氧氣在煉鋼過程中既是必需的，也是有害的。 氧氣吹掃是基本氧氣轉爐（BOF）和電弧爐（EAF）精煉過程中去除碳、磷和矽的基礎， 必須嚴格控制採油後殘留的溶氧量。不受控制的氧氣會導致氣體孔隙、脆化，最嚴重的是，也會導致非金屬夾雜物的形成，損害機械性能、疲勞壽命和表面品質。

現代煉鋼需要深入了解氧活性、脫氧平衡和夾雜物控制。本文探討了溶氧如何驅動夾雜物的形成，並針對不同鋼種提出了優化脫氧製程的實用策略。

氧氣挑戰：從轉爐到中間包

在轉爐或電弧爐煉鋼製程結束時，鋼水中含有400-800 ppm的溶氧，主要與碳處於平衡狀態。作為參考，大多數成品鋼的氧含量要求低於30 ppm，而關鍵應用（如軸承鋼、彈簧鋼）則要求總氧含量低於10 ppm。脫氧步驟－添加高氧親和力元素－必須去除絕大部分氧，同時也要控制由此產生的不可避免的夾雜物。

“每去除百萬分之一的氧，就會產生大約 3-5 ppm 的氧化物夾雜物。我們的目標不僅是去除氧，還要使由此產生的夾雜物無害。”

基本的脫氧反應可以表示為： x[M] + y[O] → MₓOy (s 或 l)脫氧劑的選擇決定了夾雜物的化學性質、形態和去除行為。讓我們來檢視一下最常見的脫氧體系。

鋁脫氧：效率高，但夾雜風險高

鋁是最有效且最具成本效益的脫氧劑，能夠將溶氧量降低至 2–5 ppm 在平衡條件下，反應式為： 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)然而，由此產生的氧化鋁（Al₂O₃）夾雜物是實心的、堅硬的，並且常常形成難以完全去除的團簇。這些夾雜物會降低疲勞壽命、加工性能和表面光潔度。在連鑄過程中，浸入式進料噴嘴（SEN）中的氧化鋁堆積是一個持續存在的運行難題。

顯微照片顯示鋁鎮靜鋼中的氧化鋁夾雜物團簇
圖 1：鋁鎮靜鋼中的氧化鋁夾雜物團簇（深色條紋）－常見的缺陷來源。

鋁脫氧的最佳實踐： 對於需要極低總氧含量的全鎮靜鋼，每噸鋼使用0.5～1.2公斤鋁。隨後進行氬氣攪拌以促進夾雜物浮選，並在條件允許的情況下進行鈣處理，將氧化鋁轉化為液態鋁酸鈣。

矽錳脫氧：去除液態夾雜物，提高鋼材潔淨度

矽和錳的組合具有一個顯著的優點：脫氧產物是 液態矽酸錳（MnO·SiO₂） 在煉鋼溫度下，液態夾雜物比固態氧化物更容易聚結並更快浮出。反應如下： [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)2·SiO2(l)雖然矽錳脫氧法無法達到像鋁脫氧法那樣低的氧含量（通常殘餘氧含量為 20–40 ppm），但其產生的夾雜物更小、更接近球形，危害也更小。對於許多結構鋼牌號而言，矽錳脫氧法能夠在潔淨度和成本之間取得最佳平衡。

實用小貼士： 保持錳矽比在3:1至5:1之間，以確保液態氧化物的形成。使用高品質的 矽錳合金（SiMn） 採用一致的化學方法以獲得可重複的結果。

鈣處理：透過改變包覆物實現更優異的性能

由於鈣成本高、回收率低，因此很少用作主要脫氧劑，但它 作為包含修飾符不匹配當鈣添加到鋁鎮靜鋼中（通常透過矽鈣芯絲添加）時，鈣會與固體氧化鋁夾雜物反應生成低熔點鋁酸鈣（例如，12CaO·7Al₂O₃，熔點約為1455℃）。這些球狀夾雜物對機械性質的損害較小，並能顯著減少連鑄過程中的噴嘴堵塞。

“鈣處理可以將鋁脫氧的阿喀琉斯之踵——氧化鋁團簇——轉化為可控的球狀夾雜物相。”

鈣補充指南： 為了獲得最佳改質效果，鈣鋁比應控制在 0.10 至 0.15 之間。過量的鈣會導致硫化鈣 (CaS) 的形成，而硫化鈣會重新凝固並引發其他鑄造問題。精度至關重要；現代製程採用 矽鈣芯線注射 並提供即時回饋。

鈣處理後形成的球狀鋁酸鈣夾雜物
圖 2：球狀鋁酸鈣夾雜物－經過適當的鈣處理後所預期的形狀。

測量和監測氧活性

現代煉鋼依賴 電化學氧感測器 （基於ZrO₂的）直接測量鋼包中的溶氧活度。這些測量結果指導脫氧劑的添加，從而減少過度處理和處理不足的情況。各製程階段的關鍵氧目標值：

  • BOF/EAF 結束： 400–800 ppm（脫氧前）
  • 添加Al或SiMn後： 10–30 ppm（活性氧）
  • 鈣治療後： 5–15 ppm + 穩定包合物改性
  • 中間包（連鑄）： 總氧含量（Otot）通常為 15–30 ppm，取決於等級

最佳脫氧實踐策略

要達到鋼材潔淨度的一致性，需要採取系統化的方法。以下框架適用於大多數碳鋼和低合金鋼牌號碼：

  1. 爐渣工程： 保持爐渣鹼性（CaO/SiO₂ > 2.5）以吸收脫氧產物。將爐渣中FeO含量降低到1%以下可最大限度地減少氧的返排。
  2. 強氬氣攪拌： 脫氧後至少進行 5-10 分鐘的溫和氬氣鼓泡，有利於夾雜物浮選。
  3. 順序加法： 對於需要極低氧含量的鋼種，可考慮先用 Si-Mn 進行預脫氧，再用 Al 進行精加工，最後用 Ca 改質。
  4. 湯匙套： 防止鋼包渣或空氣夾帶在出鋼和澆鑄過程中造成二次氧化。

案例：軸承鋼材品質轉變

生產SAE 52100軸承鋼的特殊鋼生產商，由於在超音波檢測中檢測到氧化鋁型夾雜物，面臨很高的廢品率。透過實施一項 兩步驟脫氧方案 透過（Si-Mn預脫氧→Al精加工→矽鈣芯線處理）並將鋼包攪拌時間優化至12分鐘，生產商將總氧含量從18 ppm降低至8 ppm。夾雜物等級提高了60%，軸承疲勞壽命（L10）提高了一倍以上。此案例強調，氧氣控制並非單一措施，而是綜合製程策略。

隨著鋼鐵應用領域對性能的要求日益提高——從電動車傳動系統到離岸風電基礎——對氧氣控制的精準把控已成為一項競爭優勢。透過了解溶氧、夾雜物形成和脫氧化學之間的關係，鋼鐵生產商可以持續生產出更乾淨、更強韌、更可靠的鋼材。 Bright Alloys 提供全系列脫氧合金產品，包括矽鐵、矽錳合金和矽鈣合金芯線，並擁有冶金方面的專業知識，可協助您優化生產流程。