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第 1 期炼钢连铸中的非金属夹杂物控制与去除方法研究王雄文（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京210035）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要：在炼钢连铸领域，非金属夹杂物的控制与去除一直是影响产品质量的核心问题。随着钢铁工业的发展，对高品质、高性能产品的需求不断增加，因此，深入研究非金属夹杂物的分类、形成机制以及相应的控制与去除方法，对于提高炼钢连铸工艺的稳定性和产品质量具有重要意义。文章从夹杂物的类型与来源、形成因素、对炼钢连铸的影响入手，全面剖析控制方法和去除技术，为解决该领域的难题提供全面深入的理论支持和实践指导。关键词：炼钢连铸；非金属夹杂物；形成机制；控制方法；去除技术；产品质量作者简介：王雄文（1981），男，湖南安化人，主要研究方向：连铸凝固理论。1非金属夹杂物的分类与特性1.1非金属夹杂物的类型与来源炼钢连铸过程中的非金属夹杂物主要包括气体夹杂、氧化物夹杂和硫化物夹杂等。气体夹杂常见于原料中的氢气、氧气、氮气等气体在炉内反应或结晶过程中所形成。氧化物夹杂往往来源于原料中的氧化物成分，如氧化铁、氧化硅等，在高温条件下与金属发生氧化反应而生成。硫化物夹杂则主要由原料中的硫元素形成，其存在会影响金属的熔点和成分均匀性。不同来源的夹杂物在炼钢连铸中的含量和特性各异，其中氧化物夹杂可能导致铁水中的氧含量升高，影响炉渣的粘度和流动性，从而影响结晶器冷却过程；气体夹杂会影响金属的力学性能和表面质量，导致产品出现气泡等表面缺陷；硫化物夹杂易使钢铁产生脆性，降低其可加工性和韧性，影响最终产品的使用性能咱1暂。1.2夹杂物形成的影响因素夹杂物的形成受多种因素影响。原料的质量和成分直接决定了夹杂物的生成概率。高含氧、高硫的原料会增加氧化物和硫化物夹杂的产生。炉内温度、熔炼时间和炉内气氛等操作参数也对夹杂物的形成起着重要作用。不恰当的操作条件可能导致原料中的气体和氧化物不能充分被除去，进而在炼铁和连铸过程中形成夹杂物。此外，炉渣的成分和性质也直接影响夹杂物的生成和控制。优化炉渣的化学成分和温度，采用合适的渣处理技术能够有效吸附夹杂物，减少其对金属的影响。1.3夹杂物的特性与对炼钢连铸的影响不同类型的夹杂物具有独特的特性与影响。氧化物夹杂在炼钢过程中可能形成气泡，在连铸过程中影响铸坯的表面质量和内部结构，导致产品出现气孔等缺陷。气体夹杂则直接影响钢的力学性能，尤其是在高应力环境下易引起脆性断裂。硫化物夹杂则降低了钢铁的韧性和可加工性，严重影响了产品的使用寿命和安全性。夹杂物的形成和存在对炼钢连铸工艺产生了多方面的负面影响，包括降低产品的质量和性能、增加生产成本和能源消耗、影响生产效率和周期等，因此对夹杂物的有效控制和去除成为炼钢工业持续关注和解决的难题。2非金属夹杂物控制方法2.1原料控制与预处理2.1.1原料选择与质量控制在炼钢连铸过程中，原料的选择和质量控制是影响非金属夹杂物形成的首要因素。首先，优选低含氧、低硫的原料，如低氧含量的铁矿石和低硫含量的焦炭，这有助于减少氧化物和硫化物夹杂的生成。低氧含量的铁矿石可以降低氧化物夹杂的来源，而低硫含量的焦炭有助于减少硫化物夹杂的形成，从而减缓夹杂物对产品质量的不良影响。严格控制原料的质量是确保夹杂物控制的重要步骤。通过实施化验、筛选等手段，确保原料中有害元素的含量在可控范围内。这包括对原料中氧、硫等元素进行详细分析，并采取有效的手段，如筛选、预处理等，以保证原料的质量符合工艺要求。此外，合理控制原料的配比也相当重要，避免高含氧和高硫成分同时存在，有助于减缓夹杂物的形成速率，从而改善产品的质量。2.1.2预处理工艺优化在炼钢连铸过程中，预处理工艺的优化是原料控制的重要延伸，关键在于在原料进入高炉前的处理阶段降低夹杂物的生成概率。采用矿石还原和煤气还原等预处理技术，可以有效减少氧化物的生成，从而减缓31冶金与材料第 44 卷表 1结晶器设计参数结晶器设计参数方形结晶器圆形结晶器椭圆形结晶器六边形结晶器形状方形圆形椭圆形六边形尺寸/尺寸范围边长40cm直径35cm长30cm，宽45cm边长25cm结构多层矩阵结构中空圆筒结构椭圆网格结构六边形蜂窝结构夹杂物生成影响减少大颗粒夹杂物，提高产品表面质量降低气泡夹杂，改善内部均匀性提高夹杂物分散度，但对小颗粒夹杂影响有限降低夹杂物密度，增加金属流动性夹杂物的形成过程。这一步骤不仅有助于提高原料的利用率，还在源头上降低了夹杂物的生成量，为后续炉内控制提供了更为有利的条件咱2暂。此外，预处理工艺的优化还涉及气氛控制和温度控制等手段的应用。通过在预处理阶段实施精确的气氛和温度控制，可以有效降低原料中有害成分的浓度，进一步减缓夹杂物形成的速率。这种全面的预处理工艺优化不仅对夹杂物的形成有着直接影响，还为整个炼钢连铸过程创造了更加有利的工艺环境。2.2炉内控制2.2.1渣处理技术通过合理选择渣的成分和控制温度，可以有效降低夹杂物的活性，从而防止其进入金属相中。常见的渣处理技术包括氧化铝渣法和碱性渣法等。氧化铝渣以其还原性质，能够有效吸附氧化物夹杂，降低其在金属中的浓度。碱性渣则通过降低硫含量，减缓硫化物夹杂的生成过程。这些渣处理技术的优化不仅有助于夹杂物的控制，还能形成一层保护膜，减少夹杂物与金属的相互作用，显著提高产品的质量和表面光洁度。优化渣处理技术是提高炼钢连铸产品质量的重要手段。通过对渣的成分和温度的合理调控，可以精确控制夹杂物的生成过程，降低其在金属中的浓度。特定的渣处理技术，如氧化铝渣法和碱性渣法，对不同类型的夹杂物有着较好的去除效果。这些技术的应用不仅在炉内控制中发挥了重要作用，还对形成保护膜，减少夹杂物与金属的相互作用，有力推动了产品质量和表面光洁度的整体提升。2.2.2合金添加与调整在炉内控制过程中，合金添加与调整可实现对夹杂物的有针对性控制。合金的选择需综合考虑其在高温环境下与夹杂物的反应性，例如，添加铝合金可通过还原反应降低氧化物夹杂的氧含量。这种反应能有效减少氧化物在金属中的浓度，降低其对产品质量的负面影响。合金的选择应该根据夹杂物的类型和金属的特性进行精心调配，以实现最佳的夹杂物控制效果。此外，合金的调整还可以通过改变金属的液相线，影响夹杂物在金属中的溶解度和析出行为。通过这种方式，可以调控夹杂物的分布和浓度，降低夹杂物对金属的影响。合金添加与调整技术在炉内控制中具有灵活性，不仅能够精确控制夹杂物的生成，还对金属的流动性和整体性能产生积极影响咱3暂。2.3连铸过程中的控制2.3.1结晶器设计与优化合理的结晶器设计应当全面考虑金属的流动和凝固特性，以最小化夹杂物的夹持和生成。结晶器的形状、尺寸、结构以及冷却方式等参数都需要进行精心选择和优化，以确保金属在结晶过程中形成均匀的结晶结构，减少夹杂物在结晶中的分布，如表 1。通过这种优化，不仅能提高产品的内在质量，还能有效降低夹杂物对金属性能的不利影响。另一方面，结晶器的设计还需合理设置过渡区域和缓冲区域，以减轻金属流动中的湍流，从而减少夹杂物的引入。过渡区域的设计有助于平稳金属流动，防止夹杂物在流动过程中发生非均匀分布。缓冲区域则能够提供金属的缓冲时间，使金属更加平稳地进入结晶器。这样的结晶器设计有助于降低夹杂物的生成率，还能最大限度地减小夹杂物对最终产品质量的影响。2.3.2结晶器冷却方式的影响冷却水的流速、结晶器的冷却方式直接影响了金属的凝固速度和结晶结构的形成，在炼钢连铸过程中具有关键性的作用。通过调整冷却水的流速、温度以及喷水位置等参数，可以实现对结晶过程的精细控制。合适的冷却方式有助于改变结晶器表面的温度梯度，进而影响夹杂物在结晶过程中的沉积和分布。例如，采用适当的强制冷却可以有效防止夹杂物被包裹在结晶核中，从而减缓夹杂物对最终产品质量的不良影响。优化结晶器的冷却方式还能够通过调整金属的凝固速度，影响夹杂物的析出行为。在连铸过程中，夹杂物的分布与金属的凝固速度密切相关。适当的冷却方式可以使金属在结晶过程中凝固更为均匀，有助于夹杂物的分散分布，避免其在特定区域过度聚集。通过这种方式的优化，不仅能够提高产品的均匀性，还有助于减少夹杂物对最终产品性能和外观的影响。3非金属夹杂物去除方法3.1连铸后处理技术3.1.1除杂工艺与设备先进的除杂设备包括真空除气设备、旋流器和除32第 1 期表 2不同清洁剂的适用情况清洁剂名称酸性清洁剂碱性清洁剂复合清洁剂夹杂物去除效果有效去除氧化物夹杂，但对硫化物影响有限能有效中和和去除硫化物夹杂，但对氧化物去除不明显对氧化物和硫化物夹杂均有较好的去除效果适用情况用于去除金属表面氧化物用于去除金属中的硫化物适用于综合性清洁，去除氧化物、硫化物成分酸性物质、表面活性剂碱性物质、去离子水多种化学成分混合渣机等，这些设备在去除气体、固体和液相夹杂物方面展现了高效性。真空除气设备通过创造真空环境，将气体夹杂物从金属中排除，降低气体对产品质量的负面影响。与此同时，除渣机的运用能有效清除金属表面的氧化物和其他杂质，显著提高金属的纯净度。这些除杂工艺与设备的合理应用对于降低产品内在缺陷至关重要，确保产品在力学性能和外观质量方面达到高水平。先进的除杂工艺与设备的应用是连铸后处理中的技术亮点，其效果直接影响产品的终极品质。真空除气设备和除渣机等先进设备的运用，使得夹杂物的去除更为彻底和高效，从而提高了金属液体的净化程度咱4暂。3.1.2清洁剂的应用在连铸后处理中，清洁剂的目标是有效清除金属表面的氧化物、硫化物以及其他夹杂物。在选择清洁剂时，根据夹杂物的种类和金属表面的不同情况，通常采用酸性清洁剂和碱性清洁剂两种类型，如表 2。酸性清洁剂被广泛用于去除金属表面的氧化物，通过其强氧化性质可以有效还原金属表面。而碱性清洁剂主要用于中和和去除金属中的硫化物，对于降低硫含量具有显著效果。合理的清洁剂应用在夹杂物去除过程中起到关键作用，不仅有助于减少夹杂物在产品中的含量，还能显著提高产品的表面光洁度和耐蚀性。通过对清洁剂种类和处理条件的仔细选择和控制，可以确保清洁剂对金属表面和夹杂物的最佳适应性，最终为产品提供卓越的质量和性能。3.2机械除杂技术3.2.1筛网与过滤器筛网与过滤器可用于阻挡和捕捉夹杂物，提高产品的净化程度。通过在金属流动通道中设置精密的筛网和过滤器，可以阻拦不同粒径和成分的夹杂物，从而避免其进入最终产品。筛网的孔径和过滤器的材质的选择需根据夹杂物的特性进行合理设计。采用这些机械除杂设备，不仅能够有效去除大颗粒夹杂物，还能提高金属液的清洁度，保障产品的性能和表面质量。3.2.2震动与气泡清洁技术在金属流动过程中引入震动设备或气泡发生器，震动技术能够改变金属的流动状态，使夹杂物产生位移，更容易被金属液体排除。这种技术的应用，尤其适用于较大颗粒夹杂物的去除，通过优化金属流动性，显著提高了金属液体的纯净度。另一方面，气泡清洁技术的引入有效推动夹杂物向金属表面运动，为后续的除杂工艺提供便利。这些机械除杂技术的运用，为产品质量的提升提供了重要保障咱5暂。在机械除杂技术的实践中，震动与气泡清洁技术扮演着不可或缺的角色。不仅提高了金属流动性，还有效去除了不同尺寸和形态的夹杂物。这种技术手段不仅在工艺层面上提升了金属液体的净化程度，更在产品质量的稳定性和一致性上展现出显著优势。4结论文章全面探讨了炼钢连铸过程中非金属夹杂物的分类、形成因素以及控制与去除方法。从原料控制、炉内控制到连铸过程中的技术手段，详细阐述了各项方法对夹杂物形成和去除的影响。通过针对不同环节的优化与调整，能够有效减少夹杂物的生成并实现其有效去除，最终为提升炼钢连铸工艺的产品质量提供了深入而可行的解决方案。这些方法的综合应用不仅在质量控制方面有所突破，更在炼钢行业的技术提升和产品改进中发挥着重要作用。参考文献1 梁佰战.转炉轴承钢非金属夹杂物来源分析 J.中国冶金，2020，30（7）：68-72+77.2 郄亚娜，王岩，李丽丽，等.钢中非金属夹杂物控制技术发展现状及展望 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