鋼液在冶煉過程中產(chǎn)生的夾雜物, 是鑄鋼件產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。為減少鋼液中的夾雜物, 在冶煉過程中, 要加強(qiáng)對脫氧、脫硫 、除雜、去氣等冶煉操作, 并在爐后鋼包內(nèi)采取必要的措施, 如加稀土等進(jìn)行變質(zhì)處理來改變夾雜物的形狀, 以減少夾雜物的存在, 更好的消除鑄鋼件的裂紋。

1 鋼中夾雜物的種類及產(chǎn)生原因

鋼中夾雜物主要指鋼中非金屬夾雜物, 一般認(rèn)為鋼中非金屬夾雜物常以下列形式存在:氧化物 :F eO 、 Fe2 O 3  、M nO 、Al2 O 3  、SiO 2  、M gO  等;硫化物 :M nS 、FeS 等 ;硅酸鹽 :FeSiO 4  、M nSiO 4  、FeO ·A l2 O3   ·SiO2等;氮化物 :A lN 、Si3 N 4   等。
鋼中的非金屬夾雜物來源于兩個方面 :一是隨冶煉過程產(chǎn)生, 即在出鋼時加入鐵合金的脫氧產(chǎn)物和澆注過程中鋼液和空氣的二次氧化產(chǎn)物, 稱內(nèi)生夾雜物, 此類夾雜物一般顆粒細(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, 此類夾雜物外形多不規(guī)則 、尺寸較大且分布不均勻 , 是產(chǎn)生裂紋的主要原因, 對鋼的危害性較大。
內(nèi)生夾雜物主要產(chǎn)生于下列幾種情況 :①在冶煉過程中, 脫氧產(chǎn)物未能全部排除, 或澆注過程中溫度下降, 繼續(xù)反應(yīng)生成的脫氧產(chǎn)物來不及上浮殘留于鋼液中, 它們有的以小質(zhì)點(diǎn)存在于鋼的基體組織中, 有的則集聚成大顆粒 Al2 O 3 ), 有的則以固溶狀態(tài)存在于鋼中(如 M nO 、F eO);②在出鋼及澆注過程中, 鋼液與空氣接觸被氧化, 氧與鋼中元素結(jié)合形成二次氧化物留在鋼液中;在鋼液凝固過程中 , 低熔點(diǎn)的 FeS 、FeO 等由于鋼液“ 選分結(jié)晶” , 最后在晶粒邊界及樹枝晶間析出。
外來夾雜物 :這類夾雜主要由原料帶入泥沙、熔渣及保護(hù)渣等卷入, 澆注系統(tǒng)的耐火材料受鋼液沖刷 、浸蝕等進(jìn)入, 滯留于鋼液中, 多為大顆粒夾雜物 。
非金屬夾雜物在高溫下或溶解于鋼液中, 或單獨(dú)存在于鋼液中, 但隨著溫度的下降及成分、氣體壓力等條件的改變, 原來溶解于鋼液中的夾雜物, 將以獨(dú)立相分離出來, 在結(jié)晶過程中聚集于晶界上, 成為割斷鑄鋼基體連接的微小單元, 形成裂紋的最初源頭, 從而形成了裂紋的潛在隱患。

2 主要夾雜物與鑄鋼裂紋的關(guān)系及減少的措施

在非金屬夾雜物中, 使鑄鋼件產(chǎn)生裂紋的主要原因是硫化物夾雜, 而且它常常和其他因素共同作用, 使鑄鋼件裂紋傾向增大。鑄鋼中, 硫化物夾雜分成三類:Ⅰ類 — —球狀;Ⅱ類 — —點(diǎn)鏈狀晶間薄膜狀;Ⅲ類 — —任意分布的尖角狀。其中Ⅱ類夾雜對鋼危害最大, Ⅲ類次之, Ⅰ 類較小。而硫化物夾雜與鋼的脫氧程度以及鋼中殘留鋁量有關(guān)。鋁固溶量低, 氧殘留少時, 可得Ⅰ類夾雜。
脫氧劑對夾雜物的形成及鋼的性能都有較大影響。復(fù)合脫氧劑的脫氧效果要比單一脫氧劑好, 這是因?yàn)閺?fù)合脫氧劑形成的夾雜物較大, 容易上浮去除。若鋼液脫氧不足, 易出現(xiàn)氣孔類缺陷, 易使鑄鋼件產(chǎn)生裂紋。但終脫氧用鋁量剛夠脫氧而無剩余, 鋁固溶量低, 氧殘留少, 會產(chǎn)生Ⅱ類夾雜, 一般用過量鋁脫氧, 會得到Ⅲ類夾雜。值得注意的是, 如用過量鋁就會形成較多的氮化鋁夾雜沿晶界析出, 導(dǎo)致“ 巖石狀”脆性斷口, 惡化鋼的性能。所以說, 用過量鋁脫氧是不合理的。煉鋼時的加鋁量及鋼中的殘余鋁量既不能太低也 不能太高 。
用鋁脫氧是目前應(yīng)用廣泛的鋼脫氧方法。工業(yè)生產(chǎn)中通常采用兩種脫氧工藝, 一種是加鋁脫氧工藝, 另一種是控鋁脫氧工藝。前者是先用鋁將鋼中的溶解氧完全脫除, 然后通過各種方式的攪拌將Al2 O3 夾雜盡可能多地去除 ;后者是僅用硅錳粗脫氧, 并嚴(yán)格控制鋼中的鋁和鈣含量, 以便控制鋼中析出的氧化物夾雜的成分 、性質(zhì)和形態(tài)[ 3] 。前者的一次脫氧率大于 90   , 脫氧產(chǎn)物主要是 Al2 O3 ;后者一次脫氧析出的脫氧產(chǎn)物量大大減少, 一次脫氧產(chǎn)物主要是SiO2 。
外來夾雜物可以根據(jù)其來源采取相應(yīng)措施加以去除, 而內(nèi)生夾雜物卻需通過脫氧工藝及鈣處理工藝新技術(shù)加以控制。
鋼包精煉時向鋼液中吹入數(shù)量更多 、尺寸更小的氬氣泡有利于一次脫氧產(chǎn)物的去除。
為了更好的去除鋼中的夾雜物, 減少裂紋, 冶煉操作采取以下措施。
(1) 做好原材料準(zhǔn)備工作, 防止產(chǎn)生外來夾雜。
(2) 采取合理的煉鋼工藝:如采取合理的吹氧 、配電工藝, 保證一定的脫碳速度使夾雜上浮, 保持良好的爐況等。(3) 采取復(fù)合脫氧劑代替單一脫氧劑。(4) 爐后鋼包內(nèi)加稀土 , 改變夾雜物形狀, 減少夾雜, 以減少鑄鋼件裂紋傾向, 增加鋼液流動性。(5) 為了有利于夾雜上浮排除 , 除了保證足夠的鋼液溫度外, 出鋼后鋼液在鋼包內(nèi)要適當(dāng)靜置。
另外, 使用高質(zhì)量的耐火材料, 保證澆注系統(tǒng)潔凈或使用過濾網(wǎng), 也是減少夾雜的重要措施。

3 稀土復(fù)合變質(zhì)處理去除鋼中夾雜及加入方法

加入稀土對去除鋼中夾雜物有較好的作用, 稀土在鋼中主要是用來控制硫化物的, 且能脫氧、脫硫 。
在鑄態(tài)情況下, 鋼中M nS 夾雜物呈橢圓形或近似于圓形。而較大橢圓形夾雜物是以 M nO 為核心, 外層由M nS 或M n-S-O 包圍而形成的復(fù)合夾雜物。加入稀土后, 鑄態(tài)夾雜物的分布和組成發(fā)生了變化,MnS 夾雜物被近似球形的細(xì)小彌散分布的稀土夾雜物所代替。為了使稀土很好還原, 稀土氧化物應(yīng)當(dāng)與強(qiáng)烈的還原劑(Ca-Si 、Ca-B)混合后加入鋼液中,這樣才能起到變質(zhì)處理的作用。采用適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)處理, 可使硫化物夾雜形成熔點(diǎn)高、塑性小 、熱力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的球狀夾雜物。可以說, 稀土和鈣是良好的脫硫劑, 又是硫化物夾雜的良好變質(zhì)劑。采用RE-Ca 復(fù)合處理能夠更好地脫氧、去硫、凈化 、變質(zhì) , 控制非金屬夾雜物的形態(tài)和分布, 達(dá)到提高鑄造低合金鋼的綜合力學(xué)性能。
為進(jìn)一步探討稀土對鑄鋼性能的影響, 對ZG 35CrM o 鋼中使用稀土復(fù)合變質(zhì)處理進(jìn)行了試驗(yàn), 所用稀土合金牌號為 YX 20 , 含有 20 .53 RE ,40 .95 Si ;Si-Ca 成分中含有 26 .45  Ca , 57 .07  Si 。
復(fù)合處理是采用包內(nèi)加入法, 加入稀土?xí)r, 鋼液必須充分脫氧, 防止稀土加入時燒損, 防止它同鋼包耐火材料發(fā)生反應(yīng)。稀土在加入前應(yīng)很好烘烤。具體做法是按照鋼包內(nèi)鋼液量及其含硫多少, 確定 RE 和 Si-Ca 的用量, 將 RE 和Si-Ca 破碎成小塊混合均勻, 用鐵皮包覆, 快速插入用鋁進(jìn)行終脫氧扒渣后的鋼液中, 并不停攪動, 處理溫度保持在 1 600 ～ 1 650 ℃范圍內(nèi), 然后扒渣, 靜置 1 ～ 2 min 澆注。
根據(jù)不同的回收率, 控制好鋼液中稀土殘留量與硫含量的適宜值 RE/S , 可獲得良好的變質(zhì)效果。研究證明 :當(dāng) RE/ S ≈3 時, 可使 M nS 夾雜完全變質(zhì); 當(dāng)RE/ S <3 時, 只能部分變質(zhì) ;當(dāng)鋼中 S ≈0 .02  時, RE/ S =1 .8 ～ 2 .5 時變質(zhì)效果最好。
變質(zhì)處理后鋼液的化學(xué)成分見表 1 。從表中可見, 經(jīng) RE 、RE-Ca 處理后的鋼中含硫量明顯下降, 而鋼液中RE 的回收率則隨 RE 加入量的增加而增加。力學(xué)性能測試結(jié)果見表 2 。

從表中可以看出, 經(jīng)過變質(zhì)處理的鋼液, 力學(xué)性能有明顯提高, 強(qiáng)度提高 11 以上, 而采用 RE-Ca 復(fù)合處理綜合性能更好, 沖擊韌度提高 26 左右。
稀土復(fù)合變質(zhì)處理的作用主要在于凈化鋼液和控制夾雜物形態(tài), 減少夾雜物, 同時還有消除魏氏組織、細(xì)化晶粒和微合金化作用。即加入稀土復(fù)合劑后不但 能脫氧去硫, 而且在 RE/ S ≥3 ～ 6 時, MnS 會變成球狀夾雜物, 從而減輕硫的危害, 防止或減少熱裂, 稀土對于改變鋼液中夾雜物的形態(tài), 減少裂紋, 效果很明顯。測試結(jié)果見表 3 。

采用ZG 35C rM o 鋼生產(chǎn)的齒輪, 在復(fù)合變質(zhì)處理前廢品率很高, 而復(fù)合變質(zhì)處理后, 廢品率降低 40%以上, 取得了明顯的效果, 獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1) 鋼液中的夾雜物是鑄鋼產(chǎn)生裂紋的主要原因之一, 不同夾雜物, 產(chǎn)生裂紋的方式也不同。
(2) 為減少鋼液中的非金屬夾雜物及防止鑄鋼件 裂紋, 要從原材料準(zhǔn)備 、冶煉工藝 、脫氧操作 、鋼包靜置、變質(zhì)處理等環(huán)節(jié)上, 切實(shí)做好。
（3）采用稀土和鈣聯(lián)合變質(zhì)劑對鋼液進(jìn)行復(fù)合變 質(zhì)處理, 是減少鋼液中非金屬夾雜物, 改變其形狀, 減少鑄鋼件裂紋的有效方法。

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