研究钢液中硫含量对夹杂物去除的影响时，待试验钢熔清后向钢液中加入质量分数为99.98%FeS以提高钢中硫元素质量分数。所加试剂熔化且均匀后(反应10 min)，立即抽取石英管样1并水冷。随后向钢中加入提前预熔粉碎好的渣料(渣量为钢液质量的15%)，成分见表2。钢渣反应30 min后取石英管样2并水冷。

表2预熔渣成分(质量分数)和碱度(R)

研究钢液中氧含量对夹杂物去除的影响时，需待试验钢熔清后加入质量分数为99%的Fe2O3以提高钢中氧元素质量分数。所加试剂熔化且均匀后(反应10 min)，立即抽取石英管样1并水冷，随后向钢中加入提前预熔粉碎好的渣料(渣量为钢液质量的15%)，成分见表2。钢渣反应30 min后取石英管样2并水冷。

1.2试样加工与检测

每个石英管样长度约为85 mm，直径约为6 mm，试样加工如图2所示。取中间位置制备金相样；取两头中光洁度较好、致密度较高的一头进行表面磨光，车取直径为4 mm的氧氮气体棒；最终余料取屑用于分析钢中剩余主要元素的质量分数。金相样经过线切割、精细磨抛后，用ASPEX扫描电镜检测试样，并对扫描结果进行分析，统计每个试样中氧化物夹杂的数量密度和平均尺寸。

图2石英管样加工示意

2试验结果

2.1钢中氧、硫含量对脱硫的影响

检测每炉试样1和试样2的硫和全氧质量分数，结果见表3。可以看出，固定钢中全氧质量分数，随着初始硫质量分数的升高，钢渣反应30 min后，脱硫率逐渐增大，且稳定在74%以上，终点硫质量分数可降低到0.002 6%以下；固定钢中硫质量分数，随着初始全氧质量分数的升高，终点全氧质量分数可降低到0.001 4%以下，终点硫质量分数可降低到0.001 8%以下，皆满足重轨钢的成分要求。钢中初始硫、全氧质量分数与脱硫率的关系如图3所示。

表3试验钢元素含量(质量分数)和脱硫率

图3初始全氧、硫质量分数与脱硫率的关系

2.2钢中氧、硫含量对氧化物夹杂的影响

分析ASPEX全自动夹杂物分析仪扫描结果，定义MnS质量分数小于10%的夹杂物为氧化物夹杂。关注钢渣反应前后氧化物夹杂的数量密度和平均尺寸，统计结果见表4、表5和图4~图7。可以看出，钢中氧、硫含量的提高对钢渣反应过程中氧化物夹杂去除有显著的效果。随着氧、硫质量分数增加，氧化物夹杂的去除率呈升高趋势，平均尺寸呈减小趋势。在氧质量分数为约0.001 2%的前提下，钢中硫质量分数从0.007%上升到0.016%时，氧化物夹杂的去除率从10%上升到60%左右；在钢中硫质量分数为0.007%的前提下，钢中全氧质量分数从0.001 2%上升到0.004 4%，氧化物夹杂的去除率从10%上升到70%左右，氧化物夹杂的平均尺寸也呈减小趋势。

表4钢中硫含量对氧化物夹杂的影响

表5钢中氧含量对夹杂物的影响

图4钢中硫质量分数与夹杂物数量密度的关系

图5钢中硫质量分数与夹杂物平均尺寸的关系

图6钢中T.O质量分数与夹杂物数量密度的关系

图7钢中T.O质量分数与夹杂物平均尺寸的关系

分析钢渣反应前后夹杂物的成分可知，重轨钢中氧化物夹杂分为SiO2-MnO系和CaO-Al2O3-SiO2系两类夹杂，图8所示为两类典型夹杂二维形貌。各类氧化物夹杂在钢渣反应前后数量密度变化见表6。可以看出，钢中主要夹杂为钙铝硅酸盐，因此钢渣反应30 min后，钙铝酸盐的去除率同总氧化物夹杂的去除率相近，随着氧、硫质量分数的增高，钙铝酸盐的去除率呈升高的趋势。由于钢中硅锰夹杂数量较少，且扫描面积有限，仅从以上表格统计的数量密度不具代表性，因此其去除率未呈现明显规律。

图8重轨钢中的典型夹杂物二维形貌

(a)SiO2-MnO；(b)MgO-CaO-Al2O3-SiO2

表6钢渣反应前后氧化物夹杂数量密度

3讨论与分析

3.1钢中氧、硫含量对界面张力的影响

在钢液中，氧、硫是最常见的表面活性元素。当这些元素在熔融钢液中的质量分数增加时，钢-渣的界面张力和夹杂物与钢液之间的界面张力会迅速减小。钢渣反应前期，由于钢中初始氧、硫含量高，活度也高，夹杂物与钢液的界面张力较低，随着脱硫、脱氧反应的进行，界面张力增大。因此在30 min的钢渣反应过程中，界面张力、接触角等一直在动态变化。本试验将钢液初始氧、硫质量分数调整到一定值后，随着钢渣反应发生和脱氧产物在钢液中运动上浮，钢中硫含量、溶解氧含量是变化的，因此选取相同时间段的2个固定时刻，即同批铸坯溶清钢液在增氧/硫10 min和钢渣反应30 min，可以对比整个反应过程不同初始氧、硫元素对重轨钢中氧化物夹杂去除的影响。

3.2界面张力对夹杂物形核的影响

实际炼钢脱氧的过程中，新相形核是以均质形核和非均质形核2种方式进行的。脱氧生成1个半径为r的球形夹杂时，总自由能的变化为ΔG，在数值上为生成新相产生的表面能和引起体积变化的自由能之和[20]，见式(1)。生成夹杂的体积自由能变化ΔGV见式(2)。

式中：r为脱氧夹杂的半径；γsl为夹杂物与钢液间的界面张力，N/m；ΔGV为生成夹杂的体积自由能变化，J/m3；R为理想气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为绝对温度，K；S0为形核率为1时的临界过饱和度S*[20]；V0为脱氧夹杂的摩尔体积，m3/mol。

均质形核产生稳定核心的临界半径r*以及相关的临界自由能变化ΔGhomo*分别见式(3)和式(4)。