的检验评定可按照GB/T10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》执行。为什么要检验钢中的非金属夹杂物？ 因为非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性、均匀性，易引起应力集中，造成机械性能下降，导致材料的早期破坏，其影响程度主要取决于夹杂物的形状、大小、分布和聚集状 ° 钢中夹杂物的检验一般在由厂前钢厂或者收货单位验收时检验。 钢中非金属夹杂物的来源 1、内在的：包括①铁矿石②钢厂在冶炼时，用Si、Al脱氧造成。 3FeO+2Al-3Fe+A12O3 2FeO+Si-2Fe+SiO2 2、外来的：浇铸过程卷入的耐火材料等。 对试样的要求 1、取样时沿轧制方向，磨制纵向截面观察夹杂物大小、形状、数量，横向截面观察夹杂物从边缘到中心的分布。试 样表面无划痕、无锈蚀点、无扰乱层。 2、淬火以提高试样的硬度，保留夹杂物的外形
3、试样表面不浸蚀。 非金属夹杂物的分类 1、氧化物：FeO、MnO、Cr2O3、A12O3; 2、硫化物：FeS、MnS及其共晶体 3、硅酸盐：2FeOSiO2、2MnO-SiO2; 4、氮化物：TiN、VN; 非金属夹杂物的鉴别方法 1、明场：检验夹杂物的数量、大小、形状、分布、抛光性和色彩。不透明夹杂物呈浅灰色或其他颜色，透明的夹杂物颜色较暗。 2、暗场：检验夹杂物的透明度、色彩。透明夹杂物发亮，不透明夹杂物呈暗黑色、有时有亮边。 3、偏光：检验夹杂物的各向同性和各向异性，色彩、黑十字现象。 具体形貌 主要有硫化铁（FeS）和硫化镒（MnS）,以及它们的共晶体等
钢液内非金属夹杂物的形成及去除条件 一… }= 7 氧化碱度-――一 一 1前 言 随着科学的发展，现代工业对钢铁材料的强度、韧性及加工性能等要求 E t趋提高 .实际上也是对钢铁材料的化学成份及组织均匀性的要求越来越高.因此我们在冶炼一般钢种时应尽力提高钢液的纯净度，尽量降低钢液内非金属夹杂物 .虽然钢液内少量的徽觖杂物在结晶时对钢质有利的一面，如控铷本质细晶粒 .促进晶粒的取向.弥散的沉淀相将改善钢材的切削性能等，但这些非金属夹杂物在钢中都以独立相存在，这些夹杂物的大量存在将破坏钢基体的连续性，造成钢组织的不均匀性，在压力加工过程中可能造成应力在此集中，形成裂 纹源，对钢材的成材率及冷热加工性能造成严重影响。因此 .我们在冶炼及浇注过程中应尽盈降低钢液内的非金属夹杂物。 2钢液内非金属夹杂物来源钢液内非金属夹杂糖主要来源于两部份：一部份由合金材料、耐火材料及氇瓷材料等外部因素进人钢液，另一部份是由于钢液内部所发生脱氧、脱硫，调硅锰等反应及锵渡凝固时造成相平衡移动在钢内形成。由此 .我们可以把饲内的非金属夷杂物分为外来夹杂物及内生夹杂物两类。 21外来央杂糖：这类夹杂物主要是在冶炼莳期进人钢 .及锭模，耐火砖的诂净面癌人钢中，这类夹杂钧在锕液中一般不易溶解，它豹产生和存在
具有偶然性。它的寸较大 .对钢材的后期成材又极具破坏性。操作人员只有雏致前局到的操作.通过减少夹杂协的来源来降低钢中此类夹杂物的含量。2内生夹杂物：这囊壶杂物是由于钢渣界面的反应及钢液凝同时各种复杂癌麴理化学 . 2反应而形成。内生央寐糖强 .中形成有几个阶段：第一阶段墨售渣界面反应生硪舞恶物 .懑I硫化物，氮化物及爱食辅台犍辞。它在锕液内有一定的溶解度，这是钢液内的原生夹蓉。在出钢后钢水静置过程日 .镪液 .下降，平衡移动部份夹杂物析出，钢液内产生了二敬央杂。镀 钢液在凝固时，蹇祭罄蜘寝；身奎 啤 .因而夹杂物聚集、再生，钢中第 三次有夹杂物析 出，钢中温暖进一步下降时÷日足态搬，夹杂麴会进一步析出，产生四次夹杂。这些非金属夹杂物的析出，从数量上讲第一次原生夹杂和第三次夹杂是最多的。由于内生夹杂钫在钢中自出是糟理相变的必然结果，且分布较为细小和均匀，我们只有控制第一骑段形成夹晰l 6
钢铁生产中的非金属夹杂物控制技术随着工业的发展和技术的进步，钢铁生产也经历了一系列的技术变革。在这些变革之中，非金属夹杂物控制技术无疑是其中最为重要的一个环节。本文将从多个角度来介绍钢铁生产中的非金属夹杂物控制技术，以期为读者带来更好的了解和认识。 一、非金属夹杂物的概念 首先，我们需要了解什么是非金属夹杂物。非金属夹杂物是指钢铁中存在的非金属成分，比如氧化物、硫化物、氮化物等。这些非金属夹杂物会对钢铁的物理和化学性能产生不良影响，导致钢铁的质量不够稳定可靠。因此，控制非金属夹杂物的含量是钢铁生产中重要的一环。 二、非金属夹杂物的来源 了解非金属夹杂物的来源，有助于我们更好地理解控制非金属夹杂物的方法。非金属夹杂物在钢铁生产过程中主要有以下几个来源：
1.原料：钢铁生产的原料主要有废钢、铁矿石、石灰石和焦炭等。这些原料中含有的非金属成分，比如氧化物和硫化物等，很容易被引入到钢铁中。 2.气体：钢铁生产过程中需要进行高温熔炼和冶炼，同时也需要进行各种反应和处理。这样就会产生大量的气体，其中可能含有一些非金属成分。这些气体会进入钢铁中，形成一些非金属夹杂物。 3.工艺：钢铁生产中的一些工艺和流程也可能会引入一些非金属夹杂物。比如，加入一些含硫的物质、操作不当等等，都可能导致非金属夹杂物的产生和积累。 三、非金属夹杂物的危害 非金属夹杂物的存在会对钢铁的质量产生不良影响，主要表现在以下几个方面： 1.机械性能：非金属夹杂物中的氧化物和硫化物等会影响钢铁的韧性和延展性，从而影响钢铁的机械性能。
2.塑性：非金属夹杂物所占的体积比例和分布会影响钢铁的塑性。 3.腐蚀性：非金属夹杂物中的氧化物和硫化物等会影响钢铁的防腐性能，导致钢铁受到腐蚀而失去使用价值。 四、控制钢铁中的非金属夹杂物 为了控制钢铁中的非金属夹杂物，钢铁生产过程中应采取以下措施： 1.改进原料：在钢铁生产中控制原料的非金属夹杂物含量是非常重要的。通过选择更好的原料和加工方式，可以减少和避免非金属夹杂物的引入。 2.优化操作：对生产过程进行优化，采用合适的工艺流程和最佳的操作方法。这些措施可以防止和减少非金属夹杂物的形成。
钢中夹杂物控制,人机料法环 钢铁生产过程中,夹杂物的控制至关重要。夹杂物不仅会影响钢 材的力学性能和加工性能,还会导致钢材表面质量问题,甚至引发严 重的安全事故。因此,钢铁企业需要从人、机、料、法、环等多个方 面入手,全方位加强夹杂物控制。 人是夹杂物控制的核心。操作工人的技能水平和责任心直接关 系到钢液品质。企业应加强员工培训,提高其业务能力和质量意识。 同时建立严格的考核制度,将夹杂物控制指标纳入绩效评价,调动员 工的积极性。 在生产设备方面,定期维护和更新设备是减少夹杂物的有效途径。先进的精炼设备如RH真空脱气、LF精炼等,可显著提高钢液纯净度。气力输送系统可避免转运污染。此外,在关键工序配备在线夹杂物检 测仪,实现夹杂物水平的实时监控。 原料把控是预防夹杂物的第一道关口。优质原燃料虽成本较高, 但可从源头减少杂质带入。来料检验须严把质量关,对不合格品坚决 清退。原料配比要科学,最大限度利用高品质料。
操作规程和工艺参数的优化,可从工艺层面控制夹杂物。细化生 产流程,编制可操作性强的作业指导书。工艺参数应适时优化,如调 整脱氧剂用量、控制精炼温度等。建立夹杂物控制台账,为工艺改进 提供数据支持。 营造良好的生产环境,也有助于夹杂物控制。厂区应保持整洁有序,防止灰尘污染。定期清理除尘设施,确保其正常运行。原料须分 类存放,防止交叉污染。转运通道要专人维护,避免夹杂物的二次污染。 钢中夹杂物控制是一项系统工程,贯穿钢铁生产的全流程。在人 员素质、设备性能、原料品质、操作规程、环境管理等方面形成合力,才能真正实现夹杂物的最小化。这需要企业上下统一思想,部门 通力合作。只有长期坚持,持续改进,才能不断提升钢材品质,增强市 场竞争力。 当前,钢铁行业竞争日趋激烈,用户对钢材品质提出更高要求。 一些高端领域如核电、航空等,对钢中夹杂物提出了极为严苛的指标。这对钢铁企业的夹杂物控制能力提出了新的挑战。 未来,机器学习、大数据等先进技术在夹杂物控制中的应用前景 广阔。通过对生产数据的深度挖掘,可建立精准的夹杂物预测模型。
夹杂物对钢性能的影响 钢中的非金属夹杂物主要是指钢中的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物等。其中，氧及硫的化合物最主要，对钢性能的影响最大。这些化合物一般不具有金属的性质，并机械地混杂在钢的组织中，虽然对钢的强度影响很小，但对疲劳性能、冲击韧性和塑性影响很大。由于夹杂物与基体金属的物性及机械性能，如弹性、塑性及热膨胀系数均有较大差别，在受力过程中，夹杂物不能随金属相应变形。变形大的铁就会在变形小的夹杂物的周围产生塑性流动，它们的连接处应力的分布不均匀，出现了应力集中[8]，并急剧地升高，导致微裂纹的发生，为材料的破坏提供了受力的薄弱区，加速了塑性破裂的过程。因而导致钢的塑性、韧性及疲劳强度降低，方向性加强，加工性能变坏等。 不锈钢中的夹杂物对钢的机械性能，特别是钢的韧塑性、疲劳性能、冷加工性能以及切削加工性能等有强烈的影响。在轧制过程中，夹杂物的存在不但影响不锈钢的内部质量和板材的表面光洁度，而且将降低产品的防锈蚀能力，目前国内不锈钢厂由于夹杂导致的产品报废率高达20%，甚至更高，大大降低了钢厂的生产效率和经济效益。因此严格控制夹杂物的类型、大小、数量、形态和分布，提高钢的纯净度，向“零夹杂钢”努力已经是许多研究者的共识[9-11]。 因此，炼钢工作者应首先力求降低夹杂物的含量，利用复合脱氧剂，使脱氧过程中生成的夹杂物尽可能地浮出，并设法降低凝固过程中出现的二次脱氧产物的形成量。对不可能排除而残留在钢中的夹杂可采用变形处理，改变其存在状态，以减小其对钢性能的危害性。 [8].陈聪.减少钢中夹杂物的途径及其变形处理[J].科技情报开发与经济,2005,15(13).275. [9].上海交通大学《金相分析》编写组. 金相分析[M].北京: 国防工业出版社. 1982，117~133. [10].李正邦. 超洁净钢的新进展[J]. 材料与冶金学报,2002，1(3): 161-465. [11].Fukumoto S，Mutcgell A.The manufacture of alloy swithzero oxidein clusion content[C],Proceedings of the 1991 Vacuum Metallurgy Conference on the Melting and Processing of Specialty Materials I&SS,Inc.Pitts-burgh, USA, 1991:3~7.
夹杂物对钢性能的影响 1．概要 1.1钢中非金属夹杂物的来源 钢铁冶炼是一个非常复杂的物理化学过程。随着冶炼技术的不断进步，钢的品质得到 不断提升。但是，不管采用何种先进的冶炼技术，钢中总还是不可避免地存在或多或少的 非金属夹杂物，其来源大致为以下几方面：①脱氧、脱硫产物，特别是一些比重大的产物 没有来得及排除。②随着钢液温度的降低，s、o、n等杂质元素的溶解度下降，于是这些 不溶解的杂质元素就呈非金属化合物在钢中沉淀。③带入钢液中的炉渣或耐火材料。④钢 铁被大气氧化所形成的氧化物。 通常，前两种类型的包裹体称为内源性包裹体，后两种类型的包裹体称为外来包裹体。内源性夹杂物的类型和成分取决于冶炼脱氧过程和钢的成分，尤其是与s、O和N有强亲 和力的元素的含量，如铝、硼、锰、稀土、钙等。与s、O和N亲和力较弱的元素，如Ni 和Co，即使其含量变化很大，也不会对夹杂物产生明显影响。外来夹杂物是意外形成的，通常具有大颗粒和多边形形状。它们是分布不规则的复杂化合物。钢中的含量通常只占总 夹杂物的一小部分，而且通常很难确定。 1.2夹杂物对钢性能的影响 钢中存在非金属夹杂物通常被认为是有害的。它主要表现为对钢的强度、延展性、韧 性和疲劳的影响。因此，在冶炼过程中应采取各种技术措施，尽可能降低夹杂物的含量， 科学调整夹杂物的类型、分布和形态，使其对钢材性能的影响降至最低。① 夹杂物类型 的影响 铝镇静钢在连铸时，高熔点的al2o3夹杂物易粘在中间包的水口上面影响浇铸，可通 过改变脱氧工艺使钢液中固态的al2o3夹杂物变为液态的铝酸钙，就可以避免夹杂物在水 口上面的粘结。②夹杂物颗粒大小及分布的影响 大而集中的夹杂物对钢的性能有害，而分散而细小的夹杂物不仅可以消除这种危害， 有时还可以改善钢的性能。例如，在室温下，Al2O3颗粒超过1μM，钢的屈服强度和抗拉 强度降低，但当夹杂物颗粒小于0.3μM时，屈服强度和抗拉强度将增加。 钢液中有同等量的氧、硫含量时，对小型铸件，由于冷却速度快，夹杂物的颗粒小， 分布均匀，对铸件的性能几乎不产生影响。然而对大型铸件，由于冷却速度慢，夹杂物产 生偏析，颗粒粗大，对铸件的性能将会产生较大的影响。③夹杂物形状的影响 硫化锰是钢中常见的夹杂物。如果铸钢中形成球形硫化锰，钢体在热加工过程中不易 变形，各向异性可以减小，对钢件的力学性能危害不大。然而，如果硫化锰以长条状和链 状形成，或沿晶界形成或分布共晶，则在热加工过程中会产生热脆性和裂纹，破坏钢基体 的连续性，从而对力学性能产生很大影响。
第一章炼钢学概述 基本要求：理解炼钢的任务；了解对原材料的要求；了解耐火材料的分类和各自用途。 重点与难点：炼钢的任务；原材料主要质量指标；炼钢用耐火材料。 第一节概述 一、钢与生铁的区别及发展历程： 首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于 2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而生铁的熔点在1100-1200℃。 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。 钢的应用前景：钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。 用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。 炼钢方法（1） 最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。 炼钢方法（2） 1856年英国人亨利·贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。 炼钢方法（3） 1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢
水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。 炼钢方法（4） 1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。 炼钢方法（5） 1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。 炼钢方法（6） 瑞典人罗伯特·杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，如图1所示。 图1 BOF法 炼钢方法（7） 1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette)。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP) ，如图2所示。
钢中氧化物夹杂的来源及控制
钢中氧化物夹杂的来源及控制 江苏科技大学冶金与材料学院 摘要简述了钢中氧化物夹杂的种类、来源和控制方法，加铝脱氧工艺析出的一次脱氧产物的去除方法是解决问题的主要方法。对于对氧含量要求高的钢种，加入变性剂使氧化物夹杂改性是必要手段。 关键词氧化物夹杂深脱氧吹氩变性剂 随着科学技术的进步，各行各业对钢材性能和质量的要求越来越高。纯净钢的市场需求不断增加，关于纯净钢生产技术的研究也越来越深入[1]。其研究主要包括两方面内容：一是提高钢的纯净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。而非金属夹杂物中，氧化物夹杂是最主要的部分，其分类如图1所示[2]。简单氧化物有FeO, Fe2O3 , MnO, SiO2 , Al2O3 , MgO和Cu2 O 等。在铸钢中, 当用硅铁或铝进行脱氧时, SiO2和Al2 O3夹杂比较常见。A l2O3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,有2FeO · SiO2 ( 铁硅酸盐) 、2MnO · SiO2 ( 锰硅酸盐) 和CaO · SiO2 ( 钙硅酸盐) 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态的形式保存于钢中[2]。明确氧化物夹杂的来源并探讨其控制方法对于二次精炼以及纯净钢冶炼来说十分重要。 图1 氧化物夹杂的分类
1 氧化物夹杂的危害 钢中O与Ai、Si、Cr、Mn、Fe等元素反应，可形成Al2O3 、SiO2、Cr2O3、MnO、Fe2O3、FeO氧化物和FeO·Cr2O3等复杂氧化物夹杂。钢中氧化物和硅酸盐的存在,破坏了钢基体的连续性并导致了应力集中，从而降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能。一方面增强钢的力学性能的方向性使横向性能恶化；另一方面使钢的切削加工性能下降, 而且很难抛光。一些钢材的表面的翻皮、结疤、凹凸不平以及裂纹等缺陷均与钢中的氧化物夹杂物有关，其主要是 SiO2 ·FeO·Al2O3和钛的氧化物。 2 氧化物夹杂的来源及形成方式 2.1氧化物夹杂的来源 氧化物夹杂的来源主要由以下三个方面： （1）在连铸前，当向钢液中加入硅、锰、铝或碳等脱氧剂来降低溶解氧时产生的脱氧产物。根据加人脱氧剂的类型、数量和钢液静压力，脱氧产物可能为固态、液态或气态。钢液的温度决定了氧化物夹杂的化学稳定性。随着温度的降低，越来越多的脱氧产物从钢液中析出。它们的成分决定于脱氧产物形成时的温度和钢水成分。夹杂物在脱氧过程中的生成是不可避免的，随着温度的降低夹杂物也还会继续生成直到钢液全部凝固。钢中析出的氧化物夹杂主要来自三部分[3]： 1)是在炼钢温度下合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产物，称为一次脱氧产物。 2)钢水从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱氧产物，称为二次脱氧产物。 3)钢水从液相线温度冷却到固相线温度过程中析出的脱氧产物，称为三次脱氧产物。 在某一温度下，如果钢液暴露于空气中或耐火材料本身不稳定会使钢液发生二次氧化。在一定温度下，以降低钢液中的溶解氧为目的所产生的氧化物夹