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钢中夹杂的来源与控制 武汉科技大学 于学斌 2007，12,22 §1 夹杂物分类 §2 夹杂物与钢的性能 §3 钢液中夹杂物的去除与变性 §4 浸入式水口与偏流 §1 夹杂物分类§1.1按夹杂物来源分类1、内生夹杂: 1) 液体钢的脱氧产物; 2) 钢液从浇注温度冷却到凝固温度过程中，由 于温度的降低使溶液中溶质的溶解度降低， 即钢水温度的变化使反应平衡移动，重新析 出脱氧产物; 3) 钢液冷凝时发生溶质树枝形偏析所析出的脱 氧产物; 4) 固相线温度以下钢继续冷却或者由于相变的 缘故，引起的夹杂物重新析出。 2、外来夹杂物包括： 1)出钢过程中卷入钢液内的夹渣，钢液或炉 渣与耐火材料接触时的侵蚀产物，中间包 渣的乳化,结晶器内保护渣的卷入等等。这 种夹杂物在浇注过程中未来得及上浮而残 留在钢中。 2)钢液二次氧化产物。 3、相互反应夹杂物 相互反应夹杂物 (意思是内生和外来相交错)， 可列入尖晶石、某些铝酸盐、 硅酸盐和许多其他反应产物。 §1.2按夹杂物尺寸分类 1、早期分类： 微观夹杂 宏观夹杂 2、也可大致分为三类: 亚显微夹杂，粒径＜lμm。 显微夹杂，粒径l～1OOμm。 大型夹杂，粒径＞1OOμm。 §1.3按夹杂物组成和结构分类 炼钢中常见的氧化物夹杂有四种类型: 简单金属氧化物（包括包括Si02和 Al203等单体夹杂物） 各种类型硅酸盐 尖晶石 各种钙铝酸盐 钙铝酸盐 由于钙的离子半径大，它不形成尖晶石相，而以钙铝酸盐存在。钙铝酸盐是碱性电炉冶炼和钢包喷吹冶金中普遍出现的夹杂物之一。 CaO- Al203二元系存在着5个中间相，它们的化学组成相熔点列于表1。 钙铝酸盐化合物组成是在较宽的范围内变化的。钢中各种铝酸钙的CaO还能被MnO，FeO和MgO等部分替代，Al203可被Fe2O3，Cr2O3部分替代，所以这些氧化物常溶解在铝酸钙夹杂物中。此外铝酸钙也可以溶解钛、锆、钒和其他金属氧化物。 表1 钙铝酸盐的性能 ★ 铝酸钙有时还和MgO·Al203尖晶石一起伴生。如果有这种情况出现，可以判定是白云石或镁质炉衬材料在熔池中和Al203或铝酸钙反应的产物，铝酸钙中不含MgO，只含有少量MnO和SiO2时，这种夹杂物来自脱氧产物的可能性大。 铝酸钙的四周包围着CaS的情况。见图1、2。 图1 镁铝尖晶石与钙铝酸盐共生形成的球形夹杂物 图2 球壳状CaS＋钙铝酸盐 §2 夹杂物与钢的性能 钢中非金属夹杂物的存在是影响钢制品性能的重要因素，有时甚至是决定性因素。非金属夹杂物对钢性能的影响程度与夹杂物本身的性质，更确切地说与其相对于周围金属基体性质差值有密切关系。 各种温度下性质差值主要包括:1) 弹性模量的差值； 2) 形变能力的差值。 §2.1夹杂物与基体相对塑性υ 相对变形率υ，简称变形率：见图3。 定义为：υ=ε1/ε2 式中ε1为夹杂物形变量 ε2为基体的形变量 热加工变形情况，如图4所示。 图3 温度与夹杂物 变形率定性关系 ★ 图4 含Al203质点锰铝硅酸盐变形情况 §2.2 热膨胀系数差值的影响 由于基体与夹杂物热膨胀系数不同，可在夹杂物影响区 (球形夹杂半径为r的4倍的区域)引起复杂的应力场。 例如铝酸盐、Al203硅酸盐在钢的冷却过程中比基体膨胀系数小，夹杂物周围的基体很容易遭受拉应力。相反，MnS夹杂由于它的热膨胀系数比钢大，冷却时在MnS周围便可能形成空洞。 在夹杂物影响区内，由于热膨胀系数的差别而形成了一个所谓预破坏区，这对断裂的发生和发展有着决定性作用。 §2.3 夹杂物和疲劳性能 非金属夹杂物会大大降低材料的疲劳寿命。当夹杂物影响区内的应力集中值超过理论疲劳强度的临界值，即达到材料的疲劳极限，材料破坏。 如夹杂物对滚珠轴承钢、高强度钢疲劳性能的影响。把钢中夹杂物看成是一个孔洞，根据弹性理论计算应力集中值，即临界值。 夹杂物尺寸越大，疲劳裂纹应越容易在材料中最大夹杂周围区域形成。大量出现疲劳区的仍是含有中等尺寸夹杂物的材料。 不变形、棱角状的Al203夹杂对钢的疲劳强度影响最大。 §3 钢液中夹杂物的去除与变性 §3.1钢液中夹杂物去除理论 获得纯净钢的关键是夹杂物的聚合、长