基本介紹
- 中文名：非金屬夾雜物
- 用處：作為衡量鋼質量的重要指標
- 類型：氧化物
基本信息,分類,影響因素,
基本信息
概述
鋼中非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質的氧化物、硫化物、矽酸鹽和氮化物。它們是鋼在冶煉過程中由於脫氧劑的加入形成氧化物、矽酸鹽和鋼在凝固過程中由於某些元素(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浮出而殘留於鋼中。它們常作為衡量鋼質量的重要指標，其類型、組成、形態、含量、尺寸、分布等各種狀態因素都對鋼性能產生影響。
隨著近代精煉技術的發展，鋼的“潔淨度”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度增高而增加。然而其中夾雜物的數量及分布形態是影響鋼材質量的重要指標之一。
產生原因
冶煉過程中非金屬夾雜物產生的原因：
造渣材料
鹼性煉鋼常用的造渣材料是石灰和螢石。石灰，主要成分是CaO，其含量應不小於85%，SiO2含量應不大於2%，硫含量應小於0.15%。石灰易吸收水分而變成粉末，所以，造渣時應使用剛燒好的、燒透的石灰，或對石灰進行預熱後再使用，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，影響鋼的質量，嚴重時會使鋼報廢。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，它可以在短時間內改善爐渣的流動性。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，如果使用烘烤時間短、烘烤溫度低、甚至根本未經烘烤的鐵合金材料，勢必將會增加外來夾雜物和氣體帶入鋼液中的機會。經過烘烤的鐵合金上到爐台，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，不可能很快融化並且在鋼液中分布均勻，它們得經過一段時間的熔化和攪拌的過程。對於精煉爐來說，鋼水在真空處理結束後，這時還要補加一些鐵合金調整鋼液中元素的含量，如果沒有在工藝規定的時間內出鋼，勢必將會影響真空除氣、去雜質的效果，同時又增加了外來夾雜物進入鋼液中的機會，影響鋼水質量。
精煉爐真空操作
精煉爐冶煉的大都是重點鋼種，精煉爐的真空操作起了畫龍點睛之功效。精煉爐是把一般煉鋼爐中要完成的部分精煉任務，移到專門的容器中進行。鋼水經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，脫碳速度也達不到要求，這樣就造成鋼液去氣速度小於吸氣速度，不利於排出鋼中氣體和使夾雜物充分上浮。把這種劣質鋼水兌入精煉爐，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襯的耐火材料受到強烈沖刷，耐火材料的熔融混入產生的夾雜物如果不能充分上浮便進入鋼液，因此對精煉包內襯的耐火材料應該進行嚴格的控制。
氬氣
氬氣是一種惰性氣體，在鋼液中不發生化學反應和變化。煉鋼時，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，對於鋼水中的有害氣體如氫、氧、氮來說，相當於一個“真空室”，這個小“真空室”內其它氣體的分壓幾乎等於零。於是溶解在鋼液中的氣體不斷地向氬氣泡中擴散，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，所以繼續吸收氫和氮，最後隨氬氣泡上浮溢出鋼液而被去除。氬氣上浮時引起鋼液攪動，提供了夾雜顆粒碰撞的機會，有利於夾雜的排除。可見，煉鋼過程中，如果未調整好合適的氣體參數（氬氣壓力、流量、氣泡大小等），勢必影響精煉效果，增加產生非金屬夾雜物的趨勢。
危害
不同形態的夾雜物混雜在金屬內部，破壞了金屬 的連續性和完整性。夾雜物同金屬之間的結合情況不 同、彈性和塑性的不同以及熱膨脹係數的差異，常使金 屬材料的塑性、韌性、強度、疲勞極限和耐蝕性等受到顯著響，同時也常常影響加工零件的表面質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，還影響銅的導電能力。
因此，導體銅最好是無氧銅(含 氧量0.003%以下)。鋁合金在熔煉過程中，熔體表面的氧化皮膜很容易混進熔體進入鑄錠形成夾雜物。 這些氧化膜在金屬的塑性變形過程中會使金屬產生分層。特別是在其鍛件中，氧化膜沿金屬流線分布會嚴重 影響鍛件的疲勞性能。因此，飛行器鍛件對氧化膜有非常嚴格的要求。非金屬夾雜的形態、大小和在金屬中分布的情況不同，對金屬性能有不同的影響。通常集中分布、尺寸 較大的顆粒和團塊對金屬材料性能的影響最大；分散、細小顆粒的影響相對要小一些。高度彌散分布的雜質 可作為異質晶核使鑄錠晶粒細化，在變形和熱處理過 程中影響晶界遷移，可改善再結晶組織。非金屬夾雜物按占母體金屬的質量百分數評定，或根據產品標準中的圖片評級，並按產品的使用要求確定允許存在的百分比或級別。
降低鋼中非金屬夾雜物的有效方法
在諸多對鋼液非金屬夾雜物影響的因素中， 主要就鋼液弱攪拌和鋼液鎮靜時間兩個因素進行分析。認為非金屬夾雜物在精煉過程中的去除主要有以下幾種方式：
（1）非金屬夾雜物在鋼包內由於浮力的作用上浮，到達鋼液面後，進入渣中去除，一般大顆粒的非金屬夾雜物比較容易上浮分離。
（2）通過底吹氣體，使鋼中的非金屬夾雜物隨氣泡上浮分離。
（3）一些小顆粒的非金屬夾雜在高度紊流( 氣體的攪拌等) 的鋼包爐精煉過程中相互碰撞, 生成顆粒較大的非金屬夾雜, 從而上浮去除。
分類
按來源分類
鋼中非金屬夾雜物的來源主要來源有內生夾雜和外來夾雜兩部分組成。
內生夾雜物
鋼鐵的冶煉實質是液態金屬的氧化一還原反應。由於金屬在高溫液體狀態下對氧和其它氣體的溶解量遠遠大於凝固狀態，因此在煉鋼的後期必須設法將過剩的氧儘量從鋼液中排除出去，因此在煉鋼的後期必須設法將過剩的氧儘量從鋼液中排除出去。排除的方法：在電爐煉鋼中主要是靠含氧低的爐渣，使氧從鋼液中擴散到渣中去，另外向鋼液中加入對氧親和力較強的脫氧元素， 這樣在鋼液中就發生了脫氧反應，並生成了夾雜物。
由於這些夾雜一般尺寸較大, 大多數可以在還原期上浮到渣內, 從而去除了鋼液中相當數量的氧。但仍有一部份殘留在鋼液中。另外上述的反應是與鋼液溫度密切相關的, 當鋼液溫度逐步降到凝固溫度時, 上述反應不斷向右進行, 形成的非金屬夾雜物的顆粒也不斷減小, 浮出鋼液就逐漸變得困難。當鋼液澆入鋼錠模後, 由於冷卻速度突然加快, 液態鋼對氣體的溶解度也驟然降低因此上述脫氧反應也迅速加劇。此時除Mn，Si和Al等強脫氧元素進行脫氧反應外, 其它如Cr、Fe等也會參加脫氧反應，生產FeO·SiO2、FeO·Al2O3、MnO·Cr2O3、mMnO·nFeO等複合夾雜物, 而這類夾雜物大多是從鋼中原有的脫氧產物SiO2、MnO、Al2O3等為核心而伴生的，因此這類夾雜物的組成和結構都極為複雜，而且其數量一般占鋼中總夾雜量的40~60%。
外來夾雜物
該夾雜是指由渣、耐火材料或與鋼液相接觸的其它材料機械結合所形成的夾雜物。鋼在冶煉和澆注過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內壁剝落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留於鋼中。它是金屬在熔煉過程中與外界物質接觸發生作用產生的夾雜物 。如爐料表面的砂土和爐襯等與金屬液作用, 形成熔渣而滯留在金屬中, 其中也包括加入的熔劑。這類夾雜物一般的特徵是外形不規則, 尺寸比較大, 分布也沒有規律, 又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。
按化學成分類
氧化物系夾雜
簡單氧化物有FeO，Fe2O3，MnO，SiO2 ，Al2O3，MgO和Cu2O 等。在鑄鋼中, 當用矽鐵或鋁進行脫氧時，SiO2 和Al2O3 夾雜比較常見。A l2O3 在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布。複雜氧化物，包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的鋁酸鹽等,以及鈣的鋁酸鹽。矽酸鹽夾雜也屬於複雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeO · SiO2 ( 鐵矽酸鹽) 、2MnO · SiO2 ( 錳矽酸鹽) 和CaO · SiO2 ( 鈣矽酸鹽) 等。這類夾雜物在鋼的凝固過程中，由於冷卻速度較快，某些液態的矽酸鹽來不及結晶，其全部或部分以玻璃態的形式保存於鋼中。
硫化物系夾雜
主要是FeS, MnS 和CaS 等。由於低熔點的FeS 易形成熱脆，所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳，使硫與錳形成熔點較高的MnS 而消除FeS 的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。鑄態鋼中硫化物夾雜的形態通常分為三類：① 形態為球形，這種夾雜物通常出在用矽鐵脫氧或脫氧不完全的鋼中； ② 在光學顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細的針狀夾雜；③ 呈塊狀，外形不規則，在過量鋁脫氧時出現。
氮化物夾雜
當鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成AlN，TiN，ZrN 和VN 等氮化物。在出鋼和澆鑄過程中鋼液與空氣接觸， 氮化物的數量是會顯著增加的。
按不同形態分類
由於不同夾雜物在加熱溫度下具有不同的塑性，所以加工變形後鋼材中的夾雜物將呈現不同的形態，依此可將夾雜物區分成三類：塑性夾雜、脆性夾雜及不變形夾雜。
塑性夾雜
塑性夾雜在熱加工過程中，是沿著熱加工方向延伸成條帶狀。在FeS、MnS 以及SiO2 含量較低（40%—60%）的時候，低熔點的矽酸鹽夾雜就屬於這一類夾雜。
脆性夾雜
脆性夾雜在熱加工的過程中是不發生變形的，但它卻是沿著熱加工方向破裂成串。Al2O3和尖晶石型複合氧化物，以及釩、鈦、鋯的氮化物等一些高熔點高硬度的夾雜物，就是屬於這一類夾雜。
不變形夾雜
不變形夾雜在熱加工的過程中，是保持原來本身的球點狀不變。SiO2 、含SiO2 較高（>70%）的矽酸鹽、鈣的鋁酸鹽以及高熔點的硫化物 RE2S3 、 RE2O2S 、CaS 等，都是屬於這一類夾雜。
影響因素
影響鋼水中非金屬夾雜物的因素主要有：冶煉過程工藝操作控制、原鋪材料的質量兩大部分。
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、大量的補加合金、沸騰和還原時間不充分、鋼液攪拌強度不均勻、溫度過高、鋼渣成分控制不好、大量的升溫、大流量攪拌、過高速餵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生。
原鋪材料的質量
對於使用的原鋪材料，其中合金和造雜料本身的品味和耐火材料的質量、鋼包準備的程度（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矽酸鹽在冶煉過程中產生，少部分由原鋪材料代入。
