李小云¹， 李超²

摘要：夹杂物对钢材韧性、塑性、裂纹、疲劳性能均有所影响，通过有效措施可以减少夹杂物，从而降低其危害。洁净钢控制应从铁水预处理工艺源头抓起，冶炼铝镇静钢转炉一次倒炉命中率和一次脱氧的好坏是控制钢中［Als］含量和去除钢中Al2O3夹杂最关键的一步。无特殊成分要求的铝镇静钢中的［Al］含量为0.015%--0.2%时最佳，钙处理时W［Ca］/ W［Al］控制在0.09—0.11就可以大量减少水口结瘤的几率，夹杂物的形态也能得到很好的控制。通过钢包精炼渣、顶渣改质剂处理一般情况下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%，最低时钢渣中W(TMnO+TFeO)≤1%对于普通钢种（热轧板低于或等于SPHC级别的）钢种，可通过软吹氩不经LF炉处理直接送去连铸。LF炉应用缓释脱氧剂对比传统扩散脱氧剂效果显著。连铸坯表面缺陷的产品中有1/3是因为结晶器卷渣造成的，做好结晶器卷渣预防措施对于提高连铸坯表面质量意义重大。连铸可采用电磁驱动离心流动中间包、通道感应加热中间包、组合式电磁搅拌等技术，有利于夹杂物的上浮和分离，精准控制温度，减少中心疏松，提高铸坯质量。

关键词：夹杂物；预处理；高效；低成本；洁净钢；

所谓洁净钢，通常是指非金属夹杂物含量少的钢。洁净钢是为了在不增加合金成本的前提下，能够高效率、低成本、成批的满足用户要求的优质商品钢材。在今后较长时间内，洁净钢是钢铁企业科技创新中的关键技术，本文对洁净钢生产工艺技术进行简要分析。

1  夹杂物分类、危害、来源和控制措施

1.1夹杂物的分类

夹杂物可按照⑴化学成分分类：氧化物夹杂、硫化物夹杂、氮化物夹杂。⑵变形能力分类：脆性夹杂物、塑性夹杂物、点状不变形夹杂。⑶尺寸分类：超显微夹杂物（≤1μm）、显微夹杂物（1--100μm）和宏观夹杂物（＞100μm）。⑷标准分类：A类夹杂物（硫化物类）B类夹杂物（氧化铝类）C类夹杂物（硅酸盐类）D类夹杂物（球状氧化物类）DS类夹杂物（单颗粒球状类）⑸来源分类：按照来源分类可分为外来夹杂物和内生夹杂物。

1.2夹杂物的危害

⑴夹杂物与裂纹的形成。均质材料在承受单向拉伸时，在与拉伸方向相垂直的横截面上，应力的分布是均匀的。如果在材料中有非金属夹杂物，则应力分布不再是均匀的，会出现应力集中现象，破坏了金属材料的连续性。由于基体金属与夹杂物的线性膨胀系数不同，在某些夹杂物周围形成复杂的应力场或无负荷应力场，所以夹杂物常被视为显微裂纹的发源地。

⑵夹杂物对钢材塑性和韧性影响。金属基体材料受力时，内部的塑性变形和断裂这两个基本过程决定着钢材的多种力学性能。钢材受热加工时夹杂物要发生形变（如成为条带），钢材的断面收缩率明显下降，增大了材料力学的各向异性。夹杂物对韧性的影响则表现为降低钢材的抗冲击破坏能力，在金属的变形过程中，夹杂物不能随金属基体相应的发生变形，在其周围产生应力集中，使夹杂物破碎或使夹杂物同基体的联结遭到破坏，二者脱离产生裂纹进而发展为空洞不断扩大最终导致断裂。

⑶夹杂物对疲劳性能的影响。材料承受一定的重复或者交变应力，经过多次循环后发生破裂的现象称为疲劳。夹杂物对其影响可分为三类：发生在夹杂物周围的疲劳裂纹、夹杂物本身断裂导致的裂纹和夹杂物与基体边界剥离引起的疲劳裂纹，一般来说第三种较为常见。夹杂物影响疲劳寿命降低的程度由强到弱的顺序是：大尺寸点状不变形夹杂物、刚玉（Al2O3）、点状不变形夹杂物、半塑性硅酸盐夹杂物、塑性硅酸盐夹杂物和硫化物。夹杂物对疲劳寿命的影响差别原因在于夹杂物在钢的热变形加工温度下的塑性影响、基体与夹杂物的变形影响、线膨胀系数差值影响、夹杂物的大小和分布影响。

⑷除夹杂物外硫、磷、氮、氢等对钢材都有影响，本文不做讨论。

1.3夹杂物的来源

外来夹杂物是冶炼到浇注生产过程中由外部进入钢液的耐火材料或熔渣等留在钢中造成的。一般外来夹杂物的特征是外形不规则、尺寸比较大和分布不均匀。外来夹杂物多对应钢包顶渣、耐火材料、保护渣等的成分。内生夹杂是在液态或固态钢内，由于脱氧或凝固过程中进行的物理化学反应而生成的，主要是一次氧化产物和二次氧化产物。内生夹杂物的颗粒一般比较细小，分布相对均匀，尺寸和数量呈正比。

1.3.1炼钢转炉出钢过程中夹杂物增加的原因

⑴炼钢炉渣进入钢包。⑵加入炉料时带入的夹杂。⑶脱氧产物。⑷出钢脱氧过程中钢包顶渣P₂O₅还原。⑸钢包耐火材料熔损。⑹钢包吹氩量过大造成卷渣。

1.3.2 LF炉精炼过程中夹杂物增加

⑴LF炉精炼过程中喂铝线会使钢中Al₂O₃夹杂物增加。⑵二次或三次脱氧产物增加了钢中脱氧产物。⑶钢包耐火材料的熔损增加了钢中的夹杂物。⑷LF炉大量增碳操作。

1.3.3连铸工序夹杂物增加

⑴系统的密封程度不严。⑵中包覆盖剂选型不符合钢种要求。⑶中间包流场不顺和中间包液面高度不足。⑷结瘤物进入结晶器。⑸保护渣卷入。⑹浸入式水口插入深度过浅。

1.4减少钢中夹杂物的有效措施

⑴选用优质铁水。⑵选择合适的冷料。⑶选择合适的造渣料。⑷强化合金管理。⑸保持系统设备运行正常。⑹降低初炼钢水含氧量。⑺减少二次氧化。⑻促进钢中非金属夹杂物上浮。⑼改善夹杂物上浮的动力学条件。⑽提高顶渣吸附夹杂物的能力。⑾强化夹杂物上浮的工艺措施。⑿防止卷渣。⒀提高钢包、中间包等耐火材料质量。

2  铁水预处理工艺技术

2.1  铁水预处理脱硫

冶金工作者从20世纪70年代开始研发并广泛应用了铁水预处理工艺脱磷、脱硅、脱硫。有资料表明，在高炉、预处理、转炉、炉外精炼装置中脱除1KG硫，其费用比值为2.6:1:16:6.1，可见铁水预处理脱硫与另外三种工序脱硫成本最低。铁水预处理脱硫工艺很多，按其脱硫剂的投入方式可分为铺撒法、转鼓法、摇包法、沉降法、搅拌法和喷射冶金法。目前主流的是机械搅拌法和喷吹法，分别应用于铁水包和鱼雷罐脱硫。

2.1.1KR机械搅拌法

机械搅拌法是将搅拌器（也称搅拌桨）沉入铁水中旋转，在铁水包中央形成锥形漩涡，使投入的脱硫剂与铁水充分混合，促进脱硫反应的进行。KR脱硫法优点：投资少；对铁水温度要求高（1350℃）；搅拌力大脱硫反应的动力学条件好；脱硫效果好，可以将铁水［S］脱到0.001%；脱硫期间几乎没有喷溅；搅拌时间短（15—20min）；脱硫渣易扒出。KR脱硫法缺点：脱硫剂消耗大（4—10kg/t），渣量大，扒渣铁耗多（0.5--4kg/t），降温大（30—40度）；搅拌头费用高（2—3元/t）脱硫剂成本（10—25元/t）。

表1 无碳脱硫剂技术指标

KR法脱硫使用含碳脱硫剂的成分是：石灰粉90%，萤石粉5%，含碳量5%。

Caf2没有脱硫作用，但能改变渣的黏度，改善脱硫反应的动力性条件。石灰粉必须进行钝化处理。脱硫剂的加入量、加入时间、加入方向、搅拌深度均影响脱硫效果，应在生产实践中根据本厂条件确定。

2.1.2喷吹法铁水预处理

喷吹法脱硫的基本原理是以一定压力和流量的干燥空气或惰性气体如氮气为载体与脱硫剂混合后经喷枪吹入铁水中，同时载气和脱硫剂的冲击与上浮能够带动铁水流动，起到搅拌作用。喷吹法分为单喷法和复合喷吹法。

2.1.2.1单喷法

单喷法是将粒度为0.5—1.5mm的颗粒金属镁经钝化处理后储存到密封的喷粉罐，预处理脱硫时由喷粉罐将镁粉经带有汽化室的喷枪由铁水罐下部（距罐底200—300mm）喷入铁水中。镁在铁水中溶解度很小，其沸点是1088℃，故在铁水温度下以气态存在，为防止镁在铁水中瞬间汽化而引起铁水喷溅，在喷枪出口处设计了汽化室。

2.1.2.2复合喷吹法

复合喷吹法在单喷法的基础上增加一套石灰粉喷吹系统，按CaO和Mg之比为2—4进行复合喷吹。当CaO/Mg值大于9时，大量的石灰粉参与了脱硫反应，就会出现喷吹时间长、粉剂消耗量大、温降大、铁耗增加现象，很难实现深脱硫。

表2 三种脱硫方法特点对比

2.2铁水预处理脱磷

铁水预处理脱磷喷粉法类似于脱硫喷吹法，脱磷剂主要成分为CaO和Fe₂O₃，由于铁水［Si］先于［P］与脱硫剂中的Fe₂O₃反应，造成铁水温降大，脱磷后渣量大、铁耗增加有时发生喷溅，鉴于以上原因，铁水预处理脱磷应用不广。

3   转炉高效低成本生产

3.1  转炉高效低成本造渣技术

转炉开吹后大量冷态石灰加入，石灰表面立即生成一层渣壳，石灰表面FeO会与石灰原有组成部分（CaO、SiO₂）等形成远低于CaO熔点（2600℃）的固溶体或共晶体并向石灰块孔隙内扩散，置换结点上的Ca并形成低熔点相。所以石灰熔解不是因为高温熔化，而是石灰中的CaO与渣中FeO、SiO₂等形成新相低熔点化合物而熔解。吹炼中期如果枪位过低，渣相中的MnO、FeO的浓度降低，石灰块表层附近渣相中钙镁橄榄石中FeO和MnO被CaO置换，形成2CaO· SiO₂,其熔点达2130℃而且结构致密，严重阻碍石灰熔解。继续吹炼熔渣碱度上升至2.8—3.2时，渣中2CaO·SiO₂达到过饱和状态成弥散固相析出。快速的脱碳反应消耗了炉渣中FeO，若处理失当，渣中FeO锐减，熔渣熔点上升，弥散析出的2CaO· SiO₂和渣中原有未熔颗粒共同作用下，熔渣黏度剧增，这就是反干现象。如果采用高枪位吹炼，石灰表面橄榄石含CaO较高，不会形成纯2CaO·SiO₂而且质地疏松，无碍于石灰继续熔解，这实际是处理炉渣反干时提枪向渣中补充FeO的吊吹方法。

炼钢就是炼渣，只有在熔池中迅速的形成熔点、黏度、成分合适的熔渣才能使转炉顺利的完成脱磷、脱硫、脱碳及去除夹杂任务。

3.1.1加速石灰熔化措施

3.1.1.1采用活性石灰造渣

活性石灰与普通石灰相比，有更高的反应能力，表面沉积的C2S外壳不致密、易剥落，可加速石灰熔解。粒度越细小，石灰的活性度越高；质地越疏松孔隙率越高；比表面积越大，反应能力也越强，吹炼中成渣速度越快。

表3 国内外石灰标准

⑴终渣碱度按3计算，石灰每含一个单位的SiO₂，则需要3个单位CaO与之中和。⑵石灰硫含量在0.05%--0.1%时，钢水硫含量增加不大于0.001%，而石灰硫含量超过0.1%时，钢水硫含量增加在0.002%--0.005%之间。⑶一般情况下，铁水硅含量超过0.6%每增加0.1%，石灰消耗增加10kg/t。

3.1.1.2复合造渣剂的使用

转炉开始吹炼时，先是Si、Mn、P氧化，随后才是Fe氧化，只有炉渣中生成足够量的（FeO），才能促使石灰熔化，这一时间约3分钟，不仅成渣时间长、铁耗多而且低碱度的炉渣对炉衬侵蚀严重。因此许多炼钢厂采用复合造渣剂，缩短成渣时间，降低铁耗和石灰消耗。复合造渣剂没有严格技术指标要求，根据各厂的工艺及废弃物现状来确定。组成物质有含铁废料、氧化锰粉、石灰和轻烧白云石、萤石粉等筛下物。

表4 复合造渣剂指标