氧化物夹杂的类型、数量、尺寸、分布对钢的使用性能产生显著影响。近些年从车轮钢铸坯的高倍夹杂的统计分析看，C类夹杂基本杜绝，D类夹杂一般稳定在0. 5级，A类夹杂级别也全部在2. 5级以内，完全满足新铁标的要求。唯有B类夹杂，虽然小于1级占95%以上，但还不能全部满足新铁标规定的小于1级。B类夹杂为条状氧化物夹杂，主要成分为Al2O3，是一种脆性夹杂，一定尺寸的Al2O3夹杂容易成为车轮各种破损的疲劳源，因此，减少钢中的氧化物夹杂，是提高车轮用钢质量的关键技术之一。
氧化物夹杂控制与降低全氧具有同一性，与脱氧工艺密不可分。本文研究了4种脱氧工艺对车轮钢B类氧化物夹杂控制的影响。
1脱氧材料的选择
脱氧工艺主要包括脱氧材料的选择、加入时间和加入方式的确定，以及脱氧产物排除方法等环节，主要的脱氧材料及其脱氧机理如下：
1)铝。铝是用于钢液脱氧的重要材料，它的脱氧产物为固态的Al2O3，反应式为：
2[Al]+3[O]= Al2O3
△G0=-1225000-393.8T[1] (1)
由热力学计算，Al的脱氧基本上在1873 K高温下完成，即加Al后的片刻之内，绝大部分氧就由溶解态转变为氧化物而析出，铝脱氧速度很快，脱氧产物主要为一次生成[2]。
2)硅铝钡。Si-Al复合脱氧的产物可能是SiO2，l2O3，3Al2O3·2SiO2及FeO·Al2O3，2FeO·SiO2等，但在一般的炼钢过程中，钢液中Si、Al、O都处于常规范围内，Si-Al复合脱氧的产物主要为3Al2O3·2SiO2或Al2O3，钢液中O含量较高时，脱氧产物主要是3Al2O3·2SiO2，而随着氧含量的降低，脱氧产物以Al2O3为主。
在Si-Al复合脱氧的基础上引入钡，形成硅铝钡复合脱氧剂。钡具有比钙、镁大的密度、高的沸点、低的蒸汽压和小的溶解度。钡对夹杂物的变性作用主要表现为降低夹杂物的熔点，改善夹杂物的形状和尺寸以及使夹杂物分布均匀化。含钡合金除能减少铝消耗外，还能改变钢中夹杂物的形态，改善结晶组织的弥散度和均匀性，减少钢中夹杂物的含量，净化钢液[3]。
3)硅钙钡。金属钙是很好的钢液净化剂，大多用于钢液的深脱氧和深脱硫。硅铝脱氧的钢，钢中O质量分数已很低，一般在5×10-6左右，此时，钙直接脱氧反应不是主要的，但钙可以与大量存在于钢中的Al2O3发生反应，其反应式为：
xCa+y Al2O3 ={x(CaO)·(y—x/3) Al2O3}+2x/3A1 (2)
钙在这些Al2O3夹杂颗粒中扩散，使钙连续地进入铝的位置，置换出来的铝进人钢液。随着钙的扩散，在Al2O3夹杂表面CaO含量升高，当ω(CaO)>25%时，钙铝酸盐呈液态，这种含CaO量高的液态钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液，进入渣层，从而降低钢中的全氧。
由于钙在钢中的溶解度较小(钙质量分数仅为0. 032%，1 600℃)，且易蒸发，钡本身在铁液中溶解度较小，和钙在液态时可完全互溶，在硅钙合金中加人钡，能促进钙的溶解和钙蒸汽压的降低，提高钙的收得率。
4)钙系脱氧剂。钙系脱氧剂的主要成分为碳化钙和硅钙。新型钙系脱氧剂的应用，不仅解决了脱氧问题，而且大大减少了钢中的Al2O3夹杂含量。由于钙与氧的亲和力大于Fe,，Al，Mn等与O的亲和力，且CaO是离子晶体，在钙的化合物中热力学条件最好，因此最初Ca化合物反应形成的是CaO，反应式为:
CaSi+3[O]→CaO+SiO2 (3)
CaC2+2[O]→CaO+2CO (4)
通过反应式(3～4)可看出，要想降低O的活度必须增加Ca含量或降低CaO的活度，二者均能通过加入Ca系复合脱氧剂来达到。Ca系脱氧剂中的Si除增加Ca在钢中溶解度外，也有一定的脱氧能力，使钢中氧活度控制在较小范围内[4]。
2试验方案设计
根据对几种脱氧材料的特征分析，首先把Al作为脱氧的主要材料，对其加人量，加入时间作比较，然后在其基础上，对Ca系和Ba系合金对夹杂物变性处理和细化弥散处理效果进行试验，方案设计以降低全氧和B类夹杂为核心，针对各工艺环节的不同脱氧操作，设计了以下4种工艺方案，见表1、表2。
精炼基本操作为:出钢过程加渣料造新渣，碱度控制在2.5左右;加热过程进行还原渣操作，要求渣中ω(FeO + MnO) < 1%;真空脱气至66.7Pa保持时间大于20 min，并保持吹氨搅拌。
3试验结果
图1和表3显示了不同脱氧工艺条件下，钢中全氧及B类夹杂分布情况。
4结果分析
4.1 Als的变化与T.O的关系
A1与T.O的关系是复杂的，一方面Al可以使溶解氧迅速降到较低水平，另一方面A1脱氧产物Al2O3在钢中滞留量直接关系到T.O的高低。因此，Als是控制T.O的一个重要参数。通过对过程Als的统计分析(表4)，可以看出Als的变化对T. O和B类夹杂将产生明显的影响。前中期用Al强脱氧，Als的变化成一种递减趋势，成品Al，质量分数均在0.015%以下。后期用Al脱氧，过程Als含量递增，成品Als质量分数在0.020%左右。前一种情况钢中T. O含量低，B类夹杂级别也有明显改善，这说明了Als对钢中T. O影响的多重性和复杂性。方案1和方案2在VD后喂Al线、加Si-Ba-Al，虽然可以提高Al的收得率，但T. O偏高，这与脱氧产物不能有效去除有关，这也说明T. O的降低主要靠氧化物夹杂的去除。在方案3和方案4中，把Als的控制放在真空前，做到彻底脱氧，尽管成品Als含量不高，利用真空下良好的动力学条件和真空后Ca系合金的变性处理，使脱氧产物上浮或改变存在形态，即降低了全氧，又改善了B类夹杂。
4.2真空下钢水T. O的变化
从图1可见，4种方案在真空条件下全氧降低都比较多，方案1在真空环节T. O质量分数降低16.2×10-6，减少了39.7%;方案2在真空环节T. O质量分数降低14.1×10-6，减少了39.0%;方案3在真空环节T. O质量分数降低9. 7×10-6，减少了31.5%;方案4在真空环节T. O质量分数降低8. 5×10-6,减少了30.0%。这4种方案在进真空前T.O的相对差别在真空后也依然存在。真空下T.O的降低主要是由以下3个环节导致的:
1)良好的动力学条件下，渣子吸附了部分氧化物夹杂。通过窥视孔发现，在低真空度保持时间内，吹Ar50～100L/min,钢液翻腾剧烈，处于一种钢渣混卷状态，夹杂容易被渣子吸收，降低钢中部分T.O。
2)C还原部分氧化物夹杂，这种反应在吹Ar条件下，只要氧化物夹杂粘附在气泡时，就有可能被C还原。在真空下低压力，大流量的吹Ar，提高气液界面及Ar气泡的存在时间，有利于夹杂粘附于气泡壁，使得C还原氧化物夹杂几率增加，去除部分氧，但这种反应的发生很有限。
3)真空下C-O反应生成CO，不但降低氧，而且对熔池起到搅拌作用，不污染钢液，但CO的生成压受钢液静压力和表面张力的附加压力的影响，C-O反应远没有理论计算那么强，从真空下T. O变化相对稳定分析出，因为钢中O含量低，O的扩散成为脱氧的限制性环节，对T. O降低很有限。
4.3脱氧对B类夹杂的影响
B类夹杂是脱氧产物。用A1脱氧，参照[%M]十[%Si]=1情况下的铝一氧平衡图，当A1质量分数超过0. 01%时，溶解氧质量分数均可降到5×10-6以内。因此，ω(Als)控制在0. 01%左右时，降低全氧的主要任务是去除钢中的氧化物夹杂。夹杂分析(表5)表明，Al2O3仇夹杂质量分数为56. 84%，说明去除Al2O3夹杂是降低全氧的关键，由图2可见，Al2O3仇夹杂的含量和全氧之间呈一种线形递增关系。
通过对4种方案的B类夹杂做高倍统计分析(表3)，精炼后经Ca合金处理的炉次的B类夹杂评级明显较好。
表3说明Ca处理不但可以大大减少Al2O3的含量，对Al2O3的形态、尺寸都起到了改善作用。随着夹杂物中Ca含量增加，Al2O3将沿着
Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3的路线转变，熔点不断降低。Ca在Al2O3夹杂颗粒中扩散，使Ca连续进入Al2O3的位置，置换出的Al进入钢液，反应式为:
xCa+y Al2O3 =
{x(CaO)·(y—x/3) Al2O3}+2x/3A1
Ca含量提高时，Al2O3夹杂表面CaO含量升高。当ω(CaO)>25%时，钙铝酸盐呈液态，这种含CaO量高的液态钙铝酸盆夹杂物大部分排出钢液，不但降低了全氧，也改善了B类夹杂。
5结论
1)采用方案4精炼早期一次性加铝，真空结束后采用Ca合金处理的方法可获得较低的钢中全氧含量，可达ω(T.O)=14×10-6。
2)降低全氧的主要任务是去除Al2O3夹杂，使用Ca系合金不仅减少了钢中Al2O3含量，也使残余的Al2O3获得变性，B类夹杂的高倍检验明显得到改善。
[参考文献]
[1]G K Sigworth. J F E Iliott. The thermodynam ics of liquiddilute iron alloys[J].Metal Science, 1974.181：298 316:1。
[2]朱丽念.赵钦新，顾海澄.等.关于钢用铝脱氧的再认识[J].钢铁研究学报，1999,11(04):69 73.
[3]韩其勇，唐历.含钡合金在炼钢生产中应用[J].钢铁研究学报，1992.4(04)：98 106.
[4]张建.姜均普.钢包喂Si-Ca线对钢中夹杂物变性的影响[J] .马钢技术.1999,(3): 13-18.
