洁净钢脱氧技术现状及发展
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流体力学模型在钢水精炼中发挥出越来越重 要的作用，根据钢水初始条件，判断选择合适的操 作方法，既达到了精炼的效果，又节省了时间。但 模型的准确性受多种因素影响，如模拟炼钢条件 下的多场（ 浓度场、温度场、应力场等） 作用复杂， 另外，CFD 模型软件的通用性不好，使用困难，往 往在一个现场开发出的 CFD 软件不适用于其他 现场的应用，因此，需要开发通用性更强的 CFD 模卷
表 1 低碳钢钢水成分（ wB）
%
C
Mn
Al
Ti
RE
Ca
B
Nb
＜ 0． 005
＜3
＜ 0． 015 0． 005 ～ 0． 300 0． 001 ～ 0． 004
＜ 0． 000 4 0． 000 2 ～ 0． 050 0 ＜ 0． 1
图 1 渣中 FeO + MnO 的质量分数与发生 水口堵塞指数的关系
2 金属 Mg、Ti 脱氧的最新研究
近年来脱氧剂研究较多的是金属 Mg、Ti 及其 合金改质剂。镁处理钢液时能使 Al2 O3 和 MnS 夹 杂物改性［7-9］，镁可以使簇状 Al2 O3 夹杂变成尺寸 细小、不变形、随机分布的 MgO·A12 O3 尖晶石夹 杂物。Ti 脱氧处理钢液并联合使用其它合金对 钢水改质后减少了水口堵塞的发生，并能使钢水 凝固时的微观组织细化，以下举例介绍日本对镁 蒸气及 Ti 脱氧的最新研究。
2． 1 Mg 蒸气脱氧的研究
钢水用镁蒸气脱氧的可行性已被证实。利用 金属镁气化器，以 Ar 气做为载气将镁蒸气吹入钢 水，在 1 873 K 的温度下得到的可溶性产品中［% Mg］×［% O］＜ 1． 0 × 10 － 6 。
最近，日本名古屋大学研究人员对镁蒸汽脱 氧［10］做了进一步研究，镁蒸气采用铝热还原法制 得，以 MgO 和 Al 为原料，并按一定的比例混合， 用 Ar 为 载 气 加 入 钢 水 中。 其 反 应 过 程 如 下： 4MgO（ s） + 2Al（ l） = 3Mg（ g） + MgO·Al2 O3 （ 尖晶 石） ，MgO·Al2 O3 继续和 Al 发生反应： 3（ MgO·Al2 O3 ） （ s） + 2Al（ l） = 3Mg（ g） + 4Al2 O3 （ s） ，镁蒸气 发生脱氧反应： Mg（ g） + O = MgO（ s） 。
200 kg） 循 环 5 min 后，再 加 入 RE （ w （ Ce ） =
48 % ，w（ La） = 37 % ，w（ Nd） = 10 % ） 进行夹杂
物改质处理，并加入少量的 Nb，在 2 流板坯连铸
机浇铸 240 mm 厚的板坯。冶炼钢水成分如表 1
所示，得出的渣中 FeO + MnO 含量与发生水口堵
这种方法生成的大型 MgO 夹杂物能随着气 泡一起上浮到钢水表面而去除，残留的细小夹杂 物具有细化晶粒的作用，在钢水凝固过程中成为 TiN 和 MnS 的形核核心，使细小夹杂物弥散分布， 防止形成簇状夹杂。采用这种方法原料成本比直 接使用 Mg 脱氧降低，而且 Mg 能浸入钢水底部深 脱氧，但增加了外来夹杂物 Al2 O3 数量。
为提高钢材质量，降低钢中的氧含量和控制 脱氧产物的形态是炉外精炼工序的关键环节。钢 液脱氧时，主要采用与氧有强亲和力的脱氧元素 和氧发生反应，并将反应过程中产生的脱氧产物 去除，脱氧元素的选择对脱氧产物的去除有很大 影响。目前，普遍采用 Al 脱氧，尤其是用于镇静 钢的生产。铝具有脱氧能力强、效率高、夹杂物上 浮速度快等优点。但是用铝脱氧也存在 Al2 O3 夹 杂物引起连铸水口结瘤、造成钢液连浇中断的问 题； 同时，过多的 Al2 O3 也使耐热钢的蠕变脆性、 高温强度降低，以及轴承钢、钢轨钢和车轮钢的疲 劳性能恶化等。为了避免这些问题，近年来，Ca、 Mg、Ba 等碱土金属脱氧剂成为研究的热点，并且
钢水成分满足低碳钢要求。
JFE 公司还研究了单独使用钛脱氧夹杂物对
低碳高锰钢（ w（ C） ＜ 0． 07 % ，w（ Mn） ＞ 0． 9 % ） 微观结构的影响［11］。真空条件下，向钢水中添加
钛（ w（ Ti） = 0． 05 % 、0． 03 % 或0． 015 % ） 脱 氧，
在铜结晶器中浇铸，冷却速率是2． 0 ～ 6． 0 ℃ / s。
为防止水口堵塞，新日铁在冶炼超低碳钢时， 向钢水添加 Ti 脱氧 + RE 改质剂［12］。具体方法
是，出钢时向钢包渣添加 CaO（ 每吨钢水加入 200
～ 500 kg） ，RH 精炼时先向钢水中加入少量金属
Al 脱氧，使钢水中 w（ O） 降到0． 012 % 以下，然后
加入金属 Ti 作为脱氧剂（ 每吨钢包渣添加 50 ～
已在生产中推广应用。对脱氧过程建立动态模 型，预测脱氧夹杂物的形成长大等变化过程，可以 合理地设定脱氧过程控制参数，避免大量的试验， 降低成本。电化学脱氧是一种全新的脱氧理念， 具有清洁、无氧化物夹杂产生和去除的优点。
1 洁净钢脱氧技术现状
为了消除或减少铝脱氧反应产物对钢材性能 的危害，国内外一些研究人员尝试采用含有 Ca、 Mg、Ba 等碱土金属脱氧剂对钢水进行脱氧并联 合使用稀土（ RE） 或其它改质剂［1-4］。由于这些元 素与钢中的氧反应，生成不溶于钢液的稳定化合 物，起到了强烈脱氧作用，并能改变钢中夹杂物的
物理现象做出分析。使用数值模拟，得到在钢水 复杂的流场内各个位置的基本物理量（ 如速度、 压力、温度和浓度等） 的分布，以及这些量随时间 的变化情况，确定是否产生涡流及涡流的分布特 点等。模拟炼钢的复杂过程，对每一种物理问题 的流动特点，都有适合的数值解法。因此，能避免 过多的实验工作，降低成本。
浦项科技大学采用计算流体力学（ CFD） 来模 拟钢包底吹气体搅拌钢水脱氧过程中夹杂物的变 化［13］。使用湍流模型模拟钢水中的瞬时流场、温 度场和浓 度 场，可 以 预 测 夹 杂 物 形 核-长 大-去 除 的过程。该模型由两个主要模块组成，CFD 模拟 模块和夹杂物形核-长大-去除模拟模块。根据质 量守恒，能量守恒，动量守恒和 κ-ε 方程，用 CFD 模拟模块预报流体类型、温度场和湍流参数。夹 杂物形核-长大-去除模块用于研究夹杂物碰撞-凝 结长大、扩散、聚集和去除过程。工业生产实践表 明： CFD 模型成功地预测了钢水中 Al2 O3 夹杂物 的颗粒分布。
比较了钛脱氧和铝脱氧钢在凝固状态下的微观组
织结构。发现等温条件下，Ti 脱氧钢的奥氏体晶
粒尺寸小于 Al 脱氧钢的奥氏体晶粒，夹杂物密度
高于 Al 脱氧钢的产物。低碳、高锰钢在冷却速率
高、初始w（ Ti） / w（ O） 值大的条件下凝固，对形成
的奥氏体晶粒结构有益，得到的晶粒尺寸细小。
2． 3 Ti 脱氧 + RE 改质剂的研究
作者简介： 冯士超（ 1981 － ） ，男，鞍钢股份有限公司技术中心，硕士生，从事炼钢领域的情报调研。
第2 期
冯士超，等：洁净钢脱氧技术现状及发展
·75·
形态，使 钢 的 性 能 得 到 改 善。 采 用 SiCaBa 或 SiAlCaBa 脱氧 时［5］，终 点 钢 液 中 的 全 氧 含 量 降 低，脱 氧 产 物 易 于 上 浮，且 在 钢 液 中 的 残 留 量 减 少。也有提出使用 Nb 对钢水脱氧［6］，产物Nb2 O3 呈弥散分布，不会引起水口堵塞，也不会影响焊接 热影响区韧性。生产中在满足钢质量的前提下， 大多仍采用与 Al 结合使用的脱氧剂。
JFE 公司在冶炼超低碳钢时用高碳 Fe-Mn 加 Al 脱氧，首先进行 RH 真空脱气处理，然后测定钢 水中 的 氧 含 量，向 钢 水 添 加 高 碳 锰 铁 脱 氧 至 0． 04 % ≤w（ O） ≤0． 05 % 后，对钢水脱碳，然后用 Al 对钢水终脱氧，将 w（ O） 脱至0． 000 2 % 以下。
Abstract： The present paper introduces the status quo of the secondary refining （ deoxidation） technology for clean steel making purpose，expatiates new progress of deoxidization by Mg evaporation method and the research on inclusions of deoxidization by titanium at JEF as well as the technical characteristics of deoxidization method using Ti plus rare earth adopted by Nippon Steel and indicates that formation and distribution of the inclusions in the process of hot metal deoxidization can be predicted and simulated by CFD model and points out that deoxidization by electrochemistry is a brand new technology for hot metal deoxidization without contamination and deals with the progress of application of oxygen penetration film in hot metal deoxidization by electrochemistry in POSCO． Key words： clean steel； refining； deoxidation； CFD model； electrochemistry
Status quo and progress of deoxidation technology for clean steel
表 1 低碳钢钢水成分（ wB）
%
C
Mn
Al
Ti
RE
Ca
B
Nb
＜ 0． 005
＜3
＜ 0． 015 0． 005 ～ 0． 300 0． 001 ～ 0． 004
＜ 0． 000 4 0． 000 2 ～ 0． 050 0 ＜ 0． 1
图 1 渣中 FeO + MnO 的质量分数与发生 水口堵塞指数的关系
2 金属 Mg、Ti 脱氧的最新研究
近年来脱氧剂研究较多的是金属 Mg、Ti 及其 合金改质剂。镁处理钢液时能使 Al2 O3 和 MnS 夹 杂物改性［7-9］，镁可以使簇状 Al2 O3 夹杂变成尺寸 细小、不变形、随机分布的 MgO·A12 O3 尖晶石夹 杂物。Ti 脱氧处理钢液并联合使用其它合金对 钢水改质后减少了水口堵塞的发生，并能使钢水 凝固时的微观组织细化，以下举例介绍日本对镁 蒸气及 Ti 脱氧的最新研究。
2． 1 Mg 蒸气脱氧的研究
钢水用镁蒸气脱氧的可行性已被证实。利用 金属镁气化器，以 Ar 气做为载气将镁蒸气吹入钢 水，在 1 873 K 的温度下得到的可溶性产品中［% Mg］×［% O］＜ 1． 0 × 10 － 6 。
最近，日本名古屋大学研究人员对镁蒸汽脱 氧［10］做了进一步研究，镁蒸气采用铝热还原法制 得，以 MgO 和 Al 为原料，并按一定的比例混合， 用 Ar 为 载 气 加 入 钢 水 中。 其 反 应 过 程 如 下： 4MgO（ s） + 2Al（ l） = 3Mg（ g） + MgO·Al2 O3 （ 尖晶 石） ，MgO·Al2 O3 继续和 Al 发生反应： 3（ MgO·Al2 O3 ） （ s） + 2Al（ l） = 3Mg（ g） + 4Al2 O3 （ s） ，镁蒸气 发生脱氧反应： Mg（ g） + O = MgO（ s） 。
200 kg） 循 环 5 min 后，再 加 入 RE （ w （ Ce ） =
48 % ，w（ La） = 37 % ，w（ Nd） = 10 % ） 进行夹杂
物改质处理，并加入少量的 Nb，在 2 流板坯连铸
机浇铸 240 mm 厚的板坯。冶炼钢水成分如表 1
所示，得出的渣中 FeO + MnO 含量与发生水口堵
这种方法生成的大型 MgO 夹杂物能随着气 泡一起上浮到钢水表面而去除，残留的细小夹杂 物具有细化晶粒的作用，在钢水凝固过程中成为 TiN 和 MnS 的形核核心，使细小夹杂物弥散分布， 防止形成簇状夹杂。采用这种方法原料成本比直 接使用 Mg 脱氧降低，而且 Mg 能浸入钢水底部深 脱氧，但增加了外来夹杂物 Al2 O3 数量。
为提高钢材质量，降低钢中的氧含量和控制 脱氧产物的形态是炉外精炼工序的关键环节。钢 液脱氧时，主要采用与氧有强亲和力的脱氧元素 和氧发生反应，并将反应过程中产生的脱氧产物 去除，脱氧元素的选择对脱氧产物的去除有很大 影响。目前，普遍采用 Al 脱氧，尤其是用于镇静 钢的生产。铝具有脱氧能力强、效率高、夹杂物上 浮速度快等优点。但是用铝脱氧也存在 Al2 O3 夹 杂物引起连铸水口结瘤、造成钢液连浇中断的问 题； 同时，过多的 Al2 O3 也使耐热钢的蠕变脆性、 高温强度降低，以及轴承钢、钢轨钢和车轮钢的疲 劳性能恶化等。为了避免这些问题，近年来，Ca、 Mg、Ba 等碱土金属脱氧剂成为研究的热点，并且
钢水成分满足低碳钢要求。
JFE 公司还研究了单独使用钛脱氧夹杂物对
低碳高锰钢（ w（ C） ＜ 0． 07 % ，w（ Mn） ＞ 0． 9 % ） 微观结构的影响［11］。真空条件下，向钢水中添加
钛（ w（ Ti） = 0． 05 % 、0． 03 % 或0． 015 % ） 脱 氧，
在铜结晶器中浇铸，冷却速率是2． 0 ～ 6． 0 ℃ / s。
为防止水口堵塞，新日铁在冶炼超低碳钢时， 向钢水添加 Ti 脱氧 + RE 改质剂［12］。具体方法
是，出钢时向钢包渣添加 CaO（ 每吨钢水加入 200
～ 500 kg） ，RH 精炼时先向钢水中加入少量金属
Al 脱氧，使钢水中 w（ O） 降到0． 012 % 以下，然后
加入金属 Ti 作为脱氧剂（ 每吨钢包渣添加 50 ～
已在生产中推广应用。对脱氧过程建立动态模 型，预测脱氧夹杂物的形成长大等变化过程，可以 合理地设定脱氧过程控制参数，避免大量的试验， 降低成本。电化学脱氧是一种全新的脱氧理念， 具有清洁、无氧化物夹杂产生和去除的优点。
1 洁净钢脱氧技术现状
为了消除或减少铝脱氧反应产物对钢材性能 的危害，国内外一些研究人员尝试采用含有 Ca、 Mg、Ba 等碱土金属脱氧剂对钢水进行脱氧并联 合使用稀土（ RE） 或其它改质剂［1-4］。由于这些元 素与钢中的氧反应，生成不溶于钢液的稳定化合 物，起到了强烈脱氧作用，并能改变钢中夹杂物的
物理现象做出分析。使用数值模拟，得到在钢水 复杂的流场内各个位置的基本物理量（ 如速度、 压力、温度和浓度等） 的分布，以及这些量随时间 的变化情况，确定是否产生涡流及涡流的分布特 点等。模拟炼钢的复杂过程，对每一种物理问题 的流动特点，都有适合的数值解法。因此，能避免 过多的实验工作，降低成本。
浦项科技大学采用计算流体力学（ CFD） 来模 拟钢包底吹气体搅拌钢水脱氧过程中夹杂物的变 化［13］。使用湍流模型模拟钢水中的瞬时流场、温 度场和浓 度 场，可 以 预 测 夹 杂 物 形 核-长 大-去 除 的过程。该模型由两个主要模块组成，CFD 模拟 模块和夹杂物形核-长大-去除模拟模块。根据质 量守恒，能量守恒，动量守恒和 κ-ε 方程，用 CFD 模拟模块预报流体类型、温度场和湍流参数。夹 杂物形核-长大-去除模块用于研究夹杂物碰撞-凝 结长大、扩散、聚集和去除过程。工业生产实践表 明： CFD 模型成功地预测了钢水中 Al2 O3 夹杂物 的颗粒分布。
比较了钛脱氧和铝脱氧钢在凝固状态下的微观组
织结构。发现等温条件下，Ti 脱氧钢的奥氏体晶
粒尺寸小于 Al 脱氧钢的奥氏体晶粒，夹杂物密度
高于 Al 脱氧钢的产物。低碳、高锰钢在冷却速率
高、初始w（ Ti） / w（ O） 值大的条件下凝固，对形成
的奥氏体晶粒结构有益，得到的晶粒尺寸细小。
2． 3 Ti 脱氧 + RE 改质剂的研究
作者简介： 冯士超（ 1981 － ） ，男，鞍钢股份有限公司技术中心，硕士生，从事炼钢领域的情报调研。
第2 期
冯士超，等：洁净钢脱氧技术现状及发展
·75·
形态，使 钢 的 性 能 得 到 改 善。 采 用 SiCaBa 或 SiAlCaBa 脱氧 时［5］，终 点 钢 液 中 的 全 氧 含 量 降 低，脱 氧 产 物 易 于 上 浮，且 在 钢 液 中 的 残 留 量 减 少。也有提出使用 Nb 对钢水脱氧［6］，产物Nb2 O3 呈弥散分布，不会引起水口堵塞，也不会影响焊接 热影响区韧性。生产中在满足钢质量的前提下， 大多仍采用与 Al 结合使用的脱氧剂。
JFE 公司在冶炼超低碳钢时用高碳 Fe-Mn 加 Al 脱氧，首先进行 RH 真空脱气处理，然后测定钢 水中 的 氧 含 量，向 钢 水 添 加 高 碳 锰 铁 脱 氧 至 0． 04 % ≤w（ O） ≤0． 05 % 后，对钢水脱碳，然后用 Al 对钢水终脱氧，将 w（ O） 脱至0． 000 2 % 以下。
Abstract： The present paper introduces the status quo of the secondary refining （ deoxidation） technology for clean steel making purpose，expatiates new progress of deoxidization by Mg evaporation method and the research on inclusions of deoxidization by titanium at JEF as well as the technical characteristics of deoxidization method using Ti plus rare earth adopted by Nippon Steel and indicates that formation and distribution of the inclusions in the process of hot metal deoxidization can be predicted and simulated by CFD model and points out that deoxidization by electrochemistry is a brand new technology for hot metal deoxidization without contamination and deals with the progress of application of oxygen penetration film in hot metal deoxidization by electrochemistry in POSCO． Key words： clean steel； refining； deoxidation； CFD model； electrochemistry
Status quo and progress of deoxidation technology for clean steel
