微量元素對鋼的影響

1、題目：淺談鋼中夾雜物及微量元素對鋼質(zhì)量的影響學(xué)院：冶金與能源學(xué)院專業(yè)：冶金工程班級：16研二班姓名：楊帆學(xué)號：20162021272017.1.2淺談鋼中夾雜物及微量元素對鋼質(zhì)量的影響楊帆華北理工大學(xué)冶冶金與能源學(xué)院，河北，唐山， 063000摘要隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，對鋼的綜合性能要求也日趨嚴(yán)格，相應(yīng)地對鋼的 材質(zhì)要求了越來越高。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連 續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種性能。例如，鋼中夾雜 物特別是A12O3夾雜對鋼的質(zhì)量、 機(jī)械性能等有極大影響，必須嚴(yán)格控制。另 外，非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起疲勞斷裂；數(shù)量多且分布不均勻的

2、夾雜物 會(huì)明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性以及耐腐蝕性；鋼中呈網(wǎng)狀存在的硫化物會(huì) 造成熱脆性。因此，夾雜物的數(shù)量和分布被認(rèn)定是評定鋼材質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)， 并且被列為優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼出廠的常規(guī)檢測項(xiàng)目之一。其次，鋼中微量元素的對鋼的影響也日益加重。隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展， 對鋼鐵質(zhì)量的要求日趨嚴(yán)格，使得鋼鐵企業(yè)越來越重視對鋼中微量元素的調(diào)控， 本文從鋼材的種類分析入手，分析鋼中夾雜物及微量元素對鋼質(zhì)量的影響。關(guān)鍵詞：夾雜物、鋼質(zhì)量、微量元素AbstractWith the development of modern engineering technology, the comprehensi

3、ve performance requirements of steel are also becoming more and more strict. Non metallic inclusions exist in the steel as an independent phase, which destroy the continuity of the steel matrix, increase the uniformity of the microstructure of the steel, and seriously affect the performance of the s

4、teel. For example, the inclusion of steel, especially the Al2O3 inclusion has a great impact on the quality of steel, mechanical properties, etc., must be strictly controlled. In addition, non metallic inclusions lead to stress concentration caused by fatigue fracture; inclusion number and uneven di

5、stribution will significantly reduce the plasticity, toughness, weldability and corrosion resistant steel; steel mesh is sulfide will cause hot brittleness exist. Therefore, the quantity and distribution of the inclusions is recognized as an important indicator of evaluating the quality of steel, an

6、d is listed as one of the conventional test items of high quality steel and high quality steel factory.Second, the impact of trace elements in steel on steel is also increasing. With the continuous development of iron and steel industry, iron and steel on the quality of the increasingly stringent re

7、quirements, the iron and steel enterprises pay more and more attention to the regulation of the trace elements in the steel, this paper starts from the analysis of the types of steel, influence analysis of inclusions in steel and trace elements on the quality of steel.Key words: inclusion, steel qua

8、lity, trace element一、前言隨著鋼鐵工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鋼的材質(zhì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)給冶金工業(yè) 帶來了極大的挑戰(zhàn)。鋼鐵產(chǎn)品將按著鋼液潔凈度高、成分控制精度高和產(chǎn)品性能 穩(wěn)定性能高的方向發(fā)展，其中高純凈度鋼的生產(chǎn)是21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)面臨的重大 課題，它的解決與鋼的冶煉過程密切相關(guān)，而任何鋼的冶煉都需要 脫氧，脫氧 制度（脫氧劑種類、用量、時(shí)間、次序）不同,鋼液的脫氧效率、潔凈度乃至鋼材 產(chǎn)品的質(zhì)量都將受到極大的影響。本文將通過分析脫氧產(chǎn)生的夾雜物對鋼質(zhì)量的 影響，說明夾雜物的控制對提高鋼液潔凈度，改善鋼質(zhì)量的作用。二、夾雜物對產(chǎn)品性能影響的機(jī)理鋼的性能主要取決于鋼的化學(xué)成分和組織。

9、目前 ，用戶對鋼的強(qiáng)度、韌性、 加工性能等要求日趨提高，對鋼的化學(xué)成分和組織均勻性的要求也越來越高。鋼 中夾雜物主要以非金屬化合物形態(tài)存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，造成鋼的 組織不均勻，而且它們的幾何形狀、化學(xué)成分、物理因素等不僅使鋼的冷熱加工 性能和某些理化指標(biāo)惡化，而且還能降低鋼的機(jī)械性能和疲勞性能。三、鋼中主要夾雜物的來源鋼中的非金屬夾雜物來源于兩個(gè)方面：一是隨冶煉過程產(chǎn)生，即在出鋼時(shí)加 入鐵合金的脫氧產(chǎn)物 和澆注過程中鋼水和空氣的二次氧化產(chǎn)物 ，稱內(nèi)生 夾雜, 此類夾雜一般顆粒細(xì)小，在鋼中分布均勻；二是因種種原因從外界帶入的，稱外 來夾雜物，此類夾雜物多為外形不規(guī)則、尺寸較大且分部

10、不均勻。3.1 鋼中非金屬夾雜物的來源分類3.1.1 內(nèi)生夾雜物鋼在冶煉過程中，脫氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧化物和硅酸鹽等產(chǎn)物， 若在鋼液凝固前 未浮出，將留在鋼中。溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質(zhì)元素在降溫和凝固時(shí)， 由于溶解度的降低，與其他元素結(jié)合以化合物形式從液相或固溶體中析出，最后留在鋼錠中，它是金屬在熔煉過程中，各種物理化學(xué)形成的夾雜物。內(nèi)生夾雜物 分布比較均勻，顆粒也較小，正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數(shù)量和改 變其成分、大小和分布情況，但一般來說是不可避免的。3.1.2 外來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(nèi)壁脫落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝

11、固前未及時(shí)消除而留于鋼中。 它是 金屬在熔煉過程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)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 夾雜物一般是外形不規(guī)則，尺寸比較大，頒也沒有規(guī)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。3.2 鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分詳細(xì)分類見圖1,主要分為三大類。圖1鋼中非金屬夾按照化學(xué)成分分類圖3.2.1 氧化物系夾雜簡單氧化物有FeO,FeQ,MnO,SiO2,Al 2Q,MgO和CiiO等。在鑄鋼中，當(dāng)用硅 鐵或鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，夾雜比較常見。在鋼中常常以球形聚集呈顆粒狀成串分布

12、。 復(fù)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（圖 2b）。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這類夾雜物有2FeOSiO（鐵硅酸鹽）、2MnO.SiO（鉆硅酸鹽）和CaO.SiQ （鈣硅鹽）等（圖3a）這類夾雜物在鋼的凝固 過程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結(jié)晶，其全部或部分以玻 璃太的形式保存于鋼中。3.2.2 硫化物系夾雜主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔點(diǎn)的FeS易形成熱脆，所以一般均要 求鋼中要含有一定量的鉆，使硫與鈕形成熔點(diǎn)較高的 MnSB消除FeS的危害。因 此鋼中硫化物夾雜主要是 MnS（圖3b）.鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為三類：形

13、態(tài)為球形，這種夾雜物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧不完全的鋼中；在光學(xué)顯微鏡下觀察呈鏈狀的極細(xì)的針狀?yuàn)A 雜；呈塊狀，外形不規(guī)則，在過量鋁脫氧時(shí)出現(xiàn)。圖2掃描電鏡下的氧化鋁和鈣的鋁酸鹽夾雜圖3掃描電鏡下的硅酸鹽和硫化鎰夾雜3.2.3 氮化物夾雜當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時(shí)形成 A1N 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(shù)量顯著增加。3.3 按夾雜物的塑性變形能力分類(1)脆性夾物熱加工時(shí)該類夾雜物形狀和尺寸都不變化，但可能沿加工方向成串排列或呈點(diǎn)鏈狀，屬于這類夾雜物的有 A12Q和C2Q。(2)塑性夾雜物熱變形時(shí)該類夾雜物具有良好范性，沿變形方向延伸成條帶狀。

14、屬于這類的有硫化物及含量較低(40%60%的鐵鉆硅酸鹽。(3)球狀不變性夾雜鑄態(tài)呈球狀，熱加工后保持球狀不變，如SiO2及含SiO2 較高(>70%的硅酸鹽。(4)半塑性夾雜物指各種復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜?；w鋁硅酸鹽有塑性，熱 加工時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，但是其中包含著的析出相如氧化鋁等是脆性的，加工時(shí)仍保持原狀或只是拉開距離。四、夾雜物的鑒定早期的工作者主要用光學(xué)顯微鏡配合 X射線結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分分析，積累 了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的資料。近年來，采用電子探針對夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析 日益增多。目前鑒定夾雜物的大致方法有以下兩種。4.1 金相法與微區(qū)域成分分析相結(jié)合在金相觀察中選出待定夾雜物后，用

15、電子探險(xiǎn)針（EPMA進(jìn)行微區(qū)成分分析 或者應(yīng)用掃描電鏡（SEM自帶能譜分析你（EDS進(jìn)行成分分析。通?？梢詼y定 尺寸大于1um的夾雜物的組成元素和大致成分，如果采用個(gè)別元素的面掃描還可 以得到更為直觀的結(jié)果。圖4是使用掃描電鏡對Q460鋼中的一顆夾雜物進(jìn)行的 面分析圖譜，依次進(jìn)行硫、鈕、硅和鐵四種元素的面掃描，從掃描結(jié)果可以推斷 出，明場觀察中夾雜物為 MnS, SiO2,和FeS,通過能譜儀（EDS對其進(jìn)行成分 分析，還可直接得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖4夾雜物掃描電鏡面掃描圖4.2 光學(xué)金相法在光學(xué)顯微鏡下利用明視場觀察夾雜物的顏色、形態(tài)、大小和分布；在暗場下觀察夾雜物的固有色彩和透明度；在正

16、交偏振光下觀察夾雜物的各種光學(xué)性質(zhì)， 從而判斷夾雜物類型。根據(jù)夾雜物的分布情況及數(shù)量評定相應(yīng)的級別，評判其對 鋼材性能的影響。目前檢驗(yàn)和研究鋼中非金屬夾雜物的方法很多， 有化學(xué)法、巖 相法、金相法、電子探針和電子掃描法等。有金相法鑒定夾雜物是根據(jù)夾雜物的形貌、分布及其在明場、暗場和偏光下 的光學(xué)特征（表1）,與已知的夾雜物特征對照以確定其類型。必要時(shí)可以測定 夾雜物的顯微硬度或經(jīng)受化學(xué)試劑腐蝕的能力。 非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟 見表2。鑄綱中R 規(guī)則的兒 耳狀或花塊何形狀，星 狀分布，軋方塊,三角 例中基鏈狀形如橘” 分佰,羯色 色透明黃色 不透明.或擰紅忠色各向同性各向異性透明不透明表1

17、常見非金屬夾雜物的光學(xué)特征項(xiàng)目 硫化物 乳化物 汁酸鹽 氮化物明場 鑄綱中2肆 不變 狀或網(wǎng)狀分布形呈 軋鋼中乂幼體球狀孤 分布、一般為 4次 刊性夾雜,淡版 fE慶 色揭色偏光 不透明,各向 不透 同性明，各向同性晤場不透明周用有亮圈表2非金屬夾雜物的金相法鑒定步驟觀察視場觀察對象 一倍場（川 一火朵疝 傅而心狀、大小及分舊、可規(guī)件夾雜物的色彩夾雜物的 拋光性2 高傍明場倒50”）央雜物組織反光性觴夾雜物 色彩3 需倍咯場火雜物的透明程度、透明丸雜物本舟的色彩透明及半透明夾雜物的組織4 偏光各向療性效應(yīng)，夾雜物的色彩、黑卜字現(xiàn)象五、重點(diǎn)夾雜物分析5.1 Al 2Q夾雜此類夾雜物為鋼中內(nèi)生夾雜

18、物。在鎮(zhèn)靜鋼中,采用有Al脫氧工藝即用Fe -Al或Al脫氧時(shí),Al2O3是常見氧化物夾雜中對鋼質(zhì)影響最大的一類，它屬 于脆性不變形夾雜物，與基體的熱變形能力差異較 大，在熱加工的應(yīng)力作用 下，大塊的Al2O3等脆性夾雜，經(jīng)變形破碎成具有尖銳菱角的夾雜，并成鏈 狀分布在基體中，這些堅(jiān)硬的形狀不規(guī)則 Al2O3夾雜能將基體劃傷，并在火 雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中場直至 在交界面處形成空隙或裂紋1。在中高碳鋼， 尤其在重軌鋼中,Al2O3夾雜在周期應(yīng)力的作用下，會(huì)成為疲勞源，最終因 疲勞裂紋的擴(kuò)展造成大塊金屬脫 落的“掉塊”導(dǎo)致鋼的斷裂。根據(jù)國內(nèi)客車運(yùn)行和制 動(dòng)條件，應(yīng)用斷裂力學(xué)理論計(jì)算表明，當(dāng)Al2O

19、3夾雜大于26 pm時(shí), 也可使之成為疲勞裂紋源，因此，在重軌的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對非金屬夾雜物 Al2O3要求特 別嚴(yán)，即“ B類夾雜不大于1級”。5.2 硅酸鹽及鈣的鋁酸鹽夾雜此類夾雜物成分復(fù)雜，它的產(chǎn)生受鋼液脫氧工 藝、鋼水條件及澆注系統(tǒng)中 耐火材料使用情況等的 影響，有內(nèi)生的，也有外來的，還有內(nèi)外共同作用的。 在軋制過程中，這些夾雜物保持原來的球點(diǎn)狀。特 別是硅酸鹽夾雜，它在鋼的 凝固過程中，由于冷卻速 度較快，某些液態(tài)硅酸鹽來不及結(jié)晶,其全部或部分 以過冷液體即玻璃態(tài)的形式存在于鋼中，在8001300 C內(nèi)，塑性依其組成不同變化很快2。在低碳 鋼特別是沸騰鋼中，此類夾雜物（通常為外來夾雜）

20、會(huì) 使盤條塑、韌性降低，或引起帶鋼分層等。六、鋼中夾雜物的控制隨著產(chǎn)品質(zhì)量、性能要求的不斷提高，生產(chǎn)非金屬夾雜物少的潔凈鋼或控 制非金屬夾雜物性質(zhì)及要求的形態(tài)是冶煉和澆注過程中一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。為減少鋼中夾雜物，最根本的途徑，一是盡量減 少外來夾雜物對鋼水的污染，二是 設(shè)法促使已存在 于鋼水中的夾雜物排出，以凈化鋼液。6.1 外部夾雜物的控制減少外來夾雜物對鋼水的污染，應(yīng)根據(jù)其來源 采取相應(yīng)的措施。對連鑄坯 來講，從出鋼到鋼水進(jìn) 入結(jié)晶器前做好如下工作：控制好出鋼時(shí)的脫氧操 作及 擋渣操作，防止鋼包下渣;采用保護(hù)澆注，防止二次氧化；采用爐外精煉新技術(shù) 使用大容量中間 包，使夾雜物充分上浮；采用合

21、適的保護(hù)渣,高質(zhì)量的耐火材 料;鋼包及中間包等要干凈。包鋼于1997年引進(jìn)德馬克爐外精煉設(shè)備LF及VD處理爐和弧形連鑄機(jī) 后，大大解決了鋼中外來夾 雜物多的問題，但值得注意的是，保護(hù)渣及耐火材 料的質(zhì)量在一定程度上成為影響鋼質(zhì)量的主要原因。6.2 內(nèi)部夾雜物的控制任何鋼的冶煉過程都要脫氧，因此，脫氧產(chǎn)物非金屬氧化物的產(chǎn)生是不可避免的，但如何控制好內(nèi)生非金屬夾雜物特別是 Al 2Q夾雜的數(shù)量、 形態(tài)和分布，合理的選擇脫氧劑及脫氧制度具有關(guān)鍵的作用。包鋼是我國生產(chǎn) 重軌的主要基地之一，多年來一直致力于開發(fā)生產(chǎn)強(qiáng)度高、耐磨性好的鋼軌產(chǎn)品，如BNbREM，但隨著我國鐵路運(yùn)輸高速、重 載及行車安全的要求

22、，解決鋼中夾雜問題，提高鋼軌耐磨、耐疲勞性能是當(dāng)前煉鋼工作的重點(diǎn)，為此， 包鋼在脫氧工藝方面做了大量的研究和試驗(yàn)，通過運(yùn)用無Al脫氧工藝及Ca 處理技術(shù)來控制鋼中夾雜物，取得了一定的效果。七、微量元素對鋼質(zhì)量的影響7.1 磷（P）磷是碳鋼中的有害雜質(zhì)。主要溶于鐵素體起強(qiáng)化作用。含量提高，鋼材的強(qiáng) 度提高，塑性和韌性顯著下降。特別是溫度愈低，對塑性和韌性的影響愈大。磷 在鋼中的偏析傾向強(qiáng)烈，一般認(rèn)為：磷的偏析富集，使鐵素體品格嚴(yán)重畸變，是 鋼材冷脆性顯著增大的原因。磷使鋼材變脆的作用，使它顯著降低鋼材的可焊性。氧是鋼中的有害雜質(zhì)，主要存在于非金屬夾雜物內(nèi)，少量溶于鐵素體中。非金屬 夾雜物降低鋼的

23、力學(xué)性能，特別是韌性。氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用。氧化物所造 成的低熔點(diǎn)亦使鋼的可焊性變壞。7.3 氮（N）氮主要嵌溶于鐵素體中，也可呈化合物形式存在。氮對鋼材性質(zhì)的影響與 碳、磷相似，使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮可加劇鋼材的時(shí)效敏感性和冷脆性，降低可焊接性降低鋼的延展性和韌性，降低耐腐蝕性。7.4 硫（S）硫是很有害的元素。呈非金屬的硫化物夾雜物存在于鋼中， 降低各種力學(xué)性 能。硫化物所造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時(shí)易于產(chǎn)生熱裂紋， 顯著降低可焊性。硫 亦有強(qiáng)烈的偏析作用，增加了危害性。7.5 銘（Or）在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，銘能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑 形和韌性。銘又能

24、提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼和耐熱鋼的重要 合金元素。7.6 錦（Ni）鍥能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑形和韌性。鍥對酸堿有較高的耐腐蝕能力， 在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鍥是較稀缺資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元 素代用鍥銘鋼。7.7 鋁（M。鋁能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性。在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和 抗蠕變能力。結(jié)構(gòu)鋼中加入鋁能提高機(jī)械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起 的脆性。7.8 鈦（Ti ）鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。他能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力 ；降低時(shí)效敏 感性和冷脆性。改善焊接性能。7.9 鋼（V）銳是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的銳可細(xì)化晶粒組織，提高強(qiáng)度

25、和韌性。 銳與碳形成碳化物，在高溫下課提高抗氫腐蝕能力。鴇熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鴇與碳形成碳化鴇有很高的硬度 和耐磨性。在工具鋼加鴇，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛造模具7.11 昵（Nb）鋰能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性提高強(qiáng)度，但塑形和韌性 有所下降。在普通低合金鋼中加鋰，可防止品間腐蝕現(xiàn)象。7.12 鉆（Co）鉆是稀有的貴金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材料。7.13 銅（Cu）銅是奧氏體形成元素。由于銅有石墨化傾向，所以其僅加入低碳鋼中，并且數(shù)量 不大于1.5%。銅的主要作用：改善耐蝕能力；借助沉淀硬化來提高合金的抗拉強(qiáng)度；銅在 那些不發(fā)生沉淀

26、硬化的鋼中能夠輕微地提高屈服強(qiáng)度，但鋼的塑性、韌性下降； 在碳鋼中，它提高淬透性并降低延展性；當(dāng)含銅量超過 0.4%-0.5%時(shí)，使鋼件在 熱加工時(shí)表面容易產(chǎn)生裂紋。7.14 鋁（Al ）鋁的碳化物形成能力比鐵低。鋁促進(jìn)石墨化。鋁的主要作用：鋁與氮或氧生成有效的細(xì)小彌散物而抑制晶粒長大；鋁通過氮的較低溫?cái)U(kuò)散（氮化）而生成有效的表面硬化層；鋁借助在鋼的表面生成一層 強(qiáng)的氧化鋁使鋼耐腐蝕；鋁是優(yōu)良的脫氧劑；鋁能細(xì)化晶粒，從而提高鋼的強(qiáng)度 和韌性；用鋁脫氧的鎮(zhèn)靜鋼，能降低鋼的時(shí)效傾向，如冷軋低碳薄鋼板，經(jīng)精軋 后可長期存放，不產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效；鋁對淬透性的貢獻(xiàn)是中等的。鋁在一些鋼和合 金中的含量范圍：普通鋼中鋁的含量在0.010.03%,鐵素體不銹鋼00.30%沉 淀硬化不銹鋼01.5%o7.15 硼（B）硼是在2300c