任万青，徐掌印*

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000）

随着中国经济社会的迅速发展，对钢材的利用率越来越广泛，对其钢材的使用要求也日趋走高，钢材应具有非常强的韧性和很好的成型性能。高铝钢属于轻质钢材，一般用于航天航空、军工事业、机械装备等重要领域，由于高铝钢中存在非金属夹杂物，破坏了钢材的质量不能正常利用，导致大量钢材报废，造成巨大的浪费[1]。由于我国铝是一种资源性高能耗产品，耗费成本也高，同时铝具有细化晶粒，加强钢的韧性、延展性等性能。但铝有很强的亲和能力，并且与钢中的氧气结合生成氧化铝夹杂，对钢材质量产生不利影响。普通高铝钢中的铝含量在0.1%～0.5%之间，对于Al2O3夹杂物的控制主要是用钙处理技术，把高熔点的Al2O3夹杂物质变成CaO-Al2O3系低熔点夹杂物[2]。对于一些高铝钢中铝含量更高的钢种，铝含量在0.5%以上，例如38CrMoAl、TRIP 钢等。此时再使用钙处理技术是否合理还有待研究。由于中国有丰富的稀土资源，稀土作为重要的战略资源已经融入到各行各业。尤其在钢铁行业，自从上世纪各大行业就开始研究稀土的功效。例如在船舶用钢、重轨钢中加入稀土所带来的好处等等，都起到了优化钢材的作用。还有稀土对不规则夹杂物的作用，都可以降低夹杂物在钢中的危害。由于不同钢种需要处理的夹杂物不同,需要具体问题具体分析。稀土做为钢铁的调味剂加入到钢中可以改善钢的铸态组织、改善夹杂物的形态和尺寸及分布状况，稀土的加不同程度上改变了夹杂物的性质，并具有微合金化作用。稀土还具有细化晶粒、净化钢水，改变钢质量的作用。近年来人们对稀土研究越来越清晰和具体。通过研究夹杂物的形状特点在添加上稀土后发生变化。通过研究发现稀土元素对高铝钢夹杂物形貌和尺寸的影响。本研究是通过含铝钢中加稀土来探索夹杂物的变化，为提高钢的质量提供了重要思想理论。

1 文献综述

1.1 铝在钢中的作用

（1）铝在钢中微合金化的作用。随着社会的快速发展，各类行业对钢的需求质量不断提高，使微合金化在处理钢种、产量方面不断增加。铝为钢中微合金元素之一，与氧的结合能力很强，一般作为脱氧剂使用，当钢中酸溶铝大于0.01%时，钢中与之平衡的溶解氧不超过7ppm。铝具有细化晶粒的作用，可以在温度较低的情况下提高钢的韧性。由于铝元素的加入使钢水中产生Al2O3非金属夹杂物，并且Al2O3具有较高熔点，一般使用钙处理技术来降低夹杂物熔点。但是由于铝元素含量的不同，导致钙处理技术结果不可控，此研究有待进一步开拓。氧化铝熔点是比较高的，在加热的过程中，铝固溶于α-Fe 后，含铝结构单元α-Fe-Al最强键的键强nA 和键能EA 都高于α-Fe 的结构单元的n A、EA值(增大25%)，从而强化α-Fe，并使A3 点提高；铝溶入奥氏体后，导致主键络的nA、EA 值的减小(约15%)，从而降低了过冷奥氏体的稳定性，提高了Ms 点，减少淬火钢中残余奥氏体的含量。马氏体、奥氏体中的铝削弱了C 原子与Fe 等金属原子间的键合力，提高了碳的活度，其结果有助于高速钢中碳化物的弥散析出[3]。

（2）铝对钢材韧性的改善及性能影响。近年来在汽车领域对轻质钢需求量日益提高，需要较高的强度。这对钢材要求具有较好的塑性和强度配合。铝具有改变钢材韧性的特性，这一特性对钢材影响比较重要。当含钢材进行轧制时，且轧制温度区域恰好在奥氏体温度区域，轧制过程中材料会产生动态再结晶，重新排列晶粒顺序，改变晶体结构，对钢材铸态组织由内而外产生了变化[4]。研究发现进入适当的铝,发现钢材的性能发生改变，相对加入其它元素综合性能更加优异。对加入铝元素的钢在奥氏体温度区域进行轧制得到了细小的晶粒，为后续的研究提供了组织基础，使钢的塑性和强度得到提高。

（3）铝对钢的抗氧化性和腐蚀性的性能影响。铝具有抗氧化和抗腐蚀的性能，铝可以与硅、铬合用，可以显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀性能的能力,铝加入钢中能在钢的表面形成一层完整的、致密而稳定的氧化保护膜，从而提高钢的抗氧化能力[5]。前人曾对铁铝合金的抗氧化性能进行了多方面研究：钢中加入4%Al 就可以改变氧化皮的结构，加入6%Al 可使钢在980。C 以下具有抗氧化性。一般来讲钢中铝不宜加多，否则会导致钢材变脆，因而只能作为辅助元素加入。假设铝和铬能一并使用可以大大提高抗氧化性能。例如：钢水中含铁量50%～55%、铬30%～35%、铝10%～15%的合金，在1400。C 高温时，仍然有较高的抗氧化性能。近年来铝一般用在耐热钢中居多。此外，铝对硫化氢抗腐蚀性能可以大大提高。铝可影响钢的加工性能、焊接性能和切削加工性能。铝在钢中与氧的亲和力很强，常用被充当脱氧剂，细化晶粒，能够抑制低碳钢的时效，改变低温下钢的韧性。铝含量过多会导致钢石墨化，会降低高温强度和韧性。

1.2 含铝钢中夹杂物产生的原因及应对措施

（1）夹杂物产生的原因。在高铝钢中经过脱氧产生的夹杂物主要是Al2O3，产生的主要原因是在钢坯在被浇注完后，把中间包提上去，发现中间包侵入式水口下部有结瘤物聚集。由于浸入式水口（SEN）下部结瘤，造成流经SEN 注入结晶器的钢液偏流，改变了钢液流动方式，导致结晶器液面波动及钢液卷渣情况的发生[6]。其中间包下面的结瘤物进入结晶器内，在结晶器内与钢水中其他氧化物发生反应生成大颗粒夹杂物，并且通过结晶器进入到钢坯中。钢坯中的夹杂物有在钢水中脱氧产生的Al2O3夹杂、钢液在浇注时降低温度使钢中氧析出并且与铝反应生成Al2O3夹杂、二次氧化生成的Al2O3夹杂及渣中和耐火材料与铝反应生成Al2O3夹杂，其反应方程为SiO ＋Al →Si ＋Al2O3、FeO＋Al →Fe ＋Al2O3、MnO ＋Al →Mn ＋Al2O3。这不仅存在钢坯中，也会导致在浇注过程中使水口堵塞[7]。

（2）含铝夹杂物的控制。随着现代社会经济的发展对钢材的需求质量不断提高的前提下，在浇注钢坯时需要控制夹杂物的形成。钢中夹杂物种类有三种分别为夹杂物来源、夹杂物尺寸分类、夹杂物组成成分。夹杂物来源主要是来自内外两个方向，内部为与氧发生反应产生的氧化产物，外部为二次氧化产物夹杂、耐火材料侵蚀[8]。夹杂物尺寸有超显微，显微、大块夹杂。夹杂物分类主要是金属氧化物、钙铝酸盐、尖晶石类夹杂物等。含铝钢中的夹杂物主要是在内部生成的夹杂物，外部夹杂物为二次氧化产物及耐火材料侵蚀物。高铝钢中夹杂物多以Al2O3、12CaO·7Al2O3、MgO·Al2O3等形式存在钢中，最大可以形成300μm 以上的大型夹杂物[9]。首先对钢包中的含氮量进行分析，利用改进连铸工艺方法来控制大气卷入，确保在钢包运动过程中受到空气影响，使钢液中产生夹杂物。也可以改进连铸钢的工艺过程，可以使用保铝法，此方法是在完成脱氧过程后不需要再添加铝元素，再对钢进行钙处理并且把软吹时间加长8～12min，这样夹杂物在钢液中有足够的时间和更好的条件下上浮。从而使含铝钢中夹杂物得到有效的控制。

1.3 稀土在钢中的作用

（1）稀土在钢中的净化作用。稀土是元素周期表中镧系元素和钪、钇共17 种金属元素总称，稀土是工业味素[10]，也是冶金工业中的重要添加剂。稀土加入钢中很容易和钢水中的氧、硫、砷等元素发生反应。稀土的净化作用是指在钢水中添加稀土后会产生高熔点非金属化合物，在钢水溶液中析出来，进入到保护渣中，从而降低了钢液中的有害杂质。稀土需要去除低熔点化合物是在钢水脱氧脱硫之后开始的，根据自由能大小，首先生成稀土氧化物、稀土氧硫化物、稀土硫化物等，最后结合砷、锡等低熔点化合物[11]。稀土固溶于钢中主要以原子形式存在于晶界[12]，产生合金化作用，或对晶界杂质具有净化作用。

（2）稀土对夹杂物的变质改性作用。稀土是活泼元素，在钢中能够固溶，稀土在钢中主要以三种形式存在：夹杂物形式存在、稀土-铁金属间化合物存在、固溶形式存在[13，14]。在稀土作为添加剂加入钢中的研究表明[15-20]，稀土具有变质改性作用，稀土能够改善钢的铸态组织、变质非金属夹杂物、改善夹杂物的形态和分布，并且起到了微合金的作用。在钢水进行浇注时钢中元素会出现偏析现象，导致钢内元素分布不均匀，添加适量稀土可以改变钢中元素偏析现象。最终可以得到高质量的钢材。高铝钢中含铝量比较高，铝主要是进行脱氧，当钢水中添加适当的稀土，稀土会与钢中的氧化物和硫化物结合，改变其化合物的形貌和尺寸，使他们更容易上浮进入渣中和聚集生长，更容易形成熔点低的化合物。稀土钢在最后轧制的时候不会轻易被轧开，稀土夹杂物尺寸比较小，呈现出细小球体分布和纺锤形状，在轧制的过程中均匀的分布在基体中。

（3）稀土的微合金化作用。高铝钢中铝含量比较高，铝的加入可以细化晶粒，有助于改善钢的延展性、耐腐蚀性等性能。铝在钢液中可以更好的脱氧，但是由于铝的加入也会产生Al2O3夹杂物，在钢包浇注时水口会产生结瘤，导致水口受堵不能正常浇注，导致最终钢材质量下降。近年来随着稀土在钢材中微合金化的应用越来越高，在冶炼钢材时也得到广泛的推广。经研究表明，稀土在钢中具有净化作用，改善夹杂物状态、尺寸和分布，改善铸态作用，是钢材微合金化等作用。在钢锭进行轧制过程中稀土对钢组织起到拉拽作用，推迟了动态再结晶和静态再结晶的发生。在多道次轧制过程中可以获得较小的晶粒状态，改善显微组织。稀土在钢上还具有偏聚作用，钢中硫磷等元素也比较容易产生偏聚造成晶界弱化，现由于稀土的加入可以降低钢中硫磷元素对钢材产生的晶界弱化，促使晶界强度得到提高。

（4）稀土对钢性能影响。稀土在钢中具有加工性能，化学功能和综合力学性能等作用。现阶段，钢企都以研究稀土的力学性能为主，也是现在应用比较普遍的稀土功能，几乎所有的钢种都涉及到此问题，稀土也对钢的强韧性和冲击韧性有提高。

2 未来展望

铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50 埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；但铝的粉末与空气混合则极易燃烧；熔融的铝能与水猛烈反应；高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；铝是两性的，即易溶于强碱，也能溶于稀酸。铝在钢中具有较强的亲和力，在钢中具有脱氧的作用，可细化晶粒，加强钢的韧性、延展性、耐腐蚀性。根据研究显示：添加铝元素的钢中会产生氧化铝夹杂，对钢的性能造成伤害，最终使钢报废。由此可知铝元素的添加给钢带来了负面影响。我国有丰富的稀土资源，正在大力发展高品质稀土钢，是中国钢铁材料升级换代的重要措施之一。稀土在钢中的作用主要是变质夹杂物、改变钢的铸态组织、改善夹杂物的分布和尺寸及微合金化作用。当钢中存在氧化物夹杂物时，这种氧化夹杂物的形状不发生改变，并且有很大的危害作用，当钢中加入稀土后，稀土与氧化夹杂物发生反应生成稀土夹杂物，稀土夹杂物在周围是群聚存在的，且钢中夹杂物量减少。随着稀土的加入量的增加，杂质元素与稀土元素结合生成复合夹杂物。本次研究对于开发和利用铝和稀土微合金钢及提高钢的品质保证有着重要的作用。