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问答题简答题钢中非金属夹杂物的主要来源有哪些？ 参考答案
①内生夹杂物。指冶炼过程中元素氧化所形成的氧化物，脱氧时形成的脱氧产物，以及钢液在凝固过程中由于温度下降和成分偏析......
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（1）亚共析钢：0.0218＜C＜0.77%；
（2）共析钢：C＝0.77%；
（3）过共析钢：0.77%＜C＜2.11%。盘点钢包冶炼中非金属夹杂物的三个来源
核心提示： 对于氧化物洁净度来说，转炉钢和电炉钢间有较小的差别。钢液中夹杂物的数量、类型、尺寸和分布主要是二次精炼过程钢包操作以及中间包和结晶器内钢液流动和操作决定的。本节不讨论中间包和结晶器内钢液中夹杂物的产
&&& 对于氧化物洁净度来说，转炉钢和电炉钢间有较小的差别。钢液中夹杂物的数量、类型、尺寸和分布主要是二次精炼过程钢包操作以及中间包和结晶器内钢液流动和操作决定的。本节不讨论中间包和结晶器内钢液中夹杂物的产生和去除。
&&& 非金属夹杂物的三个来源：
&&& (1)加入脱氧剂后生成的脱氧产物、裸露的钢液被大气氧化和被耐火材料氧化生成的二次氧化产物；
&&& (2)来源于耐火材料（例如填充物）的夹杂物，由于耐火材料渣线或内衬受化学腐蚀或侵蚀的产物；
&&& (3)卷渣产生的夹杂物，渣钢界面上钢水流速较大以及渣的乳化使液态渣滴卷入到钢液中。
&&& 炼钢过程中，由脱氧产生的夹杂物是不可避免的，而由二次氧化产生的夹杂物和源自耐火材料的夹杂物以及卷渣生成的夹杂物通过优化冶炼工艺都是可以减少或完全去除的。如果在冶炼中没有去除，那么通过弱搅拌钢液和／或延长处理时间也可以去除夹杂物。
&&& 理论上，在每一步炼钢过程都可以去除夹杂物，方法是：促使夹杂物向渣／气、钢／渣或钢液／耐火材料界面移动，对于到达渣／气、钢／渣界面的夹杂物，首先要脱离钢液进入这个界面，然后再从界面分离。一般情况下，后一步分离过程是限制性环节，尤其是对液态夹杂物来说。
&&& 对于小颗粒夹杂物，自然上浮去除并不十分有效，但是利用氩气或电磁搅拌钢液可以增加夹杂物的碰撞次数，这就会促使固态夹杂物和液态夹杂物聚集成较大的尺寸，增加夹杂物的去除速度。因此搅拌钢液是所有洁净钢冶炼的基本特征。
&&& 气泡去除夹杂物的基本原理是夹杂物卷入到大气泡的尾迹中去除，而不是直接被非常小的气泡捕捉去除。实际生产中，气泡在钢液中向上运动时会变得越来越大，气泡促使夹杂物上浮去除仅是气泡在钢液中作用的一部分。
&&& 电磁搅拌比气体搅拌更容易控制，它可以避免钢液在渣／钢界面处的流速过大，因此能减少渣的乳化现象（卷渣）．然而，却不能实现渣／钢的充分混合接触。因为钢液流动在垂直方向的分力，尤其在接近钢／渣界面处的垂直分力，才能加快夹杂物的去除速率。
&&& 夹杂物的尺寸分布比夹杂物的总量更能影响钢材的性能。因此，在洁净钢的冶炼过程中，尺寸非常小的夹杂物可以保留，但是所有的簇状夹杂物和由卷渣引起的夹杂物都必须在浇注前完全去除。由于氧化物洁净度受设备的能力和操作工艺的影响，需要简要总结代表洁净钢冶炼重要特征的二次精炼设备和操作工艺。&&& 另外，提出了一些适用于洁净钢冶炼过程操作的准则。连铸夹杂物的来源新人请教,夹杂物一般分为五类,即A硫化物,B氧化物,C硅酸盐,D球状氧化物,和Ds单颗粒球状类,请问这些夹杂物的来源分别是什么,比如中间包的耐材属于哪类.还有他们对铸坯质量各有哪些危害和影响?
慕斯帅哥TA乯
耐材1　 连铸坯中夹杂物的来源从炼钢生产流程来看 ,铸坯的洁净度主要取决于钢水进入结晶器之前的炼钢、 精炼和中间包冶金工序 ,钢水中夹杂物的主要来源是内生夹杂物和外来夹杂物.1 . 1　 内生夹杂物内生夹杂物主要是脱氧产物 ,是钢中的合金化元素与溶解在钢水中的氧以及硫、 氮的反应产物.如铝镇静钢 ,脱氧产物以 Al 2O3为主;硅镇静钢 ,脱氧产物以 MnO•Si O2 为主;钙处理钢,脱氧产物以 mCaO•nAl 2O3、 mCaO•nAl 2O3 •X为主;钛处理钢 ,脱氧产物以 Ti O2、 Al 2O3、 Ti N、 Al 2O3 与Ti N复合夹杂物为主.内生夹杂物数量多 ,颗粒较小 (一般小于 10μm) ,分布较均匀 ,成分简单 ,对钢的质量危害较小.1 . 2　 外来夹杂物外来夹杂物是指从炼钢到浇注的过程中 ,二次氧化产物和机械卷入钢中的各种氧化物.外来夹杂物数量少 ,尺寸较大 ,多在 30～300μm,成分复杂 ,在钢中呈偶然分布 ,对钢质危害大.浇注过程中的二次氧化源有空气 (主要是钢水裸露吸氧、 注流与空气接触和注流卷入空气吸氧 )、 转炉下渣、 钢包顶渣和中间包覆盖剂、耐火材料等.与中间包工序相关的二次氧化问题如下:(1)注流与空气接触吸氧 　注流比表面积与水口直径成反比 ,小方坯水口直径小 ,注流比表面积大 ,二次氧化严重.如果水口烧氧、 散流 ,则二次氧化加剧.(2)注流卷入空气吸氧 　从钢包水口流出流到中间包的过程中 ,注流卷入空气的四种现象是:层流、 脉动注流 (层流 →紊流过渡区 )、 注流表面锯齿状和紊流注流 (注流表面粗糙 )、 注流变为液滴 (吸氧速率比光滑注流大 60倍 ).(3)钢水裸露吸氧 　如果中间包表面积为5 m2,熔池深度 0 . 7 m,由注流冲击引起的中间包钢水液面的裸露每 1 . 15 s就更新一次, 1 min内则要更新 52次,裸露于空气中的钢水表面积为 260 m2,.
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钢中非金属夹杂物来源系统研究
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钢中夹杂物去除与控制
刘金刚 &刘浏（钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京 100081）摘要：通过对钢包―中间包―结晶器中不同环节中的去除夹杂物的不同手段进行综合分析，得到各环节中间包均应保护浇注和防止卷渣卷气，中间包应具有合理的结构（上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器）以得到合理的流场；利用钢包注流的剪切破碎作用在中间包中生成的小气泡、中间包气幕挡墙和电磁搅拌离心流动可以有效去除钢水中夹杂物；电磁制动技术日趋成熟但其能耗较大，因此可以发展低能耗的中间包真空浇注对结晶器液面波动进行抑制。电磁搅拌和电磁连铸有利于改善铸坯的内部质量和防止振痕的产生。关键词：中间包 夹杂物 去除 控制1 &钢水脱氧与保护浇注&&&&&&&&钢中夹杂物可分为内生和外来夹杂物，内生夹杂物主要是脱氧和合金化元素与溶解在钢液中的氧以及硫、氮的反应产物所形成的夹杂物。外来夹杂物是钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣相互作用的产物以及机械卷入钢中的各种氧化物 [1] 。因此提高钢质量必须通过控制内生夹杂物和减小外来夹杂物两个方面进行控制。1.1 &钢水脱氧&&&&&&&&钢中内生夹杂物大部分可以（约 90%）去除，而没有来得及去除的夹杂物被滞留在钢坯中 [2] ；而钢中内生夹杂物量与钢液中的全氧含量成正比关系，因此对钢水进行深脱氧可以有效减小钢中夹杂物。&&&&&&&&在对钢水进行脱氧时仅采用一种脱氧剂或仅采用弱复合脱氧剂无法达到要求，如锰、硅复合脱氧可将钢水中的T[O]降到 30ppm~50ppm，而铝具有很强的脱氧能力，因此一般采用锰、硅预脱氧然后进行铝强化脱氧，这样可将氧含量降到 10ppm以下 [3] ，但采用铝脱氧后容易形成簇状氧化铝夹杂，因此应该采取措施对其进行去除和控制，如利用钙、钙合金及其他合金脱氧 [4~6] 改善脱氧效果并实现夹杂物变性处理，尽量减小脱氧产物的危害。1.2 &保护浇注与防止卷渣&&&&&&&&通过保护浇注防止钢液二次氧化、钢水卷渣等措施可以减小钢中外来夹杂物，尤其是可以减少对钢质量有严重危害的大型夹杂物。1.2.1 &无氧化烘烤与电磁感应加热&&&&&&&&为降低中间包耐火材料损耗，改进钢质量，国外有些钢厂已采用热中间包交换技术。采用陶瓷蓄热体换热器，向中间包喷入加热至 1500℃的氮气流，使中间包经过很长时间仍保持高温。结果表明：与使用密封气体等待较长时间的情况相比，降低了总氧量，提高了钢水的清洁度，有研究证明对T [O]&10ppm的高洁净钢增加高频感应加热的功率仍能降低钢中夹杂物，同时中间包加热有利于防止浸入水口堵塞 [7， 8] 。1.2.2 &保护浇注与防止卷渣&&&&&&&&二次氧化是污染钢液的重要原因。钢水精炼后到连铸过程中的钢水裸露和卷渣均会造成二次氧化，形成夹杂物。钢液经过精炼后由于[O]、[N]含量比空气中的O 2 、N 2 的平衡值低得多，且钢中的[O]、[S]等都是强表面活性元素，因此钢液很容易发生二次氧化。渣中的易还原氧化物FeO和MnO也易造成钢液的二次氧化。因此必须采取进行保护浇注防止钢水的二次氧化。&&&&&&&&由于钢包―中间包―结晶器各阶段卷渣所形成的大型夹杂物对钢质量有严重危害，因此必须防止卷渣。二次氧化和卷渣形成夹杂原因与防止措施如表 1 所示。2 &中间包内夹杂物去除与控制2.1 &中间包结构对夹杂物去除的控制&&&&&&&&中间包控流元件（如上下挡墙、湍流抑制器等）的设置对包内非金属夹杂物上浮及均匀钢水温度、成分起着至关重要的作用。国内外许多冶金工作者 [11-15] 为强化中间包冶金作用建立了许多中间包流场模型，但其对于满足当前生产高质量钢种要求是否具有实际意义尚无定论，因此本研究在对湍流抑制器的作用进行了深入研究的同时，对比了四组条件下测得的RTD曲线和中间包去夹杂量综合评价中间包内流体的流动特性 [16， 17] ，实验结果如表 2 所示。由表 2 对比分析可知：&&&&&&&&1）无控流条件下，参数τ、R p/d 和R pm/d 在各条件中均最小分别为 7.63、0.11 和 0.27，夹杂比例为 6%，是所测结果中最大值之一，因此无控流结构中间包是不合理的结构。&&&&&&&&2）单独使用湍流抑制器时，参数τ、R p/d 和R pm/d 分别为 30.8、0.15 和 0.37，夹杂比例为5.3%，与无控流条件相比R p/d 增大，R pm/d 也增大，这说明使用湍流抑制器对改变流场有一定的作用，但作用较小。&&&&&&&&3）单独使用上、下挡墙时，参数τ、R p/d 和R pm/d 分别为 13.2、0.42 和 0.84，夹杂比例为1.3%，与单独使用湍流抑制器相比效果分别改善了 233.3%、300%、227%和 408%，R p/d 和R pm/d 都有很大改善，因此使用上、下挡墙对改善中间包流场有很好的作用。&&&&&&&&4）当湍流抑制器与挡墙组合使用时，参数τ、R p/d 和R pm/d 分别为 8.4、0.40 和 0.66，夹杂比例为 2.5%，与单独使用湍流抑制器相比分别改善了 367%、286%、178%和 461%，与单独使用上、下挡墙相比参数τ有较大改善，而R pm/d 有所减小，夹杂比例有所增大，因此在有挡墙的中间包中使用湍流抑制器对流场的整体改善效果不显著。2.2 &中间包内钢液卷渣及其控制&&&&&&&&在开浇、换包和异钢种连浇等非稳态浇注下的中间包来说钢液卷渣仍然是一个影响钢液质量的严重问题，因此必须对其加以抑制 [18] ，影响中间包钢液卷渣及主要控制措施如表 1所示。在卷渣中对钢液质量构成直接危害的是中间包出口汇流旋涡所造成的卷渣影响 [19] ，钢铁研究总院研究得到通过减小中间包水口直径、使用塞棒和适当减小拉速等对中间包的结构参数和操作工艺参数进行优化可以在一定程度上减轻汇流旋涡的影响，同时研制成功了汇流旋涡抑制器，在全无控流条件中间包中和某钢厂现行条件中间包（具有上、下挡墙与塞棒）中其抑制汇流旋涡效果如图 1 所示 [20] 。&&&&&&&&其中：旋涡产生高度、开始卷渣高度和旋涡全通高度分别为在中间包中产生旋涡、旋涡开始贯通和旋涡全部贯通时对应的中间包临界液面深度。&&&&&&&&由图 1 可知采用汇流旋涡抑制器可使现在普遍使用的具有上、下挡墙结构的中间包中旋涡特征高度减小一倍以上，这样既提高了钢液质量，又增大了钢水的收得率。2.3 &去除夹杂物的工艺技术2.3.1 &过滤器&&&&&&&&20 世纪 80 年代，日本开发了过滤技术在炼钢中的应用，并在普碳钢连铸中进行半工业试验。国内近年来也开展了陶瓷过滤器的开发，已研制成功多孔泡沫陶瓷过滤器，并在高温合金和连铸钢液中试用，取得一定的效果 [21] 。2.3.2 &中间包吹气&&&&&&&&中间包吹气是用惰性的气泡（氩气）清洗钢液，增强搅拌。中间包吹氩的主要方式是在中间包底部某个位置通过多孔砖或多孔氩管吹入微小气泡。中间包吹氩有三个作用：（ 1 ）氩气泡的浮力产生气泡泵现象，促使局部的湍动能耗散率显著增大，有利于夹杂物碰撞长大而排除；（ 2 ）气泡可以捕获夹杂物并一同上浮，使微细夹杂物上浮速度增大到气泡上浮的速度。（ 3 ）防止水口结瘤，将氩气直接吹入中间包水口，氩气随钢液进入结晶器后上浮逸出。&&&&&&&&中间包内利用小气泡有利于去除夹杂物，而一般在钢包长水口吹氩得到的气泡个数较少，直径较大，如图 2 （ a ）所示。钢铁研究总院通过控制吹气量和吹气位置利用钢包注流对气泡的剪切和冲击破碎作用得到极细密的气泡如图 2 （ b ）所示，其大部分直径均小于 1mm ，这种气泡对夹杂物的去除有很好的作用。&&&&&&&&不同直径气泡对夹杂物去除的数值模拟效果如图 3 所示，由图可知气泡直径越小夹杂去除效果越好。&&&&&&&&同时通过研究在中间包的注流冲击区进行底吹气也可以使吹入的大气泡冲击破碎为小气泡。2.3.3 &中间包气幕挡墙 &5mm&&&&&&&&中间包“气幕”挡墙是通过垂直于沿包底流动的液流布置的排列成列的吹氩孔口，向中间包内吹氩，吹入的氩气泡在中间包内钢液中产生一道“气幕” [22] 。气幕使中间包内死区体积分率显著减少，使活塞流体积显著增大。有研究证明将实际生产中使用气幕挡墙和原有渣堰的效果进行对比分析得到使用气幕挡墙后可使大颗粒非金属夹杂物的数量明显减少[23] ，同时由于气幕挡墙本身对钢液的污染少因此该技术在生产洁净钢时有很大的应用潜力。2.3.4 &中间包离心流动&&&&&&&&Y. Miki [24] 等人开发了电磁驱动离心流动中间包以去除钢中非金属夹杂物。该中间包分为圆筒形旋转室和矩形室，钢水由钢包长水口进入旋转室，在旋转区内受电磁力驱动进行离心流动，然后从旋转区底部出口进入矩形室进行浇铸。&&&&&&&&稳态浇铸时电磁离心搅拌后全氧含量由 8ppm~15ppm 降到 7ppm 以下 [25， 26] 。2.3.5 &电磁过滤&&&&&&&&电磁过滤原理是根据非金属夹杂物与熔体导电性的差异，在电磁场作用下非金属夹杂物与熔体的运动规律不同，使用非金属夹杂物与熔体分离。分析得出，采用电磁过滤法可有效去除粒径小于 10μm 的非金属夹杂物，比普通过滤方法可更有效去除钢液中小于 10μm 的非金属夹杂物 [27， 28] 。3 &结晶器内夹杂物上浮与卷渣的控制&&&&&&&&浇注过程中结晶器是影响钢水清洁度的重要环节。结晶器内液面波动加剧和钢水的表面流速增大均会对钢水卷渣、保护渣对夹杂物的捕捉、铸坯表面裂纹产生不利影响。注流对结晶器的冲击、浸入式水口的结构和位置以及高拉速下形成的铸坯鼓肚被支撑辊压挤 [29] 均会造成结晶器内钢水的液面波动。围绕减少结晶器内的液面波动和减小结晶器表面流速，冶金工作者做了大量研发工作，目前对结晶器内钢水流动进行有效控制技术大致分为传统浇注系统的流场 [30， 31] 、电磁技术 [32 ， 33] 、浸入式水口结构优化 [34 ， 36] 和中间包真空浇注技术等 [37] 。3.1 &连铸机型选择&&&&&&&&连铸机的机型对铸坯内夹杂物的数量和分布有着重要影响 [38， 39] 。不同的连铸机机型，其铸坯内夹杂物的分布有很大差别；弧形结晶器中上浮的夹杂物容易被内弧侧液固界面所捕捉。直结晶器中液相穴夹杂物的上浮比较容易，夹杂物分布较均匀。同时，连铸机的机型也影响着夹杂物的数量。综合考虑投资和钢质量要求可选择立弯式连铸机。3.2 &电磁制动（EMBR ）&&&&&&&&利用电磁制动技术控制结晶器内的流场，去除非金属夹杂物已经引起了国内外学者的重视并取得了初步的进展 [33， 40~44] ：&&&&&&&&1) &电磁制动作用于浸入式水口可以减小钢液偏流；&&&&&&&&2) &电磁制动作用于结晶器中浸入式水口出口流股上可以减缓其速率，扩大非金属夹杂物的上浮区；&&&&&&&&3) &电磁制动作用于弯月面区域对钢液的运动起抑制作用，磁感应强度越大，这种趋势越强；拉速提高，电磁场对弯月面区域钢液运动的抑制作用更好。3.3 &电磁搅拌（EMS ）&&&&&&&&交变电磁场可在液体金属中产生电磁驱动力，根据此原理开发的连铸电磁搅拌技术使钢液产生强制流动，使铸坯的高温区与低温区充分混合，加快过热度的导出，并折断树枝晶，增加结晶核心及等轴晶数量，从而改善凝固组织，加快钢中夹杂物的去除，提高铸坯质量，能够使显微夹杂和宏观夹杂都得到明显改善 [45-47] 。按搅拌位置，电磁搅拌可分为结晶器电磁搅拌（ M-EMS ）、二冷区电磁搅拌（ S-EMS ）和凝固末端电磁搅拌（ F-EMS ），各搅拌方法适用范围如表 3 所示 [48] 。3.4 &电磁连铸（EMC ）&&&&&&&&采用电磁连铸时作用于铸坯壳上的电磁力可使坯壳与结晶器钢板不接触从而降低铸坯壳与铜板之间的传热，即冷却降低。这样防止了振痕的产生也能防止夹杂物和气泡的富集。由于没有振痕且可以防止纵裂纹的产生 [50~53] 。电磁连铸的原理如图 4 所示。3.5 &水口结构优化&&&&&&&&Yuichi Tsukaguchi 等人 [34， 35] 开发了旋流型浸入式水口，他们分别在小方坯用单孔水口和板坯用双侧孔水口中嵌入了螺旋型曲面板（如图 5 所示）。对于小方坯连铸使用旋流型水口后，在水口出口端很短距离内即可获得均衡的速度分布，与传统水口相比在弯月面附近热量和质量传输大大增强。对于板坯连铸中使用旋流型水口后使结晶器内的周期高幅波动得到大大抑制，使钢水流动平静而均衡，提高了铸坯质量 [54] 。3.6 &中间包真空浇注技术&&&&&&&&连铸过程中对中间包进行真空处理，以前的研究主要集中于脱气和去除夹杂两个目的，如 B. P. &克里莫夫 [55] 利用如图 6 的装置进行脱气处理。而通过控制钢液向下的浇注速度来控制结晶器窄面液面波动、减小钢液的表面流速，进而避免或减少结晶器液面波动和卷渣的中间真空包浇注 [56， 57] （如图7 所示）技术在钢铁研究总院工艺所进行了水模试验。&&&&&&&&他们采用液位和压力随时间变化的标准差（ Standard Deviation ）[58] 值作为参量描述结晶器液面波动和结晶器侧壁压力变化的剧烈程度。所得真空室压力对结晶器液面波动和窄面压力变化的影响如图 8 所示。&&&&&&&&由图 8 （ a ）和图 8 （ b ）可以看出液面波动和压力变化标准差均随真空度减小而增加，且各电极间规律一致，说明真空度增大使进入结晶器流体的流速降低，从而使结晶器流场稳定性增强，可以明显抑制液面波动和窄面压力变化。&&&&&&&&由图 8 可知真空可使某点液面波动标准差由非真空时的 0.08 降低到真空时的 0.04 ，对应该点液位随时间的变化关系如图 9 所示，由图 9 可看出非真空下液面波动较剧烈，在真空下液面波动很小。4 &结论综上所述可得以下结论：&&&&&&&&1 ）钢水在钢包中应尽可能脱氧以减少钢中夹杂物；&&&&&&&&2 ）钢包到中间包、中间包钢液面和中间包到结晶器应进行全保护浇注，同时在钢包到中间包和中间包到结晶器间要防止吸气卷渣；&&&&&&&&3 ）合理的中间包结构（上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器）不仅可以最大程度防止吸气卷渣而且可使钢水混合均匀更好的去除夹杂物；&&&&&&&&4 ）利用钢包注流生成的小气泡和中间包气幕挡墙可以有效去除中间包内钢水中夹杂物，在实际生产中有很大的发展空间；过滤器去除夹杂物的过滤效率尚不够高，但比仅仅采用坝和挡墙等控流装置优越；电磁搅拌离心流动也可以去除中间包内夹杂物；&&&&&&&&5 ）立弯式连铸机比弧形连铸机更有利于夹杂物上浮，因此为较好选择；&&&&&&&&6 ）电磁制动技术和新型旋流型浸入式水口可以减小液面波动、降低注流对结晶器冲击，改善结晶器流场；电磁搅拌可改善铸坯的内部质量；电磁连铸技术可以防止振痕的产生；&&&&&&&&7 ）中间包真空浇注对结晶器液面波动和压力变化有明显抑制作用，真空度越高，液面波动和压力变化越小；参考文献[1] &张学辉，蔡开科，韩郁文，等． 16MnR 钢中大型夹杂物的来源和形成 [J] ．炼钢． 1998, (2): 53~56[2] &宋维锡．金属学 [M] ．北京：冶金工业出版社． 1989[3] &赵沛，成国光，沈d．炉外精炼及铁水预处理实用技术手册 [M] ．北京：冶金工业出版社． 2004.6[4] T.M. &伊茨科维奇．钢脱氧及非金属夹杂物的变性处理 [M] ．北京：冶金工业出版社． 1986[5] &许中波．钙处理钢水中非金属夹杂物的形态 [J] ．北京科技大学学报． ): 125[6] Faries F, Gibbins P C, Graham C. Comparison of different calcium injection methods for production ofaluminium-treated steels for billet casting[J]. Ironmaking and Steelmaking, 1986, (1): 26[7] T. Nakayawa, K. Hara. Development of non-oxidizing heating system for tundish by high temperature会议通知：2016年第五届全国低成本?高效率?高品质炼钢-连铸讲座于日于南京召开，主讲人：北科大--包燕平教授、东北大学--战东平副教授、重庆大学--王谦教授！欢迎参与！咨询：010- & 李亚东}