鋼中夾雜物的電解萃取

羅喜清 許昊 何美容

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰214429）

1 前言

眾所周知，鋼的質(zhì)量在一定程度上取決于鋼中夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和尺寸分布。夾雜物含量是評定鋼材等級的一個重要指標。通常大型夾雜物會降低鋼的強度并降低鋼的機械性能和腐蝕疲勞極限，但是當夾雜物的尺寸小到一定尺寸時，情況會發(fā)生變化，其表面所包含的TiO2、B、Nb等微量元素會起到細化晶粒、提高強韌性的作用。因此，為了全面深入研究夾雜物的形成機理及對鋼性能的影響，就必須將夾雜物從鋼中完整無損地提取出來，然后通過掃描電鏡研究其成分、形態(tài)和尺寸分布，為現(xiàn)場的煉鋼連鑄和軋制過程提供控制夾雜物的依據(jù)。

現(xiàn)有冶金行業(yè)用于研究鋼中夾雜物的主要方法是金相鋼試樣法、酸溶法和電解法。金相鋼試樣法研究鋼中夾雜物的前提是必須在金相切面上暴露并尋找到夾雜物。由于鋼中的夾雜物在三維基體中的分布是隨機的，任意磨拋的金相面上夾雜物的出現(xiàn)也帶有隨機性。因此，用金相鋼試樣法很容易出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象。此外，由于夾雜物在空間的取向不同，同一種夾雜物在金相面上也可能呈現(xiàn)不同的形貌和尺寸。因此用金相鋼試樣法往往不容易得出全面而正確的結(jié)論。

酸溶法采用各種濃度的酸混合后將金屬基體溶解，一些不被酸溶解的穩(wěn)定夾雜物可以保留下來，其缺點是酸性水溶液會破壞鋼中的許多夾雜物，一些硅酸鹽也會被溶解掉。

電解法通常采用酸性電解液，以鋼試樣為陽極，電解槽為陰極，通電后鋼的基體呈離子狀態(tài)進入溶液溶解，非金屬夾雜物被保留。然后對陽極泥淘洗、磁選、還原分離得到夾雜物。而夾雜物的形貌在電解和淘洗過程中容易被破壞，化學成分容易受到電解過程陽極反應的影響而不準確，且存在電解時間長，操作困難等缺點［1－6］。

總之，傳統(tǒng)檢測非金屬夾雜物的方法眾多，但在完整提取鋼中非金屬夾雜物，并直接觀察其三維形貌方面都無能為力。

2 有機溶液電解萃取法研究鋼中夾雜

提供一種有機溶液電解萃取和檢測鋼中非金屬夾雜物的方法。

2.1 工藝步驟

2.1.1 配制電解液

電解液是以純甲醇作為溶劑，電解質(zhì)包括導電劑、絡(luò)合劑和緩沖劑組成。電解過程一直保持穩(wěn)定的pH值，使夾雜物相免受酸堿度的影響。鹽槽內(nèi)氯化鉀溶液中的氯離子經(jīng)鹽橋傳送到電解槽內(nèi)，具有破壞鋼試樣表面鈍化層的作用，防止陽極鈍化引起的電流衰減。

2.1.2 制備鋼試樣并電解

將含有夾雜物的鋼試樣浸沒在電解槽的電解液中，并在電解槽旁布置一鹽槽，鹽槽與電解槽之間架設(shè)鹽橋，并在鹽槽內(nèi)插入甘汞電極，鋼試樣連接好直流穩(wěn)壓電源的正極作為陽極，鉑絲作為電解陰極，通入惰性氣體氬氣，氬氣流量控制為0.1～0.4L／min，電解液的溫度為0～25℃；控制電壓2.5～4V，陰極直流電流密度為0.022～0.042A／cm2，電解時間為4～5h；裝置見圖1。

2.1.3 分離

將步驟2.1.2完成鋼試樣電解后的電解液倒入裝有濾紙的漏斗中，在緊貼著漏斗的下液口，放有加載聚四氟乙烯膜的真空抽濾裝置，在對真空抽濾裝置抽真空狀態(tài)下分離出鋼試樣中存在的夾雜物，再將分布有夾雜物的聚四氟乙烯膜移至掃描電鏡下檢測，裝置見圖2。

2.2 電解實驗

夾雜物主要包括有氧化物、硅酸鹽、鋁酸鈣鹽和硫化物。以下是三種典型夾雜物的電解后三維立體形貌。

2.2.1 含氧化物夾雜物的鋼試樣

圖1 鋼試樣的電解Figure 1.Schematic illustration of an electrolytic setup for steel specimens.

圖2 鋼試樣中夾雜物的分離Figure 2.Schematic diagram for the apparatus used for separating inclusions from steel specimens.

通過2.1的工藝步驟，電解質(zhì)量為0.7425g，晾干聚四氟乙烯膜，用導電膠將其貼在觀測平臺上，移至掃描電鏡下檢測。夾雜物為SiO2，并具有完整的三維立體形貌，如圖3和表1所示。

2.2.2 含硅酸鈣夾雜物的鋼試樣

通過2.1的工藝步驟，電解質(zhì)量為0.7351g，晾干聚四氟乙烯膜，用導電膠將其貼在觀測平臺上，移至掃描電鏡下檢測。夾雜物為CaSiO3，并具有完整的三維立體形貌，如圖4和表2所示。

圖3 掃描電鏡下含氧化物的夾雜物Figure 3.Scanning electron microscope（SEM）images of oxide－containing inclusions.

表1 掃描電鏡檢測出氧化物的含量Table 1 The oxide content measured by scanning electron microscometry

圖4 掃描電鏡下含硅酸鈣的夾雜物Figure 4.SEM images of calcium silicate－containing inclusions.

表2 掃描電鏡檢測出氧化物的含量Table 2 The content measured by scanning electron microscometry

2.2.3 含硅鋁酸鈣夾雜物的鋼試樣

通過2.1的工藝步驟，電解質(zhì)量為0.7915g，晾干聚四氟乙烯膜，用導電膠將其貼在觀測平臺上，移至掃描電鏡下檢測。夾雜物為CaO·Al2O3·SiO2，并具有完整的三維立體形貌，如圖5、表3所示。

圖5 掃描電鏡下含鋁硅酸鈣的夾雜物Figure 5.SEM images of calcium silicoaluminate－containing inclusions.

表3 掃描電鏡檢測出氧化物的含量Table 3 The oxide content measured by scanning electron microscometry

2.3 夾雜物的統(tǒng)計分析

利用Aspex explorer掃描電鏡的金屬質(zhì)量分析（MQA）軟件掃描表面夾雜物，得到夾雜物的形貌、類型、尺寸、元素組成及數(shù)量分布，對煉鋼生產(chǎn)過程的控制和優(yōu)化有一定的指導作用。分析報告如表4所示。

表4 金屬中夾雜物尺寸分布Table 4 Size distributions of metallic inclusions ／個

表5 金屬中夾雜物的平均質(zhì)量百分比分布表Table 5 Average percent mass distributions of metallic inclusions ／%

3 結(jié)語

電解過程中pH值一直穩(wěn)定在7～8，避免電解環(huán)境中酸性或堿性過強對夾雜物的破壞，調(diào)整合適的電解參數(shù)，可將夾雜物完整無損地從鋼基體中提取出來。

采用電解液過濾裝置，有效地將夾雜物分布集中在聚四氟乙烯膜的中心區(qū)域，提高了掃描電鏡的觀察效率，有利于具備自動面掃功能的掃描電鏡進行統(tǒng)計分析。

把化工工程用聚四氟乙烯膜用到夾雜物的過濾分離上，成功提取出鋼中夾雜物，并且提高了在掃描電鏡下的成像清晰度。

鋼試樣制備方便有效，利用常規(guī)的裝置設(shè)備，簡單易行，試驗周期較短，效率提高，為生產(chǎn)上提供關(guān)鍵的夾雜物形貌及成分信息。

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