摘  要  本文先后介紹了不銹鋼的發(fā)展過(guò)程以及我國(guó)不銹鋼的發(fā)展情況。然后介紹了不銹鋼的分類和特點(diǎn)，按照組織將不銹鋼分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀感化不銹鋼，按照成分將不銹鋼分為400系、300系和200系不銹鋼。說(shuō)明了不銹鋼中鋁、錳、鈦、鈣、硅、錳、鈦和鉻合金元素的來(lái)源和作用。分別介紹了渣改性和鈣處理改性?shī)A雜物的方法，同時(shí)總結(jié)了鋁脫氧和硅錳脫氧不銹鋼夾雜物控制的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞  不銹鋼；夾雜物

1  不銹鋼的簡(jiǎn)介

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。通常為含有10%至30%鉻的FeCr合金鋼，有時(shí)還配合加入鎳、鉬、鋁、鈦、銅、硫、硒、磷和氮等元素。在氧化性環(huán)境中，不銹鋼表面會(huì)形成一層氧化鉻膜，這層氧化薄膜具有不溶解、能自行恢復(fù)和無(wú)氣孔的特點(diǎn)，從而使不銹鋼具備了良好的抗腐蝕性能。

二十世紀(jì)初，首先發(fā)現(xiàn)了鐵鉻合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性。根據(jù)合金的鈍化現(xiàn)象，提出了鈍化理論，從而引起了人們的廣泛重視。[1]最早開(kāi)發(fā)出來(lái)的是相當(dāng)于現(xiàn)在AISI420不銹鋼的13Cr不銹鋼。[2]隨后開(kāi)發(fā)了相當(dāng)于現(xiàn)在SUS430不銹鋼[3]和18Cr-8Ni型不銹鋼[4]，并且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。在研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)化初期，由于不銹鋼的生成成本較高，主要用于軍事工業(yè)。二十世紀(jì)六十年代隨著VOD和AOD[5]的技術(shù)發(fā)明和工業(yè)化應(yīng)用，不銹鋼生產(chǎn)在提高質(zhì)量和降低成本等方面都有了飛速發(fā)展，世界不銹鋼產(chǎn)量從1950年的1萬(wàn)噸達(dá)到了2015年的4155萬(wàn)噸；同時(shí)不銹鋼品種從最初的13%Cr不銹鋼發(fā)展到現(xiàn)在的不同種類和不同級(jí)別的不銹鋼鋼種；不銹鋼目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于在石油、化工、化肥、食品、醫(yī)療、國(guó)防、餐具等各個(gè)領(lǐng)域。

我國(guó)的不銹鋼生產(chǎn)已經(jīng)有了四十年的發(fā)展歷史，并在我國(guó)鋼鐵行業(yè)迅猛發(fā)展的大背景下取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)不銹鋼粗鋼產(chǎn)量已從2000年70萬(wàn)噸迅速地發(fā)展到了2015年的2494萬(wàn)噸，達(dá)到了世界不銹鋼粗鋼總產(chǎn)量的一半以上，如圖1所示。同時(shí)，鋼鐵生產(chǎn)的各種精煉和連鑄等技術(shù)已經(jīng)被廣泛和成熟地應(yīng)用到了不銹鋼生產(chǎn)中，但還存在產(chǎn)能過(guò)剩、質(zhì)量較差、技術(shù)研發(fā)能力不足等問(wèn)題。[6]

2  不銹鋼的分類

通常可以根據(jù)不銹鋼的組織不同，可以將不銹鋼分為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀感化不銹鋼，每種不銹鋼的性能不同，生產(chǎn)工藝不同，用途也就隨之不同，具體如表2[7]所示。

按照不銹鋼的成分分類可以分為[8]：（1）400系列不銹鋼（Cr系）：具有正常的磁特性，具有很強(qiáng)的抗高溫氧化能力，其物理特性和機(jī)械特性優(yōu)于碳鋼相比。主要包括409、410、420和430等鋼種。（2）300系列不銹鋼（Cr-Ni系）：不具有磁性，鍛特性能優(yōu)于400系列不銹鋼，因此具有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，其材料特性受熱處理影響較小。主要包括301、302、303、304、309和430等鋼種。（3）200系列不銹鋼（Cr-Ni系）：奧氏體不銹鋼是在鉻鎳系奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，往鋼中加入錳和（或）氮代替貴重金屬鎳元素而發(fā)展起來(lái)的，它的奧氏體元素，除錳之外還有氮，一般還有適量的鎳（4%~6%）。鋼中錳起穩(wěn)定奧氏體的作用。由于氮強(qiáng)烈的形成并穩(wěn)定奧氏體且起很好的固溶強(qiáng)化作用，提高了奧氏體不銹鋼強(qiáng)度，適宜在承受較重負(fù)荷而耐蝕性要求不太高的設(shè)備和部件上使用。主要包括201和202等鋼種。

3  不銹鋼中合金元素的來(lái)源和作用

（1）鋁：鋁是目前鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中最常用的脫氧劑之一。由于鋁是極強(qiáng)的脫氧元素，所以它常被用為終脫氧劑。[9]鋁脫氧鋼中很容易生成Al2O3和AlN。[10]小尺寸的Al2O3和AlN有時(shí)可以起到促進(jìn)形核和細(xì)化組織的作用，然而大尺寸的簇狀A(yù)l2O3會(huì)導(dǎo)致堵塞水口，影響鋼鐵生成的順行。因此，加入適量的脫氧劑既可以節(jié)約成本，又可以提高鋼質(zhì)量。

（2）鎂：鎂也是一種強(qiáng)脫氧劑，其熔點(diǎn)沸點(diǎn)低。鋼中鎂的來(lái)源主要主要有三種可能：合金中的鎂，渣中的MgO被還原進(jìn)入鋼液，以及耐火爐襯中的MgO被還原進(jìn)入鋼液。鎂、鋁與氧很容易形成高熔點(diǎn)高硬度的鎂鋁尖晶石夾雜物，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。[11]

（3）鈦：鈦是一些高級(jí)別鋼種中重要的合金元素。在不銹鋼中，鈦是鐵素體形成元素，在Fe-Cr 相圖中可使α+γ/α相界向低鉻方向移動(dòng)。[12]含鈦鐵素體不銹鋼一般均具有單一的純鐵素體組織；向鋼中加入Ti 可使鋼中鉻的碳、氮化物轉(zhuǎn)而形成Ti 的碳、氮化物并細(xì)化鐵素體不銹鋼的晶粒。鈦的氧化物可以誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，有細(xì)化組織、提高鋼材強(qiáng)度和韌性的效果[13]。同時(shí)，鈦對(duì)鎂鋁尖晶石夾雜物也有一定的改性為低熔夾雜物的作用。[14, 15]

（4）鈣：鈣的脫氧能力也很強(qiáng)，其熔沸點(diǎn)稍高于鎂元素，在煉鋼溫度下同樣很容易氣化。然而，由于Al2O3會(huì)導(dǎo)致堵塞水口，以及高硬度的MgAl2O4夾雜物對(duì)鋼材的危害，為了將Al2O3和MgAl2O4改性成低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽（12CaO?7Al2O3和3CaO?Al2O3）夾雜物，通常會(huì)以喂入鈣線的形式向鋼中加入鈣，從而減小夾雜物的危害，保證生產(chǎn)順行。[16, 17]

（5）硅：硅是一種脫氧能力較強(qiáng)的元素，是鎮(zhèn)靜鋼必不可少的脫氧劑。單獨(dú)用硅脫氧時(shí)，很容易生成固態(tài)SiO2，不利于脫氧產(chǎn)物的上浮去除。當(dāng)Si含量達(dá)到1%左右時(shí)，氧含量可以降低到幾十個(gè)ppm，可見(jiàn)硅的脫氧能力不如Al和Ti。[18]

（6）錳：錳的脫氧能力較弱，但其為最常用的脫氧元素之一。因?yàn)殄i可以增強(qiáng)硅和鋁的脫氧能力，經(jīng)常與硅和鋁一起使用進(jìn)行復(fù)合脫氧；冶煉沸騰鋼時(shí)，錳是無(wú)可替代的脫氧元素，因?yàn)槠洳粫?huì)抑制碳氧反應(yīng)。用錳脫氧最低可使氧含量降到100ppm左右。[19]

（7）鉻：鉻是不銹鋼獲得不銹性和耐蝕性的最主要元素，不銹鋼在氧化性介質(zhì)中，鉻能使不銹鋼表面上迅速生成氧化鉻（例如Cr2O3）的鈍化膜，這層膜是非常致密和穩(wěn)定的，即使被破壞也能迅速修復(fù)。[20]一般說(shuō)來(lái)，隨鋼中鉻量增加，鐵素體不銹鋼的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕性能提高。然而，隨鐵素體不銹鋼中鉻量增加，鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能下降。

4  不銹鋼中夾雜物的控制

對(duì)于鋼中夾雜物的改性，主要有兩種方法。第一種為通過(guò)精煉過(guò)程渣鋼反應(yīng)對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行改性處理，如圖2（a）。Suito[21]認(rèn)為當(dāng)存在足夠充分的動(dòng)力學(xué)條件，即鋼液、精煉渣和夾雜物完全達(dá)到平衡時(shí)，鋼中的夾雜物的成分應(yīng)該與頂渣成分接近，說(shuō)明精煉渣對(duì)夾雜物的改性不可忽視。但是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不能保證足夠長(zhǎng)時(shí)間的精煉時(shí)間和足夠充分的渣鋼傳質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，很難保證將鋼中的大多數(shù)夾雜物改性。因此，還可以采用第二種鈣處理的方法，直接鈣線加入到鋼液當(dāng)中，由于鈣很活潑、氣化點(diǎn)低，可以迅速與鋼中的夾雜物直接反應(yīng)，達(dá)到改性的目的，如圖2（b）。

如表2所示，對(duì)于不銹鋼的控制主要存在兩種不同的觀點(diǎn)[24]，第一種就是用鋁脫氧，通過(guò)鋁的極強(qiáng)的脫氧能力，很容易將不銹鋼的總氧降低到一個(gè)很低的水平，這是為了盡可能的減少鋼中夾雜物的總量，然后再用鈣處理的方法，將剩余在鋼中沒(méi)有上浮的夾雜物鈣處理為液態(tài)鈣鋁酸鹽夾雜物，從而減小其對(duì)不銹鋼材的危害。[25]不銹鋼中夾雜物控制的第二種觀點(diǎn)就是用硅基脫氧，即通過(guò)向鋼中加入硅鐵、硅錳合金對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧。由于硅的脫氧能力較弱，很難將鋼中的總氧降低到很低的水平，通常配合加入錳合金進(jìn)行復(fù)合脫氧。相對(duì)于鋁脫氧不銹鋼，經(jīng)過(guò)上浮長(zhǎng)大去除后鋼中夾雜物仍然存在較多的夾雜物，但是由于硅脫氧后產(chǎn)生的夾雜物具有一定變形能力，對(duì)鋼材性能的影響較小。[26]

5  結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的不銹鋼生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前我國(guó)不銹鋼粗鋼總產(chǎn)量達(dá)到了世界不銹鋼粗鋼總產(chǎn)量的一半以上，鋼鐵生產(chǎn)的各種精煉和連鑄等技術(shù)已經(jīng)被廣泛和成熟地應(yīng)用到了不銹鋼生產(chǎn)中。不銹鋼冶煉過(guò)程中夾雜物的控制的兩種思路：第一種為用鋁脫氧將不銹鋼的總氧降低到一個(gè)很低的水平，然后再用鈣處理的方法，將剩余在鋼中沒(méi)有上浮的夾雜物鈣處理為液態(tài)鈣鋁酸鹽夾雜物，從而減小其對(duì)不銹鋼材的危害。第二種為用硅基脫氧，向鋼中加入硅鐵、硅錳合金對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧，雖然鋼中夾雜物仍然存在較多的夾雜物，但是由于硅脫氧后產(chǎn)生的夾雜物具有一定變形能力，對(duì)鋼材性能的影響較小。目前，我國(guó)不銹鋼存在產(chǎn)能過(guò)剩、質(zhì)量較差、技術(shù)研發(fā)能力不足等問(wèn)題，需要廣大冶金工作者們不斷研究和探索。

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