炼钢过程中夹杂物的形态控制与去除

炼钢过程中夹杂物的形态控制与去除

滕飞丛干成

石横特钢集团有限公司  山东 泰安  271612  

摘要：炼钢过程是钢铁制造中的关键环节，其中夹杂物的形态控制与去除对最终产品的质量具有决定性影响。本文深入探讨了炼钢过程中夹杂物的生成机理，分析了不同类型夹杂物对钢材性能的影响，并提出了相应的形态控制与去除策略。通过优化炼钢工艺和采用先进的处理技术，可以有效降低夹杂物含量，提高钢材的纯净度和力学性能。

关键词：炼钢；夹杂物；形态控制；去除

引言

钢铁材料作为现代工业的基础材料，在建筑、交通、机械制造等多个领域发挥着重要作用。然而，炼钢过程中不可避免地会生成各种夹杂物，这些夹杂物的存在会严重影响钢材的微观结构和宏观性能。因此，对夹杂物的形态控制与去除进行深入研究，对于提高钢材质量和满足特定应用需求具有重要意义。

一、炼钢过程中夹杂物的生成机理

（一）夹杂物的类型与特性

在炼钢过程中，夹杂物主要分为两类：内生夹杂物和外生夹杂物。内生夹杂物是在炼钢过程中由于化学反应生成的，如氧化物、硫化物和氮化物等。这些夹杂物通常具有较高的硬度和脆性，对钢材的塑性和韧性有负面影响。外生夹杂物则主要来源于炉料和炼钢设备，如炉渣、耐火材料的磨损等，这类夹杂物的形态和化学成分较为复杂，对钢材性能的影响也更为多样。

夹杂物的类型和特性决定了它们在钢材中的行为和最终对性能的影响。例如，氧化物夹杂物在高温下容易聚集形成较大的颗粒，这可能导致钢材在后续加工过程中出现裂纹。硫化物夹杂物则可能在钢材表面形成腐蚀性较强的点，影响其耐腐蚀性能。

（二）夹杂物生成的条件分析

夹杂物的生成与炼钢过程中的多个因素密切相关，包括温度、化学成分、炉渣性质、气体含量等。在高温下，钢液中的某些元素容易与氧、硫等反应生成夹杂物。此外，炉渣的粘度和化学成分也会影响夹杂物的生成和去除。高粘度的炉渣不利于夹杂物的上浮，而炉渣中某些成分的增加可能会促进夹杂物的形成。

气体含量，尤其是氢气和氮气，也是影响夹杂物生成的重要因素。这些气体在钢液中溶解后，可能与钢中的其他元素反应生成气态夹杂物，如氮化物。此外，气体的溶解度随着温度的升高而增加，因此在炼钢过程中控制温度对于减少气体夹杂物的生成至关重要。

（三）夹杂物与炼钢工艺的关系

炼钢工艺的每一个环节都可能对夹杂物的生成和去除产生影响。例如，在电弧炉炼钢中，炉料的预热和熔化过程可能会带入大量的外生夹杂物。而在转炉炼钢中，吹炼过程中的强烈搅拌作用可能会促进夹杂物的分散和聚集。

连铸工艺中的冷却速度和结晶器的设计也会对夹杂物的行为产生影响。快速冷却可以减少夹杂物的尺寸，但同时也可能导致夹杂物在钢锭中分布不均。结晶器的设计，如锥度和振动频率，可以影响夹杂物的上浮和排除。

二、夹杂物对钢材性能的影响

（一）夹杂物对力学性能的影响

夹杂物的存在对钢材的力学性能有着显著的影响。力学性能主要包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击韧性等。夹杂物，尤其是硬而脆的氧化物和硫化物，会在钢材的微观结构中形成应力集中点，降低材料的整体塑性。在受到外力作用时，这些应力集中点容易成为裂纹的起源，从而降低钢材的断裂韧性和疲劳寿命。

在实际应用中，钢材的力学性能要求往往与特定的使用条件相关。例如，对于承受冲击载荷的结构件，要求钢材具有较高的冲击韧性。然而，夹杂物的存在会降低材料的韧性，增加在冲击载荷下的断裂风险。因此，控制夹杂物的形态和分布，以提高钢材的力学性能，对于确保结构安全具有重要意义。

（二）夹杂物对耐腐蚀性能的影响

钢材的耐腐蚀性能是指其在特定环境下抵抗腐蚀的能力。夹杂物，尤其是硫化物和某些氧化物，会在钢材表面形成局部的电化学不均匀性，加速腐蚀过程。这些夹杂物在腐蚀介质中可能成为阳极区域，促进局部腐蚀，如点蚀和应力腐蚀开裂。

在海洋、化工等腐蚀性环境中，钢材的耐腐蚀性能尤为重要。夹杂物的存在不仅影响钢材的均匀腐蚀速率，还可能成为腐蚀介质渗透的通道，降低材料的防护能力。因此，通过控制夹杂物的类型和数量，可以显著提高钢材的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。

（三）夹杂物对焊接性能的影响

焊接是钢材加工中常用的连接方法，而夹杂物对焊接性能有着直接的影响。在焊接过程中，钢材的局部区域会经历高温熔化和快速凝固的过程。夹杂物的存在可能导致焊接接头的微观结构不均匀，形成脆性相，降低焊接接头的力学性能。

此外，夹杂物还可能在焊接过程中形成气孔和裂纹等缺陷，影响焊接接头的致密性和可靠性。例如，氧化物夹杂物在焊接时可能与熔池中的金属反应，形成氧化物夹杂，这些夹杂物在冷却过程中容易聚集在晶界，增加焊接残余应力，降低焊接接头的冲击韧性。

三、夹杂物的形态控制与去除策略

（一）炼钢工艺的优化

炼钢工艺的优化是控制夹杂物形态和数量的基础。首先，通过优化炉料的配比和预处理，可以减少原料中带入的夹杂物。例如，采用低硫、低磷的铁矿石和废钢，可以有效降低钢液中硫和磷的含量，从而减少硫化物和磷化物夹杂物的生成。

其次，控制炼钢过程中的化学成分和温度是关键。适当的化学成分可以抑制某些夹杂物的形成，而精确的温度控制有助于夹杂物的上浮和排除。例如，在炼钢后期，通过降低温度和调整化学成分，可以促进夹杂物的聚集和上浮，便于后续的去除。

再者，优化炉渣的组成和性质也是重要的。炉渣的粘度、碱度和氧化性都会影响夹杂物的去除效率。通过调整炉渣的化学成分，可以提高其对夹杂物的吸附能力，促进夹杂物的上浮和排出。

（二）夹杂物去除技术的应用

1.吹氩处理：通过在钢液中吹入氩气，可以促进夹杂物的上浮和排除。氩气泡在上升过程中携带夹杂物至液面，从而减少夹杂物在钢液中的含量。

2.电磁搅拌：利用电磁场对钢液进行搅拌，可以打散夹杂物的聚集体，促进其均匀分布，增加夹杂物与炉渣的接触机会，提高去除效率。

3.真空处理：在真空条件下，钢液中的气体含量降低，有助于减少气体夹杂物的生成。同时，真空条件下的低压力也有利于夹杂物的上浮和排出。

4.过滤技术：使用不同类型的过滤器，如陶瓷过滤器、泡沫过滤器等，可以有效拦截钢液中的大尺寸夹杂物，提高钢材的纯净度。

（三）新型材料与处理技术的开发

随着材料科学和工程技术的发展，新型材料和处理技术的开发为夹杂物的控制提供了新的可能性。例如，开发新型耐火材料和炉渣调节剂，可以改善炉渣的性质，提高夹杂物的去除效率。

此外，利用纳米技术制备的超细粉末或纤维，可以作为夹杂物的吸附剂或过滤介质，提高去除效果。这些新型材料具有高比表面积和特殊的表面性质，能够更有效地捕获和去除微小的夹杂物。

在处理技术方面，如超声波清洗、激光处理等新型技术的应用，也在探索中。超声波清洗可以利用声波的空化效应，破坏夹杂物与钢液的结合，促进其去除。激光处理则可以通过局部加热和快速凝固，改变夹杂物的形态和分布。

结论

夹杂物的控制是一个系统工程，需要综合考虑炼钢过程的各个环节以及材料特性和工艺条件的相互作用。通过不断的技术创新和工艺优化，可以逐步实现对夹杂物形态的有效控制和去除，从而提高钢材的性能和应用范围。未来的研究应进一步探索更高效、更环保的夹杂物控制技术，以满足日益严格的钢材性能要求。

参考文献：

[1]王雄文.炼钢连铸中的非金属夹杂物控制与去除方法研究[J].冶金与材料,2024,44(01):31-33.

[2]王子铮.炼钢-精炼-连铸钢中夹杂物控制[J].现代制造技术与装备,2023,59(05):132-134.

[3]蒋星亮,敖翔.炼钢-精炼-连铸钢中夹杂物控制研究[J].科技创新与应用,2021,11(34):91-94.