氧氣在煉鋼中既至關重要又具有破壞性。 雖然吹氧是轉爐（BOF）和電弧爐（EAF）精煉過程中去除碳、磷和矽的基礎， 出鋼後殘留的溶解氧必須嚴格控制。不受控的氧會導致氣孔、脆化，最關鍵的是形成非金屬夾雜物，從而損害機械性能、疲勞壽命和表面品質。

現代煉鋼要求深入了解氧活性、脫氧平衡和夾雜物工程。本文探討溶解氧如何驅動夾雜物形成，並針對各種鋼種提出最佳脫氧實務策略。

氧氣挑戰：從轉爐到中間包

在轉爐或電弧爐製程結束時，鋼液中溶解氧含量為400–800 ppm，主要與碳達成平衡。參考而言，大多數成品鋼材要求氧含量低於30 ppm，而關鍵應用（軸承鋼、彈簧鋼）則要求總氧量低於10 ppm。脫氧步驟——添加對氧親和力高的元素——必須去除絕大部分的氧，同時管理由此產生的不可避免的夾雜物群。

「每去除百萬分之一（ppm）的氧，大約會產生3–5 ppm的氧化物夾雜。目標不僅是去除氧，還要使產生的夾雜物無害化。」

基本的脫氧反應可表示為： x[M] + y[O] → MₓOy (固體或液體)。脫氧劑的選擇決定了夾雜物的化學成分、形態和去除行為。讓我們來看看最常見的脫氧系統。

鋁脫氧：高效率，高夾雜風險

鋁是最強效且最具成本效益的脫氧劑，在平衡條件下可將溶解氧降至 2–5 ppm 。反應式為： 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)。然而，產生的氧化鋁（Al₂O₃）夾雜物是固態、堅硬的，且常形成難以完全去除的團簇。這些夾雜物對疲勞壽命、加工性和表面光潔度有害。在連鑄中，氧化鋁在浸入式水口（SEN）中的堆積是一個持續的作業挑戰。

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

鋁脫氧的最佳實務： 對於需要極低總氧量的完全鎮靜鋼，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上浮，並在可能的情況下進行鈣處理，將氧化鋁改性為液態鋁酸鈣。

矽錳脫氧：液態夾雜物，更潔淨的鋼

矽和錳的組合提供了一個顯著優勢：脫氧產物在煉鋼溫度下是 液態矽酸錳（MnO·SiO₂） 。液態夾雜物比固態氧化物更容易聚併並更快上浮。反應式如下： [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l)。雖然矽錳脫氧無法達到與鋁一樣低的氧含量（通常殘留氧為20–40 ppm），但產生的夾雜物群更小、更呈球形且危害較小。對於許多結構鋼種，矽錳脫氧在潔淨度和成本之間提供了最佳平衡。

實用提示： 保持目標Mn/Si比為3:1至5:1，以確保形成液態氧化物。使用高品質的 矽錳合金（SiMn） 以獲得可重複的結果。

鈣處理：改性夾雜物以獲得卓越性能

由於成本高且回收率低，鈣很少用作主要脫氧劑，但它是 無與倫比的夾雜物改性劑。當添加到鋁鎮靜鋼中（通常通過CaSi包芯線），鈣與固態氧化鋁夾雜物反應，形成低熔點鋁酸鈣（例如12CaO·7Al₂O₃，熔點約1455°C）。這些球狀夾雜物對機械性能的危害較小，並能顯著減少連鑄過程中的水口堵塞。

「鈣處理將鋁脫氧的致命弱點——氧化鋁團簇——轉變為可控的球狀夾雜物相。」

鈣添加指南： 為獲得最佳改性效果，目標Ca/Al比為0.10–0.15。過量的鈣會導致CaS形成，可能重新凝固並引起其他鑄造問題。精確度至關重要；現代實務使用 CaSi包芯線注射 並結合即時回饋。

鈣處理後形成的球狀鋁酸鈣夾雜物 - Bright Alloys
圖2：球狀鋁酸鈣夾雜物——經過適當鈣處理後的理想形態。

測量與監控氧活性

現代煉鋼依賴 電化學氧感測器 （基於ZrO₂）直接在鋼包中測量溶解氧活性。這些測量結果指導脫氧劑的添加，減少過度處理和處理不足。按製程階段的關鍵氧目標：

  • 轉爐/電弧爐結束時： 400–800 ppm（脫氧前）
  • 添加鋁或矽錳後： 10–30 ppm（活性氧）
  • 鈣處理後： 5–15 ppm + 穩定的夾雜物改性
  • 中間包（連鑄）： 總氧量（Otot）通常為15–30 ppm，視鋼種而定

最佳脫氧實務策略

要實現穩定的鋼材潔淨度，需要系統性的方法。以下框架適用於大多數碳鋼和低合金鋼種：

  1. 爐渣工程： 維持鹼性爐渣（CaO/SiO₂ > 2.5）以吸收脫氧產物。將爐渣中的FeO降低至1%以下，可最大程度減少氧的逆反應。
  2. 強力氬氣攪拌： 脫氧後，至少進行5-10分鐘的溫和氬氣攪拌，以促進夾雜物上浮。
  3. 順序添加： 對於要求極低氧含量的鋼種，可考慮先以矽錳進行預脫氧，再以鋁進行終脫氧，最後進行鈣處理。
  4. 鋼包覆蓋： 防止出鋼和澆鑄過程中，因鋼包爐渣或空氣捲入而導致的再氧化。

案例：軸承鋼品質轉型

一家生產SAE 52100軸承鋼的特鋼廠，因超音波檢測發現氧化鋁類夾雜物，導致廢品率居高不下。通過實施 兩步脫氧方案 （矽錳預脫氧 → 鋁終脫氧 → 矽鈣包芯線處理）並將鋼包攪拌時間優化至12分鐘，該廠將總氧含量從18 ppm降至8 ppm。夾雜物評級改善了60%，軸承疲勞壽命（L10）提升超過一倍。此案例說明，氧含量控制並非單一措施，而是一項整合性的製程策略。

隨著鋼材應用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——掌握氧含量控制已成為競爭優勢的關鍵。通過了解溶解氧、夾雜物形成與脫氧化學之間的關係，煉鋼廠能夠持續生產出更潔淨、更堅固、更可靠的鋼材。Bright Alloys提供全面的脫氧合金產品組合，包括矽鐵、矽錳和矽鈣包芯線，並以冶金專業知識為後盾，協助您優化脫氧實務。