稀土元素對(duì)高鋁鋼夾雜物的影響

任萬(wàn)青，徐掌印*

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，對(duì)鋼材的利用率越來(lái)越廣泛，對(duì)其鋼材的使用要求也日趨走高，鋼材應(yīng)具有非常強(qiáng)的韌性和很好的成型性能。高鋁鋼屬于輕質(zhì)鋼材，一般用于航天航空、軍工事業(yè)、機(jī)械裝備等重要領(lǐng)域，由于高鋁鋼中存在非金屬夾雜物，破壞了鋼材的質(zhì)量不能正常利用，導(dǎo)致大量鋼材報(bào)廢，造成巨大的浪費(fèi)[1]。由于我國(guó)鋁是一種資源性高能耗產(chǎn)品，耗費(fèi)成本也高，同時(shí)鋁具有細(xì)化晶粒，加強(qiáng)鋼的韌性、延展性等性能。但鋁有很強(qiáng)的親和能力，并且與鋼中的氧氣結(jié)合生成氧化鋁夾雜，對(duì)鋼材質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。普通高鋁鋼中的鋁含量在0.1%～0.5%之間，對(duì)于Al2O3夾雜物的控制主要是用鈣處理技術(shù)，把高熔點(diǎn)的Al2O3夾雜物質(zhì)變成CaO-Al2O3系低熔點(diǎn)夾雜物[2]。對(duì)于一些高鋁鋼中鋁含量更高的鋼種，鋁含量在0.5%以上，例如38CrMoAl、TRIP 鋼等。此時(shí)再使用鈣處理技術(shù)是否合理還有待研究。由于中國(guó)有豐富的稀土資源，稀土作為重要的戰(zhàn)略資源已經(jīng)融入到各行各業(yè)。尤其在鋼鐵行業(yè)，自從上世紀(jì)各大行業(yè)就開始研究稀土的功效。例如在船舶用鋼、重軌鋼中加入稀土所帶來(lái)的好處等等，都起到了優(yōu)化鋼材的作用。還有稀土對(duì)不規(guī)則夾雜物的作用，都可以降低夾雜物在鋼中的危害。由于不同鋼種需要處理的夾雜物不同,需要具體問題具體分析。稀土做為鋼鐵的調(diào)味劑加入到鋼中可以改善鋼的鑄態(tài)組織、改善夾雜物的形態(tài)和尺寸及分布狀況，稀土的加不同程度上改變了夾雜物的性質(zhì)，并具有微合金化作用。稀土還具有細(xì)化晶粒、凈化鋼水，改變鋼質(zhì)量的作用。近年來(lái)人們對(duì)稀土研究越來(lái)越清晰和具體。通過研究夾雜物的形狀特點(diǎn)在添加上稀土后發(fā)生變化。通過研究發(fā)現(xiàn)稀土元素對(duì)高鋁鋼夾雜物形貌和尺寸的影響。本研究是通過含鋁鋼中加稀土來(lái)探索夾雜物的變化，為提高鋼的質(zhì)量提供了重要思想理論。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 鋁在鋼中的作用

（1）鋁在鋼中微合金化的作用。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，各類行業(yè)對(duì)鋼的需求質(zhì)量不斷提高，使微合金化在處理鋼種、產(chǎn)量方面不斷增加。鋁為鋼中微合金元素之一，與氧的結(jié)合能力很強(qiáng)，一般作為脫氧劑使用，當(dāng)鋼中酸溶鋁大于0.01%時(shí)，鋼中與之平衡的溶解氧不超過7ppm。鋁具有細(xì)化晶粒的作用，可以在溫度較低的情況下提高鋼的韌性。由于鋁元素的加入使鋼水中產(chǎn)生Al2O3非金屬夾雜物，并且Al2O3具有較高熔點(diǎn)，一般使用鈣處理技術(shù)來(lái)降低夾雜物熔點(diǎn)。但是由于鋁元素含量的不同，導(dǎo)致鈣處理技術(shù)結(jié)果不可控，此研究有待進(jìn)一步開拓。氧化鋁熔點(diǎn)是比較高的，在加熱的過程中，鋁固溶于α-Fe 后，含鋁結(jié)構(gòu)單元α-Fe-Al最強(qiáng)鍵的鍵強(qiáng)nA 和鍵能EA 都高于α-Fe 的結(jié)構(gòu)單元的n A、EA值(增大25%)，從而強(qiáng)化α-Fe，并使A3 點(diǎn)提高；鋁溶入奧氏體后，導(dǎo)致主鍵絡(luò)的nA、EA 值的減小(約15%)，從而降低了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高了Ms 點(diǎn)，減少淬火鋼中殘余奧氏體的含量。馬氏體、奧氏體中的鋁削弱了C 原子與Fe 等金屬原子間的鍵合力，提高了碳的活度，其結(jié)果有助于高速鋼中碳化物的彌散析出[3]。

（2）鋁對(duì)鋼材韌性的改善及性能影響。近年來(lái)在汽車領(lǐng)域?qū)p質(zhì)鋼需求量日益提高，需要較高的強(qiáng)度。這對(duì)鋼材要求具有較好的塑性和強(qiáng)度配合。鋁具有改變鋼材韌性的特性，這一特性對(duì)鋼材影響比較重要。當(dāng)含鋼材進(jìn)行軋制時(shí)，且軋制溫度區(qū)域恰好在奧氏體溫度區(qū)域，軋制過程中材料會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，重新排列晶粒順序，改變晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼材鑄態(tài)組織由內(nèi)而外產(chǎn)生了變化[4]。研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)入適當(dāng)?shù)匿X,發(fā)現(xiàn)鋼材的性能發(fā)生改變，相對(duì)加入其它元素綜合性能更加優(yōu)異。對(duì)加入鋁元素的鋼在奧氏體溫度區(qū)域進(jìn)行軋制得到了細(xì)小的晶粒，為后續(xù)的研究提供了組織基礎(chǔ)，使鋼的塑性和強(qiáng)度得到提高。

（3）鋁對(duì)鋼的抗氧化性和腐蝕性的性能影響。鋁具有抗氧化和抗腐蝕的性能，鋁可以與硅、鉻合用，可以顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕性能的能力,鋁加入鋼中能在鋼的表面形成一層完整的、致密而穩(wěn)定的氧化保護(hù)膜，從而提高鋼的抗氧化能力[5]。前人曾對(duì)鐵鋁合金的抗氧化性能進(jìn)行了多方面研究：鋼中加入4%Al 就可以改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6%Al 可使鋼在980。C 以下具有抗氧化性。一般來(lái)講鋼中鋁不宜加多，否則會(huì)導(dǎo)致鋼材變脆，因而只能作為輔助元素加入。假設(shè)鋁和鉻能一并使用可以大大提高抗氧化性能。例如：鋼水中含鐵量50%～55%、鉻30%～35%、鋁10%～15%的合金，在1400。C 高溫時(shí)，仍然有較高的抗氧化性能。近年來(lái)鋁一般用在耐熱鋼中居多。此外，鋁對(duì)硫化氫抗腐蝕性能可以大大提高。鋁可影響鋼的加工性能、焊接性能和切削加工性能。鋁在鋼中與氧的親和力很強(qiáng)，常用被充當(dāng)脫氧劑，細(xì)化晶粒，能夠抑制低碳鋼的時(shí)效，改變低溫下鋼的韌性。鋁含量過多會(huì)導(dǎo)致鋼石墨化，會(huì)降低高溫強(qiáng)度和韌性。

1.2 含鋁鋼中夾雜物產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)措施

（1）夾雜物產(chǎn)生的原因。在高鋁鋼中經(jīng)過脫氧產(chǎn)生的夾雜物主要是Al2O3，產(chǎn)生的主要原因是在鋼坯在被澆注完后，把中間包提上去，發(fā)現(xiàn)中間包侵入式水口下部有結(jié)瘤物聚集。由于浸入式水口（SEN）下部結(jié)瘤，造成流經(jīng)SEN 注入結(jié)晶器的鋼液偏流，改變了鋼液流動(dòng)方式，導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動(dòng)及鋼液卷渣情況的發(fā)生[6]。其中間包下面的結(jié)瘤物進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，在結(jié)晶器內(nèi)與鋼水中其他氧化物發(fā)生反應(yīng)生成大顆粒夾雜物，并且通過結(jié)晶器進(jìn)入到鋼坯中。鋼坯中的夾雜物有在鋼水中脫氧產(chǎn)生的Al2O3夾雜、鋼液在澆注時(shí)降低溫度使鋼中氧析出并且與鋁反應(yīng)生成Al2O3夾雜、二次氧化生成的Al2O3夾雜及渣中和耐火材料與鋁反應(yīng)生成Al2O3夾雜，其反應(yīng)方程為SiO ＋Al →Si ＋Al2O3、FeO＋Al →Fe ＋Al2O3、MnO ＋Al →Mn ＋Al2O3。這不僅存在鋼坯中，也會(huì)導(dǎo)致在澆注過程中使水口堵塞[7]。

（2）含鋁夾雜物的控制。隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)鋼材的需求質(zhì)量不斷提高的前提下，在澆注鋼坯時(shí)需要控制夾雜物的形成。鋼中夾雜物種類有三種分別為夾雜物來(lái)源、夾雜物尺寸分類、夾雜物組成成分。夾雜物來(lái)源主要是來(lái)自內(nèi)外兩個(gè)方向，內(nèi)部為與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物，外部為二次氧化產(chǎn)物夾雜、耐火材料侵蝕[8]。夾雜物尺寸有超顯微，顯微、大塊夾雜。夾雜物分類主要是金屬氧化物、鈣鋁酸鹽、尖晶石類夾雜物等。含鋁鋼中的夾雜物主要是在內(nèi)部生成的夾雜物，外部夾雜物為二次氧化產(chǎn)物及耐火材料侵蝕物。高鋁鋼中夾雜物多以Al2O3、12CaO·7Al2O3、MgO·Al2O3等形式存在鋼中，最大可以形成300μm 以上的大型夾雜物[9]。首先對(duì)鋼包中的含氮量進(jìn)行分析，利用改進(jìn)連鑄工藝方法來(lái)控制大氣卷入，確保在鋼包運(yùn)動(dòng)過程中受到空氣影響，使鋼液中產(chǎn)生夾雜物。也可以改進(jìn)連鑄鋼的工藝過程，可以使用保鋁法，此方法是在完成脫氧過程后不需要再添加鋁元素，再對(duì)鋼進(jìn)行鈣處理并且把軟吹時(shí)間加長(zhǎng)8～12min，這樣夾雜物在鋼液中有足夠的時(shí)間和更好的條件下上浮。從而使含鋁鋼中夾雜物得到有效的控制。

1.3 稀土在鋼中的作用

（1）稀土在鋼中的凈化作用。稀土是元素周期表中鑭系元素和鈧、釔共17 種金屬元素總稱，稀土是工業(yè)味素[10]，也是冶金工業(yè)中的重要添加劑。稀土加入鋼中很容易和鋼水中的氧、硫、砷等元素發(fā)生反應(yīng)。稀土的凈化作用是指在鋼水中添加稀土后會(huì)產(chǎn)生高熔點(diǎn)非金屬化合物，在鋼水溶液中析出來(lái)，進(jìn)入到保護(hù)渣中，從而降低了鋼液中的有害雜質(zhì)。稀土需要去除低熔點(diǎn)化合物是在鋼水脫氧脫硫之后開始的，根據(jù)自由能大小，首先生成稀土氧化物、稀土氧硫化物、稀土硫化物等，最后結(jié)合砷、錫等低熔點(diǎn)化合物[11]。稀土固溶于鋼中主要以原子形式存在于晶界[12]，產(chǎn)生合金化作用，或?qū)Ы珉s質(zhì)具有凈化作用。

（2）稀土對(duì)夾雜物的變質(zhì)改性作用。稀土是活潑元素，在鋼中能夠固溶，稀土在鋼中主要以三種形式存在：夾雜物形式存在、稀土-鐵金屬間化合物存在、固溶形式存在[13，14]。在稀土作為添加劑加入鋼中的研究表明[15-20]，稀土具有變質(zhì)改性作用，稀土能夠改善鋼的鑄態(tài)組織、變質(zhì)非金屬夾雜物、改善夾雜物的形態(tài)和分布，并且起到了微合金的作用。在鋼水進(jìn)行澆注時(shí)鋼中元素會(huì)出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼內(nèi)元素分布不均勻，添加適量稀土可以改變鋼中元素偏析現(xiàn)象。最終可以得到高質(zhì)量的鋼材。高鋁鋼中含鋁量比較高，鋁主要是進(jìn)行脫氧，當(dāng)鋼水中添加適當(dāng)?shù)南⊥?，稀土?xí)c鋼中的氧化物和硫化物結(jié)合，改變其化合物的形貌和尺寸，使他們更容易上浮進(jìn)入渣中和聚集生長(zhǎng)，更容易形成熔點(diǎn)低的化合物。稀土鋼在最后軋制的時(shí)候不會(huì)輕易被軋開，稀土夾雜物尺寸比較小，呈現(xiàn)出細(xì)小球體分布和紡錘形狀，在軋制的過程中均勻的分布在基體中。

（3）稀土的微合金化作用。高鋁鋼中鋁含量比較高，鋁的加入可以細(xì)化晶粒，有助于改善鋼的延展性、耐腐蝕性等性能。鋁在鋼液中可以更好的脫氧，但是由于鋁的加入也會(huì)產(chǎn)生Al2O3夾雜物，在鋼包澆注時(shí)水口會(huì)產(chǎn)生結(jié)瘤，導(dǎo)致水口受堵不能正常澆注，導(dǎo)致最終鋼材質(zhì)量下降。近年來(lái)隨著稀土在鋼材中微合金化的應(yīng)用越來(lái)越高，在冶煉鋼材時(shí)也得到廣泛的推廣。經(jīng)研究表明，稀土在鋼中具有凈化作用，改善夾雜物狀態(tài)、尺寸和分布，改善鑄態(tài)作用，是鋼材微合金化等作用。在鋼錠進(jìn)行軋制過程中稀土對(duì)鋼組織起到拉拽作用，推遲了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。在多道次軋制過程中可以獲得較小的晶粒狀態(tài)，改善顯微組織。稀土在鋼上還具有偏聚作用，鋼中硫磷等元素也比較容易產(chǎn)生偏聚造成晶界弱化，現(xiàn)由于稀土的加入可以降低鋼中硫磷元素對(duì)鋼材產(chǎn)生的晶界弱化，促使晶界強(qiáng)度得到提高。

（4）稀土對(duì)鋼性能影響。稀土在鋼中具有加工性能，化學(xué)功能和綜合力學(xué)性能等作用?，F(xiàn)階段，鋼企都以研究稀土的力學(xué)性能為主，也是現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的稀土功能，幾乎所有的鋼種都涉及到此問題，稀土也對(duì)鋼的強(qiáng)韌性和沖擊韌性有提高。

2 未來(lái)展望

鋁是活潑金屬，在干燥空氣中鋁的表面立即形成厚約50 埃的致密氧化膜，使鋁不會(huì)進(jìn)一步氧化并能耐水；但鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈反應(yīng)；高溫下能將許多金屬氧化物還原為相應(yīng)的金屬；鋁是兩性的，即易溶于強(qiáng)堿，也能溶于稀酸。鋁在鋼中具有較強(qiáng)的親和力，在鋼中具有脫氧的作用，可細(xì)化晶粒，加強(qiáng)鋼的韌性、延展性、耐腐蝕性。根據(jù)研究顯示：添加鋁元素的鋼中會(huì)產(chǎn)生氧化鋁夾雜，對(duì)鋼的性能造成傷害，最終使鋼報(bào)廢。由此可知鋁元素的添加給鋼帶來(lái)了負(fù)面影響。我國(guó)有豐富的稀土資源，正在大力發(fā)展高品質(zhì)稀土鋼，是中國(guó)鋼鐵材料升級(jí)換代的重要措施之一。稀土在鋼中的作用主要是變質(zhì)夾雜物、改變鋼的鑄態(tài)組織、改善夾雜物的分布和尺寸及微合金化作用。當(dāng)鋼中存在氧化物夾雜物時(shí)，這種氧化夾雜物的形狀不發(fā)生改變，并且有很大的危害作用，當(dāng)鋼中加入稀土后，稀土與氧化夾雜物發(fā)生反應(yīng)生成稀土夾雜物，稀土夾雜物在周圍是群聚存在的，且鋼中夾雜物量減少。隨著稀土的加入量的增加，雜質(zhì)元素與稀土元素結(jié)合生成復(fù)合夾雜物。本次研究對(duì)于開發(fā)和利用鋁和稀土微合金鋼及提高鋼的品質(zhì)保證有著重要的作用。