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知识篇:“洁净钢”的“洁净”历程

钢铁产品是以铁元素(Fe)为基础组成成分的金属产品的统称。自从1856年英国人H. Bessemer发明了酸性底吹转炉炼钢法,能够采用铁液大规模生产液态钢以来,提高钢铁材料的性能一直是人们不断努力的方向,减少钢中的夹杂物的研究是工业和科研的重要课题。20世纪70年代就提出关于洁净钢的概念,且关于洁净钢的国际国内会议多年来一直不断举行。

钢中的非金属夹杂物

钢中的非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、硫氧化物、氮化物及硅酸盐化合物等有数十种。一般来讲钢中的夹杂物很多,其实钢中是很“脏”的。例如,1kg典型的低碳铝合金镇静钢中含有1千万~10亿个夹杂物,包括400个80~130μm夹杂物、10个130~200μm夹杂物和小于一个200~270μm尺寸的夹杂物。

洁净钢的概念

洁净钢(pure steel)或者清洁钢(clean steel)是非金属夹杂物在尺寸、形状、成分、分布都非常有限的钢材或者铸钢件。此外,洁净钢还需要降低其他残余杂质元素,例如硫、磷、氢、氮甚至碳,以及微量元素,如砷、锡、锑、硒、铜、铅和铋等的含量。据报道,目前国内外大规模生产的IF钢(interstitial free steel无间隙原子钢)洁净钢中C、S、P、N、H 和总氧含量(T.O)之和的质量分数不大于0.0001 。

洁净钢的洁净度

洁净钢的洁净度取决于钢中非金属夹杂物的数量、形态和尺寸分布。“洁净钢”的定义因钢种及其最终用途而不同,对C、S、P、N、H 和T.O分别有不同的要求,并对总量也有要求。洁净钢不仅要控制钢中的平均夹杂物含量,还要避免大于临界尺寸的夹杂物对产品的有害作用,因钢种及其最终用途而不同,对于最大临界尺寸的限制从10μm到100μm不等。

洁净钢是一个相对的概念

洁净钢是一个相对的概念,确切定义一直是变动的。纯净与否往往取决于观察者的判断。有些钢在20世纪50年代算纯净的,到了80年代就不算纯净了。对于一般用途的钢,50μm大小的夹杂物可允许存在,而对于精密轴承就不允许了。

1978年Kessling 提出夹杂物“临界尺寸”的概念(5~8μm),当夹杂物尺寸小于5μm时,钢材在负载条件下不再发生裂纹扩展,可将此界定为超洁净钢的标准之一。1991年Mitchell和新日铁Fukumoto提出“零氧化物夹杂钢”的概念,所谓“零夹杂”钢并不是钢中没有夹杂物存在,而是指钢液在凝固以前不析出任何非金属夹杂物的钢。钢液在固相状态下析出的非金属夹杂物是高度弥散分布的,其尺寸小于1μm,这些夹杂物在光学显微镜下作常规检验时已观察不到。因此,“零夹杂”钢实际上是含亚微米夹杂物的钢。研究表明零夹杂钢提高了超长疲劳寿命可靠性。在成分基本相同的情况下,金属材料的超纯净和组织的高均质化大幅提升了材料的高性能、长寿命和高可靠性。

提高钢的纯净度

为提高钢的纯净度,当前最先进的钢铁生产流程是“精选原材料炼铁 — 铁液脱硅脱硫脱磷预处理—复合转炉炼钢/电炉炼钢 — 炉外精炼提纯(LF和HR真空处理)— 连铸—连轧/浇注铸钢件”。精选原材料至关重要,因为有些微量有害元素例如锡、锑、铅、鉍、砷等很难或基本不能在炼钢过程中去除。今后钢铁材料发展的总趋势是实现钢材超纯净、高均匀和组织精细控制和高效、低成本稳定生产。

铸铁的冶炼和应用要比铁液冶炼钢早2300多年,公元前512年采用矿石冶炼铁液大量制造铁器就已经在中国出现。但是球墨铸铁在1948年才出现,比采用铁液冶炼钢要晚的多。球墨铸铁出现后首先要解决的是如何保证球化率,不出现片状及其他各种畸变石墨。1960年球墨铸铁专利失效后,球墨铸铁在全世界开始大规模生产,产量大幅度增加。为了解决石墨球化问题对于生产球墨铸铁的各个环节包括原铁液化学成分,球化处理和球化剂,孕育处理和孕育剂,浇注,凝固,包括球墨铸铁生产中出现的浮渣,各种夹杂等问题也进行了大量研究。可以说当今的球墨铸铁要比过去的球墨铸铁“干净”的多,性能也大大提高了,但还有很大的提高余地。