钢中非金属夹杂物的起源和分类

非金属夹杂物的分类

现代炼钢技术不断发展，注意到使用氧化反应和精炼方式去除钢中有害元素，这些对钢有害的杂质元素如硫来自于煤和焦炭，硫进入液态铁水和钢水，但在固溶体钢中溶解度非常小，钢水凝固期间从结晶前沿推向液态钢水，最后形成低熔点的“FeO”和“FeS”化合物或包含这两者化合物的共晶体，这种钢不能用于热加工轧制和锻造。钢中的氧化物、硫化物和合金元素（如Mn）构成了复杂的关系，然而如果要生产高质量钢材，必须将溶解在钢水中的氧和硫的含量降下来。许多元素可以作为钢中的合金元素，如Mn、Al、Si，它们具有与氧很高亲和力，进入钢水中起到脱氧作用。这些脱氧产物成为了氧化物非金属夹杂。另一方面钢中含硫，Ca和Mg在钢中溶解度很小，它们和稀土与S的亲和力足够的高，形成了低熔点的硫化物的非金属夹杂，于是大多数在钢中的S在精炼中进入渣中被去除，其余的S在凝固阶段发生沉淀析出硫化物夹杂。这些非金属夹杂物按照其类型分为两类：夹杂的化学成分（氧化物和硫化物夹杂等）和夹杂形成的阶段来定义。夹杂形成的阶段以凝固为分界点，凝固前生成的夹杂成为初生夹杂，而凝固期间和后期生成的夹杂称为次生夹杂。除了这些类型，另外常用的分类也容易混淆，涉及到夹杂的来源，产生于炼钢过程夹杂（如氧化物和硫化物夹杂）分类为“内生”夹杂；来源于外部的称为“外生”夹杂（耐火材料碎屑、保护渣卷入等），这些分类成外生夹杂。一般很少有大颗粒外生夹杂长时间独立在钢水中而不和钢水起反应，改变是非常明显的，在过去认为特别大的夹杂物来自于耐材和浇注模内，然而在现代钢中这种大颗粒夹杂显著地减少了，然而当有的学生看到这个课题时，最终相信最重要的非金属夹杂就是“外生”夹杂。这并不是说钢水与耐材的相互作用是没有关联的，这些夹杂在钢中存在说明了钢水与耐材有作用影响的，假如定义的外生夹杂也包括二次氧化和保护渣的卷入，外生夹杂的范围就扩大了，这倒是对外生夹杂较为恰当的定义。然而，这些夹杂物不仅仅在冶炼过程产生变化，而且在某些情况下，产生了在什么工序中产生的争论。于是，“外生”还是“内生”夹杂分类还是处在争论之中。

最后，非金属夹杂分类的普通方法与夹杂的尺寸有关：即夹杂能够分为宏观夹杂和微观夹杂，需要知晓的是，在夹杂尺寸上有一个敏感的数值，使用Kiessling提议的分类[2,11]，即假如钢铁产品在加工过程或者使用中足够大的夹杂造成瞬间损坏，这个夹杂称为宏观夹杂，见图1所示。其实要认识到这种分类难以应用，随意地将夹杂按尺寸分为宏观和微观，难以界定。

图1  由于大颗粒硬质相家的存在造成轮胎子午线钢丝拉拔过程中断裂。夹杂物由箭头所指，扫描电镜背散射照片。

热力学基础

由于炼钢温度高，夹杂物形成反应接近平衡状态，由此，热力学成为了解夹杂的一个重要的工具，夹杂物形成的热力学基础作为一个研究课题已经开展了较长的时间，文献阐述比较透彻，尽管如此，例如在氧化铝夹杂物中有关的热力学形成数据，仍然是有不符合产生矛盾的地方，还是值得进一步研究。作为一般冶炼的钢种，铝作为脱氧剂进入钢中，产生的夹杂热力学计算过程不成问题，但是在新的一代钢材材料高铝高锰冶炼过程中就具有不确定性，这点是很重要的。钢中溶解极为有限的Mg和Ca的情况下问题也变得复杂起来。作为这些元素，在炼钢过程中研究相关的热力学数据的讨论仍然十分普遍。在最近几十年来，已经提供了热力学计算运用来解决复杂的问题计算，这些使用常规的计算方式处理还是有点难度的。运用在钢铁产品和冶炼上总体各个方面的例子已经被讨论了，如参考文献。相关夹杂物问题的运用例子在许多文献中都可以看到。