超低氧特殊鋼廣泛用于制造業，如作為汽車發動機閥門彈簧與減震彈簧、汽車軸與連桿、列車車輪與車軸等。這些部件在服役時經受交變應力作用，要求具有良好的抗疲勞性能。除了要求抗疲勞性能外，汽車軸與連桿等非調質類超低氧鋼還要求一定的切削性能，通常加入較高的硫含量。
非金屬夾雜物與鋼基體在變形性能、熱膨脹、硬度等性質方面有很大不同，在鋼基體與夾雜物界面處易形成疲勞起裂。研究表明，尺寸細小、球形、低熔點（可一定程度變形）的夾雜物可有效延長鋼的疲勞壽命。在實驗室對超低氧超低硫系列特殊鋼、超低氧較高硫含量系列特殊鋼中夾雜物控制規律與控制策略進行了系統探索。
特殊鋼夾雜物的控制策略
為了提高抗疲勞性能，目前特殊鋼中夾雜物主要有兩種控制策略。
第一種策略即夾雜物塑性化：將夾雜物控制在CaO-Al2O3-SiO2系中假硅灰石、鈣斜長石和鱗石英所圍成的低熔點塑性區，以及SiO2-MnO-Al2O3系中錳鋁榴石低熔點塑性區。該工藝要求采用Si-Mn脫氧與低堿度低Al2O3含量爐渣進行長時間精煉，并將鋼中[Al]控制在極低水平（<5ppm），技術難度大且生產成本高，目前僅用于汽車發動機閥門彈簧鋼與輪胎子午線等少數高品質特殊鋼。
第二種策略是超低氧冶煉：采用Al強脫氧與較高堿度爐渣（CaO/SiO2:3~5，Al2O3:20%~30%）精煉來大幅度減少夾雜物數量。但是，該工藝條件下絕大多數夾雜物熔點很高，尤其是很難避免大尺寸的高熔點夾雜物。ASTME45-2005標準將此類球狀不變形歸類為D類夾雜物；當其尺寸大于13μm時，國標GB/T10561-2005中稱之為DS類夾雜物。日本生產軸承鋼最著名的山陽特殊鋼早在2007年時就報道，軸承鋼T[O]降至5ppm時，仍然很難避免生成大尺寸高熔點鈣鎂鋁硅酸鹽夾雜物。因此，如何在實現超低氧含量的同時得到低熔點夾雜物，是超低氧特殊鋼夾雜物控制技術中的難題。
另外，高熔點夾雜物除了對特殊鋼疲勞性能危害很大，還容易誘發連鑄水口結瘤。眾所周知，鈣處理可以有效減輕或避免水口結瘤的產生。但是，對于要求一定硫含量以保證切削性能的特殊鋼如汽車軸用非調質鋼，采用鈣處理易生成高熔點CaS夾雜物，同樣會造成水口結瘤。因而在實際生產中通常采用控Al脫氧、提高中間包鋼液的溫度等方法來減輕此類特殊鋼連鑄時的水口結瘤；在精煉后期采用較低堿度的爐渣進行精煉，以減少高熔點鈣鋁酸鹽夾雜物（D類夾雜物），也便于進行增硫操作。
探索夾雜物特征的研究方法
超低氧低硫鋼中低熔點鈣鎂鋁酸鹽類夾雜物控制。通過真空感應爐冶煉得到成分合格的母鐵，隨后通過Si-Mo電阻爐進行鋼液—爐渣反應實驗：將100g鋼樣、50g渣樣放入MgO坩堝，將MgO坩堝置于剛玉反應管的恒溫區內并加熱至1873K。實驗時，剛玉反應管全程通入氬氣（1.5NL/min）進行保護。在鋼液—爐渣反應一定時間后，將坩堝取出后水淬冷卻，得到鋼樣與爐渣樣。實驗中，鋼液—爐渣反應時間為90min。同時，為了研究反應時間對夾雜物生成的影響，部分爐次反應時間分別為30min、60min、90min、180min。實驗所用爐渣料是化學分析純CaO、SiO2、Al2O3經過預脫水處理后進行配制而得到的。夾雜物采用掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS，日本JEOL公司產）進行分析，得到其尺寸、數量、成分等特征。
超低氧較高硫含量鋼中MnS+氧化物型復合夾雜物控制。采用10kg真空感應爐（ZG-0.01型）進行實驗：第一步，將工業純鐵（Fe：99.8%）裝入鎂砂坩堝中，在空氣氣氛下熔清；第二步，開啟真空泵對真空室抽真空、充入高純Ar，如此反復3次達到所需的真空度（<50Pa）；第三步，向鋼液加入鋁粒進行脫氧后，加入石墨（99%）、電解錳（99.3%）、多晶硅（99.5%）進行合金化，加入FeS（75%）增硫，冶煉一段時間后，出鋼前在真空條件下采用自制取樣器進行取樣（水淬水冷）；第四步，將鋼液注入真空室內鋼錠模中冷卻。實驗中所用爐渣堿度為3~5，并變化鋼中[Al]、[S]含量以考察其對鋼中夾雜物生成的影響，共進行了6爐次實驗。
隨后，研究人員將所得鋼樣與爐渣試樣進行化學成分分析，對鋼樣進行金相制樣后采用SEM-EDS（日本JEOL公司產）與ASPEX eXplorer自動掃描電鏡（原美國ASPEX公司產，現為FEI公司）對夾雜物進行隨機分析，得到夾雜物的成分、尺寸、數量等特征。
超低氧低硫特殊鋼中夾雜物特征
實驗結果顯示，鋼液—爐渣反應90min后，鋼中全部為球形的CaO-MgO-Al2O3系復合夾雜物，其尺寸主要在5μm以下。
夾雜物元素分布面掃描結果表明復合夾雜物可分為兩類。第一類夾雜物元素面分布特征為：Al均勻地分布、Mg集中于中心、Ca分布于表層且Mg、Ca空間位置呈互補關系，即MgO-Al2O3作為夾雜物核心而外圍包裹CaO-Al2O3。第二類夾雜物元素面分布特征為：夾雜物中心Mg含量很高，夾雜物外圍Ca、Al含量很高，Mg含量高的區域與Ca、Al含量高的區域呈互補關系，Ca、Al含量高的區域互相重疊，即高MgO為夾雜物核心而外圍包裹CaO-Al2O3。夾雜物成分分布特征顯示，夾雜物主要集中于低熔點區域及其周邊鄰近區域，少量分布著高MgO含量的夾雜物。
鋼中CaO-MgO-Al2O3系復合夾雜物之所以具有如上所述特征，是因為鋼液—爐渣反應在不同時間條件下，鋼中夾雜物經歷了復雜的轉變過程。鋼液—爐渣反應30min后，鋼中夾雜物主要是Al2O3-MgO與MgO，其形貌為棱角分明的多邊形。隨著鋼液—爐渣反應時間的增加，夾雜物外形逐漸轉變為球形，成分則逐漸轉變為CaO-MgO-Al2O3系。隨著反應時間的增加，夾雜物平均成分逐漸往低熔點區域移動。隨著反應時間從30min增加到180min，夾雜物中的CaO含量由15%增加到30%，MgO含量由30%減少至20%。
其關鍵在于：隨著鋼液與爐渣反應時間的增加，爐渣中CaO被還原導致Ca進入鋼液，鋼液與夾雜物發生進一步的反應，使鋼中高熔點夾雜物轉變為較低熔點的鈣鎂鋁酸鹽類夾雜物。由于此類夾雜物以較低熔點CaO-Al2O3包裹較硬的MgO-Al2O3類核心或高MgO含量的核心，其具有一定變形能力，能夠有效延長鋼的疲勞壽命。
超低氧較高硫含量特殊鋼中夾雜物特征
研究人員采用ASPEX eXplorer自動掃描電鏡對夾雜物進行了大面積分析，每個試樣分析約50mm2的區域，該區域內1μm以上的夾雜物都能夠被檢測到。結果表明，鋼中大部分夾雜物尺寸在10μm以下，少數夾雜物尺寸大于15μm但全部小于30μm。對中[Al]、中[S]含量和高[Al]、高[S]含量條件下鋼中夾雜物的類型特征的統計分析顯示，鋼中絕大多數夾雜物為MnS，其數量比例為88.8%~95.4%，其余主要為MnS+Al2O3、MnS+MgO-Al2O3。
夾雜物元素分布面掃描結果表明，在中[Al]、中[S]含量和高[Al]、高[S]含量條件下，鋼中MnS+Al2O3類復合夾雜物以尺寸極為細小的Al2O3為核心、外表包裹MnS而形成。眾所周知，MnS夾雜物具有良好的塑性變形能力，在熱軋溫度下能夠與鋼基體一起發生變形而不容易引起應力集中。因此，MnS包裹Al2O3與MgO-Al2O3所形成的復合夾雜物屬于“軟”包“硬”型夾雜物，具有很好的變形性能，有利于提高鋼的抗疲勞性能。
由于MnS是在凝固過程中溫度較低時生成的，此類包裹型復合夾雜物應該是MnS以Al2O3與MgO-Al2O3夾雜物為異質形核核心而生成的。根據異質形核理論，Al2O3與MgO-Al2O3夾雜物的尺寸是影響MnS能否以其作為形核核心的關鍵性因素。另外，MnS包裹層的厚度對此類復合夾雜物的變形性能也將產生重要影響。因此根據MnS包裹氧化物核心的狀態，將其區分為完全包裹、部分包裹和未包裹狀態。
總之，對于低硫系列的超低氧鋼，在Al脫氧與高堿度高Al2O3爐渣精煉的條件下，通過促進鋼液與爐渣之間的反應而間接促進夾雜物的低熔點化轉變，從而在實現超低氧含量的同時，在鋼中生成尺寸細小、球形、較低熔點的鈣鎂鋁酸鹽類夾雜物。對于較高硫含量的超低氧特殊鋼，則探索在Al脫氧與較高爐渣精煉的條件下，在實現超低氧含量的同時，通過抑制鋼液與爐渣之間的反應，有效抑制鈣鋁酸鹽類夾雜物的生成，從而減少D類夾雜物的來源。鋼中絕大多數夾雜物為凝固過程生成的MnS，并利用變形性能良好的MnS包裹脫氧與精煉過程中生成的高熔點Al2O3與Al2O3-MgO，從而形成“軟”包“硬”型復合夾雜物，有效改善鋼的抗疲勞性能與切削性能。
