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铸钢业界的重要课题--生产清洁钢 |
近十多年来，生产清洁钢一直是各国铸钢业界广泛关注的问题，为进行这方面的研究，花费了可观的时间、金钱和人力。对于铸钢业界，生产清洁钢的含义是：加强脱氧和防止出钢和浇注过程中的二次氧化，从而减少钢中和铸件表面上的氧化物夹杂。说起来，这是个老问题，搞铸钢的谁都知道，但实际上大多数同仁对此并无切实的认识和了解。
据国外所作的统计分析，铸钢件的直接生产成本中，表面清理费用约占20%，其中，大部分是用于清除和焊修氧化夹杂缺陷的。
美国铸钢研究学会（SFSA）自1985年起进行了大量研究工作，从各类铸钢件（包括碳钢件、低合金钢件和中高合金钢件）中取样500件以上，作研究分析，结果表明：铸钢件表面上的宏观夹杂的来源如下：
l 83%是由于钢液脱氧不好和二次氧化；
l 14%来自造型材料；
l 2%来自炉渣；
l 1%来自耐火材料。
因此，铸钢件表面上形成宏观氧化物的主要原因是钢的清洁度不够好。从而，铸造用钢的清洁度，可用每吨铸件表面上需清除的宏观夹杂物的体积来衡量，也可以用每吨铸件修补所用的焊条量来衡量。
当然，钢中微观夹杂物的数量，形态及分布状况也与其清洁度相关，但其影响较小。
在许多铸钢厂现场所作的调查表明：不同炉次之间的铸件，每吨铸件修补所需的焊条量差别很大；同一炉次所浇注的铸件，从最先浇注的到最后浇注的，每吨铸件的焊条用量差别不大。而且，铸件上宏观夹杂物多的炉次约占20~25%。这说明：熔炼方面容易失控的变数较多，而浇注过程中的变数较少。
铸钢件中也会含有其他杂质，如硫化物和氮含量等，但是，钢中的氮含量可以通过脱碳沸腾可靠地加以控制，碱性炉炼钢控制含硫量也不成问题，而且钢中硫化物的情况也与脱氧有关。因此，加强脱氧和防止二次氧化是当前铸钢业界所面对的重大问题之一。
一．钢的脱氧
使钢脱氧方法很多，所用的脱氧剂也不一而足，这里只谈及主要的脱氧作业，即最终脱氧。
1．铝脱氧
由于铝的脱氧能力强，对钢中FeO的溶有量影响很大，影响钢中铁-氧-硫三元素的平衡，因而对钢中硫化物的数量、形态及分布状况都有很大的影响。
在炼钢温度下，氧化物和硫化物在钢中都有一定的溶解度，在钢液凝固过程中，因氧化物和硫化物溶解度的变化，会按一定的规律析出非金属夹杂物。所以，钢中的"非金属夹杂物"并不都是混杂在钢中的异物。
只用硅-锰脱氧，或加铝量很少，钢中残留铝量极低时，钢中溶解的氧较多。此时，硫化物的溶解度下降，在钢液凝固初期，就有硫化物或以硫化物为主的硫氧复合化合物析出。这样形成的硫化夹杂物是较大的、分布不规的近球形夹杂物，即第I类硫化物夹杂。这类夹杂物对钢的韧性影响很小。但是，在此种条件下，铸件中的晶粒粗大，而且很难避免气孔、针孔等疵病。实际上，此种工艺是不可取的。
加铝量较多，钢中残留铝量为0.01-0.03%时，钢中氧的溶有量很低，硫化物在钢中的溶解度增大，不在钢液的凝固初期析出，而在稍后钢液温度进一步下降后，以硫化物与铁的共晶形式析出，分布在晶界上，呈连续网状，即第II类硫化物夹杂。在此情况下，钢的韧性显著下降。此种工艺也不可取。
加铝量够多，钢中残留铝量在0.04%以上时，铝会和硫生成Al2S3。Al2S3又与硫化铁（锰）形成复合硫化物，其在钢中的溶解度很低，在钢的凝固初期析出。这种情况下，硫化物是尺寸较大、形状不太圆、分布也不规则的夹杂物，即第III类硫化夹杂物。这种夹杂物对钢的韧性影响也不大.
钢终脱氧所用的铝量，是考虑其脱氧效果和对硫化物的影响而确定的。不加铝则钢不能完全脱氧；加铝量太少，则钢既不能有效地脱氧，又不能细化晶粒；加铝量多，但不超过每吨钢0.7kg，则有招致第II类硫化物的危险。因此，作为最终脱氧剂的铝，用量一般是每吨钢0.8~1.2kg。
从前面谈到的几点，对加铝量下限（每吨钢0.8kg）的确定是不难理解的。那么，铝既然是很好的脱氧剂，多加些岂不更好？为什么要规定加入量的上限呢？
第二次世界大战初期，发现有的铸钢件在调质（淬火加回火）后脆断，断口为石状或冰糖状。由于其后果是灾难性的，立即成为研究的课题。起初还以为是"氢脆"，到1947年才确认此种缺陷的主要原因是氮化铝析出。AlN可以溶于钢液，在铸钢件凝固的后期，在较低的温度下沿晶界析出呈网状，致使铸件脆断。由于铝的脱氧效果好，铸钢厂为确保铸件不出气孔，随意多加的事是十分常见的。同时，电弧炉炼的钢含氮量较高，一般为100ppm左右，如脱碳沸腾作业不佳，还会高于此值。在钢中残留铝量高、含氮量高的情况下，铸件就易于发生石状断口脆断。我国的铸钢厂中，这种情况也并不鲜见。因此，严格控制加铝量的上限，是十分必要的。
在这里顺便还要说一说，发生石状断口脆断并不只限于经调质处理的低合金钢铸件，经正火、回火的马氏体不锈钢铸件也可出现，还有报道说，低碳钢铸件也发生过此种脆断。此外，虽然AlN析出是造成石状析口脆断的主要原因，但也不是唯一的原因，沿晶界析出的硼化物，碳化物或硫化物也都可以使铸件发生脆断。脆断总与晶界缺陷有关。
每一家铸钢厂都要在炼钢时加铝，也都会加铝。但是，如果问加铝的工艺是否妥当？加铝的收得率是否稳定？恐怕会有不少的铸钢厂难以回答。铝的密度不及钢液的1/2，在炉中加铝，除采用插入方式外，容易裹在钢渣中不易与钢液作用。如果所用的铝块大小不一，就更难有稳定的效果。为了严格控制钢中残留铝量，国外有的铸钢厂不用铝而用含Al35%左右的铝铁合金。铝铁合金的密度约为6.15g/m3，比钢渣的密度高，与钢液的密度相近。虽成本略高，但脱氧效果好而且稳定。
2．复合脱氧剂脱氧
到目前为止，铸钢厂所用的复合脱氧剂，都以硅和钙为主要成分。
60多年以前，就有人注意到钙在钢中的脱氧作用。钙在钢中溶解度很小，但它与氧、硫的亲和力都很强。在钢的脱氧过程中，钙和铝有互补增益的共同作用，很像硅和锰的共同作用。氧化钙可以和氧化铝复合成易熔的铝酸钙，甚至在炼钢温度下可以是液相。 |
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