“侦查”钢中夹杂物的手段

钢中夹杂物的检测分析与控制技术是钢的洁净度研究的重点。只有能正确全面地分析钢中的夹杂物，才能更清晰地明确夹杂物的来源和生成机理，从而确定相应减少和控制钢中夹杂物的方法。

　　杨文 张立峰 张学伟 罗燕 刘洋

　　目前，大批量、快节奏地生产洁净钢是当今世界钢铁流程发展的重要趋势。钢的洁净度主要受非金属夹杂物的影响，其主要以非金属化合态存在，包括氧化物、硫化物、氮化物和复合夹杂物等。它们不仅破坏了钢基体的连续性和致密性，而且对钢的力学性能和使用性能有着非常大的影响。钢中即使含有很少量的夹杂物，也会显著影响钢的金属性能，从而大大降低钢材的质量。夹杂物的数量和分布是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目之一。

　　要提高钢水的洁净度，就必须控制钢中的夹杂物，要控制钢中夹杂物，则首先要全面地获取夹杂物的特征信息。一般来说需要分析的夹杂物特征包括：定量参数（数量、尺寸等）、形貌、分布以及化学成分等。随着科技的进步和人们的不懈探索，夹杂物的评估方法有了新的进展，由此建立了夹杂物的系统分析技术。

　　基于二维平面分析的评估方法

　　目前基于二维平面分析的评估方法在生产和科研中占主导地位，包括金相法、标准图谱比较法、图像分析仪分析法、扫描电镜法、硫印法等。这些方法已被广泛应用，而ASPEX（夹杂物自动分析电镜系统）检测作为一种新方法崭露头角。

　　ASPEX检测由计算机控制，能够对很大面积范围内的平面和粒子进行自动成像和元素分析。ASPEX能够同时检测得到钢中大量夹杂物的尺寸、形貌、面积、数量、位置和成分。同时其还配备有强大的后处理系统，能够很好地对得到的夹杂物数据进行分析。

　　此方法的优点是能够快速准确地对夹杂物进行自动检测，还能够同时得到夹杂物各参数数据。试样检测面积大，检测的夹杂物粒子数量多，检测结果更具代表性。缺点同其他大部分二维检测的局限性一样，即对簇群状夹杂物检测的准确性不高，可能会将一个簇群状夹杂物检测成几个小夹杂物粒子，造成数量和尺寸的偏差。

　　无损检测方法

　　超声波检测。超声波检测在钢铁企业已被广泛应用，常规应用于检测200μm以上的缺陷。其主要优点是可以在线无损检测，并且可以对试样中的缺陷进行定位。此外，检测的试样体积很大，可以减少遗漏大的有害夹杂的可能性。缺点是不能检测小尺寸夹杂物，并且不能很好区分缺陷类别，比如气孔和夹杂物。

　　采用超声波进行检测的还有MIDAS方法。对试样进行轧制，可使试样组织更为细小均匀，并且夹杂物相对更大，增加了检测的准确性。

　　电磁法。电磁法也被用来检测金属内部质量。一个常用的方法是磁漏通量检测法，主要用于板卷或者铸坯试样、热轧板试样的内部质量检测。该方法只对长条状夹杂物比较敏感，若夹杂物太短就不容易从背景噪声中区分。同时，如果夹杂物过于长，超过了最佳值，则它们也会因为过于微细而不能对磁场产生明显的影响，从而也检测不到。

　　Micro-CT法。Micro-CT又称X射线计算机微断层扫描技术，它可以通过从不同角度拍摄的一系列X射线投射图片来重现试样的内部结构，获得夹杂物的三维形貌。近些年来由于X射线管技术的进步，Micro-CT的空间分辨率已经达到几微米。然而这个方法也很难区分气孔和夹杂物，因此有时候有必要对试样进行适度的轧制以使试样中的气孔闭合。再者这个方法的投资比较大，运行成本也较高。

　　夹杂物提取方法

　　通过将钢基体溶解可以实现对钢中夹杂物的提取，从而利用SEM可以检测到夹杂物的三维形貌。提取方法包括化学溶蚀和电解溶蚀。其中将钢基体部分溶解的方法一般称为酸蚀法，即通过酸腐蚀钢的基体，使钢的基体表面降低，从而将夹杂物凸显出来，然后对其结构和成分进行观察与分析。

　　化学溶蚀。主要采用酸溶法。酸溶法即通过盐酸将钢样全部溶解，而钢中难溶于稀盐酸的非金属夹杂物得以保留，再通过过滤分离等步骤便可将夹杂物提取出来。为了提高溶蚀速度，通常会对盐酸进行加热。在滤膜孔隙很小的情况下，则须要采用抽滤或者压滤的方式来过滤夹杂物。对于某些易溶于盐酸的夹杂物，则采用有机溶液进行溶蚀，譬如溴的甲醇溶液或者碘的甲醇溶液，这时候需要的反应时间更长。  

　　这个方法的优点是操作简单，能够观察到夹杂物的三维形貌，缺点是比较耗时间，尤其是采用有机溶液作溶剂时往往需要几天的时间，而且检测的试样体积也较小，只适用于几种夹杂物类型，局限性大。

　　电解提取。电解萃取法是利用钢中夹杂物和基体电化学性质的不同，在适当的电解液和电流密度下进行电解分离的方法。电解时以试样作为阳极，电解后夹杂物保留在阳极泥中，然后经过淘洗、磁选、还原等工序将夹杂物分离出来，并进行称量和化学分析。电解萃取方法分为大样电解和无水有机溶液电解。

　　大样电解适合外来大尺寸夹杂物的萃取，而无水有机溶液电解则更适合于内生的较小尺寸夹杂物的提取。此外，夹杂物提取方法无法获取夹杂物在试样中的原始位置分布。

　　夹杂物浓缩法

　　对于洁净钢来说，一个二维截面上的夹杂物是有限的，因此为了获得具有统计意义的结果必须观察大量试样。基于此，夹杂物浓缩方法得到发展，它将一个试样体中的夹杂物集中到一个较小的面上，从而便于观察。其主要有两种方法，分别为电子束熔炼法（EBBM）和水冷坩埚重熔法（CCR），它们的耗时要比电解萃取短。

　　电子束熔炼法。钢样在真空下通过电子束熔化，钢液由一个水冷铜模收集形成一个小熔池，夹杂物粒子则集中在液面的一小块面积。

　　此方法的主要优点是：夹杂物的上浮效率高，检测面上的夹杂物数量远远大于浓缩前的表面，试样尺寸也更大，因此准确性更高。此外，夹杂物受污染少，能够保持夹杂物原始状态。该方法的主要缺点包括：对于碳钢来说会发生碳沸腾问题，从而导致氧化物数量的减少；在熔炼过程中低熔点夹杂物容易烧结成团，增加夹杂物尺寸评估的难度；设备也较贵。

　　水冷坩埚重熔法。在这个方法中，试样在冷坩埚上熔化，铜坩埚由多段组成，每一段都是水冷。在坩埚周围绕有线圈并通上高频电流。坩埚里的狭缝保证了作用于试样上的涡电流方向同坩埚上的一致，因而试样和坩埚之间产生一个斥力，使得试样悬浮于坩埚上。试样中各尺寸的夹杂物粒子在试样熔化过程中会上浮至重熔的钢液表面，从而利于SEM（扫描电镜）观察。

　　此方法的主要优点包括：分析的试样能够达100克，因此结果具有统计意义，并且熔化过程很快；可以在一定压力的氩气条件下操作，因此避免了碳沸腾问题；夹杂物的收集效率与EBBM差不多，但比EBBM要便宜。

　　原位分析

　　原位分析技术（OPA）是对被分析对象的原始状态的化学成分和结构进行分析的一项技术。通过对无预燃、连续扫描激发的火花放电所产生的光谱信号进行高速的数据采集和解析，可以测定较大尺寸样品表面不同位置的原始状态下的化学成分和含量信息。当其检测到较大尺寸夹杂物时，如CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物，反映Ca、Si和Al的含量的火花光谱强度会出现奇异增长（异常光谱），由该异常光谱的强度和持续范围可以得到该夹杂物的含量、数量和尺寸大小等信息。

　　原位分析的优点是：试样检测面较大，对检测面的光洁度要求不太高，检测速度快，能同时检测元素偏析。缺点是：检测步长较宽，只能检测二维平面上的大尺寸夹杂物，对小尺寸夹杂检测灵敏度低，检测精确度小。

　　电敏感区法

　　基于电敏感区原理的在线测试法又称ESZ法。它是以阻抗脉冲技术原理为依据实现检测的，适用于钢液中夹杂物粒子数量密度和尺寸分布的在线测试。

　　电敏感区的原理是，将一侧壁打孔的绝缘材质取样管插入被测导电液体中，若小孔内充满电场，且各点均有一定的电位，则此时的小孔区成为电敏感区。当有一个绝缘粒子通过电敏感区时，会影响电敏感区内的电场分布，改变电敏感区的电性质。若导电液体电阻率远小于粒子的电阻率，则会导致电敏感区内电阻值升高。在有电流通过的情况下，这种电阻的变化表现为连续的电压脉冲。该脉冲变化的幅度与非导电微粒的体积和小孔孔径有关。通过适当检测方法获取电压脉冲，并通过分析便可间接得到夹杂物颗粒的粒径信息。然而此方法不能得到夹杂物粒子的形貌和成分信息。

　　总之，各种评估方法都有自身的优势和局限性，没有哪一种单独的检测方法可以描绘出所有夹杂物的分布以及得到所有需要的夹杂物信息。因此为了获取钢中非金属夹杂物的准确特征信息，须采用多级取样、系统分析的技术，适当组合各种评估方法。