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（1、新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830022；2.新疆八一钢铁股份有限公司）
[摘 要]本文在概述钢中非金属夹杂物的类型及来源基础上，阐述了生产过程中非金属夹杂物控制技术的研究进展。
[关键词]非金属夹杂物；炼钢；连铸；中间包；炉外精炼
中图分类号：TF7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0255-01
引言
随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要求也越来越高。非金属夹杂物作为独立组分存在于钢中，破坏了钢基本的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。
1.钢中非金属夹杂物的来源分类
1.1 内生夹杂物
钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质在降温和凝固时，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。
1.2 外来夹杂物
钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留在钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用的夹杂物[1]。如炉料表面的砂土和炉衬等金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的溶剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
2.钢的洁净度
一般用鋼中的总氧含量T[O]表示钢的洁净度，可用其来评估钢中夹杂物的含量，总氧可以表示为T[O]= [O]溶+[O]夹杂。在转炉出钢时，由于溶解氧含量较高，T[O]代表了钢水中的[O]溶，而加入脱氧剂后与脱氧元素平衡的溶解氧含量很低，故此时的T[O]实际上代表了钢中夹杂物的水平。减少钢中杂质含量，提高钢的洁净度以显著地改善钢材的延性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能[2]。
图1和图2分别为生产20G、36‰2V、X42、37Mn5、12Cr2MoWVTiB和SA-210C没有经过、VD处理和经过VD处理各工序平均T[0]的变化。
市场对洁净钢的需求逐年增加，除了要求降低钢中非金属氧化物夹杂含量和控制其形态、化学成分及尺寸分布外，还要求降低钢中杂质元素（如：S、P、H、N、甚至C）和痕量元素（如：As、Sn、Sb、Se、Cu、Pb及Bi）含量。
3.非金属夹杂物控制研究进展
3.1 炼钢过程对夹杂物控制的研究进展
钢包脱氧工艺主要包括脱氧剂种类、数量及加入方式等。使用硅铝铁和硅钙合金作为脱氧剂和使用硅铝钡作为脱氧剂是两种脱氧工艺[3]。
表1是两种脱氧方式的对比。通过实验发现，硅铝铁和硅钙合金组合脱氧，效果要比硅铝钡合金好，两者相比，前者可以使铸坯中夹杂物含量减少19%。
钢包吹氮可以起到两方面的作用：促进钢水成分均匀化和脱氧产物上浮。钢包吹氮实现熔池内部强制对流，有利于脱氧产物聚集长大，向金属一熔渣及金属一炉衬相界面迁移，从而提高夹杂物的排除速度[4]。
表2是钢包吹氮对夹杂物的影响。从表中可以看出，钢包吹氮对铸坯中非金属夹杂物数量的影响与中间包的材质有关，对镁质中间包，钢包吹氮后，铸坯中非金属夹杂物数量减少，与不吹氮相比，夹杂物数量减少4l%。而对硅质中间包来说，钢包吹氮后，铸坯中非金属夹杂物数量反而升高。
3.2 连铸过程对夹杂物控制的研究进展
炼钢生产过程中的最终产品是钢坯，钢中非金属夹杂物影响着钢坯的各种性能，保护渣吸附夹杂物的能力直接影响着钢坯的质量。
保护渣在连铸过程中起如下的作用：（1）防止钢液面受到空气的再氧化；（2）避免了夹杂和横向裂纹；（3）控制热量传递，并起润滑作用；（4）调节结晶器和坯壳间的传热；（5）保护渣能够吸附、溶解上浮夹杂物；（6）可防止结晶器钢液面的热辐射，避免钢液面形成“结块”或“流冰”即液面凝壳[5]。
大量研究表明，连铸中的大型夹杂物主要来源于中间包，中间包内钢液温度和成分不均匀、夹杂物上浮不充分与铸坯的表面质量、内部质量有很大的关系。为了使中间包能够最大限度地改善钢液的流动状态、去除钢液中的夹杂物，在水模试验中采用了以下优化原则：
（1）延长出水口的响应时间tmin；
（2）延长出水口的平均停留时间ta；
（3）尽量增加活塞流区的体积分数V，和减少死区体积分数Vd；
（4）提高活塞流区体积分数与死区体积分数之比Vp、Vd。
蔡开科等在文献[12]中对中间包材质对钢水冶金效果的研究结果见表3；
从表3看出，中间包的材质对于夹杂物的影响。中问包使用镁质内衬与硅质内衬相比，使用镁质铸坯中非金属夹杂物数量明显减少，减少幅度为35%。由此可见，冶炼20MnSi钢，中间包材质对铸坯中的非金属夹杂物数量的影响是很大的，应该使用镁质中间包内衬。
此外，中间包钢水液面要维持在一定高度，利于钢水中的夹杂物有足够的时间上浮；相反，中间包钢水液面低，不仅钢水中的夹杂物不能排除，渣相中的渣反而容易被卷入钢水中，进入铸坯。中间包液面最低高度的确定，需要做详细的取样分析，但受生产的限制。
3.3 炉外精炼对夹杂物控制的研究进展
钢水中非金属夹杂物数量的减少主要依靠氩气泡搅动、钢水扰动等作用导致较小夹杂物聚集成较大夹杂物和较大夹杂物的上浮得以实现。经精炼处理，钢水中各粒度非金属夹杂物都减少，粒度越小越显著。吹氩、LF、RH等炉外精炼操作对去除钢液中非金属夹杂物作用明显[6]。 针对LF精炼炉渣系生产中遇到的问题主要有不合理、碱度高、氧化镁含量高、造成熔点高、流动性差、吸附夹杂物能力较差导致夹杂物等级偏高，采取渣洗法去除非金属夹杂物。渣洗法去除杂质，主要依靠两个方面。一种是钢中原有的夹杂物与乳化渣滴碰撞，被渣滴吸附、同化而随渣滴上浮排除；另一种是通过促进了脱氧反应产物的排出，使钢种的夹杂物数量减少[7]。
4.非金属夹杂物控制的研究前景
对于控制非金属夹杂物的研究，随着科技的发展有了很大程度的进步。比如对于薄板连铸坯中非金属夹杂物的控制，首先必须降低冶炼工序中夹杂物的生成量，同时促进夹杂物的上浮分离。其次是精炼、Ca处理及底吹工艺，防止钢液的二次氧化。再就是提高耐火材料质量，选用优质的中间包覆盖剂和结晶器保护渣，减少保护渣被卷入钢液中形成夹杂。
而如果钢中非金属夹杂物绝大多数为较低熔点夹杂物，可以显著改善钢材的抗疲劳破坏性能。对炉渣一钢液一夹杂物间相互作用进行的实验室研究发现，钢中MgO-Al2O3系高熔点夹杂物的比率随渣一钢反应时间增加而减少，采用含41%左右A12O3和CaO/SiO2比在6.5左右的炉渣，钢中大多數夹杂物位于较低熔点成分区域（≤1500℃）。工业试验发现，从改善钢材抗疲劳破坏性能出发，炉外精炼过程钢中MgO- Al2O3系夹杂物只要有足够外表层转变为较低熔点的CaO-MgO-Al2O3组成即可满足需要，而除了要利用LF精炼之外，RH真空处理甚至连铸过程的大量时间都可以被用于钢中夹杂物的较低熔点化转变。
超低氧含量弹簧钢中非金属夹杂物的控制，也有了新的进展。为了减小夹杂物对Al脱氧弹簧钢的危害，通过钢渣之间、钢液和夹杂物之间的反应尽快使脱氧产物Al2O3夹杂变性为低熔点的铝酸钙夹杂。连铸钢水过程温度制度完善后，在很大程度上提高了钢水过程温度控制的命中率，改善了铸坯中心偏析、中心疏松等内部质量，为确保连铸重点品种的质量稳定和全连铸生产的顺行提供了重要的技术支撑。
5.结束语
钢中非金属夹杂物含量虽然少，但对钢的性能影响极大。根据夹杂物的级别，综合判定钢的质量，进而找出规律，改进工艺，尽可能减少有害夹杂物的含量，提高产品质量。随着科技水平的不断提高，控制钢中非金属杂质的技术也会愈加成熟。
参考文献
[1] 国际钢铁协会编，中国金属学会译.洁净钢一洁净钢生产工艺技术（Clean Steel——the Produce Technology of Clean Steel）[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 王青，史维祥.采矿学[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[3] 高锦国，李京社，唐海燕，姜桂连.气瓶钢中非金属夹杂物研究[A].钢铁钒钛（IRON STEEL VANADIUM TITANIUM），2008，08：0017-05.
[4] 崔立镇.通过LF精炼炉控制钢中非金属夹杂物的实践[B].河北冶金（HEBEI METALLUILGY），2010，11（05）：0030-02.
[5] 宋华.连铸保护渣吸附夹杂能力浅析.黑龙江冶金（Heilongjiang Metallurgy），2010，9.
[6] Tang l-Lxiyan，Li Jingshe，Fu Jian.xun，d a/.Process 0f High—pressure Boiler Steel Produced by EAF—LF/VD—cc[j].Joumal of Beijing University of Science and Technology，2007，29（1）：89—91.
[7] 王晓晶.钢中非金属夹杂物控制的分析与探讨[A].山西冶金，2006，02：0021-03.
[摘 要]本文在概述钢中非金属夹杂物的类型及来源基础上，阐述了生产过程中非金属夹杂物控制技术的研究进展。
[关键词]非金属夹杂物；炼钢；连铸；中间包；炉外精炼
中图分类号：TF7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0255-01
引言
随着现代工程技术的发展，对钢的综合性能要求也日趋严格，相应地对钢的材质要求也越来越高。非金属夹杂物作为独立组分存在于钢中，破坏了钢基本的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。
1.钢中非金属夹杂物的来源分类
1.1 内生夹杂物
钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质在降温和凝固时，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。
1.2 外来夹杂物
钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留在钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用的夹杂物[1]。如炉料表面的砂土和炉衬等金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的溶剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
2.钢的洁净度
一般用鋼中的总氧含量T[O]表示钢的洁净度，可用其来评估钢中夹杂物的含量，总氧可以表示为T[O]= [O]溶+[O]夹杂。在转炉出钢时，由于溶解氧含量较高，T[O]代表了钢水中的[O]溶，而加入脱氧剂后与脱氧元素平衡的溶解氧含量很低，故此时的T[O]实际上代表了钢中夹杂物的水平。减少钢中杂质含量，提高钢的洁净度以显著地改善钢材的延性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能[2]。
图1和图2分别为生产20G、36‰2V、X42、37Mn5、12Cr2MoWVTiB和SA-210C没有经过、VD处理和经过VD处理各工序平均T[0]的变化。
市场对洁净钢的需求逐年增加，除了要求降低钢中非金属氧化物夹杂含量和控制其形态、化学成分及尺寸分布外，还要求降低钢中杂质元素（如：S、P、H、N、甚至C）和痕量元素（如：As、Sn、Sb、Se、Cu、Pb及Bi）含量。
3.非金属夹杂物控制研究进展
3.1 炼钢过程对夹杂物控制的研究进展
钢包脱氧工艺主要包括脱氧剂种类、数量及加入方式等。使用硅铝铁和硅钙合金作为脱氧剂和使用硅铝钡作为脱氧剂是两种脱氧工艺[3]。
表1是两种脱氧方式的对比。通过实验发现，硅铝铁和硅钙合金组合脱氧，效果要比硅铝钡合金好，两者相比，前者可以使铸坯中夹杂物含量减少19%。
钢包吹氮可以起到两方面的作用：促进钢水成分均匀化和脱氧产物上浮。钢包吹氮实现熔池内部强制对流，有利于脱氧产物聚集长大，向金属一熔渣及金属一炉衬相界面迁移，从而提高夹杂物的排除速度[4]。
表2是钢包吹氮对夹杂物的影响。从表中可以看出，钢包吹氮对铸坯中非金属夹杂物数量的影响与中间包的材质有关，对镁质中间包，钢包吹氮后，铸坯中非金属夹杂物数量减少，与不吹氮相比，夹杂物数量减少4l%。而对硅质中间包来说，钢包吹氮后，铸坯中非金属夹杂物数量反而升高。
3.2 连铸过程对夹杂物控制的研究进展
炼钢生产过程中的最终产品是钢坯，钢中非金属夹杂物影响着钢坯的各种性能，保护渣吸附夹杂物的能力直接影响着钢坯的质量。
保护渣在连铸过程中起如下的作用：（1）防止钢液面受到空气的再氧化；（2）避免了夹杂和横向裂纹；（3）控制热量传递，并起润滑作用；（4）调节结晶器和坯壳间的传热；（5）保护渣能够吸附、溶解上浮夹杂物；（6）可防止结晶器钢液面的热辐射，避免钢液面形成“结块”或“流冰”即液面凝壳[5]。
大量研究表明，连铸中的大型夹杂物主要来源于中间包，中间包内钢液温度和成分不均匀、夹杂物上浮不充分与铸坯的表面质量、内部质量有很大的关系。为了使中间包能够最大限度地改善钢液的流动状态、去除钢液中的夹杂物，在水模试验中采用了以下优化原则：
（1）延长出水口的响应时间tmin；
（2）延长出水口的平均停留时间ta；
（3）尽量增加活塞流区的体积分数V，和减少死区体积分数Vd；
（4）提高活塞流区体积分数与死区体积分数之比Vp、Vd。
蔡开科等在文献[12]中对中间包材质对钢水冶金效果的研究结果见表3；
从表3看出，中间包的材质对于夹杂物的影响。中问包使用镁质内衬与硅质内衬相比，使用镁质铸坯中非金属夹杂物数量明显减少，减少幅度为35%。由此可见，冶炼20MnSi钢，中间包材质对铸坯中的非金属夹杂物数量的影响是很大的，应该使用镁质中间包内衬。
此外，中间包钢水液面要维持在一定高度，利于钢水中的夹杂物有足够的时间上浮；相反，中间包钢水液面低，不仅钢水中的夹杂物不能排除，渣相中的渣反而容易被卷入钢水中，进入铸坯。中间包液面最低高度的确定，需要做详细的取样分析，但受生产的限制。
3.3 炉外精炼对夹杂物控制的研究进展
钢水中非金属夹杂物数量的减少主要依靠氩气泡搅动、钢水扰动等作用导致较小夹杂物聚集成较大夹杂物和较大夹杂物的上浮得以实现。经精炼处理，钢水中各粒度非金属夹杂物都减少，粒度越小越显著。吹氩、LF、RH等炉外精炼操作对去除钢液中非金属夹杂物作用明显[6]。 针对LF精炼炉渣系生产中遇到的问题主要有不合理、碱度高、氧化镁含量高、造成熔点高、流动性差、吸附夹杂物能力较差导致夹杂物等级偏高，采取渣洗法去除非金属夹杂物。渣洗法去除杂质，主要依靠两个方面。一种是钢中原有的夹杂物与乳化渣滴碰撞，被渣滴吸附、同化而随渣滴上浮排除；另一种是通过促进了脱氧反应产物的排出，使钢种的夹杂物数量减少[7]。
4.非金属夹杂物控制的研究前景
对于控制非金属夹杂物的研究，随着科技的发展有了很大程度的进步。比如对于薄板连铸坯中非金属夹杂物的控制，首先必须降低冶炼工序中夹杂物的生成量，同时促进夹杂物的上浮分离。其次是精炼、Ca处理及底吹工艺，防止钢液的二次氧化。再就是提高耐火材料质量，选用优质的中间包覆盖剂和结晶器保护渣，减少保护渣被卷入钢液中形成夹杂。
而如果钢中非金属夹杂物绝大多数为较低熔点夹杂物，可以显著改善钢材的抗疲劳破坏性能。对炉渣一钢液一夹杂物间相互作用进行的实验室研究发现，钢中MgO-Al2O3系高熔点夹杂物的比率随渣一钢反应时间增加而减少，采用含41%左右A12O3和CaO/SiO2比在6.5左右的炉渣，钢中大多數夹杂物位于较低熔点成分区域（≤1500℃）。工业试验发现，从改善钢材抗疲劳破坏性能出发，炉外精炼过程钢中MgO- Al2O3系夹杂物只要有足够外表层转变为较低熔点的CaO-MgO-Al2O3组成即可满足需要，而除了要利用LF精炼之外，RH真空处理甚至连铸过程的大量时间都可以被用于钢中夹杂物的较低熔点化转变。
超低氧含量弹簧钢中非金属夹杂物的控制，也有了新的进展。为了减小夹杂物对Al脱氧弹簧钢的危害，通过钢渣之间、钢液和夹杂物之间的反应尽快使脱氧产物Al2O3夹杂变性为低熔点的铝酸钙夹杂。连铸钢水过程温度制度完善后，在很大程度上提高了钢水过程温度控制的命中率，改善了铸坯中心偏析、中心疏松等内部质量，为确保连铸重点品种的质量稳定和全连铸生产的顺行提供了重要的技术支撑。
5.结束语
钢中非金属夹杂物含量虽然少，但对钢的性能影响极大。根据夹杂物的级别，综合判定钢的质量，进而找出规律，改进工艺，尽可能减少有害夹杂物的含量，提高产品质量。随着科技水平的不断提高，控制钢中非金属杂质的技术也会愈加成熟。
参考文献
[1] 国际钢铁协会编，中国金属学会译.洁净钢一洁净钢生产工艺技术（Clean Steel——the Produce Technology of Clean Steel）[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 王青，史维祥.采矿学[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[3] 高锦国，李京社，唐海燕，姜桂连.气瓶钢中非金属夹杂物研究[A].钢铁钒钛（IRON STEEL VANADIUM TITANIUM），2008，08：0017-05.
[4] 崔立镇.通过LF精炼炉控制钢中非金属夹杂物的实践[B].河北冶金（HEBEI METALLUILGY），2010，11（05）：0030-02.
[5] 宋华.连铸保护渣吸附夹杂能力浅析.黑龙江冶金（Heilongjiang Metallurgy），2010，9.
[6] Tang l-Lxiyan，Li Jingshe，Fu Jian.xun，d a/.Process 0f High—pressure Boiler Steel Produced by EAF—LF/VD—cc[j].Joumal of Beijing University of Science and Technology，2007，29（1）：89—91.
[7] 王晓晶.钢中非金属夹杂物控制的分析与探讨[A].山西冶金，2006，02：0021-03.