鋼包爐精煉過程夾雜物有效控制策略研究

萬來寶

（新疆八一鋼鐵有限公司，新疆 烏魯木齊 890022）

金屬材料在現代社會中扮演著不可或缺的角色，其廣泛應用于建筑、交通、能源等各個領域，而夾雜物對金屬材料的性能和質量具有重要影響。在該背景下，如何降低金屬材料中夾雜物的含量，優化精煉工藝，成為提高金屬制品質量和附加值的關鍵一環，也是金屬冶煉產業轉型升級的迫切任務。盡管金屬冶煉領域取得了一定的技術進步，但夾雜物仍然是制約金屬材料質量提升的重要瓶頸之一。特別是在高強度、高韌性等特殊要求的應用領域，夾雜物問題愈發凸顯，嚴重制約了金屬材料的進一步應用和推廣。

本文通過深入分析夾雜物的類型、形成機理以及對精煉過程的影響，旨在尋找切實可行的技術策略，有效降低夾雜物含量，提升金屬材料的質量和性能。

1 夾雜物的類型和形成機理分析

在冶煉或連鑄過程中，夾雜物是一類與鋼機體無任何聯系、呈獨立存在的氧化物、硫化物、氮化物等非金屬相。這些夾雜物經過加工或熱處理后仍無法消除。它們來自多個渠道，如原料中的雜質、礦石中的脈石、耐火材料帶入的夾雜物，還包括鋼液在冶煉過程中的反應產物等。夾雜物在材料工程中具有重要影響，不同類型的夾雜物有不同的形成機制，因此在優化精煉過程時，須綜合考慮不同因素，以實現夾雜物的有效控制。

1.1 氣體夾雜物

氣體夾雜物是由氣體在材料中析出或吸收而形成的微小氣體包囊，在精煉爐造渣過程中，夾雜物的形成與原材料中氣體的溶解度以及爐內氣氛的變化密切相關。在金屬冶煉過程中，原材料中的氣體溶解度會受到溫度和壓力的影響而變化，當溫度升高或壓力降低時，原材料中的氣體會逐漸析出，形成微小氣泡。這些氣泡會在金屬凝固過程中被包裹在金屬晶界或內部，形成氣體夾雜物。相反，如果溫度下降或壓力升高，之前析出的氣泡會重新被溶解，從而減少夾雜物含量。

1.2 氧化夾雜物

精煉爐內的高溫條件導致原材料中存在的金屬氧化物顆粒進一步析出，附著在金屬表面或嵌入晶界中，從而形成氧化夾雜物。在精煉過程優化中，通過調整爐內溫度，可以減緩或抑制金屬氧化物的生成速率，從而降低氧化夾雜物的含量。此外，減少金屬與氧氣的接觸也是降低氧化夾雜物的重要手段，精煉爐的氣氛控制和氧氣含量調節，可以有效減少氧氣對金屬表面的影響，從而降低氧化夾雜物的生成。通過合理設計精煉爐內部結構和加強氣氛控制，可以最大程度地減少金屬氧化物的形成，進而提高金屬材料的純凈度和性能。

1.3 硫化夾雜物

在金屬冶煉中，硫是一種常見的雜質元素，其存在容易導致硫化夾雜物的形成。為了降低夾雜物含量，控制原材料中硫的含量是首要任務之一，通過篩選低硫原料，可以有效減少硫化夾雜物的源頭。此外，精煉爐過程中的溫度和反應條件也會影響硫的析出和合金化反應。因此，在精煉爐的操作中，適當調整溫度和反應條件，有助于控制硫的含量和分布，從而減少硫化夾雜物的生成。此外，還可以考慮加入硫化物抑制劑等措施來控制硫化夾雜物的生成，硫化物抑制劑可以與硫化物發生競爭性反應，阻止硫的析出，從而減少硫化夾雜物的形成。

2 夾雜物對精煉過程和產品質量的影響

在現代工業生產中，金屬材料的質量和性能直接關系到產品的可靠性和耐用性，然而，夾雜物的存在往往會降低金屬材料的力學性能、化學穩定性和耐蝕性，從而影響產品的綜合品質與市場競爭力。

2.1 內部缺陷引發的性能下降與失效風險

夾雜物在金屬結構中是應力集中點和微小裂紋的引發因素，容易導致材料斷裂，從而削弱金屬的機械性能，包括強度、韌性和塑性。由于夾雜物通常存在于材料的內部，它們成為內部缺陷，在受到外部力作用時引發微小裂紋，隨著應力的積累，這些裂紋會擴展并導致材料失效。

2.2 結構不均勻性增加的加工難度與能源消耗

夾雜物含量過高會導致金屬材料的結構變得不均勻，這導致切削工具的過度磨損和斷裂，進而顯著增加了加工的難度和成本。如在冷軋過程中，夾雜物導致金屬板材的不均勻壓下，引發表面皺紋或不均勻的變形，不僅降低了產品的表面質量，還增加了加工難度，需要額外的工藝進行修復和調整。

另外，夾雜物的存在會吸收精煉爐內的熱量，直接導致爐內溫度下降，進而對整個精煉過程產生諸多影響，這種現象影響了爐內的爐料熔化速度和反應速率，導致煉爐時間延長，從而對生產效率產生不利影響。

2.3 影響金屬液流動性減弱精煉效果

夾雜物的存在會導致金屬液的流動變得不暢，因為它們在金屬液中形成微小團聚體或氣泡，這阻礙了渣液和金屬液的有效分離、混合，以及連鑄坯的凝固過程，流動性不佳導致渣液在爐內無法均勻分布，從而影響了爐內各種反應的進行。其次，金屬液中的夾雜物團聚體或氣泡導致金屬液的混合不均勻，影響了金屬的組織均勻性和成分一致性，最終導致冶煉出的金屬材料的純凈度下降，精煉效果降低，甚至影響材料的性能和用途。

2.4 影響生產連續性

夾雜物過高會與爐料中的其他元素發生復雜的反應，導致爐渣成分發生變化，產生不穩定的渣體。夾雜物中的化學元素與爐料中的元素發生化學反應，形成新的化合物或改變原有的爐渣成分，這些變化會影響爐渣的粘度、流動性和脫除效率。變化的爐渣成分導致精煉爐內的爐渣不穩定，難以控制和調整。

3 鋼包爐精煉夾雜物控制策略

隨著現代工業不斷發展，鋼鐵等金屬冶煉行業對高效、環保的生產方式的需求不斷增長，夾雜物的生成與多個因素密切相關，各因素間相互作用，共同影響夾雜物的含量和性質。為此，需要綜合考慮原材料成分、溫度控制、爐渣配方以及操作參數等多個因素，提高煉鋼效率，以期減少廢渣產生，降低能耗，從而推動鋼鐵工業向更加智能、綠色和可持續發展的方向邁進。

3.1 優化精煉工藝操作參數

鋼中夾雜物的產生與氧、氮、硫等元素含量相關，在鑄造過程中，隨著鋼的溫度逐漸降低，氧、氮、硫等元素逐漸析出[1]。因此，在熔煉溫度控制方面，關鍵是找到一個適當的溫度范圍，以避免夾雜物的不良影響。對于一些金屬，過高的溫度可能會導致夾雜物氧化、融合或揮發，而過低的溫度則可能使夾雜物不容易分離。通過實時溫度監測系統，可以確保在合適的溫度范圍內進行熔煉適當延長熔煉時間，有助于夾雜物的分離和集聚，從而減少夾雜物的含量。相關研究表明，精煉時間對合金液中氧含量變化及非金屬夾雜物數量、尺寸、類型特征能夠產生影響，當精煉時間達到90min 時，合金中非金屬夾雜物的數量和尺寸降至最低[2]。精煉處理時間保持在30min 以上，鋼水夾雜物含量達到較好的水平；精煉處理時間32min 到60min 時，精煉結束夾雜物水平基本一致。此外，冶煉氣氛控制方面，通過控制氧氣、氮氣等氣氛的供給，可以影響夾雜物的化學性質和分離行為。

3.2 改進爐渣處理工藝

在煉鋼過程中，石灰的加入量至關重要，必須與鋼水成分、爐渣堿度、鋼種磷、硫要求相匹配[3]。同時，作為助熔劑，諸如礦石、螢石等的溶劑的投入量需要根據爐內溫度和爐渣狀態進行動態調整，以確保最佳效果。合理控制石灰的加入量能夠優化鋼渣反應，促使夾雜物去除和磷、硫分離[4]，從而確保生產高質量的鋼材。為進一步提升產品品質，通過優化精煉爐渣料配比，制備流動性良好的白渣，可在冶煉過程中有效地降低鋼中的非金屬夾雜物等級，顯著增強最終產品的質量和性能。該過程中，渣料不僅能夠與熔融金屬發生物理和化學反應，吸附和夾持夾雜物，還能夠調控金屬液的溫度、成分和氧化還原環境，為金屬的脫氧、脫硫和脫氮等關鍵工藝提供有力支持。在渣料設計方面，首先可以通過選用適宜的渣料成分，來調整渣液的黏度、密度和表面張力等物理特性，從而影響夾雜物在渣液中的分布與運動；其次，在化學成分方面的優化，可以引入一定量的還原劑或氧化劑，以調控渣液的氧化還原環境，從而促進夾雜物的還原過程，促使氣泡的形成與分離。

在實際操作工況中，針對不同類型的鋼材和生產工藝，可以采取不同的渣料配比方案。如在不銹鋼冶煉中，可采用高堿度的爐渣，與硫化物反應生成易吸附的硫酸鈉等化合物，實現硫的脫除。而在低合金鋼冶煉中，則可根據夾雜物的特性，選擇適當的氧化劑和還原劑，通過渣液的氧化還原反應，有針對性地促進夾雜物的去除和分離。研究表明，在LF 精煉爐渣中，將MgO 含量控制在適宜范圍，如6%～10%，能夠有效降低熔渣黏度，從而提高爐渣的流動性，為夾雜物控制創造更為有利的條件[5]。

3.3 優化精煉工藝過程

優化攪拌、渣洗、真空去氣、喂線等工藝過程，可以促進夾雜物與渣液的交互作用，能夠改變金屬液的物理狀態、化學環境和流動性，使夾雜物更容易被捕捉、吸附和分離，增加夾雜物進入渣液的機會，從而提高去夾雜的效率，可根據鋼種的需要，進行工藝方法選擇和組合[6]。攪拌能夠通過機械或氣體攪拌裝置，有效地改變金屬液的流動性和溫度分布，從而促進夾雜物與渣液的交互，使得夾雜物在金屬液中更容易被捕捉和吸附，進而被帶入渣液中。此外，還能改變渣液的氧化還原環境，通過還原反應促使夾雜物還原成更易于被渣液吸附的形態，進一步提高去夾雜效率。

同時，也可通過引入合成渣料來加速夾雜物的分離和脫除，即洗渣工藝，合成渣料具有更強的吸附能力和流動性，能夠更有效地與夾雜物發生作用。當合成渣料與金屬液接觸時，夾雜物會被吸附到渣液中，隨著渣液的流動被帶出金屬液，這種方法能夠快速降低夾雜物含量。真空去氣，不僅可以減少夾雜物的生成，還可以促使已存在的夾雜物浮到金屬液表面被移除。最后，通過喂線工藝降低夾雜物，向金屬液中添加特定的合金材料、氣體或化合物，能夠在金屬液中引入化學反應，從而促進夾雜物的聚集和排除，該方法能夠改變金屬液的物理狀態。如引入氣體可以形成氣泡，將夾雜物聚集在氣泡表面，然后隨氣泡上浮至金屬液表面，從而實現夾雜物的分離。

3.4 引用先進的技術和控制系統

引入先進的在線檢測技術、傳感技術和自動化控制系統，能夠實現更精確的夾雜物控制，從而優化精煉爐造渣工藝，降低夾雜物含量，提高金屬制品的質量[7]。在精煉爐造渣工藝中，通過光譜分析技術可以實時監測夾雜物的種類和含量，不同種類的夾雜物在光譜上會呈現出獨特的特征峰，通過分析這些特征峰的強度和位置，可以準確地確定夾雜物的存在和含量?；诠庾V分析的檢測結果，操作人員可以及時調整工藝參數，如攪拌強度、溫度、喂線速度等，以實現更精確的夾雜物控制。此外，傳感技術可以將渣液的溫度、流動性、氧化還原環境等參數準確地傳遞給自動化控制系統，自動化控制系統可以根據這些數據，實現更精確的夾雜物控制。

3.5 鋼水在線直接測量夾雜物

該系統一般用在鋼包和中間包內的在線測定鋼中的液態和固態夾雜物，其原理是：鋼水流人一空腔時，流入口間加上恒定的電流，由于鋼中含有夾雜物使得流入口間的電阻增加，可測得流入口間的電壓升高，出現一峰值，該峰值高低與夾雜物的大小相關，峰值數量與夾雜物的數量相關，這樣就能獲得鋼中夾雜物的分布。測定夾雜物的大小為40～300 微米，并分析各自的比例。該系統的使用，可用來作為質量控制手段過程控制的工具，減少鋼中的夾雜物，減少中間包水口堵塞的機率。

4 結論

為提高產品質量，本文深入分析了夾雜物的類型和形成機理，探究了夾雜物對精煉過程和產品質量的影響。并基于上述分析，從工藝操作參數優化、爐渣處理工藝改進、精煉過程工藝優化和先進技術與系統的引進等四個方面，提出了鋼包爐精煉夾雜物控制策略，為有效降低夾雜物含量，提升金屬材料的質量和性能提供了參考。