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(yīng)從鐵水預(yù)處理工藝源頭抓起，冶煉鋁鎮(zhèn)靜鋼轉(zhuǎn)爐一次倒?fàn)t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(guān)鍵的一步。無特殊成分要求的鋁鎮(zhèn)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(jié)瘤的幾率，夾雜物的形態(tài)也能得到很好的控制。通過鋼包精煉渣、頂渣改質(zhì)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(jīng)LF爐處理直接送去連鑄。LF爐應(yīng)用緩釋脫氧劑對比傳統(tǒng)擴(kuò)散脫氧劑效果顯著。連鑄坯表面缺陷的產(chǎn)品中有1/3是因為結(jié)晶器卷渣造成的，做好結(jié)晶器卷渣預(yù)防措施對于提高連鑄坯表面質(zhì)量意義重大。連鑄可采用電磁驅(qū)動離心流動中間包、通道感應(yīng)加熱中間包、組合式電磁攪拌等技術(shù)，有利于夾雜物的上浮和分離，精準(zhǔn)控制溫度，減少中心疏松，提高鑄坯質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：夾雜物；預(yù)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(yōu)質(zhì)商品鋼材。在今后較長時間內(nèi)，潔凈鋼是鋼鐵企業(yè)科技創(chuàng)新中的關(guān)鍵技術(shù)，本文對潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)生夾雜物。

1.2夾雜物的危害

⑴夾雜物與裂紋的形成。均質(zhì)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(yīng)力的分布是均勻的。如果在材料中有非金屬夾雜物，則應(yīng)力分布不再是均勻的，會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，破壞了金屬材料的連續(xù)性。由于基體金屬與夾雜物的線性膨脹系數(shù)不同，在某些夾雜物周圍形成復(fù)雜的應(yīng)力場或無負(fù)荷應(yīng)力場，所以夾雜物常被視為顯微裂紋的發(fā)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(nèi)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(xué)性能。鋼材受熱加工時夾雜物要發(fā)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(xué)的各向異性。夾雜物對韌性的影響則表現(xiàn)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(yīng)的發(fā)生變形，在其周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使夾雜物破碎或使夾雜物同基體的聯(lián)結(jié)遭到破壞，二者脫離產(chǎn)生裂紋進(jìn)而發(fā)展為空洞不斷擴(kuò)大最終導(dǎo)致斷裂。

⑶夾雜物對疲勞性能的影響。材料承受一定的重復(fù)或者交變應(yīng)力，經(jīng)過多次循環(huán)后發(fā)生破裂的現(xiàn)象稱為疲勞。夾雜物對其影響可分為三類：發(fā)生在夾雜物周圍的疲勞裂紋、夾雜物本身斷裂導(dǎo)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(qiáng)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(shù)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(chǎn)過程中由外部進(jìn)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(guī)則、尺寸比較大和分布不均勻。外來夾雜物多對應(yīng)鋼包頂渣、耐火材料、保護(hù)渣等的成分。內(nèi)生夾雜是在液態(tài)或固態(tài)鋼內(nèi)，由于脫氧或凝固過程中進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)而生成的，主要是一次氧化產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物。內(nèi)生夾雜物的顆粒一般比較細(xì)小，分布相對均勻，尺寸和數(shù)量呈正比。

1.3.1煉鋼轉(zhuǎn)爐出鋼過程中夾雜物增加的原因

⑴煉鋼爐渣進(jìn)入鋼包。⑵加入爐料時帶入的夾雜。⑶脫氧產(chǎn)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(chǎn)物增加了鋼中脫氧產(chǎn)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(tǒng)的密封程度不嚴(yán)。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(jié)瘤物進(jìn)入結(jié)晶器。⑸保護(hù)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(yōu)質(zhì)鐵水。⑵選擇合適的冷料。⑶選擇合適的造渣料。⑷強(qiáng)化合金管理。⑸保持系統(tǒng)設(shè)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(jìn)鋼中非金屬夾雜物上浮。⑼改善夾雜物上浮的動力學(xué)條件。⑽提高頂渣吸附夾雜物的能力。⑾強(qiáng)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(zhì)量。

2  鐵水預(yù)處理工藝技術(shù)

2.1  鐵水預(yù)處理脫硫

冶金工作者從20世紀(jì)70年代開始研發(fā)并廣泛應(yīng)用了鐵水預(yù)處理工藝脫磷、脫硅、脫硫。有資料表明，在高爐、預(yù)處理、轉(zhuǎn)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(yù)處理脫硫與另外三種工序脫硫成本最低。鐵水預(yù)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(zhuǎn)鼓法、搖包法、沉降法、攪拌法和噴射冶金法。目前主流的是機(jī)械攪拌法和噴吹法，分別應(yīng)用于鐵水包和魚雷罐脫硫。

2.1.1KR機(jī)械攪拌法

機(jī)械攪拌法是將攪拌器（也稱攪拌槳）沉入鐵水中旋轉(zhuǎn)，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(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。KR脫硫法優(yōu)點：投資少；對鐵水溫度要求高（1350℃）；攪拌力大脫硫反應(yīng)的動力學(xué)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(shù)指標(biāo)

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(yīng)的動力性條件。石灰粉必須進(jìn)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(yīng)在生產(chǎn)實踐中根據(jù)本廠條件確定。

2.1.2噴吹法鐵水預(yù)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(jīng)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(fù)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(jīng)鈍化處理后儲存到密封的噴粉罐，預(yù)處理脫硫時由噴粉罐將鎂粉經(jīng)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(tài)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(shè)計了汽化室。

2.1.2.2復(fù)合噴吹法

復(fù)合噴吹法在單噴法的基礎(chǔ)上增加一套石灰粉噴吹系統(tǒng)，按CaO和Mg之比為2—4進(jìn)行復(fù)合噴吹。當(dāng)CaO/Mg值大于9時，大量的石灰粉參與了脫硫反應(yīng)，就會出現(xiàn)噴吹時間長、粉劑消耗量大、溫降大、鐵耗增加現(xiàn)象，很難實現(xiàn)深脫硫。

表2 三種脫硫方法特點對比

2.2鐵水預(yù)處理脫磷

鐵水預(yù)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(yīng)，造成鐵水溫降大，脫磷后渣量大、鐵耗增加有時發(fā)生噴濺，鑒于以上原因，鐵水預(yù)處理脫磷應(yīng)用不廣。

3   轉(zhuǎn)爐高效低成本生產(chǎn)

3.1  轉(zhuǎn)爐高效低成本造渣技術(shù)

轉(zhuǎn)爐開吹后大量冷態(tài)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(yuǎn)低于CaO熔點（2600℃）的固溶體或共晶體并向石灰塊孔隙內(nèi)擴(kuò)散，置換結(jié)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(dá)2130℃而且結(jié)構(gòu)致密，嚴(yán)重阻礙石灰熔解。繼續(xù)吹煉熔渣堿度上升至2.8—3.2時，渣中2CaO·SiO₂達(dá)到過飽和狀態(tài)成彌散固相析出。快速的脫碳反應(yīng)消耗了爐渣中FeO，若處理失當(dāng)，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(xiàn)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(zhì)地疏松，無礙于石灰繼續(xù)熔解，這實際是處理爐渣反干時提槍向渣中補(bǔ)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(zhuǎn)爐順利的完成脫磷、脫硫、脫碳及去除夾雜任務(wù)。

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(yīng)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(xì)小，石灰的活性度越高；質(zhì)地越疏松孔隙率越高；比表面積越大，反應(yīng)能力也越強(qiáng)，吹煉中成渣速度越快。

表3 國內(nèi)外石灰標(biāo)準(zhǔn)

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(fù)合造渣劑的使用

轉(zhuǎn)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(yán)重。因此許多煉鋼廠采用復(fù)合造渣劑，縮短成渣時間，降低鐵耗和石灰消耗。復(fù)合造渣劑沒有嚴(yán)格技術(shù)指標(biāo)要求，根據(jù)各廠的工藝及廢棄物現(xiàn)狀來確定。組成物質(zhì)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(fù)合造渣劑指標(biāo)

復(fù)合造渣劑加入20kg/t時可縮短轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐爐襯壽命，促進(jìn)冶煉前期脫磷，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

3.1.2石灰石造渣工藝效果

石灰石造渣可節(jié)約能源2000kJ/kg，每燒成1kg石灰減排0.41kg二氧化碳，節(jié)約氧氣約8%。但石灰石冷卻效應(yīng)高，每加入1t石灰石減少1.5t廢鋼。加入時機(jī)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(hù)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(tài)下進(jìn)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(huán)。應(yīng)用SGRS工藝應(yīng)做到爐渣固化及確認(rèn)，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(qiáng)化爐渣冷卻。濺渣護(hù)爐后立即向爐內(nèi)加入輕燒白云石、鎂球或石灰固化爐渣，來回反復(fù)搖爐確認(rèn)爐渣已經(jīng)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(qiáng)度3.0m³/(min·t)以上，脫磷結(jié)束時，提高槍位增加渣中表面活性組元（FeO）含量，加強(qiáng)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(yán)防泄爆。

3.2轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)

轉(zhuǎn)爐底吹供氣元件多采用環(huán)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(qiáng)維護(hù)，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(jīng)不透氣了。因此爐底高度波動要控制在±200mm內(nèi)。

表6 某廠冶煉碳鋼底吹供氣強(qiáng)度

表7 某廠120t轉(zhuǎn)爐頂吹和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝效果對比

現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計復(fù)吹轉(zhuǎn)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(shù)

目前常見的脫氧劑，脫氧能力由強(qiáng)到弱依次為鈦、鋁、鋇、硅、碳、錳、釩、鉻，大部分優(yōu)質(zhì)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(zhì)脫氧劑

當(dāng)鋼液中的鋁化學(xué)當(dāng)量超過氧時，產(chǎn)物為Al₂O₃，鋁可以起到降低失效傾向和細(xì)化粒作用，提高鋼的屈服強(qiáng)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(fù)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(dá)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(fā)損失（單質(zhì)揮發(fā)，復(fù)合不揮發(fā)）。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(yīng)速度快，易先生核，促進(jìn)Ca和Al的脫氧，降低［Ca］和［Al］的溶解度。

3.3.2碳質(zhì)脫氧劑

電石CaC2和鋁質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)夾雜物上浮。對鋼水有脫硫作用，脫硫率達(dá)17%--40%。電石運輸存儲有嚴(yán)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(kuò)散脫氧

擴(kuò)散脫氧優(yōu)點是脫氧產(chǎn)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(kuò)散，過程及其緩慢、耗時、耗能。

3.3.4喂線脫氧

喂線機(jī)將鋁線等高速插入鋼水中，鋁線插入鋼液1m深以內(nèi)已經(jīng)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(chǎn)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(diào)鋼中鋁含量是可行的。

3.3.5脫氧產(chǎn)物排除

由鋁反應(yīng)式可知，每加1kg/t脫氧劑，將產(chǎn)生脫氧產(chǎn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)調(diào)脫氧脫硫采用高堿度精煉渣嚴(yán)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(dāng)增加Al₂O₃和CaF₂的含量；如果進(jìn)一步強(qiáng)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(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼時加入精煉渣可以促進(jìn)鋼中一次脫氧產(chǎn)物（Al₂O₃）去除，解決連鑄水口結(jié)瘤問題效果顯著。

表8 鋁脫氧鎮(zhèn)靜鋼精煉渣理化指標(biāo)

如果生產(chǎn)簾線鋼對DS類夾雜夾雜要求極為苛刻的硅脫氧鋼種，要嚴(yán)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(biāo)

4.2頂渣改質(zhì)劑

轉(zhuǎn)爐在出鋼過程中出鋼下渣、耐火材料沖刷或脫氧反應(yīng)生成的脫氧產(chǎn)物在鋼包內(nèi)形成大量熔融狀態(tài)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(zhì)量產(chǎn)生不良影響。而出鋼后向鋼包加入頂渣改質(zhì)劑，可以對頂渣進(jìn)行深脫氧，改變頂渣的組成，強(qiáng)化頂渣吸附Al₂O₃等夾雜物能力，減輕LF爐精煉負(fù)擔(dān)，提高鋼包壽命。

表10 稀釋性頂渣改質(zhì)劑成分理化指標(biāo)

表11  脫氧、脫硫型頂渣改質(zhì)劑成分

經(jīng)頂渣改質(zhì)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(jīng)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(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

表12 應(yīng)用精煉渣及頂渣改質(zhì)劑后頂渣成分變化（平均值）

應(yīng)用精煉渣及頂渣改質(zhì)劑后幾乎成為白渣，達(dá)到精煉效果，某廠100t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)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(chǎn)汽車板時頂渣改質(zhì)劑的成分CaO20%、CaCO₃30%、金屬鋁50%。

4.3 LF爐緩釋脫氧劑

LF爐擴(kuò)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(qū)與進(jìn)入LF系統(tǒng)的空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)；三是粉狀脫氧劑落到渣面不均勻、成塊成堆，反應(yīng)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(yīng)不均衡，與鋼液直接接觸，甚至?xí)龉?，滿足不了擴(kuò)散脫氧需求。

馬春生等研究認(rèn)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(tǒng)抽走，也不能在電極高溫區(qū)氧化燃燒，只有進(jìn)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(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）堆密度1.0g/cm³粒度1—3cm

強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

5  鋼中鋁含量的控制及鈣處理技術(shù)

5.1鋼中鋁含量的控制

鋁在鋼中除深度脫氧和細(xì)化晶粒改善鋼的性能外鋁還是定氮劑，降低低溫脆性轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhèn)靜鋼用鋁脫氧，但鋁質(zhì)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(shù)量，嚴(yán)重影響鋼的質(zhì)量。一般認(rèn)為鋼中的［Al］含量為0.015%--0.2%時，［O］含量已達(dá)到0.0005%。特殊鋼如38CrMoAl成品鋁含量為0.7—1.1%，應(yīng)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(shù)

鋁脫氧產(chǎn)物的數(shù)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(jìn)一步脫氧、脫硫、控制鋼中夾雜物形態(tài)的技術(shù)。在鋼水中加入鈣元素使鋼中高熔點固相Al₂O₃轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c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(qiáng)度太大，鋼液表面翻騰，鋼液與渣之間反應(yīng)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(dāng)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(jié)瘤幾率。綜上所述，喂鈣量必須依據(jù)鋼中［Al］、［S］含量進(jìn)行調(diào)整，一般認(rèn)為如果W［Ca］/ W［Al］控制在0.09—0.11就可以大量減少水口結(jié)瘤的幾率，夾雜物的形態(tài)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(jìn)入VD爐進(jìn)行脫氣處理，因為在VD爐處理過程中由于底吹氬氣的強(qiáng)烈攪拌，頂渣進(jìn)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(jié)瘤。

6  潔凈鋼連鑄技術(shù)

6.1中間包覆蓋劑的優(yōu)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(yīng)根據(jù)吸附不同的脫氧產(chǎn)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(jié)殼隔絕空氣好但在鋼液表面成熔融狀態(tài)，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(yán)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(dá)0.012%，沒有吸附Al₂O₃能力，不適用于生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼，適用生產(chǎn)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(jié)殼，開裂后減弱了覆蓋劑保溫和隔絕空氣功能。因此適當(dāng)加入CaF₂調(diào)整熔點，推薦以預(yù)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(jié)晶器卷渣技術(shù)

連鑄坯表面缺陷的產(chǎn)品中有1/3是因為結(jié)晶器卷渣造成的。結(jié)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(qiáng)，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(qiáng)，攪動鋼渣界面把渣子卷入；鋼水溫度低，保護(hù)渣結(jié)殼或未熔融渣卷入；中間包液位太淺（≤600mm）中間包內(nèi)的浮渣或夾渣被水口渦流抽引進(jìn)入結(jié)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(hù)渣太近，攪動保護(hù)渣層而造成的卷渣。

結(jié)晶器卷渣預(yù)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(jù)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(shù)有所增加。⑶選擇靈敏可靠的液面控制系統(tǒng)，要求結(jié)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(hù)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(shù)可以強(qiáng)制彎月面處鋼液以水平方向運動阻礙卷渣。⑻減少水口結(jié)瘤，防止水口結(jié)瘤物脫落后進(jìn)入結(jié)晶器改變流場。

6.3國內(nèi)外中間包先進(jìn)技術(shù)

⑴電磁驅(qū)動離心流動中間包，簡稱“CF中間包”，由圓筒旋轉(zhuǎn)室和矩形分配室組成，容積比1:4.澆注時由長水口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室，鋼水受電磁力驅(qū)動做離心流動，然后從旋轉(zhuǎn)室底部進(jìn)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(zhuǎn)攪拌產(chǎn)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(fā)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(tǒng)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(yīng)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(chǎn)生交變磁場，由注入室向分配室的鋼水通過通道時產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在鋼水中組成回路，將鋼水加熱。中間包加熱能夠?qū)⑦^熱度控制在理想狀態(tài)0--15℃范圍內(nèi)，實現(xiàn)等溫、低過熱度澆注，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，提高轉(zhuǎn)爐壽命，降低成本。日本川崎鋼廠采用此技術(shù)溫控精度為目標(biāo)溫度±2.5℃，SUS304（0—20mm）大型夾雜物減少25%--50%。

6.4電磁攪拌技術(shù)

電磁攪拌技術(shù)借助在鑄坯液相穴內(nèi)感生的電磁力強(qiáng)化液相穴內(nèi)鋼水的運動，強(qiáng)化鋼水對流、傳熱和傳質(zhì)過程，控制鑄坯的凝固過程，在改善鑄坯表面、皮下和內(nèi)部質(zhì)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(jù)安裝位置不同分為結(jié)晶器電磁攪拌M-EMS（作用是減少表面和皮下夾雜物、氣孔，擴(kuò)大等軸區(qū)但對減少中心偏析作用不充分）、二冷區(qū)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(xì)化等軸晶，有效改進(jìn)鑄坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。根據(jù)不同鋼種可采用不同的組合選擇。電磁攪拌主要參數(shù)：⑴電磁攪拌電流強(qiáng)度增大，等軸晶率增加，攪拌強(qiáng)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(qiáng)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(jié)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(yù)處理、轉(zhuǎn)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(yù)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(yīng)，造成鐵水溫降大，脫磷后渣量大、鐵耗增加有時發(fā)生噴濺，鑒于以上原因，鐵水預(yù)處理脫磷應(yīng)用不廣。

⑶、石灰粒度越細(xì)小，質(zhì)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(jī)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(zhuǎn)爐脫磷可采用復(fù)合造渣劑和SGRS留渣+雙渣工藝。轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)各項指標(biāo)優(yōu)于頂吹轉(zhuǎn)爐，底吹供氣元件使用重在維護(hù)。

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(diào)鋼中鋁含量是可行的。復(fù)合脫氧劑中鋁鎂鈣是最佳元素組合，電石CaC₂和鋁質(zhì)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(zhèn)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(jié)瘤的幾率，夾雜物的形態(tài)也能得到很好的控制。

⑺、經(jīng)鋼包精煉渣和頂渣改質(zhì)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(jīng)LF爐處理直接送去連鑄。LF爐應(yīng)用緩釋脫氧劑對比傳統(tǒng)擴(kuò)散脫氧劑既不能被除塵系統(tǒng)抽走，也不能在電極高溫區(qū)氧化燃燒效果顯著。

⑻、對于采用不同脫氧劑的鋼種，應(yīng)根據(jù)吸附不同的脫氧產(chǎn)物使用不同的中包覆蓋劑。

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

⑽、電磁驅(qū)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(yīng)加熱中間包夠?qū)⑦^熱度控制在理想狀態(tài)0--15℃范圍內(nèi)，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(yīng)用教單一式應(yīng)用效果較好。                    

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