李小云¹， 李超²

摘要：夾雜物對鋼材韌性、塑性、裂紋、疲勞性能均有所影響，通過有效措施可以減少夾雜物，從而降低其危害。潔凈鋼控制應從鐵水預處理工藝源頭抓起，冶煉鋁鎮靜鋼轉爐一次倒爐命中率和一次脫氧的好壞是控制鋼中［Als］含量和去除鋼中Al2O3夾雜最關鍵的一步。無特殊成分要求的鋁鎮靜鋼中的［Al］含量為0.015%--0.2%時最佳，鈣處理時W［Ca］/ W［Al］控制在0.09—0.11就可以大量減少水口結瘤的幾率，夾雜物的形態也能得到很好的控制。通過鋼包精煉渣、頂渣改質劑處理一般情況下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%，最低時鋼渣中W(TMnO+TFeO)≤1%對于普通鋼種（熱軋板低于或等于SPHC級別的）鋼種，可通過軟吹氬不經LF爐處理直接送去連鑄。LF爐應用緩釋脫氧劑對比傳統擴散脫氧劑效果顯著。連鑄坯表面缺陷的產品中有1/3是因為結晶器卷渣造成的，做好結晶器卷渣預防措施對于提高連鑄坯表面質量意義重大。連鑄可采用電磁驅動離心流動中間包、通道感應加熱中間包、組合式電磁攪拌等技術，有利于夾雜物的上浮和分離，精準控制溫度，減少中心疏松，提高鑄坯質量。

關鍵詞：夾雜物；預處理；高效；低成本；潔凈鋼；

所謂潔凈鋼，通常是指非金屬夾雜物含量少的鋼。潔凈鋼是為了在不增加合金成本的前提下，能夠高效率、低成本、成批的滿足用戶要求的優質商品鋼材。在今后較長時間內，潔凈鋼是鋼鐵企業科技創新中的關鍵技術，本文對潔凈鋼生產工藝技術進行簡要分析。

1  夾雜物分類、危害、來源和控制措施

1.1夾雜物的分類

夾雜物可按照⑴化學成分分類：氧化物夾雜、硫化物夾雜、氮化物夾雜。⑵變形能力分類：脆性夾雜物、塑性夾雜物、點狀不變形夾雜。⑶尺寸分類：超顯微夾雜物（≤1μm）、顯微夾雜物（1--100μm）和宏觀夾雜物（＞100μm）。⑷標準分類：A類夾雜物（硫化物類）B類夾雜物（氧化鋁類）C類夾雜物（硅酸鹽類）D類夾雜物（球狀氧化物類）DS類夾雜物（單顆粒球狀類）⑸來源分類：按照來源分類可分為外來夾雜物和內生夾雜物。

1.2夾雜物的危害

⑴夾雜物與裂紋的形成。均質材料在承受單向拉伸時，在與拉伸方向相垂直的橫截面上，應力的分布是均勻的。如果在材料中有非金屬夾雜物，則應力分布不再是均勻的，會出現應力集中現象，破壞了金屬材料的連續性。由于基體金屬與夾雜物的線性膨脹系數不同，在某些夾雜物周圍形成復雜的應力場或無負荷應力場，所以夾雜物常被視為顯微裂紋的發源地。

⑵夾雜物對鋼材塑性和韌性影響。金屬基體材料受力時，內部的塑性變形和斷裂這兩個基本過程決定著鋼材的多種力學性能。鋼材受熱加工時夾雜物要發生形變（如成為條帶），鋼材的斷面收縮率明顯下降，增大了材料力學的各向異性。夾雜物對韌性的影響則表現為降低鋼材的抗沖擊破壞能力，在金屬的變形過程中，夾雜物不能隨金屬基體相應的發生變形，在其周圍產生應力集中，使夾雜物破碎或使夾雜物同基體的聯結遭到破壞，二者脫離產生裂紋進而發展為空洞不斷擴大最終導致斷裂。

⑶夾雜物對疲勞性能的影響。材料承受一定的重復或者交變應力，經過多次循環后發生破裂的現象稱為疲勞。夾雜物對其影響可分為三類：發生在夾雜物周圍的疲勞裂紋、夾雜物本身斷裂導致的裂紋和夾雜物與基體邊界剝離引起的疲勞裂紋，一般來說第三種較為常見。夾雜物影響疲勞壽命降低的程度由強到弱的順序是：大尺寸點狀不變形夾雜物、剛玉（Al2O3）、點狀不變形夾雜物、半塑性硅酸鹽夾雜物、塑性硅酸鹽夾雜物和硫化物。夾雜物對疲勞壽命的影響差別原因在于夾雜物在鋼的熱變形加工溫度下的塑性影響、基體與夾雜物的變形影響、線膨脹系數差值影響、夾雜物的大小和分布影響。

⑷除夾雜物外硫、磷、氮、氫等對鋼材都有影響，本文不做討論。

1.3夾雜物的來源

外來夾雜物是冶煉到澆注生產過程中由外部進入鋼液的耐火材料或熔渣等留在鋼中造成的。一般外來夾雜物的特征是外形不規則、尺寸比較大和分布不均勻。外來夾雜物多對應鋼包頂渣、耐火材料、保護渣等的成分。內生夾雜是在液態或固態鋼內，由于脫氧或凝固過程中進行的物理化學反應而生成的，主要是一次氧化產物和二次氧化產物。內生夾雜物的顆粒一般比較細小，分布相對均勻，尺寸和數量呈正比。

1.3.1煉鋼轉爐出鋼過程中夾雜物增加的原因

⑴煉鋼爐渣進入鋼包。⑵加入爐料時帶入的夾雜。⑶脫氧產物。⑷出鋼脫氧過程中鋼包頂渣P₂O₅還原。⑸鋼包耐火材料熔損。⑹鋼包吹氬量過大造成卷渣。

1.3.2 LF爐精煉過程中夾雜物增加

⑴LF爐精煉過程中喂鋁線會使鋼中Al₂O₃夾雜物增加。⑵二次或三次脫氧產物增加了鋼中脫氧產物。⑶鋼包耐火材料的熔損增加了鋼中的夾雜物。⑷LF爐大量增碳操作。

1.3.3連鑄工序夾雜物增加

⑴系統的密封程度不嚴。⑵中包覆蓋劑選型不符合鋼種要求。⑶中間包流場不順和中間包液面高度不足。⑷結瘤物進入結晶器。⑸保護渣卷入。⑹浸入式水口插入深度過淺。

1.4減少鋼中夾雜物的有效措施

⑴選用優質鐵水。⑵選擇合適的冷料。⑶選擇合適的造渣料。⑷強化合金管理。⑸保持系統設備運行正常。⑹降低初煉鋼水含氧量。⑺減少二次氧化。⑻促進鋼中非金屬夾雜物上浮。⑼改善夾雜物上浮的動力學條件。⑽提高頂渣吸附夾雜物的能力。⑾強化夾雜物上浮的工藝措施。⑿防止卷渣。⒀提高鋼包、中間包等耐火材料質量。

2  鐵水預處理工藝技術

2.1  鐵水預處理脫硫

冶金工作者從20世紀70年代開始研發并廣泛應用了鐵水預處理工藝脫磷、脫硅、脫硫。有資料表明，在高爐、預處理、轉爐、爐外精煉裝置中脫除1KG硫，其費用比值為2.6:1:16:6.1，可見鐵水預處理脫硫與另外三種工序脫硫成本最低。鐵水預處理脫硫工藝很多，按其脫硫劑的投入方式可分為鋪撒法、轉鼓法、搖包法、沉降法、攪拌法和噴射冶金法。目前主流的是機械攪拌法和噴吹法，分別應用于鐵水包和魚雷罐脫硫。

2.1.1KR機械攪拌法

機械攪拌法是將攪拌器（也稱攪拌槳）沉入鐵水中旋轉，在鐵水包中央形成錐形漩渦，使投入的脫硫劑與鐵水充分混合，促進脫硫反應的進行。KR脫硫法優點：投資少；對鐵水溫度要求高（1350℃）；攪拌力大脫硫反應的動力學條件好；脫硫效果好，可以將鐵水［S］脫到0.001%；脫硫期間幾乎沒有噴濺；攪拌時間短（15—20min）；脫硫渣易扒出。KR脫硫法缺點：脫硫劑消耗大（4—10kg/t），渣量大，扒渣鐵耗多（0.5--4kg/t），降溫大（30—40度）；攪拌頭費用高（2—3元/t）脫硫劑成本（10—25元/t）。

表1 無碳脫硫劑技術指標

KR法脫硫使用含碳脫硫劑的成分是：石灰粉90%，螢石粉5%，含碳量5%。

Caf2沒有脫硫作用，但能改變渣的黏度，改善脫硫反應的動力性條件。石灰粉必須進行鈍化處理。脫硫劑的加入量、加入時間、加入方向、攪拌深度均影響脫硫效果，應在生產實踐中根據本廠條件確定。

2.1.2噴吹法鐵水預處理

噴吹法脫硫的基本原理是以一定壓力和流量的干燥空氣或惰性氣體如氮氣為載體與脫硫劑混合后經噴槍吹入鐵水中，同時載氣和脫硫劑的沖擊與上浮能夠帶動鐵水流動，起到攪拌作用。噴吹法分為單噴法和復合噴吹法。

2.1.2.1單噴法

單噴法是將粒度為0.5—1.5mm的顆粒金屬鎂經鈍化處理后儲存到密封的噴粉罐，預處理脫硫時由噴粉罐將鎂粉經帶有汽化室的噴槍由鐵水罐下部（距罐底200—300mm）噴入鐵水中。鎂在鐵水中溶解度很小，其沸點是1088℃，故在鐵水溫度下以氣態存在，為防止鎂在鐵水中瞬間汽化而引起鐵水噴濺，在噴槍出口處設計了汽化室。

2.1.2.2復合噴吹法

復合噴吹法在單噴法的基礎上增加一套石灰粉噴吹系統，按CaO和Mg之比為2—4進行復合噴吹。當CaO/Mg值大于9時，大量的石灰粉參與了脫硫反應，就會出現噴吹時間長、粉劑消耗量大、溫降大、鐵耗增加現象，很難實現深脫硫。

表2 三種脫硫方法特點對比

2.2鐵水預處理脫磷

鐵水預處理脫磷噴粉法類似于脫硫噴吹法，脫磷劑主要成分為CaO和Fe₂O₃，由于鐵水［Si］先于［P］與脫硫劑中的Fe₂O₃反應，造成鐵水溫降大，脫磷后渣量大、鐵耗增加有時發生噴濺，鑒于以上原因，鐵水預處理脫磷應用不廣。

3   轉爐高效低成本生產

3.1  轉爐高效低成本造渣技術

轉爐開吹后大量冷態石灰加入，石灰表面立即生成一層渣殼，石灰表面FeO會與石灰原有組成部分（CaO、SiO₂）等形成遠低于CaO熔點（2600℃）的固溶體或共晶體并向石灰塊孔隙內擴散，置換結點上的Ca并形成低熔點相。所以石灰熔解不是因為高溫熔化，而是石灰中的CaO與渣中FeO、SiO₂等形成新相低熔點化合物而熔解。吹煉中期如果槍位過低，渣相中的MnO、FeO的濃度降低，石灰塊表層附近渣相中鈣鎂橄欖石中FeO和MnO被CaO置換，形成2CaO· SiO₂,其熔點達2130℃而且結構致密，嚴重阻礙石灰熔解。繼續吹煉熔渣堿度上升至2.8—3.2時，渣中2CaO·SiO₂達到過飽和狀態成彌散固相析出。快速的脫碳反應消耗了爐渣中FeO，若處理失當，渣中FeO銳減，熔渣熔點上升，彌散析出的2CaO· SiO₂和渣中原有未熔顆粒共同作用下，熔渣黏度劇增，這就是反干現象。如果采用高槍位吹煉，石灰表面橄欖石含CaO較高，不會形成純2CaO·SiO₂而且質地疏松，無礙于石灰繼續熔解，這實際是處理爐渣反干時提槍向渣中補充FeO的吊吹方法。

煉鋼就是煉渣，只有在熔池中迅速的形成熔點、黏度、成分合適的熔渣才能使轉爐順利的完成脫磷、脫硫、脫碳及去除夾雜任務。

3.1.1加速石灰熔化措施

3.1.1.1采用活性石灰造渣

活性石灰與普通石灰相比，有更高的反應能力，表面沉積的C2S外殼不致密、易剝落，可加速石灰熔解。粒度越細小，石灰的活性度越高；質地越疏松孔隙率越高；比表面積越大，反應能力也越強，吹煉中成渣速度越快。

表3 國內外石灰標準

⑴終渣堿度按3計算，石灰每含一個單位的SiO₂，則需要3個單位CaO與之中和。⑵石灰硫含量在0.05%--0.1%時，鋼水硫含量增加不大于0.001%，而石灰硫含量超過0.1%時，鋼水硫含量增加在0.002%--0.005%之間。⑶一般情況下，鐵水硅含量超過0.6%每增加0.1%，石灰消耗增加10kg/t。

3.1.1.2復合造渣劑的使用

轉爐開始吹煉時，先是Si、Mn、P氧化，隨后才是Fe氧化，只有爐渣中生成足夠量的（FeO），才能促使石灰熔化，這一時間約3分鐘，不僅成渣時間長、鐵耗多而且低堿度的爐渣對爐襯侵蝕嚴重。因此許多煉鋼廠采用復合造渣劑，縮短成渣時間，降低鐵耗和石灰消耗。復合造渣劑沒有嚴格技術指標要求，根據各廠的工藝及廢棄物現狀來確定。組成物質有含鐵廢料、氧化錳粉、石灰和輕燒白云石、螢石粉等篩下物。

表4 復合造渣劑指標

復合造渣劑加入20kg/t時可縮短轉爐冶煉時間約30—35s/爐，降低鋼鐵料消耗1—2kg/t，降低石灰消耗3—5kg/t，提高轉爐爐襯壽命，促進冶煉前期脫磷，促進循環經濟。

3.1.2石灰石造渣工藝效果

石灰石造渣可節約能源2000kJ/kg，每燒成1kg石灰減排0.41kg二氧化碳，節約氧氣約8%。但石灰石冷卻效應高，每加入1t石灰石減少1.5t廢鋼。加入時機50%石灰石隨第一批料加入，剩余50%隨第二批料多次加入效果最好。石灰石代替石灰比例一般以20%--60%為宜。

3.1.3 SGRS留渣+雙渣工藝

SGRS工藝特點：一是將倒渣時間由原來濺渣護爐后改為吹煉開始后4--5分鐘；二是將石灰加入時間由原來開吹后改為新工藝的倒渣后。其目的是充分利用上一爐冶煉后期的高堿度、高氧化性、P₂O₅含量比較低的爐渣在下一爐開吹后的低溫狀態下進行脫磷。運行幾爐或十幾爐后終渣P₂O₅含量積累越來越高，脫磷能力變差出鋼后需徹底出渣開始下一個循環。應用SGRS工藝應做到爐渣固化及確認，保證安全。出鋼時盡量不要剩鋼；快速濺渣加大氮氣流量延長吹氮時間，強化爐渣冷卻。濺渣護爐后立即向爐內加入輕燒白云石、鎂球或石灰固化爐渣，來回反復搖爐確認爐渣已經固化，方可加廢鋼、兌鐵。開吹后采用低槍位（降低100—200mm）、高供氧強度3.0m³/(min·t)以上，脫磷結束時，提高槍位增加渣中表面活性組元（FeO）含量，加強爐渣泡沫化程度有利于快速倒渣。

表5 SGRS留渣+雙渣工藝與原始工藝效果對比（%）

采用SGRS留渣+雙渣工藝中間有一次倒渣影響煤氣回收，對于干式除塵的工廠嚴防泄爆。

3.2轉爐頂底復吹技術

轉爐底吹供氣元件多采用環縫式供氣原件，氣源多采用氮氣、氬氣。透氣元件通常布置在0.4D（D為爐膛直徑）的同心圓上。底部供氣元件要加強維護，如出鋼后透氣元件位置在1—2min很快變黑邊緣清晰，證明透氣元件透氣性良好。如透氣元件位置變黑速度很慢≥5分鐘，黑色教淺面積較大邊界不清則證明透氣元件透氣性不良。如長時間不變黑，證明透氣元件已經不透氣了。因此爐底高度波動要控制在±200mm內。

表6 某廠冶煉碳鋼底吹供氣強度

表7 某廠120t轉爐頂吹和復吹轉爐煉鋼工藝效果對比

現場數據統計復吹轉爐煤氣回收增加10 m³/t，蒸汽回收增加3 m³/t。

3.3脫氧合金化技術

目前常見的脫氧劑，脫氧能力由強到弱依次為鈦、鋁、鋇、硅、碳、錳、釩、鉻，大部分優質鋼采用鋁作為脫氧劑使用，個別建筑材料及高硅、高錳鋼還沿用硅、錳脫氧。

3.3.1鋁質脫氧劑

當鋼液中的鋁化學當量超過氧時，產物為Al₂O₃，鋁可以起到降低失效傾向和細化粒作用，提高鋼的屈服強度和沖擊韌性，但純鋁密度小易上浮與空氣中氧燃燒，利用率低。

復合脫氧劑種類很多有硅鋁鐵、硅鋁鋇、鋁錳鐵、鋁鎂鈣等，其中最佳元素組合是Ca和Al，Ca提高了Al的脫氧能力，達到同樣脫氧效果時減少鋁的消耗量，同時Al減少了Ca的揮發損失（單質揮發，復合不揮發）。加入適量Mg，其原子半徑大，在鐵液中溶解度低，熔解速度慢，但與氧反應速度快，易先生核，促進Ca和Al的脫氧，降低［Ca］和［Al］的溶解度。

3.3.2碳質脫氧劑

電石CaC2和鋁質脫氧劑一起使用時，其純度不小于80%情況下，可頂替本身重量50%金屬鋁。電石脫氧產物是CaO和CO₂對鋼水沒有污染。生成的CaO有可能和鋁的脫氧產物Al₂O₃生成低熔點的鋁酸鈣，有利于夾雜物上浮。生成的CO₂可以對鋼液起到攪拌作用，促進夾雜物上浮。對鋼水有脫硫作用，脫硫率達17%--40%。電石運輸存儲有嚴格要求，一般情況下，電石與鋼包合成精煉渣配合使用。

3.3.3擴散脫氧

擴散脫氧優點是脫氧產物不是在鋼液中生成而是在渣相中生成，對鋼水沒有污染。缺點是脫氧過程依靠氧化鐵自鋼液向渣相擴散，過程及其緩慢、耗時、耗能。

3.3.4喂線脫氧

喂線機將鋁線等高速插入鋼水中，鋁線插入鋼液1m深以內已經全部熔化，分布極不均勻，脫氧速度較慢，部分鋁液可能上浮到渣面，甚至被空氣氧化。脫氧產物不易絮凝、長大、上浮和去除。實踐證明對于脫氧來說不是一個好方法，但作為微調鋼中鋁含量是可行的。

3.3.5脫氧產物排除

由鋁反應式可知，每加1kg/t脫氧劑，將產生脫氧產物Al₂O₃1.89kg/t，濃度為0.189%，熔點2050℃密度3.6g/cm³尺寸小于50μm的固相顆粒物。為促進其上浮可采用以下辦法⑴脫氧劑集中并一次性加入。⑵配加鋼包精煉渣。⑶對頂渣進行渣洗。

4  爐外精煉工藝

4.1鋼包精煉渣

鋼包精煉渣必須有較低的熔點、合適的黏度、良好的流動性，如果強調脫氧脫硫采用高堿度精煉渣嚴格控制SiO₂的含量提高CaO含量；為了降低高堿度精煉渣的熔點，適當增加Al₂O₃和CaF₂的含量；如果進一步強化脫氧和脫硫效果，還可以配加一定量的金屬鋁、電石等；如果為減少精煉渣對鋼包耐火材料的侵蝕可添加輕燒鎂粉。大量實踐證明生產鋁鎮靜鋼時加入精煉渣可以促進鋼中一次脫氧產物（Al₂O₃）去除，解決連鑄水口結瘤問題效果顯著。

表8 鋁脫氧鎮靜鋼精煉渣理化指標

如果生產簾線鋼對DS類夾雜夾雜要求極為苛刻的硅脫氧鋼種，要嚴格控制鋼中［Als］和渣中（Al₂O₃）的含量（不大于8%），堿度在0.6—1.1之間不能含金屬鋁。

表9 簾線鋼精煉渣理化指標

4.2頂渣改質劑

轉爐在出鋼過程中出鋼下渣、耐火材料沖刷或脫氧反應生成的脫氧產物在鋼包內形成大量熔融狀態的爐渣，隨時可能重新返回鋼水而成為鋼水中的夾雜物，如回磷、回硫、回硅、增氧等對鋼材質量產生不良影響。而出鋼后向鋼包加入頂渣改質劑，可以對頂渣進行深脫氧，改變頂渣的組成，強化頂渣吸附Al₂O₃等夾雜物能力，減輕LF爐精煉負擔，提高鋼包壽命。

表10 稀釋性頂渣改質劑成分理化指標

表11  脫氧、脫硫型頂渣改質劑成分

經頂渣改質后處理后頂渣氧化性很低，一般情況下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%，最低時鋼渣中W(TMnO+TFeO)≤1%，鋼中的氧和夾雜物大量被去除。對于普通鋼種（熱軋板低于或等于SPHC級別的）鋼種，可通過軟吹氬不經LF爐處理直接送去連鑄。對于一些必須精煉鋼種也可以縮短精煉時間，減少電耗，降低生產成本，提高生產效率。

表12 應用精煉渣及頂渣改質劑后頂渣成分變化（平均值）

應用精煉渣及頂渣改質劑后幾乎成為白渣，達到精煉效果，某廠100t轉爐生產軸承鋼使用此工藝各項夾雜物均有所降低，效果明顯。日本JFE公司生產汽車板時頂渣改質劑的成分CaO20%、CaCO₃30%、金屬鋁50%。

4.3 LF爐緩釋脫氧劑

LF爐擴散脫氧劑多為粉狀利用率低下，原因一是部分粉劑被除塵抽走；二是部分粉劑在電弧的高溫區與進入LF系統的空氣中的氧發生氧化反應；三是粉狀脫氧劑落到渣面不均勻、成塊成堆，反應不徹底、不均衡。為此有人將鋁粉改為鋁粒（段），硅鐵粉改為小硅鐵塊，但塊狀脫氧劑反應不均衡，與鋼液直接接觸，甚至會增硅，滿足不了擴散脫氧需求。

馬春生等研究認為將貴重的脫氧材料包裹在球形渣料之中，既不能被除塵系統抽走，也不能在電極高溫區氧化燃燒，只有進入熔渣熔化脫氧劑才緩慢釋放出來。

表13 緩釋脫氧劑的理化性能指標（質量分數%）堆密度1.0g/cm³粒度1—3cm

強緩釋脫氧劑主要功能是深脫氧、脫硫、凈化鋼液。弱緩釋脫氧劑主要功能造渣埋弧、滿足升溫同時對爐渣有一定的脫氧作用，提高其它合金收得率。

表十四 不同造渣方法終渣主要成分變化比較（質量分數%）

5  鋼中鋁含量的控制及鈣處理技術

5.1鋼中鋁含量的控制

鋁在鋼中除深度脫氧和細化晶粒改善鋼的性能外鋁還是定氮劑，降低低溫脆性轉變溫度，提高鋼在低溫下的韌性。不同鋼種對鋁的含量要求不同，如簾線鋼要求不變形點狀夾雜（D類）都要小于0.5級，不希望出現B類（Al₂O₃）和鋁酸鈣不變形夾雜，要求夾雜物硬性度很低，鋼中［Al］含量在0.001%以下，最好在0.0005%以下。低碳或超低碳鋁鎮靜鋼用鋁脫氧，但鋁質脫氧劑加入量過多，生成Al2O3夾雜增多，增加鋼中不變形點狀夾雜物數量，嚴重影響鋼的質量。一般認為鋼中的［Al］含量為0.015%--0.2%時，［O］含量已達到0.0005%。特殊鋼如38CrMoAl成品鋁含量為0.7—1.1%，應該在精煉后采用沉降工藝加入。

5.2鈣處理對非金屬夾雜物變性的技術

鋁脫氧產物的數量和形狀是連鑄中間包水口堵塞的主要原因，鈣處理是向鋼水中加入鈣從而對鋼水進一步脫氧、脫硫、控制鋼中夾雜物形態的技術。在鋼水中加入鈣元素使鋼中高熔點固相Al₂O₃轉變為低熔點液相的鋁酸鈣夾雜，容易絮凝、長大、上浮和去除。但在鈣處理時如果加入鈣量不足，將會生成高熔點的鋁酸鹽夾雜物，反而會會造成壞的影響。若果鈣處理強度太大，鋼液表面翻騰，鋼液與渣之間反應形成富氧化鋁的鋁酸鈣夾雜或MgO--Al₂O₃尖晶石。如果含硫量要求比較高的鋼種，當鋼中［S］含量超過0.02%、［Al］含量在0.02—0.04%，喂鈣量多會生成CaS，同樣會增加水口結瘤幾率。綜上所述，喂鈣量必須依據鋼中［Al］、［S］含量進行調整，一般認為如果W［Ca］/ W［Al］控制在0.09—0.11就可以大量減少水口結瘤的幾率，夾雜物的形態也能得到很好的控制。對于含硼鋼和稀土鋼，LF爐精煉后盡量不要進入VD爐進行脫氣處理，因為在VD爐處理過程中由于底吹氬氣的強烈攪拌，頂渣進入鋼液增加鋼中稀土氧化物或含硼的夾雜，容易造成水口結瘤。

6  潔凈鋼連鑄技術

6.1中間包覆蓋劑的優化

中間包覆蓋劑要有保溫和隔絕空氣功能、吸附夾雜功能、對中間包耐火材料侵蝕較小。因此對于采用不同脫氧劑的鋼種，應根據吸附不同的脫氧產物使用不同的中包覆蓋劑。

6.1.1酸性覆蓋劑

酸性覆蓋劑（R≈0.7）和中性（R≈0.9—1.2）覆蓋劑的特點是堿度低、熔點低、不結殼隔絕空氣好但在鋼液表面成熔融狀態，輻射散熱大，影響保溫效果。酸、中性覆蓋劑含有較多的SiO₂ 和CaF₂對中間包和塞棒侵蝕嚴重，其SiO₂可能被鋁還原，使鋼中增硅增氧W(SiO₂)≥10%最大增硅量可達0.012%，沒有吸附Al₂O₃能力，不適用于生產鋁鎮靜鋼，適用生產如高速鐵軌鋼、簾線鋼等。

6.1.2堿性覆蓋劑

堿性覆蓋劑雖然解決了吸附夾雜、鋼水增硅的問題但熔點高，易結殼，開裂后減弱了覆蓋劑保溫和隔絕空氣功能。因此適當加入CaF₂調整熔點，推薦以預熔的7 Al₂O₃·12 CaO為基體配加8%左右MgO造空心球。

表15 推薦中包覆蓋劑成分

6.2防止結晶器卷渣技術

連鑄坯表面缺陷的產品中有1/3是因為結晶器卷渣造成的。結晶器卷渣的形式可能是，浸入式水口流出的注流向上回流過強，穿透渣層面把渣子卷入液體中；靠近水口周圍的渦流把渣子卷入；沿水口周圍上浮的氣泡過強，攪動鋼渣界面把渣子卷入；鋼水溫度低，保護渣結殼或未熔融渣卷入；中間包液位太淺（≤600mm）中間包內的浮渣或夾渣被水口渦流抽引進入結晶器，未來得及上浮而留在坯中；浸入式水口插入深度太淺時從浸入式水口出來的上升鋼流距離保護渣太近，攪動保護渣層而造成的卷渣。

結晶器卷渣預防措施⑴確定合理的浸入式水口傾角，以出口流股不攪動彎月面渣層為原則。⑵確定最佳插入深度，根據不同的坯型和鋼種浸入式水口插入深度選擇120—150mm，可減少表面卷渣，但縱裂紋指數有所增加。⑶選擇靈敏可靠的液面控制系統，要求結晶器液面波動不超過±3--5mm。⑷中間包水口、塞棒吹入氬氣的流量合適。⑸選擇合適的保護渣，液渣層8—12mm，可避免未熔化渣卷入。⑹換包時候保證中間包液面深度不低于600mm。⑺利用電磁攪拌技術可以強制彎月面處鋼液以水平方向運動阻礙卷渣。⑻減少水口結瘤，防止水口結瘤物脫落后進入結晶器改變流場。

6.3國內外中間包先進技術

⑴電磁驅動離心流動中間包，簡稱“CF中間包”，由圓筒旋轉室和矩形分配室組成，容積比1:4.澆注時由長水口進入旋轉室，鋼水受電磁力驅動做離心流動，然后從旋轉室底部進入矩形分配室澆注。其鋼水混合能量是普通中間包100倍。旋轉攪拌產生的二次流動阻礙了原料重力方向上的流動，有效抑制流動短路發生，有利于夾雜物的上浮和分離。日本川崎鋼鐵公司使用此工藝與傳統工藝相比鋼中總氧含量由（20--40）×10^-6降低至10×10^-6，大小顆粒夾雜物都有明顯減少。⑵通道感應加熱中間包，分為注入室和分配室，兩室之間通過埋有通電線圈磁鐵芯的通道相連，線圈通電后鐵芯產生交變磁場，由注入室向分配室的鋼水通過通道時產生感應電流，感應電流在鋼水中組成回路，將鋼水加熱。中間包加熱能夠將過熱度控制在理想狀態0--15℃范圍內，實現等溫、低過熱度澆注，適當降低轉爐出鋼溫度，提高轉爐壽命，降低成本。日本川崎鋼廠采用此技術溫控精度為目標溫度±2.5℃，SUS304（0—20mm）大型夾雜物減少25%--50%。

6.4電磁攪拌技術

電磁攪拌技術借助在鑄坯液相穴內感生的電磁力強化液相穴內鋼水的運動，強化鋼水對流、傳熱和傳質過程，控制鑄坯的凝固過程，在改善鑄坯表面、皮下和內部質量、解決中心疏松、中心縮孔和減少偏析有顯著工藝效果。根據安裝位置不同分為結晶器電磁攪拌M-EMS（作用是減少表面和皮下夾雜物、氣孔，擴大等軸區但對減少中心偏析作用不充分）、二冷區電磁攪拌S-EMS（作用是消除“亮帶”、減少中心偏析和疏松）、凝固末端電磁攪拌F-EMS（作用是打斷柱狀晶搭橋、細化等軸晶，有效改進鑄坯內部結構）。根據不同鋼種可采用不同的組合選擇。電磁攪拌主要參數：⑴電磁攪拌電流強度增大，等軸晶率增加，攪拌強度超過某個值時，等軸晶率效果飽和。⑵攪拌頻率越大等軸晶比例越小但頻率影響程度和電流強度影響相比較為平緩。⑶M-EMS間歇變相攪拌教正向攪拌在減少中心疏松、光亮帶和縮孔方面效果顯著。

7  結論

⑴、夾雜物對鋼材韌性、塑性、裂紋、疲勞性能均有所影響，通過有效措施可以減少夾雜物，從而降低其危害。

⑵、在高爐、預處理、轉爐、爐外精煉裝置中脫除1KG硫，其費用比值為2.6:1:16:6.1，鐵水預處理脫硫與另外三種工序脫硫成本最低。由于鐵水［Si］先于［P］與脫硫劑中的Fe₂O₃反應，造成鐵水溫降大，脫磷后渣量大、鐵耗增加有時發生噴濺，鑒于以上原因，鐵水預處理脫磷應用不廣。

⑶、石灰粒度越細小，質地越疏松吹煉中成渣速度越快。石灰硫含量超過0.1%時，鋼水硫含量增加在0.002%--0.005%之間。石灰石造渣加入時機50%石灰石隨第一批料加入，剩余50%隨第二批料多次加入效果最好。石灰石代替石灰比例一般以20%--60%為宜。

⑷、轉爐脫磷可采用復合造渣劑和SGRS留渣+雙渣工藝。轉爐頂底復吹技術各項指標優于頂吹轉爐，底吹供氣元件使用重在維護。

⑸、純鋁密度小易上浮與空氣中氧燃燒，利用率低。喂線脫氧對于脫氧來說不是一個好方法，但作為微調鋼中鋁含量是可行的。復合脫氧劑中鋁鎂鈣是最佳元素組合，電石CaC₂和鋁質脫氧劑一起使用時，其純度不小于80%情況下，可頂替本身重量50%金屬鋁。

⑹、無特殊成分要求的鋁鎮靜鋼中的［Al］含量為0.015%--0.2%時最佳，鈣處理時如果W［Ca］/ W［Al］控制在0.09—0.11就可以大量減少水口結瘤的幾率，夾雜物的形態也能得到很好的控制。

⑺、經鋼包精煉渣和頂渣改質后處理后頂渣氧化性很低，一般情況下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%，最低時鋼渣中W(TMnO+TFeO)≤1%。對于普通鋼種（熱軋板低于或等于SPHC級別的）鋼種，可通過軟吹氬不經LF爐處理直接送去連鑄。LF爐應用緩釋脫氧劑對比傳統擴散脫氧劑既不能被除塵系統抽走，也不能在電極高溫區氧化燃燒效果顯著。

⑻、對于采用不同脫氧劑的鋼種，應根據吸附不同的脫氧產物使用不同的中包覆蓋劑。

⑼、連鑄坯表面缺陷的產品中有1/3是因為結晶器卷渣造成的，做好結晶器卷渣預防措施對于提高連鑄坯表面質量意義重大。

⑽、電磁驅動離心流動中間包其鋼水混合能量是普通中間包100倍，有利于夾雜物的上浮和分離。通道感應加熱中間包夠將過熱度控制在理想狀態0--15℃范圍內，減少大型夾雜物。⑾、電磁攪拌M-EMS間歇變相攪拌教正向攪拌效果好，電磁攪拌組合式應用教單一式應用效果較好。                    

參考文獻

［1］孫中強. 鐵水預處理工藝及理論研究［D］.沈陽：東北大學，2006

［2］殷瑞鈺.合理選擇二次精煉技術，推進高效低成本“潔凈鋼平臺建設”［J］.煉鋼，2010,2:1～9

［3］馬春生.低成本生產潔凈鋼的實踐［M］.北京：冶金工業出版社，2016,2

［4］李自權，李宏，郭洛方，等.石灰石加入轉爐造渣的行為探討［J］.煉鋼，2011,2:33～35.

［5］姜敏，陳斌，王新華，等.耐火材料對超低氧特殊鋼中低熔點夾雜物生成的影響［C］.煉鋼年會，2014

［6］李陽，姜周華，姜茂發，等.精煉渣對鋼水脫氧效果影響的實驗研究［C］.十二屆全國煉鋼學術會議論文集：267～271

［7］于艷，劉俊江.結晶器電磁攪拌對連鑄坯質量的影響［J］.鋼鐵，2005，2.

［8］蔡開科. 連鑄坯質量控制［M］.北京：冶金工業出版社，2010