钢锭中大型非金属夹杂物 (large-scale nonmetallic inclusion of ingot)

钢锭中尺寸大于100μm的非金属夹杂物。多半为铁锰硅酸盐、铝酸盐或莫来石、刚玉等。其主要来源是耐火材料的浸蚀物或钢液二次氧化的产物。它在钢锭中的数量虽不到夹杂总量的1／4，但分布集中、颗粒粗大，对钢材危害甚大。分布在钢锭表层的大型夹杂物是钢材表面缺陷和加工时产生裂纹的重要原因；分布在下部沉积锥区的大型夹杂物难于发现和消除，往往使最后产品报废。钢锭中大型非金属夹杂的数量及分布决定于钢液中的夹杂物数量及其被凝固钢捕获的几率，后者则主要决定于钢液中夹杂物的上浮速度与钢液结晶速度的比值。由于钢锭表层快速结晶，使接近模壁的钢液中的夹杂物来不及上浮而易被凝固壳捕获。此后，由于结晶过程中夹杂物不断上浮，凝固前沿的推进速度也逐渐减慢，使大型夹杂物的数量由钢锭表面到锭心显著减少。夹杂物被凝固钢捕获的几率，还与工艺因素有关：如下注有利于夹杂物的上浮，下注时还便于采用保护渣浇注，这既延缓钢液面凝固又强化了对上浮夹杂物吸收，因而下注法浇注的钢锭表层的大型夹杂物较用上注法的钢锭少，但下注含锰较高的钢时，由于对浇注系统耐火材料的浸蚀加剧，反而使钢锭中大型夹杂物增多；又如上小下大的钢锭，夹杂物在上浮过程中易为凝钢捕获，以致比上大下小钢锭多。

钢锭下部沉积锥部位大型夹杂物较多的原因，主要是钢锭凝固前沿的对流运动和结晶雨以及由结晶雨产生的黏稠层，阻碍夹杂物上浮造成的。其形成过程归纳如图。恒生泰弘进一步提出结晶雨捕捉夹杂物的数学模型。若钢液为静止状态，假定直径为2mm的铁晶体携带上浮的夹杂物一起下沉，它的运动方程式表示为

式中ρ_s ,ρ_i, ρ_L分别为铁晶体、夹杂物和液相的密度；V_s, V_i为铁晶体和夹杂物的体积；u为铁晶体捕获夹杂物后的沉降速度；C为阻力系数(C10／Re ^1/2 ，Re为雷诺数)；A为铁晶体和捕捉夹杂物断面积之和；g为重力加速度。由上式可算得：2mm铁晶体能把900μm直径夹杂带到底部，实际上钢锭底部夹杂物不大于300μm，这说明结晶体携带夹杂物下沉是成立的。

为了减少钢锭中的大型夹杂物，在出钢和浇注过程应采取措施防止各种夹杂物进入钢液：对碳锰含量较低、硅铝含量较高的钢种，应防止钢水的二次氧化；对碳锰含量较高，硅铝含量较低的钢种，则应防止耐火材料的浸蚀。同时，应注意组织模内钢液的正常流动和适当高的浇注温度，使悬浮在钢液中的大型夹杂尽可能上浮；对保温帽部分的钢液进行加热保温，以防止或推迟黏稠层的形成。