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鋼中非金屬夾雜物的簡介

2018-04-19  瀏覽量:3116

背景:

鋼中非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物。它們是鋼在冶煉過程中由于脫氧劑的加入形成氧化物、硅酸鹽和鋼在凝固過程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物,這些夾雜物來不及排出而留在鋼中。外來夾雜物是爐渣或耐火材料或其它夾雜在鋼液凝固過程中未及時(shí)浮出而殘留于鋼中。它們常作為衡量鋼質(zhì)量的重要指標(biāo),其類型、組成、形態(tài)、含量、尺寸、分布等各種狀態(tài)因素都對鋼性能產(chǎn)生影響。
隨著近代精煉技術(shù)的發(fā)展,鋼的“潔凈度”大大提高,夾雜物在鋼中的含量雖然極微,但對鋼的性能卻具有不可忽視的影響,非金屬夾雜物在鋼中破壞了金屬基體的連續(xù)性,致使材料的塑性、韌性降低和疲勞性能降低,使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。鋼中夾雜物對鋼性能的影響主要在對鋼韌性的危害,而且危害程度隨鋼的強(qiáng)度增高而增加。然而其中夾雜物的數(shù)量及分布形態(tài)是影響鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。
 
摘要:本文內(nèi)容涉及非金屬夾雜物的產(chǎn)生原因、危害、分類,影響鋼中非金屬夾雜物的因素,檢測方法及流程等方面
關(guān)鍵詞:原因、危害、類型、意義。
 

1.非金屬夾雜物的產(chǎn)生原因

 
造渣材料:堿性煉鋼常用的造渣材料是石灰和螢石。石灰,主要成分是CaO,其含量應(yīng)不小于85%,SiO2含量應(yīng)不大于2%,硫含量應(yīng)小于0.15%。石灰易吸收水分而變成粉末,所以,造渣時(shí)應(yīng)使用剛燒好的、燒透的石灰,或?qū)κ疫M(jìn)行預(yù)熱后再使用,這樣能防止石灰給鋼液帶入過多的水分,否則就會使鋼液氫含量增加,影響鋼的質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)會使鋼報(bào)廢。螢石,主要成分是CaF2 ,含量為85%-95% ,SiO2含量約為6%。加入螢石能夠幫助化渣,是良好的助熔劑,它可以在短時(shí)間內(nèi)改善爐渣的流動性。石灰中若摻雜硫化物礦石,必須將這種螢石排除掉,否則會降低爐渣的脫硫能力,易造成硫化物(MnS)夾雜。
   
鐵合金:在冶煉時(shí),如果使用烘烤時(shí)間短、烘烤溫度低、甚至根本未經(jīng)烘烤的鐵合金材料,勢必將會增加外來夾雜物和氣體帶入鋼液中的機(jī)會。經(jīng)過烘烤的鐵合金上到爐臺,在寒冷的冬季,露天擺放的鐵合金會很快涼下來,將這些涼的鐵合金加入到鋼包內(nèi),不可能很快融化并且在鋼液中分布均勻,它們得經(jīng)過一段時(shí)間的熔化和攪拌的過程。對于精煉爐來說,鋼水在真空處理結(jié)束后,這時(shí)還要補(bǔ)加一些鐵合金調(diào)整鋼液中元素的含量,如果沒有在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)出鋼,勢必將會影響真空除氣、去雜質(zhì)的效果,同時(shí)又增加了外來夾雜物進(jìn)入鋼液中的機(jī)會,影響鋼水質(zhì)量。
 
精煉爐真空操作:精煉爐冶煉的大都是重點(diǎn)鋼種,精煉爐的真空操作起了畫龍點(diǎn)睛之功效。精煉爐是把一般煉鋼爐中要完成的部分精煉任務(wù),移到專門的容器中進(jìn)行。鋼水經(jīng)真空處理是為了脫氫、脫氧和排除非金屬夾雜物。精煉爐冶煉的鋼水是由電弧爐提供的初煉鋼水,有些初煉鋼水在初煉過程中沒有一定的脫碳量,脫碳速度也達(dá)不到要求,這樣就造成鋼液去氣速度小于吸氣速度,不利于排出鋼中氣體和使夾雜物充分上浮。把這種劣質(zhì)鋼水兌入精煉爐,全都依靠精煉真空處理處夾雜物,不可能達(dá)到最佳的效果。真空脫氧過程中鋼水、熔渣激烈沸騰使鋼包內(nèi)襯的耐火材料受到強(qiáng)烈沖刷,耐火材料的熔融混入產(chǎn)生的夾雜物如果不能充分上浮,便進(jìn)入鋼液,因此對精煉包內(nèi)襯的耐火材料應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
  
氬氣:氬氣是一種惰性氣體,在鋼液中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和變化。煉鋼時(shí),將氬氣通過精煉包底部的多孔透氣磚不斷吹入熔池中,氬氣形成大量的小氣泡,對于鋼水中的有害氣體如氫、氧、氮來說,相當(dāng)于一個(gè)“真空室”,這個(gè)小“真空室”內(nèi)其它氣體的分壓幾乎等于零。于是溶解在鋼液中的氣體不斷地向氬氣泡中擴(kuò)散,氫和氮在氬氣泡中的分壓力隨著氣泡上浮而增加,氣泡在鋼液中上浮時(shí)受熱膨脹,因此氫和氮的分壓力仍能保持較低的水平,所以繼續(xù)吸收氫和氮,最后隨氬氣泡上浮溢出鋼液而被去除。氬氣上浮時(shí)引起鋼液攪動,提供了夾雜顆粒碰撞的機(jī)會,有利于夾雜的排除。可見,煉鋼過程中,如果未調(diào)整好合適的氣體參數(shù)(氬氣壓力、流量、氣泡大小等),勢必影響精煉效果,增加產(chǎn)生非金屬夾雜物的趨勢。
 
2.非金屬夾雜物的危害
不同形態(tài)的夾雜物混雜在金屬內(nèi)部,破壞了金屬的連續(xù)性和完整性。夾雜物同金屬之間的結(jié)合情況不同、彈性和塑性的不同以及熱膨脹系數(shù)的差異,常使金屬材料的塑性、韌性、強(qiáng)度、疲勞極限和耐蝕性等受到顯著影響,同時(shí)也常常影響加工零件的表面質(zhì)量和加工工具的壽命。非金屬夾雜分塑性夾雜和脆性夾雜。塑性夾雜如MnS等隨金屬變形而延伸軋薄。另一些夾雜物軟化點(diǎn)及硬度很高,熱加工中不變形,不破碎,保持原來形狀, 如TIN、稀土硫氧化物等。銅中氧化夾雜Cu2O常分布在晶界上,Cu2O是一種硬脆相,會降低金屬的熱塑性,還影響銅的導(dǎo)電能力。
 
3.非金屬夾雜物的類型:
3.1.1 因?yàn)椴煌镔|(zhì)的膨脹率是不同的,正是由于這個(gè)造成了形態(tài)上的差異。
參考GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法可分為以下幾類:
1、A類(硫化物類):具有高的延展性,有較寬范圍形態(tài)比(長度/寬度)的單個(gè)灰色夾雜物,一般端部呈圓角;
2、B類(氧化鋁類):大多數(shù)沒有形變,帶角的,形態(tài)比小(一般<3),黑色或帶藍(lán)色的顆粒,沿軋制方向排成一行(至少有三個(gè)顆粒);
3、C類(硅酸鹽類):具有高的延展性,有較寬范圍形態(tài)比(一般≥3)的單個(gè)呈現(xiàn)黑色或深灰色夾雜物,一般端部呈銳角;
4、D類(球狀氧化物類):不變形,帶角或圓形的,形態(tài)比小(一般<3)黑色或帶藍(lán)色的,無規(guī)則分布的顆粒;
5、DS類(單顆粒球狀類):圓形或近似圓形,直徑≥13μm的單顆粒夾雜物。
 
3.1.2夾雜物形態(tài)圖:

 

硫化物 氧化鋁
硅酸鹽 球狀氧化物

 

4.影響鋼中非金屬夾雜物的因素
影響鋼中非金屬夾雜物的因素主要有:冶煉過程工藝操作控制、原鋪材料的質(zhì)量兩大部分。
(1)非金屬夾雜物冶煉工藝操作控制
      在鋼的冶煉工藝操作控制過程中,脫碳吹氧過量、大量的補(bǔ)加合金、沸騰和還原時(shí)間不充分、鋼液攪拌強(qiáng)度不均勻、溫度過高、鋼渣成分控制不好、大量的升溫、大流量攪拌、過高速喂線等操作都會增加鋼液中非金屬夾雜物。非金屬夾雜物中的硫化物、氧化物、氮化物大多在冶煉過程中產(chǎn)生。
 (2)非金屬夾雜物原鋪材料的質(zhì)量
 對于使用的原鋪材料,其中合金和造雜料本身的品味和耐火材料的質(zhì)量、鋼包準(zhǔn)備的程度(溫度、清潔度等)都會對鋼液中的非金屬夾雜物造成影響。非金屬夾雜物中的大部分硅酸鹽在冶煉過程中產(chǎn)生,少部分由原鋪材料代入。
 
5.鋼中非金屬夾雜物的檢測流程:(參考GB/T13298-2015 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法)
  夾雜物的形態(tài)在很大程度上取決于壓縮變形程度,因此,只有在經(jīng)過相似程度變形的試樣皮制備的截面上才可能進(jìn)行測量結(jié)果的比較。用于測量夾雜物含量的試樣的拋光面面積應(yīng)約為200mm2(20mm×10mm),并平行于鋼材縱軸,位于鋼材表面到中心的中間的位置。
5.1試樣的切取和制備:
  5.1.1 試樣應(yīng)在拉伸試樣端頭切取,亦可直接從單鑄試塊上切取
  5.1.2 實(shí)物檢驗(yàn)試樣可自取鑄件本體上的附鑄件實(shí)物
  5.1.3 試樣拋光時(shí)應(yīng)避免夾雜物剝落,變形或拋光面被沾污
  5.2 檢驗(yàn)方法:
  5.2.1 試樣拋光后用光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn),夾雜物類型檢驗(yàn)可放大至能分辨的倍率,定量檢驗(yàn)放大100倍。
  5.2.2 檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)首先通觀整個(gè)受檢面,然后按最惡劣視場。對照評級圖,分別評定級別,評定時(shí)允許評半級。
  5.2.3 當(dāng)Ⅰ型與Ⅲ型夾雜物同時(shí)存在時(shí),均作為Ⅲ型夾雜物評定。
  5.2.4 外來夾雜物應(yīng)在檢驗(yàn)報(bào)告中以文字說明。
  5.3 檢驗(yàn)規(guī)則
  5.3.1 夾雜物檢驗(yàn)每溶煉爐次取一個(gè)試樣
  5.3.2 當(dāng)試樣不合格時(shí),需進(jìn)行加倍復(fù)試,復(fù)試結(jié)果仍有一個(gè)試樣不合格時(shí),則視該爐鑄件為不合格。
 
6. 夾雜物測試的意義:
 鋼中非金屬夾雜物含量雖然微小,但對鋼的性能影響極大,研究和檢測鋼中非金屬夾雜物成為鋼材生產(chǎn)和使用者的重要項(xiàng)目之一,正確認(rèn)識夾雜物的來源、成分、形態(tài)、危害原理、分布和顯微特性,對于控制或減少鋼中夾雜物含量,提高鋼材質(zhì)量具有重要意義。
 
參考文獻(xiàn):
1.鋼中非金屬夾雜物[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2011.
2.非金屬夾雜物與鋼的韌性研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2000,       
3.硬線鋼中非金屬夾雜物控制[J]金屬制品,2005,                 
 
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