任萬青，徐掌印*

（內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014000）

隨著中國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，對鋼材的利用率越來越廣泛，對其鋼材的使用要求也日趨走高，鋼材應具有非常強的韌性和很好的成型性能。高鋁鋼屬于輕質鋼材，一般用于航天航空、軍工事業(yè)、機械裝備等重要領域，由于高鋁鋼中存在非金屬夾雜物，破壞了鋼材的質量不能正常利用，導致大量鋼材報廢，造成巨大的浪費[1]。由于我國鋁是一種資源性高能耗產品，耗費成本也高，同時鋁具有細化晶粒，加強鋼的韌性、延展性等性能。但鋁有很強的親和能力，并且與鋼中的氧氣結合生成氧化鋁夾雜，對鋼材質量產生不利影響。普通高鋁鋼中的鋁含量在0.1%～0.5%之間，對于Al2O3夾雜物的控制主要是用鈣處理技術，把高熔點的Al2O3夾雜物質變成CaO-Al2O3系低熔點夾雜物[2]。對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。此時再使用鈣處理技術是否合理還有待研究。由于中國有豐富的稀土資源，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的好處等等，都起到了優(yōu)化鋼材的作用。還有稀土對不規(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，并具有微合金化作用。稀土還具有細化晶粒、凈化鋼水，改變鋼質量的作用。近年來人們對稀土研究越來越清晰和具體。通過研究夾雜物的形狀特點在添加上稀土后發(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探索夾雜物的變化，為提高鋼的質量提供了重要思想理論。

1 文獻綜述

1.1 鋁在鋼中的作用

（1）鋁在鋼中微合金化的作用。隨著社會的快速發(fā)展，各類行業(yè)對鋼的需求質量不斷提高，使微合金化在處理鋼種、產量方面不斷增加。鋁為鋼中微合金元素之一，與氧的結合能力很強，一般作為脫氧劑使用，當鋼中酸溶鋁大于0.01%時，鋼中與之平衡的溶解氧不超過7ppm。鋁具有細化晶粒的作用，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生Al2O3非金屬夾雜物，并且Al2O3具有較高熔點，一般使用鈣處理技術來降低夾雜物熔點。但是由于鋁元素含量的不同，導致鈣處理技術結果不可控，此研究有待進一步開拓。氧化鋁熔點是比較高的，在加熱的過程中，鋁固溶于α-Fe 后，含鋁結構單元α-Fe-Al最強鍵的鍵強nA 和鍵能EA 都高于α-Fe 的結構單元的n A、EA值(增大25%)，從而強化α-Fe，并使A3 點提高；鋁溶入奧氏體后，導致主鍵絡的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，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，其結果有助于高速鋼中碳化物的彌散析出[3]。

（2）鋁對鋼材韌性的改善及性能影響。近年來在汽車領域對輕質鋼需求量日益提高，需要較高的強度。這對鋼材要求具有較好的塑性和強度配合。鋁具有改變鋼材韌性的特性，這一特性對鋼材影響比較重要。當含鋼材進行軋制時，且軋制溫度區(qū)域恰好在奧氏體溫度區(qū)域，軋制過程中材料會產生動態(tài)再結晶，重新排列晶粒順序，改變晶體結構，對鋼材鑄態(tài)組織由內而外產生了變化[4]。研究發(fā)現(xiàn)進入適當?shù)匿X,發(fā)現(xiàn)鋼材的性能發(fā)生改變，相對加入其它元素綜合性能更加優(yōu)異。對加入鋁元素的鋼在奧氏體溫度區(qū)域進行軋制得到了細小的晶粒，為后續(xù)的研究提供了組織基礎，使鋼的塑性和強度得到提高。

（3）鋁對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)定的氧化保護膜，從而提高鋼的抗氧化能力[5]。前人曾對鐵鋁合金的抗氧化性能進行了多方面研究：鋼中加入4%Al 就可以改變氧化皮的結構，加入6%Al 可使鋼在980。C 以下具有抗氧化性。一般來講鋼中鋁不宜加多，否則會導致鋼材變脆，因而只能作為輔助元素加入。假設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，仍然有較高的抗氧化性能。近年來鋁一般用在耐熱鋼中居多。此外，鋁對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，常用被充當脫氧劑，細化晶粒，能夠抑制低碳鋼的時效，改變低溫下鋼的韌性。鋁含量過多會導致鋼石墨化，會降低高溫強度和韌性。

1.2 含鋁鋼中夾雜物產生的原因及應對措施

（1）夾雜物產生的原因。在高鋁鋼中經(jīng)過脫氧產生的夾雜物主要是Al2O3，產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瘤物聚集。由于浸入式水口（SEN）下部結瘤，造成流經(jīng)SEN 注入結晶器的鋼液偏流，改變了鋼液流動方式，導致結晶器液面波動及鋼液卷渣情況的發(fā)生[6]。其中間包下面的結瘤物進入結晶器內，在結晶器內與鋼水中其他氧化物發(fā)生反應生成大顆粒夾雜物，并且通過結晶器進入到鋼坯中。鋼坯中的夾雜物有在鋼水中脫氧產生的Al2O3夾雜、鋼液在澆注時降低溫度使鋼中氧析出并且與鋁反應生成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生成Al2O3夾雜，其反應方程為SiO ＋Al →Si ＋Al2O3、FeO＋Al →Fe ＋Al2O3、MnO ＋Al →Mn ＋Al2O3。這不僅存在鋼坯中，也會導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)代社會經(jīng)濟的發(fā)展對鋼材的需求質量不斷提高的前提下，在澆注鋼坯時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源、夾雜物尺寸分類、夾雜物組成成分。夾雜物來源主要是來自內外兩個方向，內部為與氧發(fā)生反應產生的氧化產物，外部為二次氧化產物夾雜、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部生成的夾雜物，外部夾雜物為二次氧化產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]。首先對鋼包中的含氮量進行分析，利用改進連鑄工藝方法來控制大氣卷入，確保在鋼包運動過程中受到空氣影響，使鋼液中產生夾雜物。也可以改進連鑄鋼的工藝過程，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，再對鋼進行鈣處理并且把軟吹時間加長8～12min，這樣夾雜物在鋼液中有足夠的時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。稀土的凈化作用是指在鋼水中添加稀土后會產生高熔點非金屬化合物，在鋼水溶液中析出來，進入到保護渣中，從而降低了鋼液中的有害雜質。稀土需要去除低熔點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，最后結合砷、錫等低熔點化合物[11]。稀土固溶于鋼中主要以原子形式存在于晶界[12]，產生合金化作用，或對晶界雜質具有凈化作用。

（2）稀土對夾雜物的變質改性作用。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]，稀土具有變質改性作用，稀土能夠改善鋼的鑄態(tài)組織、變質非金屬夾雜物、改善夾雜物的形態(tài)和分布，并且起到了微合金的作用。在鋼水進行澆注時鋼中元素會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，導致鋼內元素分布不均勻，添加適量稀土可以改變鋼中元素偏析現(xiàn)象。最終可以得到高質量的鋼材。高鋁鋼中含鋁量比較高，鋁主要是進行脫氧，當鋼水中添加適當?shù)南⊥?，稀土會與鋼中的氧化物和硫化物結合，改變其化合物的形貌和尺寸，使他們更容易上浮進入渣中和聚集生長，更容易形成熔點低的化合物。稀土鋼在最后軋制的時候不會輕易被軋開，稀土夾雜物尺寸比較小，呈現(xiàn)出細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產生Al2O3夾雜物，在鋼包澆注時水口會產生結瘤，導致水口受堵不能正常澆注，導致最終鋼材質量下降。近年來隨著稀土在鋼材中微合金化的應用越來越高，在冶煉鋼材時也得到廣泛的推廣。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。在鋼錠進行軋制過程中稀土對鋼組織起到拉拽作用，推遲了動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶的發(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鋼材產生的晶界弱化，促使晶界強度得到提高。

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

2 未來展望

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，使鋁不會進一步氧化并能耐水；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；高溫下能將許多金屬氧化物還原為相應的金屬；鋁是兩性的，即易溶于強堿，也能溶于稀酸。鋁在鋼中具有較強的親和力，在鋼中具有脫氧的作用，可細化晶粒，加強鋼的韌性、延展性、耐腐蝕性。根據(jù)研究顯示：添加鋁元素的鋼中會產生氧化鋁夾雜，對鋼的性能造成傷害，最終使鋼報廢。由此可知鋁元素的添加給鋼帶來了負面影響。我國有豐富的稀土資源，正在大力發(fā)展高品質稀土鋼，是中國鋼鐵材料升級換代的重要措施之一。稀土在鋼中的作用主要是變質夾雜物、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。當鋼中存在氧化物夾雜物時，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，當鋼中加入稀土后，稀土與氧化夾雜物發(fā)生反應生成稀土夾雜物，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，雜質元素與稀土元素結合生成復合夾雜物。本次研究對于開發(fā)和利用鋁和稀土微合金鋼及提高鋼的品質保證有著重要的作用。