先进洁净钢技术提升钢材质量

钢材洁净度与洁净钢技术

钢材洁净度是决定钢材质量的重要因素，对抗拉强度、成形性、韧性、焊接性、抗裂性、耐蚀性、疲劳抗性等性能有显著影响。钢材消费者对更好力学性能的需求驱动钢铁生产商提升钢材洁净度。

当前环境下，提升钢材洁净度已成钢铁业必要。这指导了冶金二次精炼工艺发展。驱动力在于开发耐高要求应用新钢种：汽车传动部件、侵蚀腐蚀环境建筑管材等。

洁净钢指无夹杂钢。夹杂为嵌入钢基体非金属颗粒。除降低非金属氧化物夹杂、控制其形貌、成分、尺寸分布，洁净钢还要求降低其他残留杂质：磷（P）、硫（S）、总氧（O₂）、氮（N₂）、氢（H₂）、有时碳（C），及微量元素砷（As）、锡（Sn）、锑（Sb）、硒（Se）、铜（Cu）、铅（Pb）、铋（Bi）。这些杂质随钢种不同。某元素对某钢种有害，对另一钢种危害小甚至有益。即控制元素随钢性能要求不同。

实现钢材满意洁净度的全流程控制

为达满意洁净度，需控制改进炼钢全过程广泛操作实践，含：① 脱氧剂和铁合金添加；② 冶金二次精炼处理；③ 保护浇注系统和浇铸实践。

洁净钢发展历史

“洁净钢”术语诞生于20世纪中叶。当时全球钢产量开始增长，认识到钢质量也是专门重要问题。此后炼钢进步开发出许多极低杂质钢种。近年新开发商业化“洁净和超洁净”钢种，应对钢材消费行业当前及未来质量需求。钢材洁净度显著改善力学性能（疲劳强度、冲击韧性）和耐蚀性。

洁净度概念源于20世纪中叶新生金相学显微镜观察非金属夹杂（NMI）。洁净度按微观视场标准图像评级，区分几何（形状尺寸）和分布对比各图像类型。训练观察者确立：某形状某钢种可接受，较小夹杂通常比大夹杂更可接受。虽当时无夹杂成分数据，观察者按S含量和钢脱氧历史，按家族（硫化物、硅酸盐、铝酸盐、氧化铝、复合夹杂）建立钢种与夹杂成分对应关系。

这些20世纪方法很快标准化。它们抢先于二次精炼工艺和钢连铸普及。洁净度概念进一步发展并行探索：炼钢物理化学、新工艺反应器开发、控制夹杂成分形状尺寸分布创新方案，逐渐成炼钢常规实践。现代洁净度愿景源于最初30~40年概念建设努力。钢材洁净度主题现达一定成熟度，尤新二次精炼工艺和连铸钢种。

非金属夹杂

NMI为嵌入钢基体玻璃-陶瓷相。钢中NMI存在是影响钢洁净度主因。NMI来源多样：

脱氧产物

例：氧化铝（Al₂O₃）夹杂致低碳铝杀钢（LCAK）大部分原生夹杂。由溶解氧与添加脱氧剂（如Al）反应生成。高氧环境形成树枝状Al₂O₃，或小颗粒碰撞结果。

再氧化产物

例：Al₂O₃夹杂生成于① 液钢残Al被渣中FeO氧化；② 液钢暴露大气。

夹渣

炼钢容器间转运冶金熔剂夹带形成液态夹杂，通常球形。

外源性夹杂

他源：散落污垢、破碎耐火砖、耐火衬颗粒。通常大且不规则。可作Al₂O₃异质核位点。

化学反应夹杂

钙（Ca）处理不当产生的夹杂修饰产物。

夹杂尺寸分布极重要，大夹杂对钢力学性能危害最大。1kg LCAK钢典型含10⁷~10⁹夹杂，含80~130μm夹杂仅400个，130~200μm仅10个，200~270μm<1个。显然检测稀有大夹杂极难。虽大夹杂远少于小夹杂，总体积分数可大。整炉钢单一大夹杂可致灾难性缺陷。故洁净钢不仅控制平均夹杂含量，还须避免超临界有害尺寸大夹杂。

NMI构成钢基体中分散相云，由成分、形状、尺寸、分布多维参数定义。完整描述通常不易获取，评估洁净度主要难题：观察代表性样本合理准确估算这些参数。一难点：大夹杂（≥100μm）稀有难见，除非分析超大样本。

另一问题：NMI群体随时间（炼钢车间工艺时间线）和温度变化。精心采集分析包钢样可给当时洁净度较好估算，但与凝固钢洁净度几乎无关联。故必须评估何时采集代表性液钢样以同时评估钢成分和NMI洁净度。

非金属夹杂类型

按尺寸分：微观夹杂（1~100μm）、宏观夹杂（>100μm）。宏观夹杂有害。微观夹杂有益：细化晶粒、提高屈服强度硬度。微观夹杂作碳化物氮化物析出核。宏观夹杂须去除。微观夹杂均匀分散可强化。

传统分类按来源两主型NMI（图1）：① 内生性夹杂；② 外源性夹杂。

图1 内生与外源性夹杂

内生性为熔融凝固过程中理化效应形成微观夹杂。因溶液中化学组分溶解度下降在液相析出形成。也可由脱氧脱硫后残氧硫或再氧化形成（图1a、1b）。此类NMI不能完全消除，但须严控体积分数和平均尺寸避免损伤现象激活。

外源性夹杂为宏观夹杂，因渣、耐火碎片、浇铸用覆盖保护粉末夹带形成（图1c）。此类NMI特征大尺寸、来源不即时可识，但其存在强烈损害钢组织可靠性和力学可靠性。

NMI强烈影响钢质量性能。主要为Fe、Mn、Al、Si、Ca等金属与O₂、S、N₂、C、H₂非金属化合物。

NMI各类型：① 氧化物：FeO、Al₂O₃、SiO₂、MnO、Al₂O₃·SiO₂、FeO·Al₂O₃、MgO·Al₂O₃、MnO·SiO₂等；② 硫化物：FeS、CaS、MnS、MgS、Ce₂S₃；③ 氮化物：TiN、AlN、VN、BN等；④ 氧硫化物：MnS·MnO、Al₂O₃·CaS等；⑤ 碳氮化物：Ti、V、Nb碳氮化物等；⑥ 磷化物：Fe₃P、Fe₂P、Mn₅P₂。描述氧化物NMI化学成分基本工具：三元相图（CaO-SiO₂-Al₂O₃），主导非金属化合物形成体系。此类NMI由加入钢液脱氧元素去除氧生成。氮化物夹杂因特殊棱边形状放大夹杂/基体界面应力放大，损害加剧。

按矿物学含分氧化物夹杂分：① 游离氧化物：FeO、MnO、Cr₂O₃、SiO₂、Al₂O₃等；② 尖晶石：铁氧体、铬酸盐、铝酸盐；③ 硅酸盐：SiO₂混合Fe、Mn、Cr、Al、W氧化物及结晶硅酸盐。

按稳定性分：稳定/不稳定。不稳定夹杂：Fe、Mn硫化物及部分游离氧化物。

按夹杂形貌分：① 球球状；② 片状；③ 多面体状。球球状理想。MnS、氧硫化物、铁铝酸盐、硅酸盐为球球状。片状不可取。铝脱氧钢含沿晶界薄膜状MnS。多面体状危害不大。

初始涉及洁净度化学元素多为门捷列夫周期表非金属，因液钢溶解度>固态。主：C、N₂、O₂、P、S、Se、H₂。可加入类金属邻居：B、As、Sb、Te。部分源自原料（P、S、As、Sb）或高炉铁水，其多因大气污染（O₂、N₂、H₂）、炼钢操作实践污染、或主动添加（C、Se、Te、B）。

硫化物常为修饰氧化物夹杂Ca处理结果，但微量细分散高耐火CaS夹杂对浇铸（塞嘴堵塞）和损害效应有害。相反MnS NMI（常CaS复合修饰）利于钢切削加工性。

识别三主要NMI起源机制，关联非金属相对金属基体损害作用。视NMI为：① 缺口元素放大NMI周围应力场；② 压力气罐渐进迁移气体入NMI生成应力场；③ 非金属相因金属相与玻璃陶瓷相不同热膨胀系数产生残余应力。

钢材洁净度评价方法

准确知晓钢中真实夹杂含量对提升钢质量和预测钢制件性能至关重要。研究控制钢洁净度，关键拥有准确评价方法。夹杂数量、尺寸分布、形状、成分需全生产阶段测量。测量技术从直接法（准确昂贵）到间接法（快速廉价但仅相对指标可靠）。

直接法

若干直接评价钢洁净度方法汇总：

金相显微镜观察（MMO） —— 传统法：钢样二维切片光学显微镜检查目测定量。用JK参考标尺等图表评价。仅适用2~15μm夹杂定性，限极小样本量。无夹杂化学成分数据。解释复杂形状夹杂切片问题。虽有关联二维结果三维现实方法，但普遍极困难。

图像分析 —— MMO增强：高速计算机评估视频扫描显微镜图像，灰度阈值区分明暗区改进目测。可评估更大面积更多夹杂数，但易误判划痕、点蚀、污渍为NMI。

硫印法 —— 廉价宏观法：腐蚀富硫区分宏观夹杂和裂纹。同其他二维法问题。

蓝断裂试验 —— 历史确立技术：显示>0.5mm宏观夹杂。硬化横截面钢棒断裂回火蓝增加缺陷可见性。

泥浆（电解）法 —— 准确耗时。较大（200g~2kg）钢样完全溶于盐酸（HCl），残留未溶NMI收集计数进一步分析。或为保护FeO夹杂，大部分酸溶在钢样浸入FeCl₂或FeSO₄溶液通电完成。用于显示单个完整夹杂。

电子束（EB）熔炼 —— 钢样真空电子束熔融。夹杂浮上表面形成筏。常用EB指数为夹杂筏比表面积。增强法EB-EV（极值）通过测量筏多视场最大夹杂尺寸外推整个筏估算夹杂尺寸分布，假设指数分布。

冷坩埚（CC）熔炼 —— 夹杂先集中熔融样品表面如EB熔炼。冷却后样品表面溶解，夹杂从溶质过滤分离。改进泥浆提取。

扫描电镜（SEM） —— 清晰显示每个检查夹杂三维形貌和成分。电子探针微区分析（EPMA）测成分。SEM能评大面积，提供丰富夹杂化学、形貌、尺寸数据。

脉冲辨析光谱发射光谱（OES-PDA） —— OES常规分析钢溶解元素。改进后可10分钟内分析总氧、微观夹杂尺寸分布成分。辨别固体夹杂（OES-PDA），发射火花频率记光。定义电特性优化溶解元素背景信号与夹杂等不均匀扰动信号光比。高强度Al峰火花数为PDA指数。

曼内斯曼冲浪板分析夹杂检测（MIDAS） —— 钢样先轧制除气孔再超声扫描检测固体夹杂和复合固体夹杂/气孔。近重发现为“液态取样热轧（LSHP）”法。

激光衍射粒度分析（LDPSA） —— 激光技术评估经其他法（如泥浆）提取夹杂尺寸分布。

常规超声扫描（CUS） —— 固态钢样获>20μm夹杂尺寸分布。

锥形样品扫描 —— 连铸钢锥形体积用螺旋探测器（如固体超声系统）扫描，自动检测样品每位置表面夹杂含表面至中心线。

分级热分解（FTD） —— 不同氧化物夹杂不同温度选择性还原：Al₂O₃基氧化物1400~1600°C、难熔夹杂1900°C。总氧含量为各加热步测氧含量之和。

激光微探质谱（LAMMS） —— 单颗粒脉冲激光照射，选电离阈值上最低激光强度得特征谱。LAMMS谱峰经参考样本对比关联元素。

X射线光电子能谱（XPS） —— X射线测绘>10μm夹杂化学态。

奥歇电子能谱（AES） —— 电子束测绘光散射法。经其他法（如泥浆）提取夹杂光散射信号分析评估尺寸分布。

液态金属洁净度分析仪（LIMCA） —— 在线传感器直接液态检测夹杂。流入微孔颗粒改变间隙电导率被检测。

库尔特计数器分析 —— 类LIMCA，可测泥浆提取悬浮水中夹杂尺寸分布（>亚微米）。

液态系统超声技术 —— 捕捉超声脉冲反射在线检测液钢夹杂。

浸没超声检测法 —— 检测大夹杂效果显著。测>120μm夹杂：500,000 cm³钢单样本铣平行平面沉水箱，10MHz探头扫描。相当16,000蓝断裂试验。不产出夹杂化学成分信息，但重要工艺工具。测小夹杂可提超声探头频率至15/25/50MHz或更高。但频率分辨率升高采样体积缩小。

间接法

因成本、时间、采样困难，钢铁业通常用总氧、氮增量等间接法测钢洁净度。

总氧测量 —— 钢总氧=游离氧（溶解氧）+夹杂结合氧。游离/“活性”氧用氧传感器相对易测。受脱氧元素（如Al）平衡热力学控制。因游离氧变化小，总氧为钢中氧化物夹杂总量合理间接度量。因钢中大夹杂稀少、总氧测量样本小（通常20g），样本中极不可能有大夹杂。即使有大夹杂，异常高读数可能被舍弃。故总氧真代表小氧化物夹杂水平非大夹杂。但低总氧降低大氧化物夹杂概率。总氧仍是极重要常用钢洁净度指数。LCAK钢总氧随年份稳步下降，随新技术实施。如真空脱气厂总氧（10~30ppm）低于仅钢包搅拌厂（35~45ppm）。总氧通常每工序下降：钢包40ppm、中包25ppm、结晶器20ppm、铸坯15ppm。

氮增量 —— 炼钢容器间（尤钢包中包）氮含量差指示转运夹带空气。脱氧后钢低溶氧使空气快速吸收。氮增量作总氧、钢洁净度、再氧化夹杂质量问题粗略间接指标。随新技术改进操作实施，氮增量历年下降。通常钢包至结晶器氮增量可控1~3ppm。最优转运操作减少夹带空气，稳态浇铸中氮增量可<1ppm。LCAK钢氮水平多数厂控30~40ppm。主由转炉或电炉操作控制，但受精炼保护浇注影响。

溶解铝损失测量 —— LCAK钢Al损失指示再氧化发生。但不如氮增量准，因Al也可被渣再氧化。

渣成分测量 —— 操作前后渣成分演变分析可估算夹杂渣吸收。特定容器渣夹带可通过匹配渣和夹杂微量元素成分确定。

塞棒/浸入式水口（SEN）堵塞 —— 因堵塞SEN寿命短通常指示钢洁净度低。LCAK钢细Al₂O₃夹杂致水口堵塞。故SEN堵塞频率也是评价钢洁净度粗略法。

可见无单一理想技术评价钢洁净度。有技术适合质量监控，有利于问题调查。故钢厂需结合多法给出更准钢洁净度评价。夹杂可靠定量使新一代洁净钢开发成为可能。

洁净钢技术与操作实践

二次精炼成管理钢洁净度公认工具，因其不但能受控条件下添加液钢，还促进精细渣金属搅拌、渣还原、修温、夹杂聚并、浮升除去渣夹带、成分控制、真空脱气、有时碳脱氧等。工程钢所需冶金功能由此对钢厂可用，子集用于全钢种，使商业质量与特种钢界限模糊。

二次精炼和连铸重要特征：冶金功能沿设备线空间展开、按时间尺度部署，故可标准化、自动化、更好控制。污染源虽增但也可更好控制。钢包-中包（钢包水口、滑动水口、钢包流保护气等）、中包（覆盖剂、堰、挡板、鼓泡件等）、中包-结晶器（水口、滑动水口/塞棒、浸入式水口、鼓泡等）、结晶器（渣粉、液面控制、浸入式水口几何等）、连铸本身（直弯结晶器、直弯结合、电磁搅拌、电磁制动、薄板坯横向异形结晶器等），均成工艺链一环成真冶金反应器。“中包冶金”成常用语，连铸机尤结晶器也作冶金反应器，NMI命运持续决定。

贯穿二次精炼提升钢洁净度大量技术操作实践，含：脱氧剂铁合金加加时机位置、二次精炼工艺程度序列、搅拌转运操作、保护浇注系统、中包几何实践、各冶金熔剂吸收能力、浇铸实践。

NMI化学成分形成控制涉及生产工艺不同步骤及执行工业系统。生产工艺每步须审慎实施避免：① 浇铸操作困难相关中包-结晶器水口堵塞（连铸）和钢包-浇铸立柱水口堵塞（锭模浇铸）；② 钢力学性能不利影响。

转炉（BOF）或电弧炉（EAF）末期，氧与碳平衡，低碳钢种氧极高（0.02%C对应1250ppm O₂）。若钢直接如此凝固，Fe、S、O₂共晶析出晶间，初期强碳脱氧生成近表面气孔边钢。结果钢多孔且热轧/锻室温后续使用脆性。

为避免析出氧硫铁共晶，引入脱氧剂（C、尤减压下、Mn、Si、Al、Ca、Ti等）和脱硫剂（Mn、Ca）促进新平衡析出第三相避免边钢。第三相构成内生性NMI（氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、磷化物等），通常钢包中初始创建。平衡可通过块加脱氧剂入液钢、线材喷射、或确保液态金属与适当成分活性冶金渣平衡实现。

NMI群体随时变化：现有夹杂聚并、浮出最终吸附渣或简单覆盖粉末/熔剂、聚集钢包/中包/水口内耐火材料（固体NMI如Al₂O₃或尖晶石易堵塞）。钢渣也变，夹杂与其复杂关联，允许时间达平衡、或非平衡。凝固前沿气体析出仍可发生若N₂H₂未妥控。更多夹杂现：温降通常意味更多析出、或凝固开始、或氧穿透系统（再氧化），从渣、耐火材料、耐火接头大气（滑动水口、浸入式水口安装、耐火材料贯穿等），或渣耐火材料生成新夹杂/释放前捕获夹杂。后者称外源性NMI。所有机制深入研究找对策，趋势向洁净度改善。

再氧化重要点：非热力学平衡发生，而是生成遇入氧元素氧化物，最常生成Fe氧化物。脱氧液钢非平衡下，这些氧化物若允许时间后逆回平衡NMI。

内生/外源性NMI区分略武断，因脱氧/再氧化实为炼钢总工艺一体部分，均源于生产钢技术。例：脱氧不在液钢内部，而在喷射脱氧剂界面。

NMI尺寸足以作为力学不连续性与金属基体相互作用，基本如孔。钢中更小尺寸第三相称析出物，按位错甚至原子尺度与基体相互作用。析出物通常碳化物/氮化物，构成钢微合金关键特征或工具钢/不锈钢实质合金化。

钢精炼和连铸操作对改善钢洁净度有重要影响。钢厂系统夹杂去除研究表明：钢包处理降夹杂~65%~75%，中包去除~20%~25%（但有时再氧化），结晶器去除~5%~10%总夹杂。

钢包操作

出钢氧含量在钢包出钢或加脱氧剂前测量。值通常高，宽范围变化（250~1200ppm）视初炼实践。Al脱氧生成大量Al₂O₃。故洁净钢种需限制出钢氧含量。但炉前实践与钢洁净度无相关性，因~85%大量加Al后形成Al₂O₃团浮入钢包渣，剩余团<30μm。自然忽略出钢氧决定取决于浮夹杂可用时间和钢包精炼可用性（可去除大部分鬼生成夹杂）。但出钢氧强烈影响超低碳钢脱碳速率。

渣中FeO和MnO —— 再氧化重要来源：转炉带入钢包夹带渣含高FeO、MnO。这些氧化物与溶解Al反应生成液钢Al₂O₃，因反应3FeO(l)+2Al=Al₂O₃+3Fe(l)、3MnO+2Al=Al₂O₃+3Mn(l)热力学极有利。钢包渣FeO、MnO含量越高，再氧化潜力和Al₂O₃夹杂生成越大。多最终产品细裂纹追溯源于钢包渣FeO再氧化。

多对策降低FeO、MnO污染：① 出钢最小化转炉带渣；② 提高终点碳；③ 避免返吹，最小化钢溶氧降低炉渣FeO；④ BOF用次级枪大幅减少返吹频次；⑤ 用高效机械挡渣器如渣球（浮钢沉渣）；⑥ 用其他可用传感器。出钢后厚钢包渣层暗示带渣严重。部分厂关键钢种钢包精炼机械刮渣至25~40mm厚度。

钢包渣还原处理 —— 发现最小化带渣配合加碱性钢包渣和碱性衬降钢包渣FeO+MnO<1%~2%，可降LCAK钢总氧至10ppm。另降钢包渣FeO+MnO法：加渣调节剂（渣还原/脱氧处理），Al烧石灰/石灰石混合物。钢包渣还原处理后FeO+MnO下降。平均降至5%以下。结果盘条洁净度大幅改善。

真空处理和钢包搅拌效果 —— 液钢真空处理始于汽车、电力、航空航天工程钢生产，目的提高车辆/核反应堆机械零件可靠性寿命。主要需控液钢氢水平（碳钢<1ppm）避免凝固析出夹带实体致钢件使用严重完整性缺陷。真空直除氢进入炼钢车间，用罐式脱气、流式脱气、DH和RH（莱茵施塔尔-赫劳斯）钢包脱气工艺。真空脱气除减非金属夹杂，还允许：① 碳脱氧，主要优势生成气态脱氧产物；② 强烈搅拌多优势；③ 钢包流程时间管理，利于液钢温控质量；④ Al氧喷射再热液钢。

钢包搅拌和钢包脱气极大促进夹杂生长去除。真空处理对铸坯夹杂水平影响显示钢洁净度优于钢包氩（Ar）搅拌。Ca基粉喷射显著受益因其更强搅拌动力除主脱氧液化夹杂效应。真空脱气+Ca处理可降总氧至15ppm水平。

但过度搅拌有害：钢上循环暴露渣层“眼”区致再氧化、耐火侵蚀。加铁合金后足够搅拌时间（>10min）重要，使Al₂O₃夹杂循环至渣去除。部分厂实践：先剧烈搅拌促小夹杂碰撞成大，再“最终搅拌”慢循环钢促夹杂入渣去除同时最小化碰撞生成更多大夹杂。

中包操作

中包发生重要现象见图2。影响钢洁净度因素：① 浇铸转换期；② 中包耐火衬；③ 中包覆盖剂；④ 气体搅拌；⑤ 中包流控。

图2 连铸中包发生重要现象

浇铸转换期 —— 开浇、换钢包、SEN（浸入式水口）更换、浇铸序列结束发生转换期。转换期常生成夹杂且持续长时间，污染大量钢。非稳态浇铸期渣夹带和吸气更易，诱发再氧化问题。

首炉中包注浇箱因开包湍流夹带空气和渣，伴随中包总氧初始最大值（含渣和Al₂O₃夹杂）。开浇浇注致中包总氧升至正常2倍持续>整炉。需数分钟注满才能加中包覆盖剂。最终稳态浇铸总氧降至低水平，主含Al₂O₃。

换包改进：中包注满前停止流入结晶器、塞棒通气促进夹杂上浮。另改进：水下保护浇注开新包。此措施使总氧降低、全序列质量更一致。近包底包渣可因钢包出口液钢涡旋入中包。需包底留钢（例5吨“包底”）关包。此外包关后中包液位降破坏正常流动可致渣涡旋、渣夹带、结晶器总氧增。

中包耐火衬 —— 液钢溶解Al与衬砖氧源反应。可监测液钢Si含量量化反应程度。反应氧源：耐火材料碳与粘结剂杂质反应生成CO（一氧化碳），或SiO₂衬砖分解。SiO₂基中包衬比喷涂MgO基衬差。

中包覆盖剂 —— 多功能：① 热学（防过度散热）化学（防吸气再氧化）绝热液钢；② 理想情况吸收夹杂提供额外精炼。常规中包覆盖剂烧稻壳，廉价、好绝热、好覆盖不结壳。但稻壳高SiO₂（~80%）可还原成夹杂源。高碳（C~10%）污染超低碳钢。

碱性熔剂（CaO-Al₂O₃-SiO₂基）理论优于烧稻壳精炼LCAK钢，关联中包低氧。用碱性中包熔剂（CaO40%、Al₂O₃24%、MgO18%、SiO₂5%、Fe₂O₃0.5%、C8%），配合挡板，显著降低总氧波动，对比熔剂（CaO3%、Al₂O₃10~15%、MgO3%、SiO₂65~75%、Fe₂O₃2~3%）。但碱性熔剂其他参数类似稻壳，或因也含高SiO₂。碱性熔剂因熔化快结晶温高易表面结壳失效。且粘度低易夹带。避免此问题，部分钢厂用双层熔剂：底层低熔点碱性熔剂吸收夹杂，顶层稻壳绝热，降总氧。

中包搅拌 —— 中包底吹惰性气体改善液钢混合、促进夹杂碰撞去除。技术降中包总氧。危险：夹杂夹带气泡逸出中包入产品致严重缺陷。

中包流控 —— 中包流型设计增加液钢停留时间、防“短路”、促进夹杂去除。中包流控：几何、液位、入口（保护罩）设计、流控装置：冲击垫、堰、挡板、挡渣板、过滤器。中包冲击垫廉价流控装置，抑制湍流防钢包流冲击中包底侵蚀。来流动量扩散、允许来流温液钢自然浮力避短路、尤启动时。配合堰挡板，冲击垫改善钢洁净度、尤换包期。

转运操作

大气再氧化钢在钢包-中包或中包-结晶器转运中是氧增量最重要来源。生成夹杂致水口堵塞等生产问题、制品缺陷。优化保护浇注系统防此现象极重要。用保护罩降低氮增量相对明浇。用钢包保护罩和挡板替代中包注浇箱，降氮增量（钢包-中包）且降转换期渣夹带。

钢包开包 —— 自开包：钢包水口无需烧枪自行开启。烧枪开包需拆保护罩。铸前600~1200mm钢包-中包无保护浇注，空气再氧化发生。故自开包总氧低于烧枪开包。仔细填料钢包开包砂助自开包。

氩气保护 —— 防液钢空气再氧化。加中包覆盖剂过早，熔剂夹带入液钢铸入钢，故铸前几分钟通常无保护盖。开包期空气极易达液钢。两因素影响可持续15分钟（60吨中包）。对策：开包前惰性气体吹扫中包置换空气，部分厂采用。改善保护浇注降总氧另措施：引入适当气体喷射。

密封问题 —— 降连铸氮增量通常考虑：钢包-中包保护罩密封、中包-结晶器SEN密封。

水口堵塞 —— 除干扰生产，中包水口和SEN堵塞对钢洁净度有害三因：① 脱落堵塞物夹带入钢或改变熔剂成分，均致缺陷；② 堵塞改变水口流型喷流特性扰乱结晶器流动致渣夹带表面缺陷；③ 堵塞干涉液面控制，流控装置补偿堵塞。多实践最小化堵塞。除一般减夹杂措施，耐火侵蚀堵塞可控水口耐火成分（避Na、K、Si杂质）、或涂层水口壁纯Al₂O₃、BN或其他耐材对抗。

结晶器和连铸机（CCM）操作

连铸机（CCM）液钢浇铸涉及多现象（图3），对钢丝质量深远影响。经水口带入结晶器夹杂含：脱氧产物、水口堵塞物、中包/钢包渣夹带（渣中SiO₂、FeO、MnO再氧化）、水口漏气吸气再氧化产物。结晶器渣过大表面速度或液位波动可夹带。新夹杂可随过热度降析出：如Ti处理钢TiO₂夹杂。另一方面，夹杂可经渣/钢界面浮力上浮、流体流动输运、附着气泡表面去除。

图3 CCM结晶器区域现象示意

结晶器是最后精炼设备，夹杂或安全除入顶渣层、或夹入凝固壳形成铸坯永久缺陷。通过收集运行CCM统计数据和试验获得夹杂夹带重要洞见。发现：增钢流速显著增铅笔气泡（Ar气泡夹带）水平，降渣条（渣夹带）水平。测铸坯夹杂气泡分布观察到：单个1mm气泡常包裹夹杂簇，可从远上游带来，即使中包水口未吹气。也观察到夹杂夹带侧向变化，暗示与下部循环区瞬态流结构变化相关。

缺陷常关联工艺瞬态：铸速变、换中包、堵塞水口。铅笔管缺陷间歇罕见，相对注气量。一研究结论：80%颗粒最终除至弯月面（20%夹入铸坯），给定颗粒循环≤300秒后除去或夹入。

弯月结晶器CCM中，夹杂优先夹入弯月面下1~3m。故夹杂集中内弧面厚度1/8~1/4处及表面。报道电磁搅拌可降铸坯总氧改善钢洁净度。弯月结晶器CCM夹杂远多于直立（垂直）结晶器CCM，因夹杂沿内弧螺旋上升，在距弯月面2~3m对应厚度处聚集。

报道铸速影响渣条。高速和铸速大波动致渣条率高。用塞棒获适当稳定铸速。塞棒下铸速不再由中包液位决定，而由结晶器液位决定。最好控结晶器液位±3mm。优化流场改善铸坯质量有益工具：电磁制动（EMBR），弯曲喷流缩短冲击深度，夹杂更多上浮，倾向顶渣或表面凝固壳捕获。用EMBR后夹杂分布显示向铸坯表面偏移。