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1.3.2 钙处理对硫化物夹杂变性行为
采用钙处理方法对钢中MnS夹杂物变性的原理是通过增加钢中有效钙含量，在钢水凝固过程中提前形成的高熔点CaS质点，可以抑制钢水在此过程中生成MnS的总量和聚集程度，并把MnS部分或全部改性成CaS，即形成细小、单一的CaS相或CaS与Mns的复合相。
考虑钢液中各元素活度（合金元素1%，硫2%），将各元素硫化物生成自由能按负值排列：
1873K时：CeS＞CaS＞Zr3S4＞TiS＞MgS＞MnS＞FeS
1273K时：CaS＞CeS＞MgS＞MnS＞FeS＞MoS2＞Ni3S2＞Cu2S
若Ca与Mn同时与钢中硫反应并达到平衡，则：(1.9)
即加入的钙遇到MnS夹杂，则必将使它们还原，改变其性质及形态[11]。
（1）硫化物变性的热力学条件
硫化锰夹杂因其高温塑性良好，对钢的热加工会起到不良的影响，应采取措施促使MnS类夹杂物转变为高熔点、低塑性、硬度大的单相或多相物质，使其尽早析出，呈球状或近似球状分布[10]。
Ca使MnS变为CaS的热力学依据为[11]：
在钢液中发生反应：
由(1.10)(1.11)得到(1.12)：
T=1873K时， ；
在渣-钢界面发生反应：
由(1.13)(1.14)得到(1.15)：
T=1873K时， 。
上几式说明，在炼钢温度下，MnS转化为CaS是可行的。可以通过钙处理的方法使钢中长条状的MnS夹杂球化，得到质硬且脆，而且熔点更高的球形硫化物。
（2）硫化物夹杂变性的分析
如前文所述，温度对钢液中[Ca]-[S]反应平衡的影响十分显著。当钢液温度降低时，在相同的硫含量下形成CaS夹杂所需钙含量迅速降低，因此，随着钢水的凝固，钢中残余的[S]、[Ca]可以提前结合为高熔点的CaS质点并弥散于钢的基体中，相当于进一步减少了钢中残余的[S]，减弱了硫的偏析。在凝固结束时析出的MnS不但数量降低、尺寸减少，而且有少量高熔点的CaS弥散其中，轧制过程中可以起到碾断、分割、剥离MnS夹杂的作用，阻止了大颗粒MnS夹杂在轧制中的大变形，从而降低了对钢材性能的危害[10]。
只有当硫含量比较低时，氧化物的变性才能够进行的比较完全，此后硫化物的变性才能够进行到底[13]。
另外据孙宝芳的分析表明，钙处理可将长条状的MnS夹杂变为细小球形CaS或与钙铝酸盐附和在一起，即圆球状铝酸钙外层包覆(Ca、Mn)S。这种复合夹杂物熔点高于钢液，比重轻，其中CaO含量越高，熔点越低，越易于长大去除[14]。
（3）硫化物夹杂变性的处理效果
Dsamu Haida定义了原子浓度比ACR来作为衡量硫化物变性程度的指标[15]。当钢中w(Ca)在(20~50)×10-6范围内时，
(1.16)
当ACR=0.2~0.4时，硫化物不完全变性；当ACR＞0.4时，硫化物基本变性；若使铝镇静钢中硫化物完全变性，则须使ACR＞1.8[16]。
大多数研究者认为，当 时，钢中仍存在MnS夹杂；当 时，纯CaO及纯CaS便会出现在钢中，而无论是MnS还是CaS夹杂对钢质量都是不利的[17]。
华中理工大学乔学亮[18]等人研究表明：在长条状的硫化物夹杂中几乎没有钙的存在；当硫化物中钙含量逐渐增加时，其形态向纺锤形靠近，说明Ca可使硫化物形态得到改善。他经实验数据回归得出了Ca含量与硫化物长宽比L/W之间的关系：
(1.17)
1.3.3 钙处理对Al2O3夹杂变性行为
A12O3夹杂物为钢中内生夹杂物。在镇静钢中，采用Al脱氧工艺即用Fe-Al-Si或Al脱氧时，Al2O3是常见氧化物夹杂中对钢质影响最大的一类，它属于脆性不变形夹杂物，与基体的热变形能力差异较大,在轧制过程中很容易被破碎并且延轧制方向连续分布。大块的A12O3脆性夹杂，经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂，并成链状分布在基体中，这些坚硬的形状不规则A12O3夹杂在变形中能将基体划伤，并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹。在重轨钢及轴承钢中，A12O3夹杂在周期应力的作用下，会成为疲劳源，最终因疲劳裂纹的扩展造成大块金属脱落的“掉块”导致钢的断裂。应用断裂力学理论计算表明，当A12O3夹杂大于26μm时，也可使之成为疲劳裂纹源，因此，在重轨的有关标准中，对非金属夹杂物A12O3要求特别严，即“B类夹杂不大于1级”[19]。
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