23CrNi3MoA钢是一种典型的钎具用钢，广泛应用于制造钎杆、钎尾、连接套、潜孔钻头等部件。随着现代化建设不断发展，市场对钎具产品使用寿命及质量的要求越来越高。非金属夹杂物对钢的疲劳寿命起着至关重要的作用。然而，钢中不可避免地存在夹杂物，且在炼钢过程中难以完全消除。其中，氧化物夹杂被认为最有害，随着氧含量的增加，钢材疲劳寿命逐渐降低。在各类氧化物中，氧化铝（Al₂O₃）的影响最为显著，这类夹杂物不仅会降低钢的疲劳强度，还可能导致早期断裂和疲劳寿命的下降。因此，如何有效地控制夹杂物，尤其是B类（Al₂O₃类）夹杂物，已成为钢铁冶炼领域的重要研究课题。

目前，虽然夹杂物控制在钢铁生产过程中已有一定的技术积累，但在高性能钎具钢的生产中，夹杂物的控制仍然面临许多挑战。尤其是B类夹杂物，其控制难度较大。为提高钎具钢的质量，必须从冶炼工艺、脱氧剂选择、炉渣系统优化等多个方面入手，以降低此类夹杂物的数量和尺寸。

冶炼过程中，铝作为主要脱氧剂，其脱氧产物Al₂O₃是影响钢纯净度并形成Al₂O₃夹杂的主要来源。脱氧产物所形成的链状夹杂对钢材的疲劳性能影响较大。抚顺特殊钢股份有限公司（以下简称抚顺特钢）目前生产该钢的工艺流程为：超高功率电弧炉（UHP）+钢包精炼炉（LF）+真空脱气（VD）+连铸。钢水经UHP初炼，即采用氧化法冶炼，偏心底无渣出钢，然后经LF、VD处理，连铸坯经轧制后成材。在冶炼工艺改进前，B类夹杂物≤1.0级的合格率为76.8%。本文以23CrNi3MoA钎具钢为研究对象，结合其生产工艺，探讨了B类夹杂物问题。通过优化电弧炉脱氧工艺、LF渣系以及改进连铸工艺等措施，有效控制了B类夹杂物的生成。本研究不仅为钎具钢的生产提供了新的思路，也为其他钢种的夹杂物控制提供了有价值的参考。

氧化物夹杂主要可以分为内生夹杂物和外来夹杂物2类。其中，内生夹杂物主要源于钢水中元素的化学反应，依据其形成过程可以进一步细分为一次氧化产物、二次氧化产物和三次氧化产物：一次氧化产物通常是在脱氧初期，由于脱氧剂的加入与钢中溶解氧反应形成的；二次氧化产物主要是在后续处理过程中，由钢液流动、温度变化或元素偏析引发的氧化反应形成；而三次氧化产物则可能在凝固过程中，由于钢液与周围环境接触或再次发生氧化而形成。外来夹杂物（通常表现为宏观夹杂）则主要来源于外部污染源，如耐火材料的侵蚀和炉渣的卷入：钢包耐火材料和中间包（中包）耐火材料的损耗会释放出颗粒，直接进入钢液并形成夹杂物；同时，钢包精炼渣和结晶器保护渣由于不完全分离或钢液剧烈搅拌，也可能被卷入钢液，进一步增加夹杂物的复杂性。这些外来夹杂物的形成，不仅取决于操作过程和材料性质，还受到钢液搅拌强度、流场分布等条件的显著影响。

钢中夹杂物的类型与钢种的化学成分和具体的脱氧方法密切相关。根据现有研究，钢水中较常见的夹杂物类型主要包括Al₂O₃和钙铝酸盐复合夹杂物。前者多是脱氧过程中Al与氧反应的直接产物，而后者则是由Al₂O₃、MgO等为主要成分，并与SiO₂、CaO和CaS等化合物共同组成的复合夹杂物。这些夹杂物的形成受钢液中不同成分的热力学和动力学特性影响，其物相和分布模式具有显著差异。

Al₂O₃夹杂物在钢中通常以2种典型模式存在：（1）尺寸＜100 μm的单相Al₂O₃颗粒；（2）尺寸在100~130 μm的复合夹杂物。这些复合夹杂物通常以镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）为核心，并附着SiO₂、CaO和CaS等成分。单相Al₂O₃夹杂物由于颗粒尺寸较小、分布范围广，其数量较多且不易上浮，易留存在钢液中，对钢材性能产生较大的影响。而复合夹杂物由于尺寸较大，相对更容易在重力作用下上浮分离。

抚顺特钢生产的23CrNi3MoA钢，其化学成分见表1，非金属夹杂物要求见表2。该钢种的生产工艺流程为：60 t UHP初炼→60 t LF精炼→VD→连铸（断面尺寸240 mm×240 mm）→轧制成材→检验。为控制钢中Al₂O₃夹杂物，抚顺特钢根据相关理论基础，并结合实际生产情况，对冶炼工艺进行了针对性优化。

表1  23CrNi3MoA钢的化学成分（质量分数） %

表2  23CrNi3MoA钢的非金属夹杂物要求  级

对夹杂物形态和成分进行电镜扫描（SEM）和能谱（EDS）分析，结果见图1和表3，其主要为内生的B类夹杂物。

图1  B夹杂物面扫描分析：(a)形貌及扫描位置；(b) Al；(c) Fe；(d) O；(e) Ca

表3  夹杂物化学成分（质量分数） %

3.1   电弧炉冶炼过程脱氧控制

为优化电炉原材料使用，使用重型废钢、08Al、纯净废钢及返回钢等优质废钢作配料，减少生铁配入量，使配碳量由1.6%~1.8%降低至0.9%~1.0%，但这显著增加了钢铁料氧化烧损。尤其是在冶炼末期，当钢水碳质量分数＜0.10%且温度＞1580 °C时，氧枪强供氧方式更易导致电弧炉出钢钢水严重过氧化。较高的出钢氧含量，会增加后续精炼的脱氧压力。

通过合理控制装入量及出钢量，将电炉留钢量稳定在7~8 t，有效减少了出钢过程因虹吸作用卷入的氧化渣量。控制电弧炉钢水过氧化是避免成本损失和稳定产品质量的关键所在。电炉出钢钢水氧化性偏高，是导致精炼钢水洁净度不良的根本原因，较高的终点氧含量会使后续铝脱氧过程产生大量Al₂O₃夹杂物，污染钢液。

为实现对电弧炉终点的有效控制，开发了包括基于废钢预处理的冶炼配料技术、熔炼过程动态供氧模型、全程泡沫渣工艺在内的关键技术体系，根据各冶炼阶段熔池内的反应进程需求供氧，见图2。通过优化供电与喷吹碳粉，电弧炉终点钢中的氧质量分数较原工艺降低了约0.02%，见图3。

图2  供氧曲线：(a)优化前；(b)优化后

图3  电炉出钢前后氧质量分数对比

通过定氧仪监测电炉出钢前氧质量分数，将其控制在≤0.065%，并根据氧质量分数分档确定铝锭和增碳剂用量（见表4），以控制精炼到站Al质量分数在0.02%~0.035%，从而在控制精炼初始氧质量分数的同时，降低钢水中Al成分的二次氧化概率。

表4  铝锭与增碳剂加入量成分

3.2   渣系控制

在整个冶炼过程中，氧化物夹杂的演变过程为Al₂O₃→MgO·Al₂O₃→MgO·Al₂O₃·CaO，夹杂物形貌也从不规则形状逐渐向球状变化。因此，电炉炉后阶段是去除Al₂O₃夹杂物的最佳时期。如图4所示，按照低熔点区域目标控制，采用高碱度、高Al₂O₃渣系（CaO质量分数50%~55%，SiO₂质量分数5%~8%，Al₂O₃质量分数27%~30%）。高碱度可增大渣中CaO的活度，有利于吸附Al₂O₃夹杂物并降低钢水氧含量；提高渣中Al₂O₃含量，则有助于改善渣系流动性，使钢渣更均匀地分布在钢液表面，从而增强渣–钢界面接触，提高钢渣对夹杂物的吸附效果，见表5。

图4  Al₂O₃–SiO–CaO三元渣系炉渣控制目标

表5  精炼炉渣优化前后参数

工艺优化前后两炉精炼出钢炉渣外观见图5。通过炉渣外观表面观察，优化前的炉渣层较厚，呈致密的玻璃态；而优化后的炉渣颜色偏灰白，表面疏松多孔，泡沫化效果好。

图5  精炼炉渣外观照片：(a)优化前；(b)优化后

对LF精炼炉出钢渣进行化学分析以监控其成分，并随机抽查进行检验矿相。结果表明，精炼炉渣主体均由低熔点的12CaO·7Al₂O₃组成，说明炉渣控制达到理想状态，见图6。

图6  精炼炉出钢渣矿相检验结果

3.3   LF精炼过程脱氧控制

LF是抚顺特钢冶炼全流程中钢水温度的最高点，然而当前的出钢温度偏高，对冶炼质量和生产成本产生了负面影响。偏高的出钢温度不仅加剧了钢包耐火材料的侵蚀，还增加了钢液二次氧化的风险，导致钢水中夹杂物数量偏多，影响钢水洁净度[7]。因此，降低LF出钢温度并优化相关精炼工艺，不仅可以减轻高温侵蚀、提高钢包寿命，还能有效降低二次氧化风险，从而改善钢水洁净度。

在真空脱气阶段，将氩气流量由80 L/min降至40 L/min，在保证脱气效果的同时，避免了因过度搅拌引入的钢液卷渣风险。同时，采用双层保温措施：覆盖剂用于下层保温，碳化稻壳作为上层隔热材料。这种组合形成了高效隔热层，大幅度降低了热量散失，显著提高了钢液温度的稳定性，使精炼出钢温度较前期降低15~25 °C。在VD软吹阶段，建立新的底吹制度：前期采用强搅拌模式（氩气吹入3~5 min），通过较强的搅拌使较大尺寸夹杂物迅速上浮；随后切换为弱搅拌模式，通过更加平稳的搅拌使较小尺寸夹杂物逐渐迁移至钢液表面并被钢渣捕获。VD吹氩总时间确保≥25 min，从而优化了不同尺寸夹杂物的上浮效率，最大限度提高了钢水的纯净度。

通过上述优化措施，在200 mm²试样上统计夹杂物数量，结果见图7，其中1^#，2^#和3^#样式采用原工艺。4^#，5^#和6^#样式采用优化后新工艺。优化前夹杂物平均数量为164个，优化后下降至51个，降幅达69%。这表明通过优化脱气工艺和温度控制，有效减少了氧化物夹杂的生成和残留。

图7  铸坯夹杂物数量

3.4   连铸过程控制

在连铸过程中，中包钢水过热度的稳定性对整个连铸工艺至关重要，尤其在连铸第一炉时，其波动会显著影响钢水质量和连铸操作的稳定性。

连铸第一炉时，钢水进入中包后会直接与低温包衬材料接触，导致温度迅速下降。由于钢水温度降低，其中氧元素的溶解度急剧下降，导致氧气大量析出，与钢中铝元素反应生成Al₂O₃夹杂物。这些夹杂物极易在水口附近聚集堵塞，严重时引发连铸结瘤等质量缺陷。

为此，制定了中包烘烤制度，根据中包衬材材质和炉次要求，确定合理的升温速度、目标温度和保温时间。增加温度监控点数量，确保中包内壁温度＞1200 °C，以减少局部热损失。为保障水口烘烤效果，在中包水口下方加装引风装置，见图8。在烤包时，将引风装置通入压缩空气，使中包水口内产生向下负压，从而加快中包内的热量向4个水口的传递。

图8  (a)中包烘烤引风装置； (b)引风装置密封

连铸过程中，中包的覆盖剂是影响钢水过热度稳定性的关键因素。传统覆盖剂在保温性和隔热性方面存在不足，导致钢水温度在冶炼后期逐步下降，尤其是在长时间连铸时影响更加明显。通过采用中包覆盖剂和碳化稻壳双层保温模式，钢水过热度的波动范围从优化前的±15 °C减少到±10 °C，温度控制更加稳定。

同时，采用如下措施优化中间包结构：（1）堰坝高度差改进：为增进堰的挡渣效果，确保堰的下端低于坝的上端50~70 mm，故将堰下移（堰、坝高度差改进前后见图9），同时将溢流槽涂抹厚度减少，以保证溢流槽低于堰而不影响流渣。

图9  堰、坝高度差：(a)改进前；(b)改进后

（2）水口碗与包底高度差改进：目前浸入式水口安装时，其碗部上沿与其周围缓坡上端齐平，胶泥涂抹形成的缓坡呈“馒头状”，不利于夹杂物去除。改进后采用“浅碟型”缓坡（水口碗与包底缓坡高度差改进前后见图10），这种施工方式能减少侵蚀、冲刷的耐材等杂物进入水口，并有利于促进夹杂物上浮。

图10  水口碗与包底缓坡高度差

3.5   控制效果

对比工艺优化前后连铸液面控制情况，液面波动由50 mm降至±1 mm，见图11。

图11  连铸曲线：(a)优化前；(b)优化后

通过上述全流程工艺优化，B类夹杂物≤1.0级的合格率逐步提高至90%以上，最高达到97.4%，见图12。

图12  工艺优化后B类夹杂物合格率

（1）通过分析铸坯夹杂物形貌和成分，确定夹杂物主要为内生的B类夹杂物，此类夹杂物聚集长大会影响钢材性能。

（2）通过将电弧炉冶炼终点钢中的氧质量分数降低至0.052%，并基于终点氧含量分档控制脱氧剂加入量，使精炼到站铝质量分数精确稳定在0.02%~0.035%的目标范围。

（3）采用高碱度（碱度为9.10）渣系，Al₂O₃质量分数控制在27%~30%，并配合调整MI值至0.3附近，形成低熔点12CaO·7Al₂O₃矿相。

（4）将VD氩气流量由80降低至40 L/min。优化软吹制度：前期（3~5 min）强搅拌促进大颗粒夹杂物上浮，后期弱搅拌促进小颗粒夹杂物迁移去除。结合碳化稻壳+覆盖剂双层保温措施，将精炼出钢温度降低15~25 °C。

（5）将中包烘烤壁温提升至＞1200 °C，并增设水口下方引风装置，以确保水口充分预热；采用双层保温稳定钢水过热度；优化中包结构，将堰与坝的高度差调整至50~70 mm，并将水口碗周围耐材砌筑由“馒头状”改为“浅碟型”，有效促进了夹杂物上浮分离并减少了耐材侵蚀物卷入。

（6）通过上述全流程精准工艺控制优化，B类夹杂物≤1.0级的合格率从优化前的76.8%大幅提升至97.4%，单位面积夹杂物数量降幅达69%。