夾雜物對冷鐓鋼影響及控制措施

張福東++段永卿++師艷秋++李俊獻++楊海彬

摘 要：總結了夾雜物在鋼液中存在狀態及Al2O3類夾雜物對冷鐓鋼的危害，目前一些鋼鐵企業對夾雜物的去除取得很大進步，但對鋼種質量要求越來越高的今天，一些先進工藝需要進一步發展。

關鍵詞：夾雜物；冷鐓鋼；夾雜堆鋼

夾雜物按照尺寸一般分為超顯微夾雜物、顯微夾雜物、宏觀夾雜物。超顯微夾雜物指尺寸小于1μm的夾雜物，如細小的氮化物、氧化物等，冶煉過程不易去除，此類夾雜物在鋼中的特點為分布均勻，少量的超顯微夾雜物對鋼的性能危害不大，而且在鋼的凝固過程起到釘扎作用，細化晶粒，在去除夾雜物方面，一般不予考慮；顯微夾雜物一般指尺寸小于13μm的夾雜物，在顯微鏡下可觀測到，與鋼中溶解氧含量有關；尺寸大于13μm的為宏觀夾雜物，這類夾雜物的特點是在鋼中偶然分布，對鋼材質量影響最大。[1]

邯鋼一煉鋼一方生產的冷鐓鋼（如ML08Al-Y、SWRCH22A-2、10B21等）存在軋制過程夾雜堆鋼現象，主要為Al2O3一類大顆粒夾雜物（宏觀夾雜物）造成線材在軋制過程中開裂。而這種大顆粒夾雜物主要是因為小的脫氧產物聚集長大，直接進入鑄坯或者在侵入式水口周圍沉淀積累，大到一定程度后脫落，順鋼流進入鑄坯內部，殘留于鋼中的簇狀Al2O3夾雜物破壞鋼組織的連續性，在冷鐓過程中成為開裂的源頭，降低冷鐓成材率，在軋制過程中導致夾雜堆鋼。同時，Al2O3夾雜降低了鋼的塑性、韌性、疲勞強度、抗腐蝕能力。

1鋼中夾雜物來源及在鋼水中的狀態

夾雜物可分為內生夾雜和外來夾雜物。外來夾雜物可由二次氧化、卷渣、耐材侵蝕、操作不當等產生的夾雜物。內生夾雜物又分為脫氧產物和沉淀析出物。脫氧產物是轉爐出鋼過程中，加入鋁、硅等脫氧劑與鋼水中的氧結合，形成“原始”的鋁夾雜物和硅夾雜物。這類夾雜物可在后續中采用各種冶金手段最大限度去除。沉淀析出物是鋼在冷卻和凝固過程中，溶解氧、氮、硫的溶解度不斷降低而析出。

2鋼中夾雜物對鋼的危害

夾雜物對鋼的性能影響主要是降低鋼的塑性、韌性，同時使下游客戶對鋼材再加工性能降低，表現為裂紋、沙眼、開裂、成品件質量低。

S.Ruddnik對夾雜物危害給出“臨界”條件：①尺寸小于1μm；②距離大于10μm。

2.1夾雜物對鋼的強度影響：

隨著夾雜物尺寸的增加屈服強度和抗拉強度降低，一般認為夾雜物是引起鋼材斷裂的源頭。

2.2夾雜物對鋼的塑性影響：

鑄坯在軋制過程中，容易變形的硫化物等夾雜物被鋼基體“擠壓”形成帶狀，這使得夾雜物對鋼的縱向延性影響不太明顯，而橫向斷面收縮率明顯降低。

2.3夾雜物對鋼的斷裂韌性影響：

夾雜物含量與斷裂韌性大小呈線性反比關系，鋼中夾雜物與鋼的熱膨脹系數不同，尤其脆性夾雜物，在軋制變形過程中或使用過程中，夾雜物周圍容易產生內應力，同時伴隨韌窩出現，降低鋼的斷裂韌性。

3鋼中夾雜物去除及控制方法

3.1控制轉爐下渣

轉爐出鋼下渣量過大，①造成鋼水回P，一般P在轉爐鋼渣中的比例系數為100～200，進入精煉造還原性氣氛，使鋼水P大量回升；②渣中FeO含在15%左右，精煉多用鋁、鋁合金做脫氧劑，下渣量過大，喂鋁量增加，勢必造成鋼中Al2O3含量升高，而Al2O3是鋼中最有害夾雜物之一。

正確的出鋼方法：出鋼搖爐過程中快速通過前、后下渣區，出鋼過程中在大爐口不下渣的前提下，盡量使轉爐向下傾動。將下渣量減至最少。盡量采用擋渣出鋼的措施[2]。邯鋼一煉鋼采用滑板擋渣。我國氣動擋渣尚待改進中。

3.2鋼包吹氬

在鋼液中，①氬氣泡上浮動力帶動鋼液循環，加快夾雜物運動，促進夾雜物向鋼渣界面傳遞速度，加快熔渣吸附夾雜物；②氬氣泡表面具有吸附夾雜物的作用，隨氬氣泡上浮進入爐渣同時把夾雜物帶入渣中；③鋼液運動使得夾雜物的碰撞幾率提高，夾雜物不斷長大，上浮速度加快。

研究表明鋼包吹氬壓力過大，氬氣在鋼液中會形成氣柱，降低夾雜物的脫除效果，同時也會吹開鋼包頂渣，造成鋼液的二次氧化，反而增大夾雜物的含量，吹氬量過少起不到去除夾雜物的效果，吹氬量一般控制在0.2-0.4m3/t[3]。邯鋼一煉鋼一方冷鐓鋼要求爐后吹氬目測吹開頂渣直徑200-300mm，精煉加覆蓋劑黑面操作，凈吹量以液面微動為準，凈吹時間延長至20分鐘，取得良好效果，軋制過程因夾雜引起堆鋼由3次/月降低為零。圖1為鋼種SWRCH22A，軋制規格6.5mm，在軋制過程因夾雜物造成的堆鋼，經分析，主要成分為Al2O3。

透氣磚改善措施：增加透氣磚橫截面積，提高透氣磚吹氬縫隙總面積，減小氬氣泡直徑，使氬氣泡在鋼液中呈彌撒分布。利用鋼水湍流，氬氣泡再次被“擊碎”減小到直徑小于lmm，研究表明可有效去除50μm以下夾雜物。

優點是：設備簡單，投資少，工藝簡單，去除效果顯著。目前各大鋼廠普遍采用鋼包吹氬。

3.3喂線

傳統認為：①喂Si-Ca線后，Ca與鋼中鋁酸鹽、硅酸鹽夾雜物作用形成球狀Ca復合夾雜物，改善夾雜物形狀；同時形成的這種夾雜物與大量的MnS作用，形成復合夾雜物，并且在鑄坯凝固過程中，偏析出來的MnS吸附在Ca復合夾雜物表面，從而降低了MnS帶來的危害。②喂Mg質包芯線，Mg在鋼液中溶解效果比Ca更高，脫硫效果更好，一般喂含Ca線脫硫率達到百分之十幾，而喂Mg質包芯線脫硫率達到百分之五六十。同時Mg與Al2O3在鋼液中形成細小彌撒的Mg· Al2O3尖晶石。

反應方程式為：

-76912-33.02T

-73053-207.53T

在煉鋼溫度范圍內，上述反應在理論上是可行的（向右進行），然而最近試驗證實上述反應進行的很少，喂Si-Ca線等處理后，只是包裹在Al2O3周圍，內部的Al2O3并未太大的改變形狀，如圖2-3

從圖中可以看出（圖3）夾雜物被處理后并沒有改變形狀，只是長大了。因此喂線等手段處理后并不是夾雜物變性，而是使夾雜物長大，包上一個外殼。同時，像這類夾雜物在鋼液中處于固態，只是在鋼液凝固前吸附一部分MnS、FeS等，當鋼液凝固時必借助于這些夾雜物為核進行非均勻凝固，這時，這些夾雜物被包裹在鐵晶體晶粒內部，殘留在剩余液態鋼液中的剩余MnS、FeS還會產生偏析現象。

因此喂線處理使Al2O3一類“硬性”夾雜物長大，在吹氬下夾雜物更容易上浮去除。處理后的夾雜物可以吸收部分MnS、FeS。

3.4氣幕擋墻

傳統，中間包設置擋墻、擋壩可以減少鋼水罐注流對中間包鋼液的擾動，延長鋼液在中間包內停留時間，使流場更加合理，有利于鋼中夾雜物的上浮、排除。

但是，中間包設置擋墻、擋壩存在死區，而氣幕擋墻可以更有效地降低流場死區。與擋墻、擋壩相比，氣幕擋墻可將中間包死區從12.9%降至1.8%～7.2%。

氣幕擋墻原理是在中間包內形成一道微氣泡氣幕屏障，因氣泡上升的動力，改變流體運動軌跡，延長鋼液在中間包內停留時間；同時，吸收氣體夾雜物，固體夾雜物吸附于氬氣泡表面，隨氬氣泡上升，起到上浮排除作用。Marique認為，氣幕擋墻可使夾雜物降低25%～50%。

3.5電磁凈化法：

電磁感應是利用交變電流，給鋼液施加一交變磁場，在鋼液中形成感應電流，由于夾雜物導電率小，受到電磁力小，而鋼液受到強大的電磁力，使得夾雜物被排擠出去。

電磁凈化是利用金屬與非金屬導電差異，把非金屬夾雜物從鋼液內部“擠壓”出去。對細小難以排除的夾雜物，電磁凈化法可有效去除。目前，因精煉（LF爐）造渣、吹氬等工藝很難把細小夾雜物進一步脫除，若此工藝與精煉相結合，放于精煉后續實施，可有效提高鋼液純凈度。

4結語

4.1鑄坯中含有氧化鋁夾雜物是導致夾雜堆鋼的主要原因，有效去除鋼中氧化鋁類夾雜物含量可明顯改善夾雜堆鋼現象，同時也提高了鋼種性能，邯鋼延長鋼包凈吹時間至20分鐘，夾雜堆鋼由每月3次降低至零次，取得良好效果。

4.2目前，鋼包吹氬、喂絲等手段已在各大鋼鐵企業成熟應用，然而，氣幕擋墻等新方法還有待改善推廣。

參考文獻：

[1]姜錫山.鋼中非金屬夾雜物[M].北京：冶金工業出版社，2011：305-370.

[2]馮捷，賈艷.轉爐煉鋼實訓.冶金工業出版社：曹勝利，2006：165.

[3]高澤平.爐外精煉教程[M].冶金工業出版社：2011，21-28.