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用光学显微镜观察粒径在10µ
m以上夹杂物的形状（簇状，丛状或球状），并在电子探针显微镜（EPMA）下观察夹杂物的组成。
在第一炉次浇铸前，打开中间包外渣罐上方的滑动式水口并将钢包引流砂排出中间包外。
在第一炉浇铸结束，钢包中留大约20吨钢液，以防止钢包中的熔渣被钢液由钢包到中间包的注流卷入中间包中。
第二炉和第三炉连铸正常进行。
图1所示为中间包钢液中氧化铝和夹渣含量的变化。
随着浇铸的炉次的增加，中间包入口处夹杂物数量增加。
中间包入口处和出口处夹杂物数量变化趋势几乎相同，但出口处略低于入口处。
这意味着，部分被带入中间包的夹杂物已上浮去除。
中间包中氧化铝夹杂物的增加可能是由于钢包引流砂被铝还原以及钢液被空气氧化造成的。
图1中间包中夹杂物粒径（>
10µ
m）数量变化
假设钢液在中间包内没有受到污染，中间包出口处钢液的理论洁净度[（公式
（1）]和根据中间包出口处所取试样得到的中间包钢液的实际洁净度[公式
（2）]如图2所示。
在光学显微镜下观察到的夹杂物的数量乘以夹杂物与钢液的密度比（
）得到相应的夹杂物质量分数（
）[22]，并以此作为评价钢液洁净度的指标，见图2。
图2浇铸过程中中间包中钢液纯净度的实验分析
中间包出口处钢液的理论洁净度
............................................
（1）
中间包出口处钢液的实际洁净度
..........................................
（2）
.................................................（3）
两者之间的差异即钢液在中间包内的二次污染。
因为三次浇铸中间包入口处的气氛是相同的，钢液的理论洁净度很差意味着钢液受到从钢包带入中间包的熔渣和引流砂的严重污染。
防止钢包渣和引流砂的卷入后，第一炉浇铸钢液的理论洁净度自始至终几乎是恒定的，而且比第二炉和第三炉的高。
第二炉次的污染物量增加是因为引流砂被带入到中间包中。
在第三炉次时，钢包中积累的熔渣和引流砂使钢液中污染物含量与第二次相当，它的洁净度变化也几乎与第二次相同。
那么所得到的理论洁净度与实际洁净度的差值即中间包出口和入口之间的夹杂物上浮区的钢液污染物量。
对氮的行为的单独研究表明，空气污染是中间包中钢液污染的一个重要因素。
图3反应了空气污染和熔渣夹杂物对中间包钢液污染的影响。
图3空气污染和熔渣夹杂物对中间包钢液污染的影响
空气污染对第一炉次到第二炉次中间包钢液污染影响很大，通过控制钢包熔渣和引流砂的带入量，第一炉次和第二炉次中间钢液中70%以上的污染物都可留在中间包内。
随着浇铸炉次的增加，熔渣带入的污染物量增加，但是空气氧化造成的污染物量减少。
这可能是因为中间包中积累的熔渣随着浇铸炉次的增加而增加，但是熔池表面被越来越多的熔渣覆盖，减少了空气对钢液的氧化。
上述结论表明，保持中间包中钢液纯净的方式有：
（1）保护它免受空气污染；
（2）使用无污染的钢包引流砂；
（3）抑制钢包熔渣被带入到中间包中。
本文讨论了第一和第二项工艺。
抑制熔渣由钢包进入中间包的技术目前已经应用于工业并且取得了很好的效果[23]。
3中间包钢液洁净技术
3.1防止钢液被空气氧化
中间包一般用氩气排除空气以防止钢液被空气氧化。
由于中间包无法完全密封以及中间包盖的扭曲变形，这项技术并不完善。
前面章节所讨论的结果表明，增加中间包熔池表面的熔渣可以极大地防止钢液被空气氧化。
因此在中间包熔池表面覆盖一种低熔点的可熔覆盖剂是防止钢液被空气氧化的方法之一。
3.1.1实验室研究方法
在实验室实验中对中间包熔池表面覆盖剂的最优成分进行了研究。
实验使用一个容量为100kg的高频熔炼炉熔炼70kg一定成分的铝镇静钢（0.038％C，0.012％Si，0.18％Mn，0.042％Al），入口处用氩气密封。
然后在熔池表面投2.5kg的覆盖剂，停止通入氩气，并且在钢液中投入金属铝，使钢液中铝的含量达到0.05%。
在16分钟内每隔2分钟对钢液进行取样分析。
实验室使用的中间包覆盖剂成分见表1。
第一，试验每一种中间包覆盖剂对防止钢液被空气氧化的效果。
第二，通过改变每种覆盖剂中SiO2的含量研究比铝亲和力稍小的SiO2对钢液氧化的影响；
第三，用传统的含氧化镁98%的材料作为中间包的绝热材料。
表1实验室使用的中间包覆盖剂成分
覆盖剂
成分（%）
1
50CaO-50Al2O3
2
47.5CaO-47.5Al2O3-5SiO2
3
45CaO-45Al2O3-10SiO2
4
40CaO-40Al2O3-20SiO2
5
100MgO（传统的热绝缘材料）
3.1.2实验室实验结果
图4到6分别列出了在不同时间钢液中硅、氮、铝含量的变化。
当使用传统的隔热材料（表1中5号）时，钢液会增氮。
当在熔池表面使用可熔覆盖剂（表1中1，2，3，4号）时，钢液中氮的含量变化很小。
所有的覆盖剂都可使钢中铝含量不同程度地降低。
传统的隔热材料（表1中5号）和新的含10%以上SiO2的覆盖剂（表1中3，4号）都可以极大地降低钢中铝含量和显著地增加钢液被空气氧化的量。
图6所示表明覆盖剂中硅含量为10%以上时会提高钢液中的硅含量。
图4钢液中氮含量的变化
图5钢液中铝含量的变化
图6钢液中硅含量的变化
3.1.3讨论
3.1.3.1利用覆盖剂防止钢液被空气氧化
图4中氮含量的变化表明只有在使用传统隔热材料时钢液增氮。
这意味着，传统的绝热材料对防止钢液被空气氧化的效果很小。
因为传统的隔热材料中包含98%的氧化镁，也是耐火材料的主要成分，在中间包熔池表面将被直接烧结成浮石状，所以无法给钢液提供充分的保护以防止空气的渗入。
熔池表面覆盖的覆盖剂能很好的防止钢液增氮。
钢液与外部空气之间形成的液态覆盖剂层可以很好的降低空气中氧进入钢液的速率。
3.1.3.2SiO2含量对钢液氧化的影响
根据图5所示的铝含量的变化，钢液被空气氧化的量可以通过覆盖剂来控制，但是如果覆盖剂中SiO2的含量超过10%时（表1中3，4号），钢液中的铝含量将降低。
图6中硅含量的变化表明，当钢液覆盖剂中SiO2含量超过10%时，钢中硅含量会有所增加。
根据这些实验结果可知，可熔覆盖剂可以防止钢液被空气污染，但是如果它含有SiO2或者其他比钢液中铝对氧的亲和力小的氧化物时，覆盖剂中的SiO2会和钢液中的铝反应氧化钢液。
当覆盖剂中SiO2含量不高于5%时（表1中2号），不会导致钢液的氧化。
当覆盖剂中SiO2含量超过10%时（表1中3，4号），钢液的氧化量会随着SiO2量的增加而增加。
造成这种情况的可能原因是SiO2的活度不同反应速率不同。
上述结果表明，为了防止钢液的空气氧化和覆盖剂造成的钢液二次氧化，可以使用在钢液温度可以熔化的覆盖剂和不含或含有极少比钢液中铝对氧亲和度更小的成分的覆盖剂。
3.1.4工厂实验结果
根据上一节实验室实验讨论得到的结果，在工厂实验中一个中间包内使用可熔覆盖剂。
该工厂实验了连续浇铸三炉次的铝镇静钢（铝含量大约0.05%），实验所用中间包如图7所示。
图7八幡厂1号连铸机的中间包示意图
可熔覆盖剂从中间包中心的堰和第一流左侧堰外之间的注流区加入。
在第二流加入传统的含98%MgO的隔热材料。
同时对中间包入口和出口的钢液进行取样。
根据实验室试验结果，实验中使用的是CaO-Al2O3基的可熔覆盖剂。
评估了组成为48CaO-37Al2O3-15MgO的覆盖剂（熔点为1530℃）对保护钢液免受空气氧化的效果，在1550℃的温度下其MgO在中间包钢液中达到饱和。
图8所示为中间包内钢液总氧含量的变化。
图8中间包内钢液总氧含量的变化
使用可熔覆盖剂时总氧含量为0.6ppm，使用不可熔覆盖剂时总氧含量为5.9ppm，这一发现证实了可熔覆盖剂对减少钢液中夹杂物形成的效果。
3.2使用无污染的引流砂
在与钢液直接接触区域（顶层）和滑板区或不与钢液直接接触区域（底层）的钢包引流砂需具有不同的特性。
顶层引流砂必须有良好的烧结性，以阻碍钢液渗透和固化成颗粒。
底层的引流砂必须不容易烧结，以便滑动式水口打开时钢液可以顺利流出；
为了使它不会上推其与钢液的接触面，引流砂必须有较小的膨胀系数。
为了满足这种矛盾的特性，传统工艺采用一种主要成分为SiO2的引流砂作为适用材料。
图9所示为近年来所采用的工艺[24]，包括在顶层和底层使用不同成分的引流砂以保证滑动水口的自由打开，以及在顶层引流砂中添加R2O（R=Na，K）使其具有更好的烧结性能。
而为了满足钢包内引流砂不污染中间包内钢液的要求，对引流砂基本成分进行研究的实验几乎没有。
图9填充材料的方法
为了防止钢包引流砂污染钢液，本研究对上述的双层引流砂实验进行了扩充，研究了在提高滑动水口的自由开口性能的同时，保证钢液不被引流砂污染的要求。
3.2.1实验室实验方法
在实验室实验中，首先对引流砂的物理性能进行了研究。
在一个内径为57mm,高度为65mm的氧化铝坩埚中，加满引流砂样品，如图10所示。
图10热膨胀系数的评价方法
分别在1000℃，1300℃，1500℃温度条件下对样品加热2小时，模拟滑动式水口处的温度分布情况，并对样品的烧结性能和热膨胀性进行了测试。
将加热的引流砂试样冷却后，用手指触摸引流砂顶部并按表格2中所示的标准对其烧结性进行评估。
表2烧结砂的评价标准
等级
烧结条件
S-0
未烧结
S-1
轻微的烧结和容易被手指压塌
S-2
烧结和容易被手指压塌
S-3
烧结和勉强被手指压塌
S-4
烧结和颗粒表面可以被手指刮下
S-5
完全烧结和玻璃化
将引流砂样品在1500℃加热2小时后，将坩埚切断。
以坩埚顶部为基线，测量切割部分试样最大上升高度（+）或凹陷深度（—），引流砂样品的热膨胀性的计算公式如下：
热膨胀系数
............................................（4）
其中：
t为距坩埚顶部的最大上升高度或凹陷深度（mm），T为坩埚的高度（mm）。
本次实验室实验对五种不同的引流砂进行了研究：
（1）在传统的双层体系顶部使用以SiO2为主的引流砂并添加R2O改善引流砂的烧结性能；
（2）在双层系体系底部使用以高纯度SiO2为主的引流砂；
（3）MgO基引流砂；
（4）Al2O3-MgO尖晶石基引流砂和Al2O3基引流砂。
这些引流砂材料必须满足几乎不与钢液中的铝发生反应的条件，并且能够适用于工业生产。
由于氧化钙很可能与钢渣或钢液中的铝反应生成低熔点化合物，极易烧结并且在贮藏过程中存在吸水和升华的问题，不适合用作引流砂材料，因此在本次评估试样中没有使用氧化钙。
测试的样品中90%以上的颗粒尺寸都是1到2mm。
坩埚是由氧化铝制成，其材质与滑动式水口的材质相近。
检测材料的化学成分和晶粒分布见表3。
表3喷嘴填料的化学成分和晶粒尺寸
样品号
材料
低纯SiO2
纯SiO2
MgO
尖晶石
Al2O3
化学成分（%）
SiO2
74
98
—
Al2O3
13
70
99
MgO
28
Ma2O+K2O
11
96
粒度（%）
+2mm
2-1
53
45
59
50
1-0.5
41
55
39
40
49
0.5-
将引流砂应用于双层体系并评估其性能。
改变传统的单层引流砂操作中SiO2的含量，但是实验没有发现既可以满足顶层的烧结条件又可以满足底层不被烧结的条件的组分。
因此进行了一次新的尝试，在双层体系中降低SiO2的比例，即在顶层使用传统的SiO2基引流砂以满足顶层对于良好烧结性能的需求，而在底层使用不含SiO2的引流砂。
对在顶层使用能提高烧结性能的SiO2基引流砂（表3中1号）以及在底层使用不含SiO2的引流砂（表3中3，4，5号）的双层体系进行了测试。
如图11所示，在一个氧化铝坩埚中的上下分别填充顶层引流砂和底层引流砂，在电阻炉中1500℃温度下加热2小时，研究：
（1）从顶层到底层熔体成分之间的渗透以及顶层和底层之间反应区的厚度；
（2）底层引流砂的烧结情况。
待坩埚冷却后将其切断，在截口处测定反应区的厚度，并且根据表2中的标准评估底层引流砂的烧结性能。
图11双层砂性能评价方法
3.2.2实验室实验结果
表4所示为单层引流砂的评估结果。
1号试样，即添加有可改善烧结性能的R2O和氧化铝的引流砂，加热到1300℃以上时，大部分都熔融形成一层玻璃烧结层。
烧结层的形成可以防止钢液渗入引流砂中并防止钢液在引流砂中凝固。
同时由于其烧结和熔化性能，1号试样体积也有所减小。
2号试样，即由较纯的SiO2组成的引流砂，在加热到1500℃时，烧结性能达到S-3级，且热膨胀系数增加；
样品3~5号，即含有很少或不含SiO2的引流砂，在实验过程中完全不烧结且热膨胀系数小。
实验结果表明，含SiO2低的材料不能提供良好的烧结性能，不能单独用于引流砂。
表4单喷嘴过程填料的实验结果
样品号
材料
烧结
1000℃×
2h
S-1
S-0
1200℃×
2h
S-5
1500℃×
S-3
S-2
热膨胀（%）
-25
30
表5所示为在顶层和底层分别使用烧结性能好的高纯度SiO2引流砂和低SiO2引流砂时，顶层和底层间反应区的厚度以及底层引流砂的烧结性能。
表5双喷嘴过程填料的实验结果
顶层
底层
Si02
MgO
尖晶石
Al2O3
反应区厚度（mm）
10
5
底砂的烧结
S-0
实验采用传统的双层体系，顶部引流砂完全烧结，底部引流砂半烧结到S-3级，顶层和底层之间形成了一个5mm厚的反应区。
在底层引流砂中使用MgO时，顶部和底部引流砂完全反应，熔化，并烧结，反应区的厚度为40mm，并且底部引流砂全部烧结到S-5级。
从这些结果可以预测，如果在顶层使用SiO2基引流砂，在底层使用MgO基引流砂，钢包将无法自由打开。
在底层使用Al2O3或尖晶石引流砂时，顶层与底层之间形成厚为5~10mm的反应区，且底部引流砂为S-0级的非烧结状态。
这些结果表明，如果在顶层使用的是性能优良的SiO2引流砂时，可以在底层使用Al2O3和尖晶石引流砂。
3.2.3讨论
在双层使用不同的引流砂时，顶层和底层之间厚反应区的形成与底层材料的烧结会降低滑动式水口引流砂的排放性能，导致在需要开启滑动式水口时水口无法自由打开。
因此反应区域必须尽可能的薄以避免这种情况发生。
实验室实验结果表明，如果在底层使用SiO2材料，那么可以在顶层使用Al2O3或尖晶石材料。
反应区的厚度取决于底层引流砂的成分。
反应区的形成机理将在下面进行讨论。
在传统的双层设计中顶层使用低纯度液相线温度为1000℃的SiO2基引流砂[25]，当温度超过1500℃的铝镇静钢钢液被加入到钢包中，引流砂熔化，钢液渗入底层引流砂中并与其发生反应。
底层使用的高纯度SiO2引流砂熔点超过1600℃。
当渗透性好的顶层引流砂与底层引流砂反应时，将使SiO2含量及其熔点升高。
当反应区的反应进行到一定程度时，顶部引流砂会停止向底部渗透。
分别在顶部和底部使用MgO基引流砂和SiO2基引流砂，当滑动式水口和引流砂被钢包中的钢液加热后，顶部的MgO和底部的SiO2会发生反应。
顶层引流砂因此熔点降低并很快地渗透到底层引流砂中。
如果在底层使用Al2O3或尖晶石，当顶层引流砂熔化并且渗入底部时，底层引流砂Al2O3的含量和熔点都会升高。
因此，阻碍了顶部熔化的引流砂渗透到底层。
上述结果表明，双层设计中顶部和底部引流砂最佳组合应该是这样的，在顶层的引流砂与钢液接触熔化，并渗透到底部与底层引流砂反应时，可以形成高熔点和高粘度的化合物。
3.2.4工厂实验结果
基于实验室结果，将钢包引流砂应用于工厂试验。
如图7所示，在八幡厂第3炼钢厂的1号连铸机上浇铸铝含量大约为0.05%的铝镇静钢。
在使用了新的钢包引流砂后，研究了钢包的自由开口性能以及阻碍中间包中钢液污染的性能。
为了消除钢液在浇铸开始由钢包注入中间包时被空气氧化的影响以及防止在一炉浇铸结束时钢液被钢包带入中间包中的熔渣污染，两炉连续浇铸，且在第一炉浇铸时留20吨钢液在钢包中，以保证熔渣不会被带入到中间包中。
第二炉浇铸时在中间包塞棒处距熔池表面400mm处用快冷取样器对钢液取样，每隔1到10分钟取一次样。
在离样品底部100mm处将试样切断，抛光，并在光学显微镜下观察和统计10μm以上的夹杂物形状（簇状，丛状，或球状）和大小。
图12显示了在使用这种类型的引流砂后钢包自由开口性能的变化。
钢包使用不含SiO2基引流砂时其自由开口性能与使用传统的SiO2基引流砂相同。
在使用了这种引流砂后，从钢包浇注开始，中间包中氧化铝夹杂物含量的变化如图13所示。
使用传统的SiO2基引流砂时，在钢包刚开始浇注5分钟后中间包中氧化铝夹杂物的量开始增加。
新的不含SiO2基引流砂可以成功阻止中间包中氧化铝夹杂物量的增加。
图12使用不含SiO2的引流砂时钢包自由开口性能的变化
图13使用新型的引流砂对钢液中氧化铝含量的影响
4结论
为了以稳定的方式实现高清洁度钢液的工业化生产，本文通过研究中间包内钢液洁净度，对钢液在中间包内被污染的影响因素进行了定量分析。
实验采用了各种工艺以进一步确定其影响因子。
结果如下：
（1）中间包中钢液主要是被空气氧化以及引流砂污染。
（2）随着浇铸炉次的增加，钢液被空气氧化影响降低，但是由钢包引流砂带入中间包钢液中的夹渣增加了。
（3）如果在熔池表面使用在钢液温度下可熔且不含可与钢液中铝发生反应的覆盖剂，中间包中的钢液能很好地被保护不被空气氧化。
（4）在钢包中使用双层结构或顶底层体系引流砂，并在底层使用不含SiO2的引流砂，这样既可以保证钢包的自由开口性能，也可以保护钢液免受污染。
（5）必须保证双层设计的底层引流砂在滑动水口的温度下不被烧结，并且保证在顶层引流砂与钢液接触熔化，并渗透到底部与底层引流砂反应时，可以形成高熔点和高粘度的化合物。
如果在顶层使用SiO2基引流砂，那么可以在底层使用Al2O3或MgO-Al2O3尖晶石引流砂。
术语：
:
夹杂物的面积分数（—）
：
夹杂物的粒径（um）
不同大小夹杂的数量（—）
中间包中钢液受污染的总量（—）
光学显微镜的监测面积（m2）
夹杂物的体积分数（—）
夹杂物的质量分数（—）
氧化铝团簇中氧化铝的体积比（—）
不同大小夹杂物的上浮率（—）
钢液的密度（=7000）（kg/m3）
夹杂物的密度（=3600）（kg/m3）
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