连铸钢中夹杂物的检测与控制：提升钢材洁净度的关键技术

连续铸钢因节能、高得率、操作灵活、铸坯质量有竞争力等固有优势，是全球钢铁生产主要工艺。随着连铸确立主导地位，行业越来越聚焦通过连铸技术提升钢材质量和降低成本。当前最严格质量要求之一是钢材洁净度。高洁净度要求在连铸过程中严格控制非金属夹杂物。残留最终产品的夹杂物会损害钢材性能、降低质量。

连铸结晶器内夹杂物去除困难，因液态钢凝固后夹杂物浮出机会减少。夹杂物去除及最终分布高度依赖夹杂物性质、液态钢中夹杂物输运、夹杂物与凝固壳相互作用。因此理解夹杂物捕获及其在最终产品中分布对控制洁净度和钢材质量至关重要。

热轧/冷轧钢表面质量问题始终是重要关注点，因直接关联钢材质量和价格。轧钢表面质量也受连铸和加热工艺影响，因夹杂物是轧钢表面裂纹主要成因之一。有通过热力学计算改性夹杂物成分形态提升表面质量的尝试，但似仍不足完全解决表面质量问题。

钢中夹杂物评价

钢中夹杂物评价极具研究价值，包括：(i) 探究夹杂物总量、形态、尺寸分布、空间分布，(ii) 鉴定化学成分。

对高质量钢材产品日益增长的需求使炼钢人员愈发意识到钢材洁净度要求。夹杂物是铸钢重要问题，可导致过度修补或拒收。轧钢产品多缺陷可关联夹杂物。钢材力学行为在很大程度上由夹杂物和析出物的体积分数、尺寸、分布、成分、形态控制，它们作为应力集中源。夹杂物尺寸分布尤重要，大尺寸宏观夹杂物对力学性能危害最大。有时整炉钢因单一大杂物导致灾难性缺陷。虽大夹杂物数量远少于小杂物，但总体积分数可大。

氧化物或硫化物夹杂物增加显著降低延展性。高强低延展合金钢中夹杂物存在降低断裂韧性。蠕变、冲击、疲劳等反映慢、快、循环应变率测试均观察到夹杂物导致类似性能退化。夹杂物引起空孔可诱发裂纹。大外源性夹杂物导致表面劣化、抛光性差、耐腐蚀性降低，极端情况下出现渣线和层状缺陷。

夹杂物也降低“氢致裂纹”(HIC)抵抗性。钢材疲劳问题主要源于硬脆氧化物，特别是尺寸超30微米大氧化铝颗粒。虽夹杂物凝固形态在铸钢中重要，但锻钢产品中夹杂物形态主要由钢加工中相对钢基体的力学行为决定，即“硬”或“软”。不同夹杂物随轧制变形行为示意图1。

图1 夹杂物变形行为

“条带”形成（图1中b、c类型）增加力学性能方向性，特别不利于韧性和延展性。对韧性和延展性最坏夹杂物（特别是薄板厚向性能）是随基体变形者（图1 d类型）。为避免这些问题，须严格控制有害夹杂物尺寸和频率。特别是铸钢中不应存在超临界尺寸夹杂物。

夹杂物表征是保证洁净钢最重要方面之一。夹杂物是严重影响钢材抛光性、延展性、疲劳强度等性能的缺陷类型。故生产高性能钢须控制夹杂物。初生夹杂物在钢包处理中形成。多数除入钢包渣或衬里。但剩余夹杂物仍需后续工序去除，且铸造凝固中会新生成夹杂物。

因尺寸增大数量减少，不同尺寸区间带来不同问题。就抛光性而言，大量小夹杂物比大但稀有夹杂物更有害，仅因出现更频繁。低应力水平下，可能导致钢材寿命期内失效的临界裂纹最可能在极大杂物处萌生。这些夹杂物稀有，难准确估算出现密度。中等疲劳应力水平下，中等尺寸夹杂物与表面缺陷竞争成为裂纹起始点。

内源性夹杂物

内源性夹杂物是脱氧产物或钢冷却凝固时析出夹杂物。

脱氧产物

低碳铝镇静钢(LCAK)中氧化铝夹杂物，硅镇静钢中二氧化硅夹杂物，由溶解氧与加入铝、硅脱氧剂反应生成，为典型脱氧杂。高氧环境下形成的氧化铝呈树枝状。脱氧或再氧化形成的簇状氧化铝夹杂物为铝镇静钢典型特征。氧化铝因高界面能极易通过碰撞聚集形成三维簇。簇内单个杂物直径1~5微米。碰撞、破碎或与其他颗粒聚集前，可呈花瓣状或（聚集）多面体。珊瑚状氧化铝被认为源于原始树枝状或簇状氧化铝“奥斯特瓦尔德熟化”。二氧化硅夹杂物因液态钢中处于液态或玻璃态通常呈球形。二氧化硅也可聚集成簇。

析出夹杂物

这些夹杂物在钢冷却凝固时形成。冷却时液态钢中溶解氧/氮/硫浓度升高而溶解度下降。从而析出氧化铝、二氧化硅、氮化铝(AlN)、硫化物。硫化物凝固时在枝晶间形成，常在液态钢已有氧化物上成核。这些夹杂物通常较小（<10微米）。

外源性夹杂物

外源性夹杂物主要源于液态钢与周围环境（渣夹带、衬里耐火材料侵蚀）的偶然化学（再氧化）和机械相互作用。加工中产生颤动，造成机加工表面麻点、凿痕、频繁崩刃、过度刀具磨损。

外源性夹杂物总与工艺相关，其尺寸和化学成分常指向来源，主要来源：再氧化、渣夹带、衬里侵蚀、化学反应。特征：

• 尺寸大 —— 衬里侵蚀外源性夹杂物通常大于渣夹带者。
• 复合成分/多相性 —— 由现象导致：(i) 液态钢与渣和衬里中SiO₂、FeO、MnO反应生成氧化铝停留其表面，(ii) 外源性夹杂物移动时因尺寸大可捕获脱氧氧化铝等夹杂物，(iii) 外源性夹杂物在液态钢中运动时作为异质成核位点析出新夹杂物，(iv) 渣或再氧化夹杂物与衬里反应或剥离更多材料入钢液。
• 形状 —— 外源性夹杂物通常形状不规则，除渣夹带或脱氧产物二氧化硅呈球形。球形外源性夹杂物通常大（>50微米）且多相；球形脱氧夹杂物通常小且单相。
• 数量 —— 外源性夹杂物数量少于小夹杂物。
• 分布 —— 外源性夹杂物在钢中分布零星，不如小夹杂物分散良好。因通常在浇铸凝固时被捕获，出现偶然零星。但易浮出，故仅集中在钢横截面凝固最快区域或浮出逃逸受阻区域。故常见于近表面。
• 对钢性能影响 —— 外源性夹杂物因尺寸大比小夹杂物对钢性能危害更大。

覆盖外源性夹杂物来源的一个问题是：为何此类大夹杂物一旦进入钢液不迅速浮出？可能原因：(i) 炼钢、转运、冶金容器侵蚀晚期形成，留浮上时间不足即进入铸机结晶器，(ii) 过热度不足，(iii) 凝固流动诱发渣粉捕获，(iv) 浮起夹杂物未完全进入渣前再次被卷入。

再氧化外源性夹杂物

钢中再氧化最常见大宏观夹杂物为氧化铝簇。空气是最常见再氧化源，可发生：(i) 钢包中钢液浇注初期因强湍流与顶面空气混合，流动液面氧化膜折入液体形成弱氧化物颗粒面，(ii) 钢包-中间包、中间包-结晶器连接处空气吸入钢液，(iii) 浇注期间空气从钢包、中间包、结晶器钢液顶面渗入。

此类再氧化中，铝、钙、硅等脱氧元素优先氧化，产物发育成夹杂物，通常比脱氧夹杂物大一至两个数量级。防止此类再氧化方案是限制空气接触铸造过程：(i) 用钢环歧管或多孔耐火环在钢包-中间包、中间包-结晶器连接处惰性气体幕遮蔽，(ii) 浇注前向中间包吹扫氩气、浇注中向中间包液面吹氩，(iii) 控制钢包氩吹避免眼形成。

另一再氧化源在渣和衬里耐火材料。此机制下，夹杂物靠近渣或衬里界面通过反应SiO₂/FeO/MnO + [Al] = [Si]/[Fe]/[Mn] + Al₂O₃生长，导致成分多变大氧化铝夹杂物。此现象进一步以不同方式影响外源性夹杂物：(i) 此反应侵蚀不平衬里表面，改变衬里壁附近流场诱发衬里加速破碎，(ii) 大外源性夹杂物（碎衬里或夹带渣）可捕获小夹杂物（如脱氧产物），也作为异质成核位点析出新夹杂物，使外源性夹杂物成分复杂化。

防止渣和衬里再氧化，极重要保持低SiO₂、FeO、MnO含量。报道高铝或锆质砖含游离二氧化硅低更适用。

渣夹带外源性夹杂物

任何炼钢操作或液态钢转运涉及渣金属湍流混合，特别是容器间转运。产生悬浮钢液中渣颗粒。渣夹杂物10~300微米，含大量CaO或MgO，液态钢温度下通常为液态故球形。用“H”型中间包双包浇注减少换包期渣夹带。影响连铸过程中渣夹带入钢液原因：(i) 钢包-中间包、中间包-结晶器转运操作中，钢液顶面涡旋，低液位时可通过多种方式避免如涡旋开始前停浇，(ii) 气体搅拌超临界流量时顶面乳化夹带渣，(iii) 结晶器弯月面湍流，(iv) 渣性质如界面张力和粘度。

例：结晶器渣粉因(i) 弯月面湍流(图2A)，(ii) 涡旋(图2C)，(iii) 气泡从钢入渣诱导乳化(图2B、2D)，(iv) 压差沿水口壁吸入(2E)，(v) 高速流剪切表面渣(2A)，(vi) 液面波动(图2B)而被卷入钢液。

图2 结晶器渣粉捕获示意

钢与液态铸造渣粉界面张力决定钢弯月面高度和通量卷入难易。纯铁接触石灰-硅酸-铝渣界面张力1.4 N/m产生约8mm弯月面高度。表面活性物种如硫或界面交换反应如钢中铝被渣中氧化铁氧化可降低界面张力至极低值。化学反应关联的极低界面张力可通过马兰戈尼效应在界面提供自发湍流。此湍流可在界面形成乳化液，产生钢中不希望的渣珠。

衬里耐火材料侵蚀/腐蚀外源性夹杂物

耐火材料侵蚀，含井砖砂、松散污垢、破碎耐火砖、陶瓷衬里颗粒，是大外源性夹杂物极常见来源，通常为固态且与钢包、中间包材料相关。这些通常大且形状不规则。外源性夹杂物可作氧化铝异质成核位点，或聚集其他内源性夹杂物。耐火侵蚀产物或机械混入夹杂物出现可完全损害原本极洁净钢质量。

研究侵蚀过程报道：“釉面耐火材料”和“砖表面反应层”在1,550~1,600℃钢液中形成。衬里表面大夹杂物团块也可释放入钢液。

衬里侵蚀通常发生在湍流区，特别是结合再氧化、高浇注温度、化学反应时。强烈影响衬里侵蚀参数：

• 某些钢种腐蚀性强（如高锰钢、勉强脱氧高溶解氧钢种）攻击衬里砖。
• 再氧化反应如钢液溶解铝还原衬里二氧化硅，生成氧化铁基夹杂物，高反应性润湿衬里材料，导致高湍流区衬里侵蚀。
• 砖成分质量对钢质量影响大。某厂渣线采用三材料（高铝、Al₂O₃-SiC-C、MgO-C，磨损率分别1 mm/炉、0.34 mm/炉、0.16 mm/炉），MgO-C耐久性最高。锰氧化物优先攻击耐火材料含硅部分。极高纯氧化铝和氧化锆颗粒耐锰氧化物攻击。
• 高锰钢快速耐火侵蚀可通过：(i) 极高纯氧化铝或氧化锆耐火材料，(ii) 强脱氧剂如铝或钙彻底脱氧并防止吸气将氧降至最低。硅基中间包衬里劣于镁基喷涂衬里。建议高铝耐火材料最有前景。喷嘴耐火材料掺入CaO可通过在壁面液化氧化铝帮助，前提CaO扩散至界面足够快且喷嘴侵蚀非问题。喷嘴侵蚀可通过控制喷嘴耐火成分（如避免钠、钾、硅杂质）或涂覆纯氧化铝、氮化硼等耐性材料对抗。保护管壁面耐火材料选择应最小化与钢反应产生夹杂物和堵塞。
• 液态钢过高速度影响中间包壁侵蚀，如入口区。可用底垫防中间包底侵蚀并控制流型。建议液态钢速度超1 m/s对侵蚀危险。
• 过长接触/停留时间和高温恶化侵蚀。钢包长时间停留大夹杂物可浮入钢包渣。但钢与钢包衬里接触越久，钢包侵蚀产物倾向越大。解决方案基于：针对钢种开发高稳定耐火材料、高流量区开发致密耐磨耐火嵌件、防止再氧化。

化学反应外源性夹杂物

化学反应在钙处理不当产生氧化物。识别这些夹杂物来源不总是容易，如含氧化钙夹杂物也可能源于夹带渣。

夹杂物聚集与水口堵塞

固态夹杂物聚集可在表面张力作用下发生于任何表面，包括耐火材料和气泡表面。氧化铝在液态钢中高接触角(134°~146°)促使夹杂物附着耐火材料以最小化与钢接触。1,530℃高温使氧化铝烧结发生。大接触角和大尺寸促进夹杂物聚集。因碰撞聚集，钢中夹杂物随时间温度增加而生长。锭模中夹杂物碰撞、聚集、凝聚生长主题多研究，报告从脱氧剂加入起核、碰撞扩散从纳米级生长至微米级数值模拟。

氧化铝烧结成簇基础需进一步研究，些研究用分形理论描述簇形态。夹杂物在衬里表面聚集最明显例是连铸液态钢水口堵塞。

流场与凝固对夹杂物影响

连铸钢中夹杂物分布受液态钢流场、传热、凝固影响。夹杂物捕获常用指标为凝固前沿临界推进速度，受夹杂物形状、密度、表面能、热导率、冷却速率(凝固速率)、凝固前沿突出条件等多参数影响。报道捕获受阻力和界面力(范德华力)控制。建议凝固速率越快，捕获概率越高。捕获概率随凝固时间增加、偏析减少、凝固前沿突起减小而降低。枝晶臂间距对夹杂物捕获影响大，与推挤、包裹、捕获现象相关。

连铸操作、夹杂物与洁净钢

连铸操作控制钢洁净度。系统研究夹杂物去除发现：钢包处理降低夹杂物约65%~75%，中间包去除约20%~25%（虽有时再氧化），结晶器去除约5%~10%。中间包操作对钢洁净度影响大。影响中间包操作钢洁净度重要因素：中间包深度容量、浇铸过渡、中间包衬里耐火、中间包渣、氩气搅拌、中间包流控。

表面渣层

钢包和中间包表面渣层提供功能：(i) 液态钢热学（防过度散热）和化学（防吸气再氧化）绝热，(ii) 吸收夹杂物提供额外精炼。常用中间包渣为烧焦稻壳，廉价、良好绝热、覆盖好不结壳。但稻壳高硅(~80% SiO₂)可被还原成夹杂物源。也极粉尘，高碳(~10% C)可污染超低碳钢。

碱性渣(CaO-Al₂O₃-SiO₂基、硅<10%)理论上精炼LCAK钢远优于稻壳，关联中间包低氧。例：研究中通量碱度从0.83增至11，总氧从25~50 ppm降至19~35 ppm。某钢厂用碱性渣报告结晶器总氧更低、制品缺陷减少。但碱性渣更易因熔化快、结晶温度高在表面结壳。此壳导致浇注时钢包浇注管周围演变成敞开无渣眼，不仅提供过大再氧化面积，也允许显著辐射散热和操作平台人员不适。碱性渣粘度通常较低，更易夹带。避免这些问题，某厂用双层渣：底层低熔点碱性渣吸收夹杂物，顶层稻壳基渣绝热。将总氧从22.5 ppm降至16.5 ppm。

中间包深度、容量与流控装置

中间包流型设计应增加液态钢停留时间，防“短路”促进夹杂物去除。中间包流受几何形状、液位、入口(浇注管)设计、流控装置如冲击垫、堰、挡板、挡渣坝、过滤器控制。深大容量中间包增加液态钢和颗粒停留时间，促进夹杂物去除。深中间包也抑制涡旋形成，为换包前提供更多时间防渣夹带成问题。LCAK钢中间包尺寸过去20年全球逐渐增大，典型板坯连铸机达60~80吨、深度约1.8米。

妥善对齐，配合堰/挡坝，冲击垫可改善钢洁净度，尤其换包期间。例：某厂加冲击垫使换包期氧化铝从48 ppm降至15 ppm。另一厂总氧从26 ppm(拱顶垫)降至22 ppm(盖帽垫)。又一厂在挡坝打77孔使其作部分过滤改善洁净度。另一厂挡板配合初始中间包盖将稳态浇铸平均总氧从39±8 ppm降至24±5 ppm。

陶瓷过滤器和CaO过滤器去除夹杂物极有效。但成本和堵塞前有效工作时间通常限制使用。中间包底部吹惰性气体改善液态钢混合，促进夹杂物碰撞去除。某厂应用此技术成功将中间包总氧降至16 ppm。但危险是任何携带夹杂物气泡逃逸中间包被铸坯捕获导致严重缺陷。报道中间包钢氧化物面积分数(0.001%)此技术比无技术减少25%。

浇铸过渡

浇铸过渡发生于浇铸序列开始、换包、换水口、浇铸结束。这些过渡导致大部分酦净度缺陷。过渡期常产生夹杂物且持久污染大量钢。首炉开始时银亮缺陷指数为首炉中间5倍、后续炉15倍以上。非稳态浇铸期渣夹带和吸气更易发生，诱发再氧化问题。“自开包”钢包无需烧枪开包。烧枪需拆除浇注管允许再氧化，特别是前650~1,200mm铸坯。烧枪开包炉总氧比自开包高约10 ppm。钢包开包砂仔细填实助自开包。钢包砂高硅也是再氧化源。

换包改进：停止液态钢流入结晶器直到中间包注满并吹气体促进夹杂物浮出。另一改进：水下浇注管开新包。此措施某厂总氧从41±14 ppm降至31±16 ppm，全序列质量更一致。

例：某厂过渡期中间包总氧50~70 ppm，稳态仅25~50 ppm。他厂差异仅3 ppm。一厂报告过渡期总氧仅19.2 ppm对稳态16 ppm；另一厂过渡期27±5 ppm对稳态24±5 ppm。另一厂浇注开始期中间包氮增5~12 ppm，约12分钟后稳态降至0~2 ppm。

钢包浇注末期，钢包出口处钢液涡旋导致钢包渣入中间包。需钢包关包时保留钢液(如4吨“底料”)。此外钢包关包后中间包液位下降，破坏正常流场产生渣涡旋、渣夹带、结晶器总氧增加。

保护浇注、氩气保护与密封

钢包至结晶器保护浇注含：钢包滑动水口保护、钢包集流嘴、钢包浇注管连接、中间包座砖、中间包滑动水口上板。浇注管设计变化对中间包-结晶器液态钢转运操作至关重要。优化保护浇注系统大幅降低转运操作再氧化。例：某厂用钢包浇注管将氮增从24 ppm降至3 ppm(对明浇)。另一厂用钢包浇注管和挡坝替换中间包浇注箱将氮增(钢包-中间包)从7.5 ppm降至4 ppm，也降低换包期渣夹带。另一厂改进钢包-中间包保护浇注系统将氮增从14 ppm降至3 ppm。

某厂钢包-中间包流保护浇注将溶解铝损耗从130 ppm降至70 ppm，总氧增加降低12 ppm。明浇(小方坯常见)时浇注流湍流极重要。平稳流卷入氧远少于湍流或“绳状”流。为生产中间包-结晶器间平稳流，计量水口刃口须维护，避免中间包跨水口高速流。保护性中间包盖密封边缘也助降总氧从41.5 ppm至38 ppm。

多种惰性气体保护浇注系统现已可用。钢包-中间包保护浇注可将铸坯(铝镇静钢)总氧从48.5 ppm降至28.5 ppm，加氩密封降至23 ppm。极重要仔细密封浇注管接头，改善洁净度防堵塞。改进钢包水口-钢包浇注管刺刀系统将该处氮增从8 ppm降<1 ppm。加固浸入式水口(SEN)夹具和加强维护将某厂初始氮增从1.8 ppm降至0.3 ppm。

惰性气体多方式保护钢防空气再氧化。对抗浇注开始吸气，浇注前用惰性气体吹扫中间包(置换空气)降低启动总氧和氮增。氩气加压浇注管防液态钢通过接头/泄漏再氧化。须制定确保水口内正压最小氩气流指南。此外接头处氩气充满确保泄漏吸入惰性气体而非空气。

某厂向中间包塞棒吹氩并改进密封将中间包-铸坯氮增从5 ppm降至1.8 ppm，铸坯总氧从31 ppm降至22 ppm，减小铸坯氧化铝簇尺寸，减少堵塞。他处塞棒吹氩使MIDAS法检测夹杂物数减少25%~80%。滑动水口上板吹氩吹扫将50~100微米夹杂物从3个/cm²降至0.6个/cm²，100~200微米大夹杂物从1.4个/cm²降至0.4个/cm²。

堵塞与SEN新技术

水口是少数相对廉价可更换却对流型深远影响铸坯质量的控制参数。水口参数：孔径、出口角度和开口尺寸、壁厚、出口形状(圆/方/椭圆)、出口数(分叉/多孔)、底部设计(井/平/斜)、浸没深度。过大过小浸没深度均增加纵向裂纹和横向凹陷问题。

1949年研究发现浇铸铝镇静钢锭早期水口孔壁表面覆盖刚玉(Al₂O₃)。另研究发现高铝(0.0036%)水口堵塞，剖面显示氧化铝从水口壁向孔内树枝状生长。又观察铝、锆、钛、稀土元素堵塞物。

水口堵塞由再氧化、或固态氧化物/硫化物(氧化铝、硫化钙CaS)积累引起。除干扰生产，中间包水口/SEN堵塞因以下原因损害钢洁净度：(i) 脱落堵塞物被困钢中或改变渣成分导致缺陷，(ii) 堵塞改变水口流型和射流特性破坏结晶器流场致渣夹带和表面缺陷，(iii) 堵塞干扰结晶器液位控制，流控装置(塞棒/滑动水口)试图补偿堵塞。

治理水口堵塞包括：改进钢包工艺提升钢洁净度、实施光滑非反应耐火材料、控制水口流体流动确保平稳流型。某厂三板滑动水口改塞棒减少堵塞。多做法可最小化堵塞。除采取一般减少夹杂物措施，耐火侵蚀堵塞可通过控制水口耐火成分(如避免钠、钾、硅杂质)或涂覆纯氧化铝、氮化硼等耐性材料对抗。SEN有多新技术报道改善流型和夹杂物去除：(i) 旋流水口技术，(ii) 阶梯水口技术，(iii) 多出口水口，(iv) 椭圆偏心节流板。

旋流水口技术

SEN上游端固定叶片诱导水口内旋流。旋流产生离心力可将液态钢等量分配至两出口。因带离心力钢流在水口内壁附近最大速度，倾向流出出口上部。故常规水口倾向出口下部速度高的速度分布可变均匀。报道用此旋流水口连铸，成品(卷)缺陷率降为常规水口25%，铸速提升30%。成本仅比常规高20%，比用“电磁制动”便宜。此旋流型也可由水口“电磁搅拌”产生，也能改善铸坯凝固组织。

阶梯水口

常规SEN出口流型因SEN滑动水口不均匀或偏向。此偏向流型(SEN出口旋流)增加射流冲击恶化夹杂物去除至顶面。用内环形阶梯可削弱结晶器偏向流。计算建议常规SEN 50微米夹杂物去除至结晶器顶面分数2%，阶梯SEN增至7%。

椭圆偏心节流板

常规系统闸板节流导致中间包-结晶器流道上下游高度偏斜偏向流，大幅削弱偏心孔系统。偏心闸板设计从中间包座嘴更中心提取流体。故系统对座嘴壁堆积不敏感，延长座嘴寿命，允许更长中间包序列。实践发现偏心孔闸板内堵塞显著低于常规闸板。

多出口

结晶器表面速度对渣夹带和顶面波动影响大。多缺陷与结晶器表面速度相关。降低表面速度对改善洁净度极重要。此任务可用SEN多出口实现。SEN增底孔降低侧射流动量，可在高吞吐量下获得良好钢流和弯月面条件并更稳定。

结晶器与连铸机操作

连铸结晶器区是最后精炼步骤，夹杂物要么安全进入顶渣层，要么被凝固壳捕获成钢制品永久缺陷。Mcpherson 1985年用“结晶器冶金”强调结晶器改善钢洁净度重要性。结晶器流型对避免缺陷极重要，因影响颗粒输运去除至顶渣或被凝固壳捕获。

顶面控制

过多流导向顶面产生表面缺陷，因瞬态、弯月面湍流、渣夹带夹杂物问题。但过度降低表面流也生成问题：弯月面区过度停滞产生表面缺陷，更大比例来流夹杂物颗粒深入前被送入深处无法去除入渣。故须寻找平衡优化流参数避免缺陷。

表面缺陷最明显源是弯月面处外来颗粒被凝固壳捕获。钢流导向过深或过热度太低，液面运动极少变太冷。可导致钢弯月面冻结，加剧弯月面钩形成。允许夹杂物和气泡被捕获，后者在铸坯表面下形成针孔。例：表面速度降0.4 m/s以下测得增加表面针孔缺陷。避免这些问题，流型设计须超过临界最小速度横跨顶面，估计约0.1~0.2 m/s。

渣夹带在深浸没和低铸速下较少。避免此种剪切渣，表面速度须保持在临界值以下。此临界值在水-油模型中作为粘度等参数函数测得。浅渣层、高渣粘度、高渣表面张力使夹带更难。

水口氩气吹入流速最大限制报告为铸速函数，超则结晶器渣夹带发生。增铸速倾向增加瞬态湍流波动，恶化流型不对称程度。进而恶化有害表面湍流和液位波动。改善内部洁净度常需限制最大铸速，避免铅管缺陷。降低铸速和避免铸速变化均降低银亮缺陷率。更精确说，降低液态质量流率以控制离开水口射流速度重要。

流场型

结晶器流型受可调参数控制：水口几何、浸没深度、氩气吹入速率、电磁力应用。也依赖通常不可调整以适应流型的参数：流控装置(滑动水口/塞棒)位置、水口堵塞、铸速、铸坯宽度、厚度。所有参数共同形成系统，须为给定操作设计产生最优流型。

吹入水口和结晶器气泡有五效应关联钢质量控制：(i) 助减少水口堵塞，(ii) 助影响控制结晶器流型，(iii) 流速过大产生严重顶面波动甚至乳化，(iv) 捕获液态钢流动中夹杂物，(v) 被凝固壳捕获的气泡捕获固态氧化物颗粒最终导致表面银亮或内部缺陷。

通常低气流倾向双辊流型，高氩流速诱导单辊流。此现象1983年即研究。维持稳定双辊流型(常为最优)，氩气须安全保持在临界水平以下。过量氩吹入产生进入结晶器射流瞬态变化，引入结晶器腔体不对称，增加表面湍流。氩气泡也可被凝固钢壳捕获形成鼓包缺陷，如成品铅管。

观察到夹杂物捕获侧向变化，提示与下循环区瞬态流结构变化、不对称流型(图3)相关，可由水口堵塞、湍流、过量氩吹入诱导。极重要保持结晶器液态钢液位、渣粉加料速率、铸速、气体吹入速率、滑动水口开度、水口位置(对中和浸没)近乎恒定。

电磁力可多方式施加液态钢大幅改变铸坯流型。报道电磁搅拌外弧铸坯改善钢洁净度，铸坯总氧从30 ppm降至20 ppm。另例电磁制动(EMBR)弯曲射流缩短冲击深度，减少深处被凝固壳捕获可能性。

图3 影响铸钢夹杂物因素

铸机弯曲

弯月面结晶器连铸机比直立(垂直)结晶器连铸机捕获更多颗粒(图3)，因颗粒随下循环区螺旋上升逐渐向内弧半径移动。大部分钢中颗粒在弯月面下1~3米被捕获，与铸速无关，对应铸坯厚度特定距离。夹杂物常集中在表面和内弧面下1/8~1/4厚度处。垂直弯曲铸机夹杂物和针孔较少，分布更深。若铸机顶部至少2.5米直立段，颗粒捕获缺陷如铅管可减轻。

夹杂物检测方法

生产全阶段需测量夹杂物数量、尺寸分布、形状、成分。测量技术从准确但昂贵的直接法，到快速廉价但仅作相对指示可靠的间接法。检测方法有时分两类：(i) 离线法，(ii) 在线法。

直接法

多种直接法评价钢洁净度：

固态钢截面夹杂物评价

多种传统方法直接评价凝固产品样品二维截面夹杂物。后五种方法增加测量夹杂物成分能力。

• 金相显微镜观察(MMO) —— 仅能显示夹杂物二维截面，夹杂物本质三维。
• 图像分析(IA) —— MMO增强，用高速计算机评估视频扫描显微图像，基于灰度阈值区分明暗区。
• 硫印法 —— 廉价宏观图谱法，蚀刻富硫区区分大夹杂物和裂纹。同其他二维法有相似问题。
• 扫描电镜(SEM) —— 清晰显示夹杂物三维形态和各夹杂物成分。成分也可用“电子探针微区分析”(EPMA)测量。但需大量制样寻找暴露夹杂物。
• 脉冲判别分析光发射光谱(OES-PDA) —— OES分析液态钢溶解元素。夹杂物产生高强度火花峰(相对溶解元素背景信号)，计数得PDA指数。
• 激光微探质谱(LAMMS) —— 脉冲激光照射单个颗粒，选特征谱图阈值以上最低激光强度。LAMMS谱峰经参比样品结果对比关联元素。
• X射线光电子能谱(XPS) —— 用X射线测绘>10微米单个夹杂物化学状态。
• 奥歇电子能谱(AES) —— 用电子束测绘平坦样品表面附近小区域成分。
• 阴极荧光显微镜 —— 显微镜下钢或衬里样品截面受阴极射线(高能电子束)激发产生阴极荧光(CL)。CL颜色取决于金属离子类型、电场、应力，允许检测夹杂物。

三维钢基体夹杂物评价

多种方法直接测量三维钢基体中夹杂物。前四种用超声或X射线扫描样品。后四种体积法先将夹杂物从钢中分离。

• 常规超声扫描(CUS) —— 换能器(典型压电)发声压波经耦合剂入样品。声波传播样品，后壁反射返回换能器。示波器比较初始输入脉冲和反射信号指示样品内部质量。阻挡物散射声波能量。此无损法检测计数固态钢样品中>20微米夹杂物。
• MIDAS法 —— 先轧制钢样去除气孔，再超声扫描检测固态夹杂物和复合固态夹杂物/气孔。现更名“液态取样热加工”(LSHP)法。
• 扫描声学显微镜(SAM) —— 螺旋探测器(如固态超声系统)扫描连铸产品锥形体积，自动检测样品表面区域每个位置(含表面到中心线)夹杂物。
• X射线检测 —— 夹杂物导致透射钢X射线衰减变异被检测成像。将样品分多薄片经常规X射线印穿透照片作图像分析可构建夹杂物分布。
• 化学溶解(CD) —— 用酸溶解钢部分提取夹杂物。夹杂物形态成分可用SEM等其他法检测，或完全溶解钢样全提取。三维本质可由此揭示。缺点：酸溶解夹杂物中FeO、MnO、CaO、MgO。故仅适合检测氧化铝和二氧化硅夹杂物。
• 泥浆(电解)法 —— 称“恒电位溶解法”。较大(200克~2千克)钢样浸入氯化亚铁或硫酸亚铁溶液通电流溶解。用于显示单个完整夹杂物。缺点：簇状夹杂物提取后可能分解为单独颗粒。
• 电子束(EB)熔炼 —— 真空下电子束熔融铝镇静钢样。夹杂物浮上表面形成筏。常规EB指数为夹杂物筏比表面积。增强法(EB-EV“极值”)开发估算夹杂物尺寸分布。
• 冷坩埚(CC)熔炼 —— 夹杂物先集中熔融样品表面如EB熔炼。冷却后样品表面溶解，夹杂物从溶质过滤分离。改进EB熔炼：熔融更大样品、能检测二氧化硅。
• 分级热分解(FTD) —— 钢样温度超熔点时夹杂物显露液面并分解。不同氧化物选择性还原温度不同：氧化铝基氧化物1,400℃或1,600℃，难熔夹杂物1,900℃。总氧含量为各加热步骤测得氧含量之和。
• 磁粉检测(MPI) —— 称磁漏场检测，可定位钢板产品>30微米夹杂物。产生平行板面钢板内均匀磁场。若存在非均质(夹杂物或气孔)，磁导率差异迫使磁通场弯曲延伸出板面。主要缺点：靠近夹杂物分辨率差。

提取后夹杂物尺寸分布

多种方法可在用前文合适方法从钢中提取夹杂物后找到三维尺寸分布。

• 库尔特计数器分析 —— 流入传感器微孔颗粒因改变间隙电导率被检测。测量用泥浆法提取悬浮水中夹杂物尺寸分布。
• 光散射法 —— 分析(用泥浆等法从钢样提取的)夹杂物光散射信号评价尺寸分布。
• 激光衍射颗粒度分析仪(LDPSA) —— 激光技术评价(用泥浆等法从钢样提取的)夹杂物尺寸分布。

液态钢夹杂物评价

多种方法可检测液态钢中夹杂物数量和尺寸分布。

• 液态系统超声技术 —— 捕获超声脉冲反射在线检测液态钢夹杂物。
• 液态金属洁净度分析仪(LIMCA) —— 在线传感器用“库尔特计数器”原理直接检测液态钢夹杂物。通常用于铝等金属，钢仍在开发中。
• 共聚焦扫描激光显微镜 —— 新原位法可观察液态钢表面单个夹杂物行为，含成核、碰撞、聚集、界面推挤。此法检测液态钢表面氧化铝聚集过程见图4。

图4 液态钢表面氧化铝夹杂物聚集过程

• 电磁可视化(EV) —— 基于洛伦兹力检测系统加速夹杂物至液态金属和高导电不透明流体顶面自由表面。技术分辨率优于其他在线法。

间接法

因直接夹杂物测量成本、时间、取样困难，钢厂通常用总氧、氮增等间接法测钢洁净度。

总氧测量

钢中总氧为游离氧(溶解氧)与夹杂物结合氧之和。游离或“活性”氧用氧传感器相对易测。主要受脱氧元素(如铝)平衡热力学控制。因游离氧变化不大(例：铝镇静钢1,600℃下3~5 ppm)。总氧因钢样中大夹杂物族群小，合理间接反映钢中氧化物夹杂物总量，实质代表小氧化物夹杂物水平。液态样品总氧粗略关联产品银亮缺陷率。特别中间包样品常指示铸钢洁净度处置。某厂要求中间包样品总氧<30 ppm确保冷轧板无特检出厂。多钢厂LCAK钢各工序总氧数据总体结论：(i) 随年份新技术实施LCAK钢总氧稳步下降，(ii) 有RH(鲁尔施塔特-赫劳斯)真空处理装置厂总氧(10~30 ppm)低于钢包吹氩厂(35~45 ppm)，(iii) 总氧通常每工序下降：钢包40 ppm、中间包25 ppm、结晶器20 ppm、铸坯15 ppm。图5展示中间包总氧与银亮缺陷指数关系及氮增与总氧关系。

图5 中间包总氧与产品银亮缺陷指数关系及氮增与总氧关系

氮增

炼钢容器间氮含量差指示转运操作夹带空气量。故氮增作为总氧、钢洁净度、再氧化夹杂物质量问题粗略间接指标。例：某厂关键洁净钢应用限制钢包-中间包氮增<10 ppm。氧吸收动力学在钢-空气界面更快，故氧增总比测得氮增高数倍。此外氧硫含量低时氮增更快。故减氮增最好在出钢后脱氧。厂测确认：脱氧在出钢时氮增10~20 ppm降至出钢后5 ppm。

多钢厂LCAK钢各工序(除中间包、结晶器)最小氮增和氮含量数据总体结论：多数钢厂LCAK钢铸坯氮约30~40 ppm。主要受转炉或电炉冶炼控制，也受精炼和保护浇注影响。但随年份新技术改进操作氮增下降。钢包-结晶器氮增通常可控1~3 ppm。最优转运操作减少吸气，稳态浇铸可降<1 ppm。

浓度测量

LCAK钢溶解铝损耗也指示再氧化发生。但此指标不如氮增准确，因铝也可被渣再氧化。硅增、锰增也可评价再氧化过程。

衬里耐火材料观察

操作前后衬里耐火成分演变分析可估算夹杂物对衬里吸收和衬里侵蚀。也可通过匹配渣中矿物元素分数与夹杂物成分追溯复杂氧化物夹杂物源于衬里侵蚀。

渣成分测量

操作前后渣成分演变分析可解释估算夹杂物对渣吸收。也可匹配渣中矿物元素分数与夹杂物成分追溯复杂氧化物夹杂物源于渣夹带。但因取样困难和热力学平衡变化需考量，这些方法不易。

示踪研究确定渣和衬里侵蚀外源性夹杂物

示踪氧化物可加入钢包、中间包、结晶器、锭模喇叭口、覆盖剂渣和衬里。钢中典型夹杂物经SEM等分析。若示踪氧化物在夹杂物中发现，可判定来源。

浸入式水口(SEN)堵塞

因堵塞导致SEN寿命短有时是钢洁净度差指标。LCAK钢连铸典型堵塞物成分：Al₂O₃ 51.7%、Fe 44%、MnO 2.3%、SiO₂ 1.4%、CaO 0.6%，显示水口堵塞常因微小氧化铝夹杂物与冻结钢同时堆积。故SEN堵塞频率也是评价钢洁净度粗略方法。

最终产品测试

洁净度终极度量是用破坏性力学测试测量最终板材成形性、深冲、弯曲性能，或试样/产品样品疲劳寿命。其他钢板测试含HIC测试和磁光检测。另例超声疲劳测试夹杂物检测法。这些测试揭示极小夹杂物(<1微米)潜在益处，不应计入洁净度扣分。

可见无单一理想方法评价钢洁净度。些法适合质量监控，些适合问题调查。故需结合多法给定操作更准确评价钢洁净度。

因外源性夹杂物可源于多源组合，预防方法不太可能简单。仅通过正确组合所有源头和去除机制才能降低钢中大夹杂物发生率。检测钢中外源性夹杂物适用方法：超声扫描、显微观察、硫印、泥浆(电解)、X射线、SEM、渣成分分析、衬里观察。