中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

摘要：非金屬夾雜物對(duì)鋼的許多性能起著極為重要的作用，影響鋼鐵產(chǎn)品的加工和使用，本文展示了最新的非金屬夾雜的起源和分類，概述近幾十年來對(duì)此研究做的大量工作。本文包括夾雜形成的動(dòng)力學(xué)條件和目前冶煉條件對(duì)夾雜的成分、數(shù)量和尺寸分布變化的影響，夾雜物變性的研究鋼種包括子午線鋼絲、彈簧鋼和軸承鋼等，得到所希望的夾雜物尺寸和形態(tài)，也要同時(shí)防止連鑄水口絮流堵塞。隨著顯微電鏡發(fā)展已經(jīng)能夠?qū)A雜分布特征給充分展現(xiàn)出來了，在夾雜物工程中也討論了具有應(yīng)用前景的“氧化物冶金”這個(gè)領(lǐng)域，最后簡要闡明了夾雜的特性改進(jìn)和定量分析的難度。在過去幾十年來，鋼中夾雜物的控制發(fā)展進(jìn)步明顯，這是由于在熱力學(xué)、鋼水的渣成分，以及煉鋼的工藝過程之間相互作用的理解加深所導(dǎo)致的，使得能夠控制夾雜和工藝過程來優(yōu)化鋼的特性，盡管這樣，仍然有一些重要問題必須要解決，要不斷改善夾雜控制和優(yōu)化過程。

 

1  介紹

 

      直到五十年前人們開始普遍重視研究非金屬夾雜物（NMIs），認(rèn)為鋼中的夾雜來源于耐材的侵蝕和各種保護(hù)渣和頂渣的卷入。雖然在那個(gè)時(shí)代夾雜物研究已經(jīng)是一個(gè)重要的課題，但是對(duì)鋼中夾雜作用還沒有像今天這樣普及。由于夾雜在鋼的基體中是非金屬相，很多物理冶金學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)不在這里，大多數(shù)研究重點(diǎn)在于理解金屬的行為和相變過程。當(dāng)鋼要求具有挑戰(zhàn)性的性能時(shí)和更加惡劣條件服役時(shí)，鋼基體中的非金屬夾雜物的類型、尺寸和分布就與性能構(gòu)成明確的相關(guān)關(guān)系，了解夾雜的這些特性行為就變的極為重要，導(dǎo)致了鋼鐵產(chǎn)品的冶煉和加工過程中深入地開展研究夾雜的起源、特性和行為。對(duì)非金屬夾雜物的控制和定量分析進(jìn)行大量地改進(jìn)工作，同時(shí)對(duì)夾雜物對(duì)金屬材料性能的影響也進(jìn)行大量的調(diào)研工作?？刂茒A雜從上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行，以此來改善鋼的性能，已經(jīng)成為冶煉中最重要的一環(huán)。夾雜物控制工程開始做所希望的夾雜特性，然后，通過熱力學(xué)和適當(dāng)?shù)墓に囋O(shè)計(jì)和生產(chǎn)的鋼材達(dá)到所希望的夾雜占其主導(dǎo)地位。在本文工作中，研究夾雜的起源和控制，展現(xiàn)和理解加工過程中夾雜的行為，簡要地闡述夾雜的定量分析和分布特征，也表現(xiàn)最新的夾雜控制工程的發(fā)展?fàn)顩r。夾雜對(duì)鋼的性能的影響這里沒有深入的討論，在這個(gè)領(lǐng)域中的文獻(xiàn)正在快速增長，讀者可以根據(jù)特定的題目進(jìn)行查詢，什么時(shí)間都可以得到想要的內(nèi)容。經(jīng)典的書是kiessling寫的，國際潔凈鋼組織會(huì)議和論文每3~5年一次，由HungarianMining（匈牙利礦業(yè)）和冶金協(xié)會(huì)主辦，感興趣的讀者可以直接讀到這些寶貴的知識(shí)。

 

2  非金屬夾雜物的起源和分類

 

2.1  非金屬夾雜物的分類

 

      現(xiàn)代煉鋼技術(shù)不斷發(fā)展，注意到使用氧化反應(yīng)和精煉方式去除鋼中有害元素，這些對(duì)鋼有害的雜質(zhì)元素如硫來自于煤和焦炭，硫進(jìn)入液態(tài)鐵水和鋼水，但在固溶體鋼中溶解度非常小，鋼水凝固期間從結(jié)晶前沿推向液態(tài)鋼水，最后形成低熔點(diǎn)的“FeO”和“FeS”化合物或包含這兩者化合物的共晶體，這種鋼不能用于熱加工軋制和鍛造。鋼中的氧化物、硫化物和合金元素（如Mn）構(gòu)成了復(fù)雜的關(guān)系，然而如果要生產(chǎn)高質(zhì)量鋼材，必須將溶解在鋼水中的氧和硫的含量降下來。許多元素可以作為鋼中的合金元素，如Mn、Al、Si，它們具有與氧很高親和力，進(jìn)入鋼水中起到脫氧作用。這些脫氧產(chǎn)物成為了氧化物非金屬夾雜。另一方面鋼中含硫，Ca和Mg在鋼中溶解度很小，它們和稀土與S的親和力足夠的高，形成了低熔點(diǎn)的硫化物的非金屬夾雜，于是大多數(shù)在鋼中的S在精煉中進(jìn)入渣中被去除，其余的S在凝固階段發(fā)生沉淀析出硫化物夾雜。這些非金屬夾雜物按照其類型分為兩類：夾雜的化學(xué)成分（氧化物和硫化物夾雜等）和夾雜形成的階段來定義。夾雜形成的階段以凝固為分界點(diǎn)，凝固前生成的夾雜成為初生夾雜，而凝固期間和后期生成的夾雜稱為次生夾雜。除了這些類型，另外常用的分類也容易混淆，涉及到夾雜的來源，產(chǎn)生于煉鋼過程夾雜（如氧化物和硫化物夾雜）分類為“內(nèi)生”夾雜；來源于外部的稱為“外生”夾雜（耐火材料碎屑、保護(hù)渣卷入等），這些分類成外生夾雜。一般很少有大顆粒外生夾雜長時(shí)間獨(dú)立在鋼水中而不和鋼水起反應(yīng)，改變是非常明顯的，在過去認(rèn)為特別大的夾雜物來自于耐材和澆注模內(nèi)，然而在現(xiàn)代鋼中這種大顆粒夾雜顯著地減少了，然而當(dāng)有的學(xué)生看到這個(gè)課題時(shí)，最終相信最重要的非金屬夾雜就是“外生”夾雜。這并不是說鋼水與耐材的相互作用是沒有關(guān)聯(lián)的，這些夾雜在鋼中存在說明了鋼水與耐材有作用影響的，假如定義的外生夾雜也包括二次氧化和保護(hù)渣的卷入，外生夾雜的范圍就擴(kuò)大了，這倒是對(duì)外生夾雜較為恰當(dāng)?shù)亩x。然而，這些夾雜物不僅僅在冶煉過程產(chǎn)生變化，而且在某些情況下，產(chǎn)生了在什么工序中產(chǎn)生的爭(zhēng)論。于是，“外生”還是“內(nèi)生”夾雜分類還是處在爭(zhēng)論之中。

 

     最后，非金屬夾雜分類的普通方法與夾雜的尺寸有關(guān)：即夾雜能夠分為宏觀夾雜和微觀夾雜，需要知曉的是，在夾雜尺寸上有一個(gè)敏感的數(shù)值，使用Kiessling提議的分類，即假如鋼鐵產(chǎn)品在加工過程或者使用中足夠大的夾雜造成瞬間損壞，這個(gè)夾雜稱為宏觀夾雜，見圖1所示。其實(shí)要認(rèn)識(shí)到這種分類難以應(yīng)用，隨意地將夾雜按尺寸分為宏觀和微觀，難以界定。

 

 

圖1  由于大顆粒硬質(zhì)相的存在造成輪胎子午線鋼絲拉拔過程中斷裂。夾雜物由箭頭所指，掃描電鏡背散射照片。

 

2.2  熱力學(xué)基礎(chǔ)

 

     由于煉鋼溫度高，夾雜物形成反應(yīng)接近平衡狀態(tài)，由此，熱力學(xué)成為了解夾雜的一個(gè)重要的工具，夾雜物形成的熱力學(xué)基礎(chǔ)作為一個(gè)研究課題已經(jīng)開展了較長的時(shí)間，盡管如此，例如在氧化鋁夾雜物中有關(guān)的熱力學(xué)形成數(shù)據(jù)，仍然是有不符合產(chǎn)生矛盾的地方，還是值得進(jìn)一步研究。作為一般冶煉的鋼種，鋁作為脫氧劑進(jìn)入鋼中，產(chǎn)生的夾雜熱力學(xué)計(jì)算過程不成問題，但是在新的一代鋼材材料高鋁高錳冶煉過程中就具有不確定性，這點(diǎn)是很重要的。鋼中溶解極為有限的Mg和Ca的情況下問題也變得復(fù)雜起來。作為這些元素，在煉鋼過程中研究相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的討論仍然十分普遍。在最近幾十年來，已經(jīng)提供了熱力學(xué)計(jì)算運(yùn)用來解決復(fù)雜的問題計(jì)算，這些使用常規(guī)的計(jì)算方式處理還是有點(diǎn)難度的。運(yùn)用在鋼鐵產(chǎn)品和冶煉上總體各個(gè)方面的例子已經(jīng)被討論了。相關(guān)夾雜物問題的運(yùn)用例子在許多文獻(xiàn)中都可以看到。

 

3  夾雜物的形成、去除和控制

 

     將夾雜物分類成初生夾雜和次生夾雜是有利討論它的形成和去除的，去除鋼水中初生的夾雜物在原理上是可行的，但是次生夾雜發(fā)生在凝固期間，不可能去除，只能將其變性處理，盡可能減少它在鋼中的危害。

 

3.1  初生夾雜物

 

3.1.1  夾雜物的形核和組織

 

      從液態(tài)鋼水中形成的初生夾雜物與熱力學(xué)過程緊密相關(guān)，考慮兩個(gè)重要方面：它們的形核和對(duì)應(yīng)的組織。

 

     總體上講，當(dāng)脫氧劑加入鋼水中時(shí)，迅速形核，這是由于在脫氧劑添加溶解期間觀察到高的過飽和現(xiàn)象，Sigworth和Elliott仔細(xì)地評(píng)估了硅的形核條件，觀察到需要過飽和溶解氧，然而Miyashita的結(jié)果和工業(yè)觀察并沒有在煉鋼期間用硅脫氧中有明顯的過飽和現(xiàn)象。Miyashita也觀察溶解氧和全氧之間的比較，表明全氧下降的速率由脫氧產(chǎn)物去除速率來確定的，見圖2。

 

 

圖2  在熔池添加硅脫氧后鋼中全氧和溶解氧為時(shí)間的函數(shù)，測(cè)量4爐鋼全氧含量。

 

    在許多脫氧研究中，鋼中全氧含量和溶解氧量的差別取決于氧化物夾雜的生成量，這個(gè)亮點(diǎn)結(jié)論表示在圖3。

 

 

 

 圖3  a是全氧和溶解氧依賴氧化物夾雜量的一個(gè)簡單例子，在例子中，脫氧開始在“a”點(diǎn)，加入Al到鋼中，開始的溶解氧%Oi。在形核分界線缺乏形核條件，氧化鋁在溶解氧和鋁含量到“c”點(diǎn)上生成，在鋼中的全鋁含量與鋼中的溶解氧（%O）對(duì)應(yīng)，進(jìn)入到夾雜氧化鋁中的氧仍在鋼水中，對(duì)應(yīng)在“b”點(diǎn)上，從“a”到“c”點(diǎn)脫氧過程按照化學(xué)方程反應(yīng)2Al+3O=Al2O3。注意：通常全鋁和酸溶鋁（%Als）之間的差別是較小的，很難測(cè)量出來。b是由文獻(xiàn)確定鋼中的夾雜量和全氧量（%Ot）之間的關(guān)系，當(dāng)夾雜和全氧含量低時(shí)，要得到可靠的測(cè)量要極為小心，見圖c。c是在化學(xué)分析試樣中的氧化物夾雜密度對(duì)從精煉結(jié)束后的全氧分析，氧化物夾雜的數(shù)量由SEM自動(dòng)識(shí)別統(tǒng)計(jì)。

 

     Suitu和合作者討論了過飽和氧在實(shí)驗(yàn)室研究中氧化鋁夾雜的形成。如用Si做脫氧劑，在煉鋼上看似乎不成問題，實(shí)際冶煉操作上，異質(zhì)形核是非常豐富的，實(shí)驗(yàn)室觀察到條件是不能重復(fù)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的。

 

     在鋼中氧化鋁作為夾雜核心和生長的組織研究是非常有意義的工作，因此對(duì)于大工業(yè)生產(chǎn)來說，鋁鎮(zhèn)靜鋼是非常重要的，有些作者詳細(xì)地注意到氧化鋁的組織形態(tài)和它與鋼中過飽和氧以及冶煉時(shí)間之間的關(guān)系。圖4表明了Steinmetz和合作者研究的典型脫氧劑和氧活度對(duì)應(yīng)的夾雜形狀。從圖看出來，過飽和溶解氧在夾雜組織形態(tài)上扮演著重要的角色，最近，Tiekink和合作者試圖將觀察到氧化鋁夾雜組織與過飽和的氧和鋁構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，見圖5，這個(gè)任務(wù)做起來是很復(fù)雜的。

 

 

圖4  區(qū)域氧活度和鋁活度與氧化物生長的函數(shù)關(guān)系

 

 

圖5  觀察鋼中不同氧活度和Al含量對(duì)應(yīng)的氧化鋁夾雜形貌概括

 

     氧化物夾雜的組織對(duì)最終產(chǎn)品性能具有非常大的影響。特別注意到形成和生長在液態(tài)鋼水中初生的夾雜物具有不同的組織形態(tài)（見圖4和6），由于夾雜物之間相互撞擊聚團(tuán)（見圖7）。如果精煉的時(shí)間足夠的長，由于表面能方面的原因使得夾雜形狀產(chǎn)生改變。

 

 

圖6  一些氧化鋁夾雜物組織。從鑄坯基體溶解萃取的夾雜物，a虛線內(nèi)的是氧化鋁樹枝結(jié)構(gòu)，纖維狀的過濾芯用來保持溶解過程中夾雜物，也作為背景襯托夾雜物，b多面體氧化鋁夾雜物

 

 

圖7  從鋼包中取樣的氧化鋁簇，使用苦味酸深腐蝕

 

3.1.2  去除夾雜物

 

     在靜態(tài)鋼水熔池中非金屬夾雜物上浮可由簡單計(jì)算方法來確定，由于Stokes定律的局限性所致。在通常的鋼包深度下，小顆粒夾雜物上浮速率有限，需要很長的時(shí)間才能到鋼渣表面，這么長上浮時(shí)間是難以接受的，特別是氧化鋁夾雜的上浮需要很長時(shí)間，但是夾雜物之間撞擊聚合明顯地有助于它們的上浮，所以它們的成團(tuán)聚合非常重要。這種聚合上浮的重要性在線得到觀察。Emi和合作者在線觀察鋼和氣體之間界面上的夾雜物行為，他們展示了在這個(gè)條件下，氧化鋁成簇是很快捷的，另一方面，鈣鋁酸鹽夾雜彼此之間很難聚集在一起，僅僅是在液體中發(fā)生完全的碰撞才行。Wikstrom和合作者擴(kuò)展了在線觀察鋼渣表面和渣中的夾雜物工作，他們認(rèn)同Emi鋼渣界面觀察結(jié)果。Emi和合作者觀察看到當(dāng)在氣-鋼界面（例如在氣泡表面）現(xiàn)象，并沒有直接指出液態(tài)鋼水中怎樣聚集成團(tuán)的現(xiàn)象，這對(duì)于液態(tài)夾雜物來說特別重要，這里其他的力可能是說相關(guān)的。在任何情況下無論夾雜是固態(tài)還是液態(tài)都在成團(tuán)聚合中扮演重要的角色。很長一段時(shí)間以來，基本的認(rèn)識(shí)是攪拌促進(jìn)了夾雜的成團(tuán)聚合，但是對(duì)于夾雜物來說最為重要的是淹沒在精煉渣和鋼包壁耐材上。Lindskog和合作者的工作是用放射性追蹤劑來試驗(yàn)追蹤這種重要的夾雜物進(jìn)入精煉渣和鋼包壁上，由于目前條件的限制，只能使用BaO作為合適的追蹤劑，用于評(píng)估鋼中最終俘獲的精煉渣和保護(hù)渣，以及對(duì)鋼清潔度的影響。使用BaO追蹤劑對(duì)確定鋼包耐材侵蝕對(duì)其爐號(hào)鋼的清潔度的影響非常有效。IRSID研發(fā)了使用元素鑭作為氧化物夾雜的追蹤劑，由于La2O3非常穩(wěn)定，在鑭添加到鋼中氧化鋁夾雜已經(jīng)存在，重新氧化形成的夾雜物可以由La進(jìn)行識(shí)別。外生夾雜起源于結(jié)晶器保護(hù)渣，堿性的氧化物的存在可以作為追蹤劑的。結(jié)晶器保護(hù)渣通常僅在連鑄過程中使用，含有明顯的堿性氧化物。

 

      在鋼包精煉期去除的所有夾雜其絕大多數(shù)是脫氧產(chǎn)物，包括三個(gè)階段：單獨(dú)夾雜生產(chǎn)/成簇；夾雜向精煉渣或鋼包耐材壁上運(yùn)動(dòng)；被精煉渣和耐材吸附。夾雜運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)重要因素：熔池?cái)嚢?，這是一個(gè)主要因素，由上升氣泡拖拽上升。大多數(shù)鋼包精煉表明，鋼包吹氬攪拌氣泡尺寸太大，不足以帶走夾雜有效地降低鋼中夾雜，除非吹氬量特別大。Zhang和Taniguchi計(jì)算表明在鋼水流動(dòng)速度高和氣泡細(xì)小情況下使用吹氬攪拌是有效的。連鑄的浸入式水口SEN和鋼包長水口對(duì)防止二次氧化作用明顯，在RH真空處理上升管鋼流中也觀察到帶走一些優(yōu)點(diǎn)。

 

     鋼包攪拌促進(jìn)夾雜成團(tuán)上浮進(jìn)入渣中，圖8是首批研究者之一，研究清楚地表明增加攪拌功率（這里指鋼包采用電磁攪拌的方式）即增加移去夾雜的動(dòng)能常數(shù)（通過測(cè)量鋼中全氧含量）。

 

 

圖8  在ASEA-SKF鋼包精煉爐中全氧含量是攪拌電流和處理時(shí)間的函數(shù)。最終氧含量取決于每一爐的殘余鋁含量

 

     工業(yè)觀察似乎指出通過在一定攪拌能下，將去除夾雜達(dá)到一個(gè)最大值，這個(gè)觀察第一個(gè)報(bào)告可能是Suzuki和合作者，他們得出的結(jié)果是表達(dá)為攪拌特殊功的函數(shù)，從而意識(shí)到攪拌能的重要性：精煉去除夾雜效果降低似乎是因?yàn)殇摪筒那治g后加入鋼中，或者鋼中裹挾了渣……，因?yàn)镃aO和MgO類型的夾雜在強(qiáng)烈攪拌作用下是增加的，他們的結(jié)果見圖9。

 

 

圖9  攪拌功率對(duì)二次氧化程度的影響。圓圈點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到低于20ppm全氧含量

 

      后來，Neifer和合作者，Ek和合作者使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和物理模型來研究氧化物夾雜的去除，將鋼包氬氣流動(dòng)速率與夾雜去除作為函數(shù)關(guān)系處理，Neifer模型結(jié)果指出通過氣體流量的優(yōu)化來提高去除非金屬夾雜的效率。他們觀察到增加氣體流動(dòng)速率對(duì)降低鋼中全氧含量沒有什么效果，他們將這個(gè)現(xiàn)象歸為鋼水接觸大氣產(chǎn)生了二次氧化。這些結(jié)論與Suzuki團(tuán)隊(duì)結(jié)果是一致的。Ek團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)了氬氣流動(dòng)速率與夾雜的去除的影響相當(dāng)?shù)?，作者建議去除夾雜清潔鋼水最好使用較低的氬氣流動(dòng)速率。有趣的是，Neifer團(tuán)隊(duì)工業(yè)性測(cè)量指出鋼中全氧含量隨著氣體流量增加下降是減弱的。他們建議在工業(yè)試驗(yàn)中使用自然對(duì)流傳送方式達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鋼包上試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)非常有限，很難推斷觀察的結(jié)果。

 

     最近以來，Zhang和Thomas收集了許多動(dòng)力學(xué)常數(shù)，作為氧化物夾雜去除和攪拌功率函數(shù)關(guān)系中使用，見圖10所示。他們?nèi)〉靡恍y(cè)量數(shù)據(jù)，力圖找出攪拌的優(yōu)化方案。他們也進(jìn)行數(shù)值模擬，力圖重現(xiàn)圖10中包圍部分所期待的行為數(shù)據(jù)。

 

 

圖10  氧去除常數(shù)在d%Ot/dt=-kt公式中，是在不同二次冶金反應(yīng)容器中攪拌功率的函數(shù)

 

     Suzuki團(tuán)隊(duì)指出優(yōu)化攪拌過程可能引起二次氧化，過分地?cái)嚢枰痄摪斣_眼，將鋼水暴露在大氣中，并且造成裹渣，這些發(fā)生在開眼的邊緣處。圖11給出了當(dāng)脫硫過程中強(qiáng)烈攪拌時(shí)，非金屬夾雜化學(xué)成分的變化，夾雜物中Ca和Mg含量的證明了渣已經(jīng)乳化。

 

 

圖11  從精煉爐，結(jié)晶器和板坯上取樣分析所有的非金屬夾雜物平均成分和攪拌強(qiáng)度的關(guān)系，Kaushik團(tuán)隊(duì)指出強(qiáng)攪拌在脫硫期間促進(jìn)渣的乳化，證據(jù)就是夾雜物中的鈣含量高

 

     在過分的氬氣攪拌和頂渣少的情況下，觀察到氧化鋁夾雜重新生成，所以在精煉清潔鋼水去除夾雜物期間是需要優(yōu)化攪拌功率的。

 

      二次氧化對(duì)鋼的清潔度的重要性不能過分強(qiáng)調(diào)，Nadif團(tuán)隊(duì)報(bào)道了二次氧化的重要性和測(cè)量控制，最近幾十年來，冶煉鋼廠采取了許多措施來控制精煉后的二次氧化源頭；板坯連鑄有規(guī)律地采用浸入式水口SEN和鋼包長水口來隔絕大氣。特別是在長材生產(chǎn)中，中間包和結(jié)晶器采用惰性氣體保護(hù)，對(duì)于生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置了。要特別注意惰性氣體閥門設(shè)計(jì)，避免在閥系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)壓造成空氣的侵入。

 

      夾雜物附著在精煉渣中其表面張力貢獻(xiàn)最大，其次是渣子溶解夾雜物的能力。不管渣的成分，絕大多數(shù)精煉渣和夾雜是濕潤的。這是由于夾雜和鋼水之間以及夾雜與精煉渣之間的表面能差的大小有關(guān)。這個(gè)現(xiàn)象經(jīng)過長時(shí)間的討論，至少是從文獻(xiàn)開始的，其他的由Olette概述。精煉渣中的液相分?jǐn)?shù)促進(jìn)了非金屬夾雜的去除，這一點(diǎn)在非常早期文獻(xiàn)就清楚地知曉了，而且由天才的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，在渣的黏度上仍然保留了一些矛盾的地方。Nakajima和Okamura提出一個(gè)模型來描述夾雜物穿越鋼渣界面的過程，后來有許多研究詳細(xì)地討論和最新研究夾雜物被渣吸收課題。Nakajima和Okamura提出在一定的條件下夾雜物從鋼中進(jìn)入渣中，可能包含了從界面的金屬膜作為通道，而另外其它例子，特別是固態(tài)夾雜中，這樣的金屬膜是不存在的，見圖12。

 

 

圖12  圖示夾雜物越過鋼渣界面2種類型，引自Nakajima，夾雜物達(dá)到界面的雷諾數(shù)決定其行為

 

     他們的結(jié)論是渣的黏度和相應(yīng)的表面能對(duì)確定夾雜物通過界面是一個(gè)重要的參數(shù)，而且減少夾雜物再次返回鋼水中的危險(xiǎn)。這個(gè)現(xiàn)象用一個(gè)條件來概括，即在夾雜靠近界面時(shí)的雷諾數(shù)，最近以來，Sridhar團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在線觀察這個(gè)膜的通道是一個(gè)普遍的現(xiàn)象，在絕大多數(shù)情況下，延長了夾雜進(jìn)入渣中的路徑。

 

      一旦夾雜離開鋼水，液態(tài)夾雜立刻溶解在渣中，使用在線觀察，固態(tài)夾雜溶解熱力學(xué)就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，在一些情況下，溶解的熱力學(xué)是由傳輸（在邊界層的擴(kuò)散）所控制的，在另外情況中，例如MgO夾雜，中間層的形成取決于渣的化學(xué)成分，在精煉中的各個(gè)化學(xué)階段上可能阻礙夾雜物的溶解，這從以前較為普通的技術(shù)方法就可以得到的結(jié)果所證實(shí)，最近以來，Yan團(tuán)隊(duì)估算了渣中MgO的溶解，指出所有獲得的數(shù)據(jù)受到質(zhì)量傳輸?shù)目刂啤?/span>

 

     Holappa團(tuán)隊(duì)調(diào)查研究中間包覆蓋劑活度，中包覆蓋劑吸收夾雜是一個(gè)關(guān)鍵性的特性，他們觀察到在給定的渣中溶解固態(tài)非金屬夾雜物在渣的化學(xué)成分、熱力學(xué)條件、表面張力和黏度之間具有復(fù)雜的相互作用關(guān)系。Holappa團(tuán)隊(duì)推斷“要得到更多這方面知識(shí)需要進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)性的研究，……要研發(fā)優(yōu)化的渣”。非金屬夾雜物被鋼包的耐材表面吸附是一件好事，但是這種吸附在鋼包耐材表面的夾雜物也可能成為下一爐鋼夾雜物的來源，這往往取決于鋼包渣的成分。如果夾雜物吸附在鋼水管路通道里將引起非常麻煩的事故，例如在連鑄過程中水口阻塞造成處理時(shí)間長，代價(jià)大。這個(gè)水口阻塞現(xiàn)象參考文獻(xiàn)做了很好的闡述，后面將要討論，注意到引起水口絮流是氧化鋁夾雜附著積累，可能在二次氧化中形成的FeO和夾雜一起聚集，參考文獻(xiàn)清晰闡述了這個(gè)現(xiàn)象。

 

      有大量的出版物闡述了連鑄和鋼錠澆鑄過程中保護(hù)渣吸收初生夾雜情況，文獻(xiàn)指出是有這種可能性的，但是主要觀點(diǎn)內(nèi)容和上面討論的沒有差別。連鑄和模鑄保護(hù)渣（類似于中間包覆蓋劑）必須有多種功能和流動(dòng)性，在結(jié)晶器內(nèi)受到各種各樣的約束，包括要避免保護(hù)渣裹挾進(jìn)入初生坯殼的表面，這在一定程度上限制了夾雜物移動(dòng)而保留在保護(hù)渣中，優(yōu)化中間包和結(jié)晶器鋼水流動(dòng)，使其鋼水帶著夾雜到達(dá)鋼渣界面，但與其他相關(guān)的冶金目標(biāo)的相沖突的。對(duì)流使夾雜上升去除是鋼包精煉盡可能做到的事情，也要防止二次氧化造成新的夾雜，這是生產(chǎn)清潔鋼重要的一環(huán)。

 

     另外一個(gè)問題是在連鑄坯內(nèi)初生夾雜運(yùn)動(dòng)過程，由于弧形連鑄的原因造成夾雜物在橫截面上非對(duì)稱分布，已經(jīng)較好地被認(rèn)識(shí)到。非對(duì)稱夾雜往往也與水口絮流堵塞有關(guān)。

 

     Sichen最近展示了二次精煉模型的效果，特別是精煉爐工藝過程，模型試圖給出鋼渣界面反應(yīng)、過渡攪拌渣層開眼、夾雜物產(chǎn)生、形核、生長和分離上浮去除，使用了大多數(shù)可用的技術(shù)。然而，Sichen注意到鋼包精煉過程中主要的質(zhì)量傳輸效率、夾雜上浮去除速率、過分?jǐn)嚢柙鼘娱_眼等變量和氬氣流動(dòng)速率由于工業(yè)生產(chǎn)中的如鋼包透氣芯堵塞和氣體管路漏氣等不確定性造成模擬困難。

 

     在工業(yè)生產(chǎn)鋼包精煉中控制和檢測(cè)氬氣流動(dòng)速度是有難度的?？刂其摪鼘娱_眼可以使用攝像儀和影像分析儀，使用振動(dòng)測(cè)量來控制氬氣流量，這些技術(shù)在一些鋼廠已經(jīng)采納。

 

3.2  次生夾雜物

 

      在凝固過程中，次生夾雜物析出的驅(qū)動(dòng)力增加溶質(zhì)元素的偏析，鋼中氧化物和硫化物的溶解能力是隨著溫度的降低而減少。

 

     由于鋼中溶解度的變化造成的夾雜物的析出已經(jīng)討論了很長時(shí)間。在上世紀(jì)60年代開始，初生夾雜和次生夾雜命名已經(jīng)確定，偏析與夾雜析出之間的關(guān)系就已經(jīng)建立了。在那個(gè)時(shí)間，建立了第一個(gè)描述這個(gè)現(xiàn)象的模型。Turkdogan和Flemings對(duì)理解隨溫度降低溶解度的變化，對(duì)次生夾雜的產(chǎn)生偏析的綜合效果做了重要的貢獻(xiàn)。上世紀(jì)80年代和90年代期間，Nippon鋼鐵和IRSID研發(fā)了精致的模型。相同的技術(shù)也成功地運(yùn)用在HSLA微合金化鋼中凝固期間氮化物的析出上。

 

      這些模型打開了研究夾雜物工程的一個(gè)方法，今天我們知道，耦合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，凝固模擬和計(jì)算夾雜物的形成，這些計(jì)算從所要求的鋼種化學(xué)成分開始，觀察夾雜物的析出，在鋼包精煉期間設(shè)計(jì)精煉渣成分，從而達(dá)到冶煉清潔鋼的要求。

 

     在樹枝晶之間的液相鋼水和結(jié)晶凝固前沿形成的夾雜物相互作用是重要課題，在線觀察表明在界面前沿推向液相的夾雜和吞沒包圍的夾雜形成，其凝固條件扮演了一個(gè)重要的角色。在理論上已經(jīng)可以計(jì)算和調(diào)整來描述這些結(jié)果，也考慮了額外的表面張力和密度的影響。理論研究多集中在金屬基體成分上，在鋼中的非金屬夾雜物結(jié)果數(shù)據(jù)也是較符合實(shí)際情況的。結(jié)果表明，臨界生長速度作為吞沒和排斥R半徑的夾雜物前進(jìn)界面速度V可用V=k/R表達(dá)，這里的k是取決于夾雜物的類型。

 

     次生夾雜的組織特別受到析出期間發(fā)生的反應(yīng)所影響，碳化物析出的情形大約是最好例子，自Sims在1930年觀察到在硫化物組織上再次氧化的影響，后來提出了典型三種類型的硫化物，這由許多作者做了詳細(xì)說明，最近以來，Ishida團(tuán)隊(duì)指出，除了伴隨硫化物形成反應(yīng)類型，表面張力對(duì)硫化物組織也有重要的影響。

 

4  夾雜物變性處理

 

      Gaye團(tuán)隊(duì)在鋼中夾雜物工程的熱力學(xué)應(yīng)用中做了最好的概念上的綜合闡述。圖13在兩個(gè)絕熱三元相圖中給出了的簡要解釋，一旦確定所要求的夾雜物，產(chǎn)生這些夾雜物的鋼的化學(xué)成分就能計(jì)算出來，然后通過鋼-渣平衡，根據(jù)鋼的化學(xué)成分計(jì)算出用于精煉使用的精煉渣的成分。俗話說“煉好渣才能煉好鋼”是有道理的，這個(gè)思想已經(jīng)成功地運(yùn)用在各種鋼的生產(chǎn)中，在鋼中要避免硬質(zhì)相的氧化鋁復(fù)合型夾雜（如尖晶石），比如在軸承鋼中，當(dāng)鋼在冷卻過程中發(fā)生相變，夾雜物是作為形核核心的。鈣處理將夾雜變?yōu)橐簯B(tài)夾雜，并且和Ca一起對(duì)硫化物變性處理，避免水口堵塞，盡管在夾雜變性過程中可能顯得簡單，也在本章進(jìn)行了討論。

 

 

圖13  圖示夾雜物變性過程，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，Si-Mn鎮(zhèn)靜鋼中希望得到低熔點(diǎn)Al2O3夾雜物，所希望出現(xiàn)的夾雜物表示在簡化的MnO-SiO2-Al2O3三元系相圖中，圖中左側(cè)表示這個(gè)系統(tǒng)在1470℃等溫線上，這個(gè)區(qū)域是100%液相被限制在細(xì)線內(nèi)，見圖。這個(gè)系統(tǒng)中，液相夾雜物平衡的鋼水中的鋁含量由粗實(shí)線等鋁量線在選定的溫度下給出，虛線表示夾雜物在0.35%Si，1%Mn鋼中，并且在一定的溫度下的化學(xué)成分（作為鋼種Al含量的函數(shù)關(guān)系）。從這個(gè)圖看看，假如想要液態(tài)夾雜物，鋼的鋁含量并不能上到灰色圓圈內(nèi)（8ppm）。在右邊圖表示簡化的CaO-SiO2-Al2O3系的鋼包精煉渣，1520℃等溫線對(duì)應(yīng)鋼包精煉爐條件，表明100%液態(tài)夾雜物區(qū)域被限制在細(xì)實(shí)線內(nèi)，在選定的溫度下，這個(gè)渣系中平衡狀態(tài)下鋼中的鋁含量由粗實(shí)線的等鋁含量線給定。灰線給出對(duì)應(yīng)正在研究的鋼中氧含量。如果要求得到的是液態(tài)夾雜物（圖的左側(cè)），按照?qǐng)D紙的指示，精煉渣成分必須這些中選擇出來，這樣保證了鋼中鋁含量小于8ppm。

 

4.1  子午線輪胎的鋼絲和彈簧鋼

 

     輪胎子午線鋼絲是高碳鋼，用硅錳脫氧，許多汽車彈簧鋼也使用類似方法制造，脆性的非金屬夾雜（一般是氧化鋁夾雜或者是其他的含氧化鋁高的夾雜）對(duì)鋼絲的拉拔性能十分有害，對(duì)彈簧鋼也是有十分重要的影響。鋼的成分必須調(diào)整防止氧化鋁夾雜或富含氧化鋁夾雜的形成，而低熔點(diǎn)、塑性好的氧化硅夾雜比氧化鋁相對(duì)有利，這就要求嚴(yán)格控制渣中的氧化鋁含量，控制原輔材料防止不希望鋁元素進(jìn)入鋼中，使用低堿度二元渣系，當(dāng)?shù)谝淮谓鉀Q這個(gè)問題時(shí)是與當(dāng)時(shí)普遍流行精煉操作相矛盾的。在輪胎子午線和彈簧鋼的夾雜物處理控制熱力學(xué)上有許多優(yōu)秀的例子和文章。  

 

4.2  軸承鋼

 

     夾雜物單個(gè)類型對(duì)軸承鋼疲勞壽命影響依然是爭(zhēng)論不休的，現(xiàn)在清楚知曉鋼中夾雜的尺寸和數(shù)量對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響至關(guān)重要，總體上都認(rèn)識(shí)到鈣鋁酸鹽夾雜和尖晶石夾雜惡化了軸承鋼性能，于是也有一種觀點(diǎn)要求生產(chǎn)軸承鋼中達(dá)到很低的全氧含量和很低的硫和鋁含量，從而保證非金屬夾雜物處在低的體積分?jǐn)?shù)上。進(jìn)而，從渣中帶來的鎂，將導(dǎo)致尖晶石夾雜，這必須要避免的。在不同的鋼廠根據(jù)不同條件采用不同的工藝方法來達(dá)到生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼目的，然而，控制精煉渣的化學(xué)成分總是控制軸承鋼中非金屬夾雜物關(guān)鍵點(diǎn)之一，圖14給出軸承鋼100Cr6（AISI52100）在Al、O、Ag含量對(duì)渣的成分影響，在鋼中對(duì)比了計(jì)算和實(shí)測(cè)鋁和氧含量。

 

 

圖14 a軸承鋼平衡狀態(tài)下精煉渣%Al2O3=5%，%CaO=48%不變，MgO對(duì)Al、O和Mg的影響，計(jì)算使用Thermo-calc和SLAG2數(shù)據(jù)庫在1540℃進(jìn)行。b比較3爐精煉結(jié)束后軸承鋼計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，計(jì)算采用Thermo-calc®和SLAG2數(shù)據(jù)庫

 

4.3  鈣處理和氧化鋁夾雜堵塞水口預(yù)防

 

     鈣處理開始用來給硫化物夾雜變性和控制熱軋材或鍛造件的各向異性，也可以通過鈣處理對(duì)夾雜物變性達(dá)到控制可加工性。采用鈣處理對(duì)氧化鋁夾雜變性成液態(tài)復(fù)合夾雜，從而防止水口絮流堵塞，這幾十年廣泛采用，但有爭(zhēng)議。鈣處理復(fù)雜，涉及到鈣的溶解度、鈣的收得率，加入時(shí)氧化造成高的蒸汽壓，這些都廣泛進(jìn)行了研究。夾雜物變性機(jī)理和達(dá)到所希望效果需要的正確的鈣量也進(jìn)行廣泛的研究。夾雜物形成是復(fù)雜的，經(jīng)常以氧化物為核心的外層覆蓋著富含硫的化合物外衣，這個(gè)現(xiàn)象和個(gè)元素分布見圖15給出的例子。

 

 

圖15  使用鈣處理提高可澆性在板坯中發(fā)現(xiàn)的復(fù)合型鈣鋁酸鹽大顆粒夾雜，在連鑄中硫化物和AgO溶解在液態(tài)夾雜中。Mg從渣中還原進(jìn)入鋼中（見4.2節(jié)）

 

     在進(jìn)行處理過程中，相當(dāng)一部分的夾雜成為液相，通過水口不會(huì)絮流，但如果鋼水溫度過低也會(huì)產(chǎn)生澆鑄困難的。形成的非金屬夾雜物在凝固期間進(jìn)一步反應(yīng)的復(fù)雜化，見圖16。

 

 

圖16  板坯試樣中破碎的復(fù)合復(fù)雜相的鈣鋁酸鹽大型夾雜物，在夾雜外殼可見樹枝狀凝固組織結(jié)構(gòu)

 

     給氧化物夾雜鈣處理變性需要的鈣含量取決于鋼中的全氧含量，沒有方法能及時(shí)確定鋼中的全氧含量，所以難以確定添加到鋼中的鈣量。這就給工業(yè)生產(chǎn)提出了一個(gè)重要的問題，使用熱力學(xué)來了解水口絮流堵塞，定義連鑄可澆窗口是一個(gè)工藝路線。溶解氧是可以測(cè)量的，也可用溶解氧這個(gè)數(shù)據(jù)來控制鈣處理效率，如圖17所示。

 

 

圖17  在1540℃溫度下鋼中含有0.025%Al，0.01%S和各種全氧含量（20,25和30ppm，從左到右），其Ca含量與溶解氧計(jì)算之間的函數(shù)關(guān)系。非金屬相的存在在每個(gè)成分區(qū)間給出表示，計(jì)算用Thermo-Calc®和SLAG3數(shù)據(jù)庫，各點(diǎn)是在鋼中溶解氧含量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，這是在沒有水口堵塞情況下得到的。

 

4.4  氧化物冶金

 

     終型連鑄涉及到一個(gè)問題需要控制微觀組織結(jié)構(gòu)，并不能完全依賴熱軋加工工藝，得益于對(duì)非金屬夾雜有益的焊接金屬鐵素體形核已經(jīng)得到證實(shí)。構(gòu)建在夾雜物對(duì)形核的理論，夾雜物形成將耗盡周圍基體的Mn似乎是有效的。非金屬氧化物夾雜是MnS夾雜形核核心，其應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到所希望的效果。進(jìn)而硅錳鋼中的含鈦二次氧化，將夾雜變?yōu)殁伒难趸铮蛘哐趸锖偷镌阼F素體中具有高的形核效率，這已經(jīng)被證實(shí)了。Koseki、lnoue、Suito和Park證明鈦的氮化物能夠是一個(gè)強(qiáng)大的形核劑，促進(jìn)了連鑄不銹鋼和焊接過程大的等軸晶粒出現(xiàn)。Park和Kang最近展示了這個(gè)領(lǐng)域中的發(fā)展。在熱力學(xué)計(jì)算和模型計(jì)算證明在氧化物冶金中的合金設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)能很大益處。

 

5  夾雜物定量分析

 

     最近幾十年來實(shí)踐清楚說明用對(duì)比圖表和影像的方法來給非金屬夾雜分類和定量，在鋼鐵界使用并非令人滿意，為了改善夾雜定量分析（夾雜的大小、體積分?jǐn)?shù)和成分方面的信息），出現(xiàn)了一些新的方法和實(shí)踐。很明顯地在許多情況下要同時(shí)使用幾種方法來了解非金屬夾雜物性質(zhì)和過程，現(xiàn)在已經(jīng)了解到有些特性是取決于夾雜物分布和其他特征，例如鋼材的疲勞性能是取決于最大夾雜物尺寸的，除了低端用途產(chǎn)品，鋼鐵產(chǎn)品清潔度的范圍變化很大，低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼（LCAK）全氧含量約為40ppm，而典型的軸承鋼全氧含量約5ppm，在氧化物夾雜體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)非常大的差別，但并沒有提及硫化物夾雜。極值統(tǒng)計(jì)和它的運(yùn)用是在疲勞中最為重要，這些方法幾乎不在通常的文獻(xiàn)中，作為文獻(xiàn)綜述包含這些方法，讀者可以閱讀參考文獻(xiàn)，夾雜物評(píng)估的等級(jí)方法使用極值統(tǒng)計(jì)是Murakami在程序中提出來的，已經(jīng)廣泛地使用疲勞領(lǐng)域中，得到非常好的結(jié)果。這里必須提及的是，用這個(gè)方法，疲勞不考慮最大夾雜物尺寸的限制，其實(shí)大顆粒夾雜造成夾雜的體積分?jǐn)?shù)是增加的，疲勞不考慮最大顆粒的夾雜，這與煉鋼者的期望是有點(diǎn)不協(xié)調(diào)的。

 

6  結(jié)論

 

     經(jīng)典的格言“煉好渣就是煉好鋼”已經(jīng)深入煉鋼操作之中，在過去的幾十年中了解非金屬夾雜物對(duì)鋼的性能影響已經(jīng)引起煉鋼工藝過程從預(yù)防“不可避免的”夾雜污染到優(yōu)化鋼中夾雜的成分、數(shù)量和分布。

 

     這個(gè)轉(zhuǎn)變過程影響冶煉鋼廠所有的工序，原料選擇（如避免鋁的污染），渣的成分設(shè)計(jì)，優(yōu)化二次精煉條件（如精煉過程時(shí)間和流體力學(xué)條件），縝密的控制中間包和結(jié)晶器操作。在所有的工序中精細(xì)地措施控制二次氧化已成為冶煉品種鋼的標(biāo)準(zhǔn)條件。

 

     在鋼中夾雜物影響研究發(fā)展中，熱力學(xué)起到?jīng)Q定性作用，了解熱力學(xué)，鋼和精煉渣的化學(xué)成分，鋼廠冶煉工藝條件的相互作用已經(jīng)非常熱門，模型工具的改善非常明顯，鋼中夾雜物的控制重要的知識(shí)能夠建立于科學(xué)的基礎(chǔ)上了。這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地在非金屬夾雜變性等過程使用并不斷發(fā)展，還是需要不斷改進(jìn)精煉渣，正確理解非金屬夾雜在鋼中的作用。

 

     夾雜物變性和氧化物冶金工程在鋼廠大量采用，鋼的清潔度與幾十年前相比至少提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，不斷發(fā)展提出對(duì)非金屬夾雜物定性和定量分析提出挑戰(zhàn)，所有夾雜物對(duì)鋼材的性能和行為的定量分析是基本要求，在將來的出版物中有巨大的空間有待討論。

 

     于是，盡管所有的先進(jìn)技術(shù)和觀點(diǎn)都概括在這個(gè)綜述中，在未來幾十年內(nèi)，重要的問題仍是不斷改進(jìn)各種技術(shù)來提升鋼的質(zhì)量。