鋼的潔淨度是指鋼成分中有害成分的多少的一個指標。潔淨鋼是指鋼中的非金屬夾雜的數量、大小、分布對鋼鐵的性能沒有什麼影響。
鋼潔淨度的評定和控制(一)
1 市場對潔淨鋼的需求逐年增加，除了要求降低鋼中非金屬氧化物夾雜含量和控制其形態、化學成分及尺寸分布外，還要求降低鋼中雜質元素(如：S、P、H、N、甚至C)和痕量元素(如：As、Sn、Sb、Se、Cu、Pb及Bi)含量。
鋼材中的夾雜物可引起許多缺陷，例如，美國國家鋼公司Midwest廠低碳鋁鎮靜鋼發生邊部裂紋，經鑑定，該裂紋是由脫氧和二次氧化產物Al2O3夾雜、來自中間包覆蓋劑的鋁酸鈣和夾帶的結晶器保護渣而引起。縱向裂紋發生在帶鋼表面平行於軋制方向，裂紋可導致低碳鋁鎮靜鋼汽車板表面缺陷和可成型性問題，正如美國內陸鋼公司4號BOF車間和國家鋼公司大湖廠多項研究論文所述，鋼中的鋁酸鹽夾雜物來自裹入結晶器的脫氧產物和複合非金屬夾雜物。
鋼的潔淨度取決於鋼中非金屬夾雜物的數量、形態和尺寸分布，因鋼種及其用途不同而定義不同。
由於大型巨觀夾雜對鋼的機械性能危害最大，其尺寸分布非常重要。據報導，1kg典型的低碳鋁鎮靜鋼含107～109個夾雜物(其中，僅含80～130Lm夾雜物400個，130～200Lm夾雜物10個，200～270Lm夾雜物少於1個)。顯然，檢測少量大型夾雜物是非常困難的。儘管大型夾雜物在數量上比小型夾雜物少得多，但其總體積分數可能較大，有時一個大型夾雜物能引起整個一爐鋼的災難性缺陷。因此，潔淨鋼不僅要控制鋼中夾雜物平均含量，而且還要避免夾雜物尺寸超過對產品有害的臨界尺寸。由此，表2中列出了許多鋼材對夾雜物最大尺寸的限定值。夾雜物尺寸分布的重要性在圖1中得到了進一步解釋。測試結果表明，大於30Lm的夾雜物由鋼包內的1.61×10-4%降到中間包的0.58×10-4%。因此，儘管鋼包內鋼水總氧含量稍高且夾雜物總量較多，中間包內的鋼水還是較潔淨的。
圖1 鋼包和中間包內Al2O3夾雜物尺寸分布
非金屬夾雜物來源很多，包括：
(1)脫氧產物。例如低碳鋁鎮靜鋼內的主要夾雜物是Al2O3，該夾雜物因鋼中溶解氧與加入的脫氧劑(如Al)化學反應而產生，Al2O3夾雜在富氧環境下生成，形狀呈樹枝狀，其中可能也包括一些較小的Al2O3顆粒碰撞聚集物。
(2)二次氧化產物。例如鋼水中殘留的[Al]被渣中FeO氧化或暴露在大氣中氧化生成Al2O3。
(3)出鋼時帶入的冶金爐渣。通常為球形液態夾雜。
(4)其它來源的外來夾雜物。如飛灰、剝落的耐火磚襯和陶瓷爐襯顆粒。這類夾雜物通常尺寸大且形狀不規則。它們常常作為Al2O3非均質形核的晶核並夾帶某些顆粒。
(5)化學反應產物。如用Ca改質處理夾雜物時，反應進行不正常時出現的產物。
控制鋼的潔淨度貫穿煉鋼工藝的各項操作，內容包括：脫氧和合金化的時間及地點、爐外精煉的程度和順序、攪拌和倒包操作、保護澆鑄裝置、中間包幾何形狀及操作、各種冶金熔劑的吸收能力以及澆鑄操作。鋼的潔淨度問題在各類相關文獻中都是備受關注的。1980年Kiessling首次全面綜述了關於鋼錠內夾雜物和痕量元素的控制及評價方法。最近，這一學術領域由Mu、Holappa和Cramb提出最新論述，內容增加了熱力學條件。
本文介紹了鋼潔淨度技術的最新進展，首先回顧了鋼的潔淨度的評價方法，接著概述了世界許多鋼廠對低碳鋁鎮靜鋼的潔淨度、總氧含量T.[O]和吸氮的間接測量。最後敘述了鋼包、中間包和連鑄操作中，提高鋼的潔淨度的操作實踐。本文收集了許多關於鋼的潔淨度的數據，目的是為潔淨鋼生產提供有用的信息，焦點是控制Al2O3夾雜。
2 鋼潔淨度的評價方法
研究和控制鋼的潔淨度的關鍵是其精確的評價方法，在煉鋼生產的各個階段測定夾雜物的數量、尺寸分布、形狀和化學成分。儘管測定技術有多種(有精確而昂貴的直接測定法，還有快速而廉價的間接測定法)，只有可靠性是相對的選擇依據。
2.1 直接測定法
鋼的潔淨度的一些直接測定法概述如下：
(1)金相顯微鏡觀測(MMO)。這是一種傳統的方法，用光學顯微鏡檢測二維鋼樣薄片，並且用肉眼定量。整理整個試樣複合型夾雜物檢驗結果時，提出問題。例如，由於較小的一簇夾雜物在整理試驗結果時可被忽略。但是，用這種方法數小夾雜物太浪費時間，而大型夾雜物又太少。儘管有些方法二維結果與三維實際情況相關，問題還是很多。
(2)圖像掃描(IA)法。該法採用高速計算機計算顯微鏡視頻掃描圖像。根據灰度的斷續分辨明暗區，比肉眼觀測的MMO法大有改進，很容易測定較大面積和較多數量的夾雜物。但是，有時容易將非金屬夾雜物引起的劃痕、麻點和凹坑弄錯。
(3)硫印法。這種方法通用而廉價。通過對富硫區進行腐蝕，區分巨觀夾雜和裂紋。該法的問題與其他二維方法相同。
(4)電解(蝕)法。這種方法精確度高但費時。較大的鋼樣(200g～2kg)完全被酸(HCl)溶解，然後收集殘留的非金屬夾雜物，以便計算和進一步分析。另外，為了保留非金屬夾雜物FeO，將浸入FeCl2或FeSO4溶液的鋼樣通電溶解。這種方法適合觀測單個且完整的夾雜物。
(5)電子束熔煉(EB)法。在真空條件下，用電子束熔化鋼樣，夾雜物上浮到鋼水表面。通常電子束熔煉查找的是上浮夾雜物特定區域。目前已開發出了電子束熔煉的升級法(EB-EV)，用來評估夾雜物尺寸分布。此法靠測定幾個區域的上浮夾雜物尺寸，推斷所有夾雜物的上浮結果，從而計算夾雜物尺寸分布指數。
(6)水冷坩堝熔煉法(CC)。在電子束熔煉的條件下，先將熔融鋼樣表面的夾雜物濃縮，再冷卻後，樣品被分解，夾雜物被分離出來。這種方法靠減少溶解金屬的體積分離夾雜物。
(7)掃描電子顯微術(SEM)。這種方法可清晰地觀測到每種夾雜物的三維組織結構和化學成分，用電子探針分析儀(EPMA)檢測化學成分。
(8)脈衝鑑別分析光譜測量法(OES-PDA)。光學發射光譜測量法是分析鋼中溶解元素的傳統方法。Ovako鋼公司採用這一技術在取樣10min之內分析出總氧含量、微小夾雜物尺寸分布和化學成分。為了檢測固態夾雜物，作發射火花的閃光記錄。為了最佳化鐵元素的基礎發光信號和夾雜物的干擾發光信號比值，定義了電信號的特徵曲線。高強度[Al]火花峰值就是脈衝鑑別分析指數。
(9)曼內斯曼夾雜物檢測法(MIDAS)。先使鋼樣波動，以排除氣泡，然後超聲掃描檢測固態夾雜物和固、氣複合夾雜物，這一方法最近被重新發現，命名為LSHP法。
(10)雷射衍射顆粒尺寸分析法(LDPSA)。採用這項雷射技術檢測其他方法(如淀泥法)檢測出的夾雜物的尺寸分布。
(11)常規的超音波法(CUS)。該法可以確定固態鋼樣內大於20Lm的夾雜物尺寸分布。
(12)錐形樣品掃描法。此法用螺鏇運動檢測儀(如超聲系統)自動掃描連鑄產品的圓錐形樣品表面每個位置的夾雜物。
(13)分級熱分解法(FTD)。不同氧化物夾雜在不同溫度還原，如氧化鋁基氧化物還原溫度為1400℃或1600℃，耐火材料夾雜物還原溫度為1900℃，總氧含量為每個加熱步驟測出的氧含量之和。
(14)雷射顯微探針質譜分析法(LAMMS)。用脈衝雷射束照射每個顆粒，選擇電離臨界值之上最低雷射強度值作為其化學狀態特徵光譜圖。通過與標樣比較，雷射顯微探針質譜分析的強度峰值與每個化學元素對應。
(15)X2射線光電子光譜法(XPS)。此法採用X2射線檢測尺寸大於10Lm的夾雜物化學狀態。
(16)俄歇電子光譜法(AES)。採用電子束檢測夾雜物化學狀態。
(17)光電掃描法。分析用其他方法分離出來的夾雜物的光電掃描信號，以監測其尺寸分布。
(18)庫爾特計數分析法。這種方法與LIM2CA法相似，可檢測電蝕法分離出的夾雜物尺寸分布。
(19)液態金屬潔淨度分析法(LIMCA)。這種方法用感測器線上直接檢測鋼液中的夾雜物。由於穿過空隙進入感測器的夾雜物顆粒能改變空隙斷面的電導率，檢測電導率的變化便可檢測夾雜物。
(20)鋼水超聲技術。此法吸收超聲脈衝反射信號，線上檢測鋼中夾雜物。
2.2 間接方法
根據成本、時間要求和取樣的難度，鋼鐵工業通常採用檢測鋼中總氧、吸氮和其他的間接方法測量鋼的潔淨度。
2.2.1 定氧
鋼的總氧含量是溶解氧和非金屬氧化物夾雜結合的氧之和。用定氧感測器很容易測定溶解氧[O]，用脫氧元素(如鋁)化學反應平衡熱力學控制鋼中的總氧。鋁和氧反應平衡條件如下：
logK=log([Al]2[O]3)=-62780/T(K)+20.54(1)
例如：1873K(1600℃)時，K=1.05×10-13，如果[Al]=0.03%～0.06%，溶解氧[O]為(0.0003%～0.0005%)。由於溶解氧含量不是很多，可間接地測定鋼中氧化物夾雜的氧含量，以其代替總氧含量。鋼中大夾雜物占少數，且定氧用鋼樣尺寸太小(約20g)，樣品內幾乎無大的夾雜物，既使一個樣品內有一個大夾雜物，由於讀數異常地高，數據很可能大打折扣。因此，總氧含量實際上代表小型氧化物夾雜中的氧含量，而不是大型氧化物夾雜含量。然而，總氧含量低會降低大型氧化物夾雜存在的可能性，如圖2所示。可見，總氧含量指標仍非常重要，且通常標誌著鋼的潔淨度。
如圖3所示，檢測到的鋼水樣內的總氧含量與產品的裂紋發生率明顯有關。尤其是中間包取樣成分標誌著處理板坯的潔淨度。如日本川崎鋼公司要求中間包鋼水樣T.[O]低於0.003%的條件下，可保證冷軋薄板供貨免檢;0.003%～0.0055%為要求檢驗的臨界值;0.0055%以上的爐次要改判。一些鋼廠生產低碳鋁鎮靜鋼各工序鋼中T.[O]控制水平如表3所示(表3空格部分意味著參考文獻中無合適的數據)。
圖2 鋼中總氧含量和巨觀夾雜之間的關係
圖3 中間包內總氧含量與產品裂紋指數間的關係
從表3可以得出下述結論：
(1)隨著新技術的實現，低碳鋁鎮靜鋼中T.[O]含量逐年降低。例如，新日鐵鋼中T.[O]從1970年的0.004%～0.005%降低到1990年的0.002%。
(2)RH處理的鋼水T.[O](0.001%～0.003%)比鋼包氣體攪拌T.[O](0.0035%～0.0045%)含量低。
(3)隨著工序的進行，T.[O]逐步降低，依次為：鋼包0.004%、中間包0.0025%、結晶器0.002%及板坯內0.0015%。
2.2.2 吸氮檢測
不同煉鋼容器內(尤其是鋼包和中間包)，鋼中含氮量不同說明倒包過程吸氮。例如，Weiton鋼廠潔淨鋼生產要求從鋼包到中間包吸氮上限為0.001%。脫氧後，鋼中溶解的氧含量低使其迅速吸氮，因此，通過檢測吸氮，可以間接粗略檢測吸氧。二次氧化導致的鋼的潔淨度和產品質量問題如圖3、4所示。值得注意的是，硫是減少吸氮和氧化的表面活性元素。
圖4 吸氮和總氧含量與鋼的質量指數的關係
表4總結了幾個鋼廠生產低碳鋁鎮靜鋼時每道工序的吸氮情況，由表3、4可以得出如下結論：
(1)通過採用新技術和改進操作，吸氮逐年降低。如法國索拉克鋼公司敦刻爾克廠，中間包到結晶器鋼水吸氮從1988年的0.0009%降低到1992年的0.0001%。
(2)一般而言，鋼包到結晶器鋼水吸氮可控制在0.0001%～0.0003%，通過最佳化倒包操作可減少澆鑄期間吸入的空氣，將吸入空氣控制在0.0001%以下，保護澆鑄對吸氮的作用將在下文討論。
(3)多數鋼廠將低碳鋁鎮靜鋼的氮含量控制在0.003%～0.004%，主要靠煉鋼轉爐或電爐操作加以控制，但也受爐外精煉和保護澆鑄操作的影響。
2.2.3 溶解鋁減少值的檢測
對低碳鋁鎮靜鋼而言，鋼中溶解鋁的減少意味著發生了二次氧化。然而，由於鋁也能被爐渣二次氧化，所以檢測溶解鋁的降低值比檢測吸氮精度低。
2.2.4 爐渣成分檢測
分析每項操作前後爐渣成分的變化，可檢測出夾雜物被爐渣吸收的情況。另外，通過觀測渣中痕量元素變化和夾雜物成分，可檢測出每爐鋼爐渣中夾雜物。
2.2.5 檢測浸入式水口結瘤
因結瘤引起的浸入式水口壽命縮短，一般說明鋼水的潔淨度低。眾所周知，低碳鋁鎮靜鋼內少量Al2O3夾雜就能引起水口堵塞。連鑄低碳鋁鎮靜鋼結瘤物典型成分為：Al2O351.7%，Fe44%，MnO2.3%，SiO21.4%，CaO0.6%。
鋼潔淨度的評定和控制(二)
3 潔淨鋼的生產實踐
鋼的精煉和連鑄操作嚴重影響鋼的潔淨度。例如，索拉克敦刻爾克廠對去除夾雜物進行了系統的研究，結果表明:儘管二次氧化時有發生，鋼包處理可減少夾雜65%～75%，中間包可去除夾雜20%～25%，而結晶器去除夾雜物的作用較小，只能去除夾雜5%～10%。
3.1 鋼包操作
3.1.1 出鋼氧含量
在出鋼期間或加脫氧劑之前測定鋼包內鋼水的氧含量，出鋼時鋼水氧含量明顯地高，威爾頓廠為0.045%～0.08%，國家鋼公司大湖分廠為0.08%～0.12%，新日鐵為0.025%～0.065%。加鋁脫氧後，產生大量的Al2O3。按這樣推理，為了生產潔淨鋼，我們就可以假定通過限定頂吹氧含量來實現。但是，如圖5所示，頂吹氧量和鋼的潔淨度沒有相關性。這與液態鋼樣總氧含量的研究結果相一致。發現加鋁脫氧後，形成的大量氧化鋁簇夾雜物有85%能穩定上浮到鋼包渣中，殘留的簇狀夾雜物尺寸小於30mm。因此，不管出鋼氧含量取決於夾雜物的上浮時間，還是取決於鋼包精煉的可能性，都能去除大多數夾雜物。圖6示出了RH處理期間鋼中總氧含量隨著脫氣時間的延長而降低的情況。不管出鋼時氧含量差別多大，處理終點的總氧含量T.[O]都達到同一水平。為達此目的，脫氣時間必須足夠長，例如15min。生產超低碳鋼時，出鋼氧含量嚴重影響脫碳速度。
3.1.2 渣中FeO和MnO
鋼水二次氧化的重要原因是轉爐出鋼帶渣進入鋼包，轉爐渣富含FeO和MnO。這些氧化物同鋼水中溶解[Al]發生氧化反應，生成Al2O3，對下述反應的熱力學條件非常有利:
3FeO+2[Al]=Al2O3+3[Fe]
△Gl0=-853700+239.9T(J/mol)(2)
3MnO+2[Al]=Al2O3+3[Mn]
△Gl0=-337700+1.4T(J/mol)(3)
圖5 出鋼時氧含量與中間包最終氧含量之間的關係
圖6 出鋼時氧含量與RH脫氣期間鋼包脫氧的關係
氧含量檢測值為0.0524%；1—氧含量初始計算值為0.03%；
2—氧含量初始計算值為0.05%；3—氧含量初始計算值為0.07%
鋼包渣中FeO和MnO含量較高，二次氧化位能大。反應生成物為Al2O3夾雜。鋼材中的許多裂紋源於鋼包渣中的FeO引起的二次氧化的產物。圖7示出鋼包中總氧含量與鋼包渣中FeO+MnO含量的相關性。圖8示出鋼包渣中FeO和MnO含量對溶解鋁降低值的影響。圖9示出鋼包渣中FeO+MnO含量對中間包內鋼水總氧含量T.[O]的影響。
圖7 鋼包渣中FeO+MnO與鋼包內鋼水總氧量之間的關係
圖8 鋼包渣中FeO含量對降低溶解[Al]的影響
(從鋼包到結晶器和從鋼包到中間包)
圖9 鋼包渣FeO+MnO含量對中間包鋼水總氧含量的影響
FeO+MnO檢測值為15.7%；1—FeO+MnO計算值為2%；
2—FeO+MnO計算值為15.7%；3—FeO+MnO計算值為30%
為了減少FeO和MnO的污染，採取了如下對策:
(1)最大限度地減少出鋼時帶入鋼包的渣量。
提高停吹碳目標命中率，避免補吹，從而將鋼水中溶解的氧含量降至最少，以降低爐渣中FeO含量；BOF採用副槍，從根本上降低補吹頻率；採用高效的機械擋渣設備，如擋渣球(浮在鋼水和爐渣界面之間)，有助於減少出鋼帶入鋼包的渣量(約3kgöt鋼)，也可採用一些感測器。出鋼後，鋼包厚渣層引起了大量渣攜帶問題。例如，美國內陸鋼公司第4BOF車間標準鋼種通過機械扒渣使鋼包爐(LMF)渣層厚度低於40mm。1993年LTV鋼公司克力夫蘭廠最後鋼包渣平均厚度為75mm，LTV鋼公司印第安那Harbor廠低碳鋁鎮靜鋼鋼包渣層厚97mm，高強度低合金鋼鋼包渣層厚135mm，要求增碳條件的鋼種渣層厚140mm；台灣中鋼煉鋼廠鋼包渣層厚度為30～100mm；中國武鋼煉鋼廠2號轉爐鋼包渣層厚100～130mm；而加拿大阿爾戈馬鋼廠扒渣前鋼包渣層厚75mm，扒渣後為25mm。
(2)鋼包渣還原處理。
埃米發現，出鋼帶渣最少化同添加鹼性鋼包渣和採用鹼性包襯相結合，可降低渣中FeO+MnO含量達1%～2%；低碳鋁鎮靜鋼可降低總氧含量0.001%。降低鋼包渣中FeO+MnO含量的另一個辦法是添加爐渣調節劑(即將爐渣還原或脫氧處理)。爐渣調節劑一般使用的是鋁和煅燒石灰石或石灰石的混合物。表5總結出世界上幾個鋼廠鋼包渣還原處理之後FeO+MnO含量的下降值。處理後平均降低約5%。據法國索拉克敦刻爾克廠報導，採用該措施可明顯提高帶卷的潔淨度。
3.1.3 RH處理和鋼包攪拌的作用
鋼包攪拌和精煉過程(如RH鋼包脫氣)大大地促進了夾雜物的長大和去除。各類鋼包處理對板坯夾雜物含量的影響如圖10所示。這些數字表明，對提高鋼水潔淨度而言，RH真空處理比鋼包氬氣攪拌優越，結果參見表4。噴Ca粉和增加攪拌力，促進了脫氧和液化夾雜物，具有明顯的效益。據Haastert報導，某廠採用RH脫氣和Ca處理，將T.[O]降低到0.00.5%。NK-PERM工藝(NKK的RH改進工藝)脫氣20min之後，可將低碳鋁鎮靜鋼的總氧T.[O]降到0.0005%。但是，過度攪拌是不利的。當鋼水向上循環到渣層之上時，可能使鋼水表面暴露出一個“眼睛”區，使鋼水產生二次氧化。
圖10 不同的鋼包處理法對板坯夾雜物含量的影響
加入合金後，充足的攪拌時間(>10min)也是很重要的，能使Al2O3夾雜循環上浮到渣中而去除。然而攪拌時間不能太長，就象Atlas不鏽鋼廠報導的那樣，會沖蝕爐內耐火材料。這種現象已被托馬斯等人從理論上證明過。初期的強攪拌促使小夾雜物相互碰撞長大形成大夾雜物，接著“終攪拌”鋼水慢速循環，便於將碰撞形成的較大夾雜物排除到渣中。
3.2 中間包操作
圖11 連鑄中間包內的現象
1—由空氣引起的氧化和吸氮；2—由渣中FeO、MnO和SiO2引起的[Al]氧化和鋼水中夾帶的Al2O3；
3—溶解剝落中間包耐火材料、[Al]、SiO2及FeO反應產物；4—脫氧反應和夾雜物去除
圖11示出了改進中間包操作後發生的現象。
影響鋼的潔淨度的因素如下:
(1)澆鑄過度；(2)中間包襯耐火材料；(3)中間包覆蓋劑；(4)攪拌氣體；(5)中間包鋼水流控制。
3.2.1 澆鑄過度
澆鑄過度發生在澆鑄開始、更換鋼包和浸入式水口期間和澆鑄結束。在換包期間和長時間待澆時，造成很多污染，在這些非正常澆鑄期間，很可能夾渣和吸入大氣，誘發氧化問題。如美國國家鋼公司連鑄更換中間包時，鋼中總氧T.[O]為0.005%～0.007%，而穩定澆鑄時，為0.0025%～0.005%。在其它廠家，這一差值僅為0.0003%。Lukens報導，換包時總氧含量為0.00192%，而穩定澆鑄時為0.0016%；多法斯克報導，換包期間總氧T.[O]為0.0022%～0.0032%，穩定澆鑄期間為0.0019%～0.0029%。
圖12示出幾個不同爐次澆鑄期間，中間包內T.[O]含量。澆第一個爐次時，由於鋼包開澆的干擾，中間包澆鑄室內空氣和爐渣夾渣同時發生，造成中間包內開始澆鑄時總氧含量高，是整個爐次正常澆鑄期間的兩倍(見圖12曲線1)。加中間包覆蓋劑前幾分鐘需要填充澆鑄。穩定澆鑄後，總氧含量逐漸降低，其主要成分為Al3O2。
更換鋼包時有一項改進措施，在中間包未注滿鋼水之前，停止鋼水流入結晶器，塞棒通入攪拌氣體促進夾雜物上浮。另一項有效措施是，開澆的新鋼包配浸入式水口，採用這項措施後，多法斯克鋼廠鋼水總氧含量從0.0055%～0.0027%降到0.0037%～0.0025%，使整個工序產品質量更穩定(參見圖12曲線2)。
圖12 中間包內總氧含量與不同爐次之間的關係
1—中間包第一爐鋼水；2—帶罩式保護澆鑄和初始中間包蓋的中間爐次；
3—帶絕熱擋板和初始中間包蓋的中間爐次
在一包鋼水澆鑄將近結束時，由於靠近鋼包出口局部的鋼水形成渦流，鋼包渣易進入中間包。為解決這種現象，要求澆畢之前，鋼包內保留一些鋼水(即一爐鋼澆畢後剩餘鋼水4t)。此外，鋼包停澆後，中間包液面深度下降。多法斯克鋼廠報導，中間包鋼水流失可引起爐渣捲入渦流，增加結晶器內總氧含量。目前正在開發液面電磁顯示器。
3.2.2 包襯耐火材料
鋼水中溶解的[Al]同爐襯耐火材料中的氧發生反應。這種氧可能來自爐襯中的碳同粘結劑和雜質反應生成的CO，或來自耐火爐襯分解的SiO2(見式4)。SiO2基中間包襯比MgO基噴塗爐襯(寶鋼和內陸)還要差。靠檢測鋼水的矽含量可以定量該反應達到的程度。
SiO2+4/3[Al]=2/3Al2O3+[Si]
△Gl0=-219400+37.5T(J/mol)(4)
3.2.3 中間包覆蓋劑
中間包覆蓋劑必須具有以下幾種功能:首先，必須使鋼水保溫(防止額外的熱損失)和保證其化學性質(防止吸入空氣和二次氧化)，例如，墨西哥IMCXSA鋼公司改進中間包覆蓋劑(SiO2含量低)後，從鋼包到結晶器吸氮由0.0016%降低到0.0005%。
第二，在理想狀態下，中間包覆蓋劑能吸收夾雜物，輔助鋼水精煉。一般的中間包覆蓋劑為炭化稻殼，比較便宜，絕緣性好，鋪展性好，且不結硬殼。但是，炭化稻殼含SiO2高(SiO2≥80%)，可被還原生成夾雜物(見式4)。炭化稻殼呈細粉狀且含碳量高([C]=10%)，可對超低碳鋼造成污染。理論上而言，精煉低碳鋁鎮靜鋼時，中間包採用鹼性覆蓋劑(CaO-Al2O3-SiO2基)比用炭化稻殼好，主要與中間包內氧含量較低有關。例如，據日本川崎水島廠檢測，覆蓋劑鹼度從0.83提高到1.1時，總氧T.[O]從0.0025%～0.005%降低到0.0019%～0.0035%。在多法斯克第二煉鋼車間，採用鹼性中間包覆蓋劑(CaO40%，Al2O324%，MgO18%，SiO25%，FeO30.5%，C8%)和擋板，與初期使用覆蓋劑(CaO3%，Al2O310%～15%，MgO3%，SiO265%～75%，FeO32%～3%)相比，大大地減少了總氧T.[O]波動。在更換鋼包期間，總氧含量從0.0041%降低到0.0021%。穩定澆鑄時，總氧T.[O]從0.0039%降低到0.0019%。然而，另外的情況請參見圖13。使用炭化稻殼和較高鹼度保護渣(SiO225.0%，Al2O310.0%，CaO59.5%，MgO3.5%)兩種情況下，未發現總氧含量存在差異。這可能是由於鹼性覆蓋劑內仍含大量SiO2，或許是由於熔化速度較快，結晶溫度高，容易在鋼水表面形成硬殼所致，也可能是由於一般鹼性覆蓋劑粘度較低，易被帶走。為了避免這些問題，AK鋼公司阿什蘭廠建議用兩層覆蓋劑，底部用低熔點鹼性覆蓋劑吸附夾雜物，而頂層用炭化稻殼保溫，這一工藝可將總氧含量從0.00224%降低到0.00164%。
圖13 中間包覆蓋劑對中間包鋼水總氧含量的影響
1—中間包覆蓋劑；2—炭化稻殼
3.2.4 中間包攪拌
從中間包底部噴吹惰性氣體加強鋼水混合，促進夾雜物相互碰撞、長大和去除。Lukens鋼公司採用中間包攪拌，成功地將鋼水中T.[O]降低到0.0016%。該技術的缺點是，一旦吸收夾雜物的氣泡從中間包進入結晶器並夾帶到產品中，便可成為嚴重的缺陷。
3.2.5 中間包鋼水流控制
設計的中間包流場應增加鋼水的停留時間，防止“短路”，並促進夾雜物上浮。靠控制中間包的幾何形狀、液面、浸入式水口的設計和流動控制元件(衝擊底墊、堰、壩、導流隔板和過濾器等)來控制中間包內鋼水流。中間包鋼水流衝擊底墊是較廉價的控制元件，它能夠抑制紊流，防止中間包底襯受鋼包注流的沖刷浸蝕。利用流動鋼水自然的浮力避免“短路”。尤其在開澆時，堰、壩和澆鑄上冒口絕熱板結合，提高鋼的潔淨度。Lukens鋼公司採用底墊後，鋼中的總氧T.[O]從0.0026%降低到0.0022%。浦項鋼公司為了提高鋼的潔淨度，設定的堰有77個孔，實際上起特殊過濾器的作用。在多法斯克第二煉鋼車間，採用導流隔板提高產品質量，特別是在更換鋼包時，使溫度更均勻(參見圖12曲線3)。導流隔板與中間包蓋配合使用，在穩定澆鑄的情況下，可使中間包總氧含量從0.0047%～0.0031%降低到0.003%～0.002%。
3.3換包操作
在鋼水從鋼包到中間包或從中間包到結晶器的倒包期間，鋼水被大氣二次氧化是吸氧的最重要原因之一。生成的夾雜物易產生水口堵塞問題，此外，還造成鋼材的缺陷。最佳化保護澆鑄系統是防止這種現象的重要措施。寶鋼採用保護澆鑄使吸氮從敞開澆鑄的0.0024%降低到0.0005%。在美國鋼公司費爾菲爾德廠，用鋼包保護澆鑄和中間包設壩取代簡易中間包，鋼包到中間包吸氮從0.00075%降低到0.0004%，同時還降低了倒包期間的夾渣。
3.3.1 鋼包開澆
鋼包自動開澆的水口不必用氧槍打開，而是自動打開。當水口必須用氧槍打開時，必須拆去保護套管。635～1270mm長的開澆鑄坯從鋼包到中間包無保護澆鑄，導致其發生空氣二次氧化。圖14示出Lukens鋼公司自動開澆和氧槍開澆兩種情況下，鋼水中的總氧量。結果表明，用氧槍開澆的總氧含量比自動開澆爐次的高0.001%。值得注意的是，打開水口填砂對實現鋼包自動開澆是有害的。
圖14 自動開澆和氧槍開澆兩種情況下鋼水中總氧含量
3.3.2 氬氣保護
採用氬氣保護的目的是防止鋼水二次氧化。如果加中間包覆蓋劑過早，覆蓋劑易被開澆鋼水捲入板坯。因此，一般開澆初的幾分鐘內不加覆蓋劑。在開澆初期，空氣非常容易進入鋼水。這兩個因素的影響可使60t中間包延遲15min進行澆鑄。為了解決這一問題，lukens鋼公司探索了從鋼包開澆到中間包採用惰性氣體保護的方法(不與空氣接觸)。另一項措施是改進保護澆鑄系統，引入適當的噴吹氣體。Atlas不鏽鋼分公司改進保護澆鑄系統後，中間包總氧含量從0.00415%降低到0.00379%。
3.3.3 注流密封
為了減少連鑄期間吸氮，通常考慮，從鋼包到中間包耐火磚套的密封和從中間包到結晶器浸入式水口的密封。在多法斯克第二煉鋼車間，改進鋼包水口和鋼包耐火磚套管之間的插入式系統，在穩定澆鑄的狀態下，鋼包到中間包吸氮由改進前的0.0008%降低到改進後的0.0001%以下。因配置了剛性加固密封圈並加強其維護，中間包到結晶器吸氮從原來的0.00018%降低到0.00003%。
3.3.4 水口堵塞
除影響生產外，中間包水口ö浸入式水口堵塞從幾個方面影響鋼的潔淨度。一是結瘤堵塞物可被夾帶進鋼中，會改變保護渣的化學成分導致另一情況的缺陷。二是堵塞水口入口鋼水的流場，改變鋼水流特性，造成結晶器內鋼水流動失常，最終導致夾雜和表面缺陷。控制注流，盡力彌補堵塞對結晶器液面控制的影響。為了控制從中間包到結晶器的鋼水流，多法斯克1號連鑄機將65t中間包的3層滑板式水口系統更換成塞棒，減少了堵塞現象。據報導，為減少堵塞，可採用多項操作。此外，控制水口耐火材料成分，可減少耐火材料侵蝕造成的結瘤(即避免Na、K和Si雜質)，也可用純Al2O3、BN或其它防護劑塗水口壁。
3.4 結晶器與連鑄機操作
連鑄過程有很多現象。根據這些現象可推測出鑄坯的質量。二次氧化產物、水口堵塞物、中間包和鋼包帶入的渣和因水口漏損吸入大氣產生的二次氧化物等，形成的夾雜物通過水口進入結晶器內。因結晶器上表面鋼水流速過快或液面波動，很可能將結晶器渣帶走。隨著過熱度的下降，新的夾雜物很可能沉澱，如Ti處理鋼中的TiO2夾雜。
另一方面，因浮力作用、鋼水運動和夾雜附著在氣泡表面等原因，夾雜物也可能上浮到渣ö鋼界面而被去除。這樣，夾雜物不是被頂渣層捕獲安全地去除，就是被夾帶進入凝固殼，成為鋼材的永久性缺陷。過去，通過收集統計數據和跟蹤連鑄機操作，對夾渣有了較深入的了解。Knoephe發現，提高鑄速會明顯增加貫通式氣泡(來自吹入的氬氣泡)數量，但裂紋(由夾渣引起的)相對減少。Abbel檢測了鋼中夾雜物和氣泡分布，並且觀測到，即使不向中間包水口噴吹氣體，夾雜物簇也常常夾帶1mm氣泡，並且該氣泡被較深處的上升氣流攜帶。據觀察，鑄坯的一側與另一側之間的夾渣各不相同，夾渣發生在(瞬變時)較慢二次循環區接頭部位。經常發現與工藝過程瞬變(例如改變鑄速、更換中間包或水口結瘤)有關的缺陷。貫通孔缺陷偶爾發生，且與噴吹的氣體數量有關。Quan等人經數學模擬得出如下結論:如果夾雜物顆粒被去除或帶入產品之前循環上升時間為300s，80%的夾雜物顆粒可上浮到彎月面，最後被去除(20%被夾帶到產品中)。
弧形結晶器連鑄機彎月面之下1～3m的夾雜物優先被捕捉。因此，夾雜物聚集在距彎月面內側頂部厚度的1/8～1/4處。另一方面，AK鋼公司Middletown廠進行了鑑定(如圖15)。Timken公司Harrison鋼廠報導，鑄流外側電磁攪拌可改善鋼的潔淨度。可將板坯內的總氧T.[O]從0.003%降低到0.002%。由於夾雜物向鑄坯內側呈螺鏇上升運動，在整個厚度方向捕集夾雜物顆粒有特定距離，與彎月面下部2～3m相對應，所以弧形結晶器連鑄機比立彎型連鑄機夾渣嚴重得多。據報導，鑄速影響裂紋，鑄速快且變化多會導致裂紋發生率提高。採用塞棒能夠得到足夠穩定的鑄速。採用塞棒後，不再由中間包鋼水液面確定鑄速，而是由結晶器鋼水液面來控制。因此要較好地控制結晶器液面，令其波動範圍保持在±3mm。
最佳化液流並因此提高板坯質量的有效方法是電磁攪拌(EMBR)。干擾氣流並縮短其衝擊深度，致使夾雜物上浮到保護渣中或被板坯表面的凝固殼捕獲。
參考資料：http://www.china-metallography.com/china-met08/new-material/new-material048.htm
