“洁净钢”的“洁净”之路

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一、引言
自1856年英国人H. Bessemer 发明酸性底吹转炉炼钢法以来，现代钢铁生产进入工业化阶段。随着对钢铁性能要求的不断提升，钢中非金属夹杂物对材料性能的不良影响日益受到重视，控制与减少夹杂物逐渐成为钢铁冶金技术的重要发展方向。20世纪70年代，"洁净钢（clean steel）"概念提出，标志着钢材质量控制从宏观成分调控向微观夹杂物控制迈进。此后，国内外持续举行多场洁净钢相关技术会议，推动其研究与产业化进程。

二、洁净钢的定义与评价标准
洁净钢（clean steel或pure steel）泛指非金属夹杂物在数量、尺寸、成分、分布等方面都得到有效控制的高品质钢材。部分研究还将硫、磷、氢、氮、碳以及微量元素（如Pb、Bi、As、Sn、Sb、Cu等）含量的降低纳入洁净钢的评价体系。

以国际上广泛应用的无间隙原子钢（IF钢）为例，其C、S、P、N、H与总氧（T.O）质量分数之和可控制在0.0001以下。

三、洁净度指标与临界夹杂物尺寸
洁净钢的洁净度主要通过夹杂物数量、尺寸分布及其有害性评估来衡量。其中，“临界尺寸”是评估夹杂物危害性的关键指标。

一般钢材可容许50 μm以下夹杂物存在；

精密轴承钢、工具钢等对夹杂物控制要求极高，其临界尺寸甚至控制在10 μm以下；

1978年，Kessling 提出5–8 μm为夹杂物的“临界尺寸”；

1991年，Mitchell 与日本新日铁的Fukumoto 提出“零夹杂钢（inclusion-free steel）”的概念，强调亚微米级夹杂物分布均匀、不在凝固过程中析出宏观夹杂，是实现超高疲劳寿命的重要保障。

四、非金属夹杂物对洁净度的影响
一般来讲钢中的夹杂物很多，其实钢中是很“脏”的。钢中的非金属夹杂物主要包括氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐及其复合物。这些夹杂物来源广泛，既可能源自炉料、耐火材料与渣系，也可能在冶炼、精炼及浇注过程中生成。

举例来说，1 kg典型低碳铝镇静钢中可含有多达数亿个夹杂物粒子，直径在80–130 μm者达400个，130–200 μm者约10个，甚至存在大于200 μm的粗大夹杂。这些夹杂物不仅削弱了钢材的力学性能与疲劳寿命，还可能导致缺陷如裂纹、夹渣及早期失效。

五、洁净钢生产流程与关键控制点
现代洁净钢的制造依赖全流程质量控制，典型流程如下：

精选原材料→高效脱硅、脱磷、脱硫预处理→转炉/EAF冶炼→炉外精炼（LF/VD/VOD/HR）→连铸→轧制或铸造

其中：

原料纯净度至关重要：某些元素（如Sn、Pb、Bi、As）在炼钢过程中难以去除，必须通过源头控制。

二次精炼阶段如LF+RH（或VD/VOD）可显著降低夹杂、气体与杂质元素水平。

合理渣系设计、吹氩搅拌、钢渣分离工艺优化，是控制氧化物夹杂的核心措施。

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六、铸造工艺中提升不锈钢洁净度的关键措施
相较于轧制钢，不锈钢铸件对夹杂物更敏感。为提高不锈钢铸件的洁净度，应从以下几个方面着手：

1. 精选炉料

采用低杂质、高纯度合金材料；

严格控制回炉料来源及比例，减少夹杂源。

2. 熔炼控制

采用中频感应炉+炉外精炼工艺；

控制钢液氧含量，优先进行铝或硅-锰脱氧，避免生成体积大的氧化夹杂；

使用合适的炉渣系统吸附非金属夹杂。

3. 精炼与过滤

采用真空处理（VOD/VD）降低气体含量；

进行钢液在线过滤（如陶瓷泡沫过滤）去除夹杂物；

控制浇注温度与速度，避免二次氧化。

4. 模具与浇注系统设计

浇注系统优化设计，避免涡流引入氧化物；

采用保护浇注或底注式浇注系统，减少钢液暴露与氧化；

合理设置冒口与排气系统，防止夹杂聚集。

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七、未来洁净钢发展的方向
未来洁净钢的发展趋势主要体现在以下几个方面：

1. 向“超洁净钢”迈进
控制夹杂物尺寸 <3 μm，甚至实现亚微米级分散；

夹杂物控制精度趋于材料“组织层级”控制。

2. 全流程在线监控与智能控制
利用光谱分析、夹杂物在线检测系统、数字孪生模型等手段，实现从熔炼到铸造全流程洁净度可控、可追溯。

3. 绿色冶金与资源闭环
发展低碳脱氧、高效除气技术；

高纯资源高值化利用，如高纯废钢、高纯回收渣等。

4. 功能化夹杂物控制
研究可控制形貌的夹杂（球形氧化物、变性硫化物等）提升材料可加工性；

发展“夹杂物工程”理念，实现夹杂与组织协同设计。

八、结语
洁净钢的提出与发展，极大地推动了高端装备制造、核电、航空航天、汽车及高性能轴承等领域的钢铁材料性能升级。未来，随着材料设计理念、工艺控制手段和智能制造水平的不断进步，洁净钢将持续向超纯净、高性能、智能可控的方向发展。