随着时代的发展和技术的进步，钢洁净度的标准不断变化。控制钢中非金属夹杂物的数量己成为炼钢厂非常关注的问题。

　 导致夹杂物数量增多的原因有很多，例如:脱氧、二次氧化、夹渣及化学反应。己经开展了大量的研究以找出非金属夹杂物产生的主要原因，其中大部分工作集中于脱氧工艺的研究,并提出夹杂物也可能来自钢包釉面。

　 浇铸期间，顶渣随着钢水向下移动，渣膜附着在钢包壁上，粘附并渗入耐火材料间隙内.，形成钢包釉面。钢包冷却时.熔渣凝固。由此推测，冲刷掉的釉面层导致了下一炉钢水中非金属夹杂物的生成。

　 为了优化控制钢包处理过程，必须深入了解钢包釉面对夹杂物生成的影响。目前，瑞典H agfors Uddeholm Tooling公司的工作目的是在进行工业试验的基础上，了解钢包釉面对夹杂物生成的影响。

1试验

1.1生产工艺

　 Uddeholm Tooling公司是一家利用回收废钢作为主要原料的炼钢厂。图1(略)示出的是铸锭前的生产流程(出钢→扒渣→钢包炉处理→真空脱气→底浇)。一座电炉可熔炼35～65t回收废钢。钢水经过控磷和控碳处理后，出钢到钢包内.并运至钢包站。扒渣后，使用铝棒或铝线脱氧，并向钢水中加入各种合金，以调节钢种的化学成分使之达到要求。之后，加入造渣材料(铝、白云石和氧化钙)形成合成渣，根据钢种的不同.将钢水加热至1853～1923K.并搅拌以保证其均匀。接着钢包被送到脱气站并放入真空室。通过钢包底部的两个多孔塞吹入氩气，以保证去除硫、氮和氢。采用弱电磁搅拌，以促进夹杂物从钢水中上浮到渣中。夹杂物上浮一段时间后，钢水运至浇铸站。

1.2钢种

　 该研究选的主要钢种是中碳5Cr -Mo-V钢ORVAR2M。脱氧前及底浇前ORVAR 2M和DIEVAR牌号的钢及其它钢种标准成分见表1。

1.3取样方法

　 钢水试样取自钢包处理的不同阶段。采用液态凝固热轧(LSHR)取样器来取样。取样器进入钢水时,为防止试样受到灰尘和顶渣的污染,吹氩气保护。到达取样位置时.取样器抽真空，将钢水吸入取样器内。钢样随着取样器从钢包中取出.空冷。大约几秒种后,试样凝固。

1.4利用光学显微错分析夹杂物

表1 钢水试样的标定化学成分/%

钢种	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Fe
脱氧前
ORVAR 2M	0.35	0.38	0.39	0.01	0.003	4.85	1.15	0.13	0.69	其余部分
DIEVAR	0.28	0.14	0.06	＜0.01	0.008	3.92	2.15	0.06	0.008	其余部分
STAVAX-ESR	0.25	1.00	0.30	0.02	0.01	12.7	0.12	0.12	0.17	其余部分
SVERKER 21	1.10	0.13	0.28	0.02	0.004	9.25	0.68	0.14	0.56	其余部分
底浇前
ORVAR 2M	0.38	0.97	0.39	0.01	＜0.001	5.26	1.27	0.13	0.90	其余部分
DIEVAR	0.38	0.20	0.50	0.01	0.001	5.11	2.38	0.06	0.53	其余部分

　

　 用光学显微镜测定每个试样内夹杂物的数量和尺寸分布。根据瑞典标准SS111116，将夹杂物分成4组，并按Jernkontoret提供的表2的内容来评定夹杂物。利用PCM IC软件可以计算出每个试样内，每平方毫米面积夹杂物的数量。

1.5夹杂物的成分分析

　 使用Jeol扫描电子显微镜鉴定钢水试样内的夹杂物成分，该镜型号为JSM- 840,配备一个EDX分析仪(型号为Link- AN, 10000)。考虑到利用该设备分析氧含量时存在着不确定性，所以只利用金属元素的含量来评定夹杂物的成分。另一方面，定氧分析仍有助于确定夹杂物中存在的氧化物相。

1.6渣样的化学成分

　 渣样取自钢包处理的不同阶段。首先将渣样磨成粉末，然后将其压入直径为3cm的圆盘内。利用X射线荧光(XRF)系统(Philips Perl X- 2)分析这些圆盘。发现氧化物主要由CaO ,A1₂O_3,SiO₂和MgO组成。

1.7钢样的化学成分

　 用ARL 8680S SIM/ SEQ XRF系统测定钢中Mn ,S,Cr ,Ni和Mo的含量，而 Al ,Ti ,Ca ,Mg和B的含量则由光学发射能谱测定法确定，以此确定钢水成分。

1.8定氧

　 研究中测定了钢水中溶解氧和总氧含量。借助于Heraeus Electro- Nite设计的Celox传感器测定钢包内溶解的氧气含量。Celox传感器含有一个Cr/ Cr₂O₃:电极，作为基准。用型号为TC- 436的Leco装置测定钢水试样内的总氧含量。

2结果

　 为了获知钢水注入钢包过程中，钢包壁釉面冲刷下来的夹杂物数量,在扒渣后和脱氧前取钢水试样。对特定钢号ORVAR 2M,绘制其每单位面积内夹杂物数量与钢包使用次数的关系图,见图2a。显而易见,夹杂物数量随着钢包使用次数的增加而增加。根据瑞典标准SS111116,将夹杂物大小分成4组,即4个尺寸范围。图2b示出的是4组夹杂物数量随钢包使用次数的变化情况。

a-全部夹杂物；b-按尺寸分类的夹杂物

图2 ORVER 2M钢铝脱氧前夹杂物总个数（个/mm²）

　 图3示出的是目前所研究的全部钢种脱执前夹杂物数量随钢包使用次数的变化情况。虽然不同的钢种其工艺参数变化很大，但随着钢包使用次数的增加，夹杂物数量明显增多。

图3 不通钢种铝脱氧前夹杂物数量（个/mm²）与钢包使用次数的关系

　 为了检验钢包釉面对不同钢包处理阶段中夹杂物总数的影响，针对DIEVAR钢，在铝脱氧前（B. Al）、真空脱气前(B. Va)、真空脱气后(A. Va)和浇铸前(B. C)分别取试样。图4示出的是DIEVAR钢在不同的工艺过程中，每单位面积内夹杂物数量随钢包使用次数的变化情况。真空脱气前，夹杂物数量与钢包使用次数间的关系变化不明显;真空脱气后，随着钢包使用次数的增加，可以清楚地看到夹杂物数量呈增加趋势。

图4 DIEVAR钢在给定的钢包处理阶段中夹杂物总个数（个/mm²）

和钢包使用次数（8、18和23）的关系

　 着重研究了钢包使用次数是否会严重影响钢水中夹杂物的数量。图5(略)所示的是ORVAR2M和DIEVAR两个钢种底浇前，根据钢包使用次数绘制出的单位面积内不同大小夹杂物的数量。当夹杂物数量增加时，小尺寸夹杂物的数量增加得最多。

　 钢水样内总氧含量与溶解氧含量之间的差值不能直接表明钢水内的夹杂物数量，但可得到与夹杂物数量相关的有用信急。基于这一观点，在底浇前，钢水试样刚刚取出后，立即使用Celox传感器测定钢包内溶解的氧含量。 ORVAR 2M和DIEVAR钢种底浇前的钢水试样内.总氧含量与溶解氧含量间的差值与钢包使用次数间的关系如图6所示。钢包使用12次以上时.这个差值显著增大。

图6 ORVAR2M和DIEVAR钢种底浇前钢水内总氧含量

与溶解含量之间的差值与钢包使用次数的关系

　 图7(略)示出了浇铸前所取的DIEVAR钢样内发现的两种类型夹杂物的显微照片。这些夹杂物内出现了两个相，由EDX分析确定它们的化学成分，列于表2。 A类夹杂物存在两个氧化物相，标志为I相的为MgO, I而标志为II相的基体内几乎全是铝和钙的氧化物，这说明该氧化物是成分非常接近3CaO· A1₂O₃的复合氧化物。B类夹杂物内只找到一个相，即II相。

表2 底浇前钢水内A、B类夹杂物化学成分/%

钢种	夹杂物类型	相	MgO	Al2O3	CaO	SiO2
DIEVAR	A	I	＞98.0	0.0	0.0	0.0
		II	2～6	32～46	50～63	1～2
	B	II	0～5	36～44	53～59	0～4

　 为了验证钢包处理末期发现的夹杂物是否由夹渣所致，在取完钢水试样后，马上取渣样。XRF分析钢包渣化学成分为:49.59%Ca0-0.21%、CaF₂-6.63%MgO-38.42% Al₂O₃-1.87%SiO₂-0.15FeO-0.01MnO- 0.02Cr₂O₃- 0.06% TiO₂,钢水试样的化学成分为:Fe- 0.37%C- 0.20% Si-0.50% Mn-0.01% P- 0.001% S-5.11% Cr 2.38% Mo-0.06% Ni-0.018% Al-0. 0001 %B0. 017% Co- 0.046% Cu- 0.53%V-0.001 %W-0.0007% Ca 0.001% Ce。

3讨论

　 表2所列出的夹杂物化学成分与上文给出的合成渣成分相比较可以看出，浇铸前的夹杂不是夹渣造成的。

　 钢包釉面是钢包冶金期间影响钢水内所有夹杂物的主要原因。图8示出了钢包釉面在包壁上的形成机理以及作为夹杂进入钢水内的情况。钢包浇铸过程中，当顶渣接触到包衬时，形成了薄渣层。该熔渣层粘附并渗入到耐火材料间隙内，形成钢包釉面或“渗透的渣层”。当另一炉钢水注入有釉面的钢包时，粘附的釉面层就会脱落或部分脱落，而固态渣将再次熔化。这部分再次熔化的渣及釉面内原有的非金属颗粒就残留在钢水内.成为夹杂。来源于釉面层的夹杂物数量将取决于釉层的变化，因为随着钢包使用次数的增多，浸入耐火砖内的渣量增加。

　

图8 钢包壁形成釉面的机理

　 钢包内钢水夹杂物数量的多少取决于许多因素，例如钢水温度、渣的成分、钢种、脱氧方式、搅拌条件及钢包使用次数。如果其它参数保持不变，则由夹杂物数量与钢包使用次数的关系曲线可以看到钢包釉面对夹杂物形成的影响情况，正如图2a所示，ORVAR 2M钢种内的夹杂物数量明显呈现增多趋势。钢包使用18次之后，这种趋势加剧。钢种相同的情况下，操作条件不会改变。电弧炉 ( EAF)内的夹杂物数量处于同一水平。因此可以认为，在钢包使用次数不同的情况下，脱氧前，新旧钢包内钢水的夹杂物数量存在差异，这主要是钢包釉面造成的。比较图2a和2b可以看出，钢包老化时.增加的夹杂总数中，大部分的尺寸范围在2.8～ 5.6μm之间。

　 由图3可以看出，尽管钢种不同.但随着钢包使用次数的增加，钢水内夹杂数量明显增多。钢包使用18次以上时，增多得更明显。这种增多趋势表明，与其它因素相比，钢包使用次数对夹杂物的数量影响较大。

　 使用镁碳砖衬的钢包在浇铸过程中，甚至浇铸后，耐火材料会在高温下与粘附渣发生反应。从热力学观点预测，渣-耐火材料反应会产生多层结构。即:外层、渣渗透层、脱碳耐火材料层、常态耐火砖结构。

　 Riaz等在中间试验厂实验中，观察到了上述的4层结构.Besk、和Du Siehen在工业钢包内所取的包衬试样内也发现了这4层结构。

　 新一炉钢水注入钢包时会冲刷掉外层结构。只有渣渗透层会直接接触钢包内的钢水。随着钢包老化，渣渗入包衬的情况更加严重。渗入量的增加会加快渣的进一步渗入以及渣-耐火材料间的反应。结果.在高温下将形成含有更细小固体颗粒的较厚釉面层。当全部或者部分层面从钢包壁上冲刷下来进入钢水中时，部分熔化的渣及非金属颗粒将残留在钢水中.形成夹杂。钢包越来越老化，釉面层就会产生越来越多的夹杂。因此，渣渗入速度的加快将导致夹杂物数量的急剧增多。

　 固体相在渣渗透层内所占的比例低于外层附近区域，高于脱碳耐火材料层附近区域。当另一炉钢水注入带釉面的钢包时，估计并非全部渣渗入层都从包壁上冲刷下来，许多细小的固态颗粒层残留在包衬上，成为潜在的夹杂。另一方面，在整个工艺过程中，过度的电磁或气体搅拌也可能将颗粒冲刷进钢水中。图5所示的浇铸前夹杂物数量随钢包使用次数的增加而增多的现象直接说明了这一点。由此认为，随着钢包的老化，越来越多的夹杂将从包壁上冲刷下来.进入钢水中。

　 钢水中的总氧含量与溶解氧含量间的差值与氧化物夹杂有关。由图6可以看出，当钢包使用12次以上时，钢水试样内的总氧含量与底浇前溶解的氧含量之间的差值变大。图5的曲线也证实了这个结果。　　　

　 Beskow和Du Siehen就钢包釉面进行了系统的研究。图9a示出的是钢包釉面外层和渣渗透层的显微照片，可以发现.渗入渣的显微结构与外层渣的结构相同。图9b示出的黑岛(标志为相1)为MgO。他们认为.原渣含有两个相:一个黑灰相(标志为相2)和一个浅灰相(标志为相3)。表3列出了相2和相3的成分。由表3可以看出.相2的成分几乎与表2中相II的一样。表3也表明，相3的成分范围较大，根据Al₂O₃- CaO- MgO- SiO₂:系的相图分析，该相为过冷液体。

a-钢包釉面的外层和渣渗透层；b-较高的放大倍数

图9 钢包釉面的显微照片

表3 钢包釉面内相2和相3的化学成分/%

相	颜色	MaO	Al2O3	CaO	SiO2
2	黑灰	1～5	35～45	50～55	1～5
3	浅灰	1～10	30～35	40～50	10～12

　

　 钢水注入钢包后不久，釉面的外层就会脱落，结果渣渗透层与钢水直接接触。因为MgO基体的原因，渣渗透层不易脱落。该层具有较高的低温扩散性，能产生大的温度梯度。Beskow和DuSichen推断，由于靠近表面的相3为低温液态，所以它会溶解并从MgO基体上脱落。另一方面.距表面不远处，因为温度变化，部分3CaO· Al₂O₃仍呈固态。即使相3中的一部分能保留在MgO基体内，仍将呈液态.最终导致3Ca0 ·Al₂O₃与液相(相3)之间发生反应。氩气或电磁的强烈搅拌会使MgO基体的细小部分随着3CaO·Al₂O₃相被冲刷掉，同时冲刷掉的还有一定量的相3。分离的釉面会形成A或B类夹杂物，或二者兼有。应注意的是，大部分B类夹杂在2.8～5.6μm之间。由图2b和图5也可以看到，全部夹杂物中，绝大部分是从钢包壁上脱落的B类夹杂物。

　 老化的钢包内渣渗透层变厚。Beskow和DuSiehen观察到了充满渣的微观裂纹.并延伸到MgO基体内。渣渗入量的增加及微观裂纹的存在会促进3CaO·Al₂O₃随着MgO以及一定量的相3脱落。这就是图5和图6所示的浇铸前夹杂物数量增多的原因。

4结论

　 目前，瑞典Hagfors, Uddeholm Tooling公司炼钢厂己经进行了这方面的研究。在钢包处理的不同阶段和不同使用次数的钢包内取钢水试样。检测试样发现，铝脱氧前和钢包处理结束时，夹杂物会随着钢包使用次数的增加而增多。这个观察结果正好与钢水试样内总氧含量与溶解氧含量之间的差值呈增大趋势相吻合。浇铸前的钢水试样内发现了两类夹杂物:一类只含一种氧化物溶液，其成分非常接近3CaO· Al₂O₃另一类既含该氧化物溶液，又含MgO相。类似的研究表明.3CaO·Al₂O₃伴随MgO出现在钢包釉面的渣渗透层内。目前的研究结果有力地证明，钢包处理过程中，工具钢内非金属夹杂物主要来源于钢包釉面。