国内外学者对钢中夹杂物的行为和控制进行了大量的研究,获得了很多重要的研究成果,但至今仍有很多研究结果并不能很好联系工业生产实际,有些甚至与实际生产存在较大差异。本文基于钢包精炼及浇注的工业生产实际,综合考虑钢-渣-耐火材料-空气等的相互作用,结合热力学分析、工业实验、实验室实验和仿真模拟等多种手段,研究了铝镇静低合金钢中的夹杂物行为及其控制,并重点关注了当前夹杂物控制环节中有疑惑或易忽视的因素。本文试图建立基础研究与工业生产的桥梁,这对深入理解工业过程控制具有重要的意义。本文的主要研究内容和结论如下:(1)基于工业实测数据和热力学计算,研究分析了精炼过程氧活度实测值与计算值的差异,提出了铝镇静钢在工业生产过程中的脱氧机理,探讨了精炼渣的选择。研究发现,在精炼过程中,精炼渣的氧化铝活度对钢液的溶解氧活度影响并不明显。要保持钢液较低的溶解氧活度,钢液必须保证一定的铝含量。钢-渣界面的氧活度主要是由FeO控制,且比钢液的氧活度高很多。精炼渣因此会持续向钢液传氧,那么精炼造渣则显得异常重要。此外,为了减少铝损,稳定的精炼渣对冶炼低氧钢仍然十分重要。少量的MgO可以提高渣的稳定性,精炼渣的MgO含量应控制在小于10%范围内。建议采用碱度为3～4的精炼渣来精炼低氧铝镇静钢。(2)基于工业实验,重点研究了铝镇静低合金钢冶炼过程中Mg和Ca的生成过程以及夹杂物的转变过程,提出了夹杂物在实际冶炼过程中的转变机理。结果表明,在精炼过程中,随着钢-渣(或耐火材料)反应的进行,夹杂物会沿着“Al2O3夹杂物→MgO-Al2O3系夹杂物→CaO-MgO-Al2O3系夹杂物”的路线进行转变,最终会转变成球状的夹杂物。由于MgO的活度较CaO大,且MgO稳定性较CaO弱,溶解Mg的来源更多,在LF精炼前溶解Mg比溶解Ca生成更加容易且迅速,因此MgO-Al2O3系夹杂物会先于CaO-Al2O3系夹杂物生成。MgO-Al2O3系夹杂物向CaO-MgO-Al2O3系夹杂物转变机理是Ca元素首先置换MgO-Al2O3系夹杂物的Mg元素。同时,在不含MgO的外层(即CaO-Al2O3层),仍有Ca元素置换夹杂物中的Al元素。(3)进行工业实验,研究探讨了低硫低氧钢的钙处理控制标准和钙处理位置对全氧含量的影响规律。结果表明,两步钙处理可以改善成品钢中D类细系夹杂物级别,但并不利于RH进一步降低全氧含量,故不适合超低氧钢种。对于低氧低硫的洁净钢,相对钙铝比,利用T.[Ca]/T.[O]值来控制钙处理更合适。要达到理想的钙处理效果,T.[Ca]/T.[O]值应大于0.91,本文T.[Ca]/T.[O]值控制在0.91～1.25比较适合。仅通过钙处理来改善可浇性的钢种,可以考虑在浇注前钙处理;对于夹杂物形态要求更高的钢种,可以考虑采用两步钙处理;并不推荐只在RH精炼前进行钙处理。对于采用“LF+RH”双联精炼工艺生产的超低氧钢种,在RH处理前应尽可能避免液态夹杂物,其精炼渣的碱度不宜过高。(4)采用实验室实验研究了钢液作用下的引流砂烧结行为,并结合工业实验结果论证了引流砂成为大型夹杂物的可能性。实验结果表明,铬铁矿与石英反应生成液相是钢包引流砂烧结的主要机理。石英尺寸和含量对液相的形成具有重要影响。钢液的作用会加速引流砂中液相的形成,从而导致严重的烧结。过高的温度和过长的停留时间同样也会加重引流砂的烧结。选择引流砂需要考虑钢种、冶炼温度和过程时间、砂中石英含量和尺寸等多种因素。钢包引流砂落入中间包后很可能进入铸坯形成大型夹杂物。在钢包开浇时,如何尽可能去除这些颗粒是控制大型夹杂物的重要关注点。(5)基于工业实验和数值模拟,研究探讨了液态夹杂物黏附在浸入式水口内壁的可能性,并揭示了氧化铝夹杂物在浸入式水口的黏附行为。实验发现水口表面的粗糙程度对液态夹杂物的黏附行为有重要影响。即使采用成分相似的浸入式水口,当水口内壁的表面性质不同时,夹杂物在水口内壁的黏附行为也有很大差异。当水口耐火材料颗粒粗大且有很多孔洞时,液态的铝酸钙夹杂物会黏附在水口内壁,形成液态的黏附层。超低碳钢水口内壁的簇状氧化铝黏附物主要是因氧化铝夹杂物聚集并黏附在水口内壁形成的。高氧化性精炼渣是造成氧化铝夹杂物黏附的主要原因。高强度低合金钢水口外壁的片状氧化铝黏附物并非来自钢中的夹杂物,而是在浇注过程中因钢液吸氧(二次氧化)而不断长大形成的。钢液对流向单一方向传氧是形成片层形状的主要原因。要控制这种黏附物不能过于依赖钙处理技术,而应在连铸过程加强防止二次氧化的操作。