洁净钢新技术

摘 要：钢的洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标志，是钢的内在质量的保证指标。生产洁净钢，一是要提高钢的洁净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。文章总结了洁净钢的传统生产工艺以及部分的洁净钢生产新技术。

关键词：洁净钢； 夹杂物； 脱硫

洁净钢的概念是由Kiessling[1],在给英国钢铁学会的学术报告中首次提出的，泛指O，S，P，H，N及Pb，As，Cu，Zn 等杂质含量低的钢。一般意义上的洁净钢是指钢中五大杂质元素［S、P、H、N、O］含量很低，且对非金属夹杂物（泛指氧化物和硫化物）进行严格控制的钢种，而随着科学技术的发展，对钢材性能要求日益严格，对钢材质量要求不断提高，进一步减少钢中夹杂含量，提高钢的洁净度，是本世纪发展方向。

钢的洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标志，是钢的内在质量的保证指标。钢的洁净度通常由钢中有害元素含量以及非金属夹杂物的数量、形态和尺寸来评价。为了获得“清洁和纯净” 的钢，常常要降低和控制钢的 C、P、S、N、H 和 T. O，因为这些元素的单一或综合作用的结果，可以大大地影响钢的性能，如抗拉强度、成型性、韧性、可焊性、抗裂纹和抗腐蚀性、各向异性、疲劳性能等[2]。因此，为了改善钢的性能，当今钢铁冶金技术特别注意降低钢中的P、S、N、H、T．O，并根据钢种需要降低和控制钢中C的含量。近半个世纪以来，特别是钢铁产品面临被新型工程材料如铝、塑料、玻璃等取代的巨大压力和挑战的今天，提高钢的洁净度越来越成为钢铁冶金技术研究的重要课题，也可以说提高钢的洁净度已成为每一个钢铁产品的任务。生产洁净钢，一是要提高钢的洁净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。不同钢种对洁净度的要求和对夹杂物的敏感性不同[3]。

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1 传统生产工艺

1.1 铁水预处理

铁水预处理按处理任务不同可分为预脱硫、预脱磷和同时脱磷脱硫( 包括预脱硅) 。大规模工业生产，70年代采用KR机械搅拌法与喷吹法的预脱硫已能将铁水［S］降到0.001% ，80年代喷吹法预脱磷已能经济地将铁水［P］降到0.005% ～ 0.015% ，同时脱硫将［S］降到0.002% ～0.010%[4]。

20世纪80年代以来，铁水预处理已成为生产优质低磷、低硫钢必不可少的经济工序。其目标是将入转炉的铁水磷、硫含量脱至成品钢要求水平。欧美各国铁水预处理一般以预脱硫为主，而日本铁水“三脱” 预处理比例在90%以上［5］。目前，基于铁水预处理的转炉生产纯净钢工艺主要有两种流程：一种是基于铁水深度预脱硫，转炉强化脱磷，钢水炉外喷粉脱磷、脱硫、升温、真空精炼; 另一种是基于铁水三脱预处理，复吹转炉少渣吹炼，钢水炉外喷粉脱硫、真空精炼。后者具有生产效率高、石灰等造渣料消耗少、过程温降小、生产周期短、成本低等优点，经济效益显著高于前者，适宜于我国转炉钢厂采用。其中铁水三脱预处理可采用高炉炉前预脱硅、铁水罐或混铁车喷吹同时脱磷脱硫或分期脱磷、脱硫工艺或采用专用复吹转炉三脱工艺。

1.2 转炉少渣冶炼工艺

转炉少渣冶炼是铁水全量三脱处理后带来的必然结果，同时简化了转炉冶炼功能，将脱硫、脱硅和脱磷转移到铁水预处理过程中实现，转炉只承担脱碳（或硅）升温的任务，这有利于实现转炉的高速吹炼，可大幅度减轻造渣脱磷、脱硫的工艺负荷，有利于提高供氧强度，并使终点控制更加稳定，这为转炉进行计算机智能控制提供了方便，可实现以吹

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炼终点的精确控制和不倒炉直接出钢。吹炼时间和冶炼周期的缩短以及少渣倒炉次数减少，使炉衬侵蚀大幅度减轻，加之溅渣工艺技术的应用，转炉炉龄将会大幅度提高，使其作业率将大于 95% 以上。如日本JFE福山厂两座300 t转炉采用脱磷－脱碳双联工艺后，吹炼时间平均缩短2 min，终点操作时间缩短1 min，冶炼周期从29 min降至26 min，作业率提高4%［6］ 。日本和歌山厂采用脱磷炉和脱碳炉双联冶炼，实现 100%“铁水三脱” 预处理，1 座210 t转炉的年产量达到420万t。另外，转炉出钢挡渣效果对钢的纯净度和生产成本的影响也很大。

1.3 炉外精炼

钢包精炼炉是生产洁净钢的重要设备。在炼钢生产中，精炼炉具有脱硫、气体搅拌、合金化、升温、调节连铸节奏和控制夹杂物形态等功能。目前，精炼可分为两种方式，一是以 LF 炉为主体的非真空精炼，可实现搅拌、均匀钢水成分和温度；脱氧去除钢中夹杂；实现微合金化和成分精确控制；渣洗，脱氧脱硫；喂线，实现夹杂物变性处理；调整温度( 包括升温和降温)。二是以RH为主体的真空精炼，可实现搅拌均匀钢水成分和温度；脱氧和微合金化；吹氧深脱碳；喷粉深脱硫；温度调整等［7］。

1.4 连铸工艺

连铸工序对钢的纯净度影响很大，采用保护浇注、中间包冶金、新型中间包覆盖剂、调整保护渣性能及设置电磁搅拌等手段还可继续去除及控制夹杂物，降低废品率。此外，电磁搅拌技术和轻压下在连铸工序得到了广泛应用。当今世界上有 400 多台方坯连铸机安装了电磁搅拌装置，电磁搅拌已成为先进方坯连铸机的标准配置：许多板坯连铸机也安装了电磁搅拌和凝固末端轻压下设备。电磁搅拌和轻压下技术可改善铸坯内部凝固结构、扩大等轴晶区，从而减轻中心偏析和中心疏松。目前，奥钢联的动态轻压下和新日铁的面

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压下是较先进的轻压下技术［8］。另外，在连铸板坯表面和内部产生的缺陷与连铸过程中的钢液流动现象密切相关。特别是在为了提高生产率而增加拉坯速度时，容易产生这种缺陷。因此要实现高速连铸而又不损坏铸坯质量，就必须引进以前没有的新技术。

2 洁净钢新技术

应用经济的方法提高钢水洁净度,还需要冶金技术的重大突破,目前,关于洁净钢方面新的冶金技术不断涌现 。

2.1 夹杂物碰撞长大机理的基础研究

运用冶金学、流体力学、冶金反应工程学的理论和知识及现代数值计算理论 ,在利用物理模型研究气泡行为、气泡与夹杂物碰撞、本体流动对夹杂物行为影响基础上,采用数学模拟(计算机模拟)研究精炼钢包(包括抽真空)、连铸中间包和结晶器内夹杂物行为以及气泡的尺寸、数量、运动与夹杂物行为之间的定量关系, 它们在精炼钢包、连铸中间包和结晶器中的不同特点是制定有效去除夹杂物技术措施的基础与关键,为夹杂物有效控制和新技术研究提供指导和理论依据,同时也确立夹杂物描述的合理方法目前,国内外研究者对夹杂物的来源、碰撞机理、运动、去除、脱氧条件对夹杂物的影响等方面研究,取得了一批研究成果。在夹杂物碰撞机理方面,虽然对斯托克斯碰撞、布朗碰撞以及湍流碰撞的几种方式进行了描述,但对于实际精炼与连铸不同容器如钢包、中间包、结晶器内的主要碰撞方式还没有得到明确阐明。

2.2 夹杂物在线快速分析技术

目前的夹杂物分析不论是精炼、连铸中间包还是连铸坯、最终产品都是离线电解或显

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微分析,分析周期长,对夹杂物无法及时控制,容易对生产造成质量损失,进行钢水成材以前的纯净度控制防患于未然,在精炼或中间包进行在线夹杂物检测, 将对洁净钢的研究产生影响。根据麦克斯韦尔原理,导电流体内悬浮着非导电夹杂物。将一侧壁打孔的绝缘材质取样管插入被剥导电液体中,若小孔内充满电场, 且各点均有一定的电位,则此时的小孔区称为电敏感区,当有一个绝缘粒子通过电敏感区(直径为D,即孔径)时,会影响电敏感区内电场分布,改变电敏感区的电性质。若导电液体电阻率远小于粒子的电阻率 ,则最终会导致电敏感区内电阻值升高。在有电流通过的情况下,这种电阻的变化表现为连续的电压脉冲,该脉冲变化的幅度与非导电微粒的体积及小孔孔径有关.当小孔孔径确定时,脉冲变化的幅度就与非导电微粒的体积有一定的比例关系;脉冲变化的宽度与非导电微粒在导电液体中运动的速度及取样管壁厚有关:脉冲个数等于通过电敏感区的粒子数。可见,通过适当检测方法获取电压脉冲,并通过分析便可间接得到夹杂颗粒的粒径信息。

2.3 镁脱氧与夹杂物变性技术

非金属夹杂的变性处理就是向钢液喷入某些固体熔剂,即变性剂,如硅钙、稀土合金等,改变存在于钢液中的非金属夹杂物的性质,达到消除或减小它们对钢性质的不利影响,以及改善钢液的可浇注性,保证连铸工艺操作顺利进行。一是通过增加钢中有效钙含量,使大颗粒 Al2O3 夹杂物变性成低熔点复合夹杂物,促进夹杂物上浮,净化钢水;二是在钢水凝固过程中提前形成的高熔点CaS质点,可以抑制钢水在此过程中生成MnS的总量和聚集程度,并把MnS部分或全部改性成CaS , 即形成细小、单一的CaS相或CaS与MnS的复合相。

最近,新日铁开发了控制钢中夹杂物的新技术,通过向钢水中添加镁,控制夹杂物的成分,并细化夹杂物颗粒。采用该方法,使夹杂物的变形性能接近钢的变形性能,可以提高产品的韧性和加工性能。铝作为炼钢中最常见的脱氧剂,其脱氧能力和细化晶粒的作用已被人们所共识但铝脱氧产生大量细小、难熔的Al2O3 夹杂,不易上浮排出, 在浇铸时易引起水口结瘤 ,

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造成钢液连浇中断。象铝一样,在炼钢温度下,镁也能溶于钢液中,镁与氧与硫都有很强的亲和力 , 并且脱氧脱硫的产物氧化镁 、硫化镁,欲将非金属夹杂物控制在塑性夹杂物成分区内, 必须对夹杂物的成分进行调整控制, 掌握这些成分与钢液中 [Mg]、[A1]、[Ca]、[O]等元素含量之间的影响关系以及获得合理夹杂物成分所须采用的炉渣成分及精炼工艺参数等:研究人员对镁在冶炼纯净钢中的应用进行了理论探索。得出镁有比铝强得多的脱氧能力,镁能够将钢水中氧含量降低到很低的水平,同时得出镁脱氧产生的MgO有很强的扩大CaO-SiO2-Al2O3 三元系相图中低熔点区域的能力,使得由 CaO、SiO2 和 Al2O3 组成的非金属夹杂物生成低熔点的非结晶相的概率大大增加[9]。

2.4 氮作为合金的基础研究

氮对钢材的危害包括以下方面:1)加重钢材时效;2)降低钢材冷加工性能;3)使焊接热影响区脆化。所以,对一般钢种而言,钢中氮超过一定限度就认为是有害成分,而高氮钢并非如此。当钢中氮超过熔融条件下的平衡溶解度时,这些钢就称作超高氮钢。不锈钢中氮合金化的有力影响是双重的,氮像碳一样以间隙形式强化奥氏体,但不像碳会导致晶间碳化物析出,这是在奥氏体及双相不锈钢中应用氮作为奥氏体稳定剂的原因之一。此外,氮还有其它优点,使得高氮合金的使用比其他合金更为有利,这些优点是:1)屈服强度、拉伸强度高和延展性好;2)具备高强度与高断裂韧性;3)高应变硬化潜力;4)阻止形成变形诱导马氏体;5)低磁导率;6)良好的耐腐蚀性能。N在提高钢的强度、断裂韧性 、 耐磨性、磁性及耐腐蚀性等方面具有特别的优势,含氮钢具有极好的力学性能和耐腐蚀性能的理论基础在于氮元素加强了钢的金属键。

2.5 脱氧体技术基础研究

固体电解质脱氧体脱氧新方法亦属电化学脱氧,它以氧离子传导的固体电解质和高温

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电子导电材料构成脱氧体,脱氧体内装有液态脱氧剂。当脱氧体浸入钢液后,根据电化学原理, 钢液中的氧在氧位差的推动下将通过固体电解质进入脱氧体内,与脱氧剂反应,使钢液脱氧。用固体电解质脱氧体对钢液脱氧是一个快速高效的脱氧过程。由于钢液温度较高导致金属液中氧传质速度加快和固体电解质氧离子电导率增大都可能使脱氧速度增大。对金属中夹杂物的检测结果表明,脱氧体的脱氧产物和脱氧剂都不会对金属造成污染。

参考文献：

［1］ Kiessling R．Clean Steel( Special Report 77)，London，The Iron and Steel Institute，1962．

［2］ Alfred Jungreithm eier．奥钢联生产超低碳IF钢［J］．世界钢铁，2005( 1) : 56- 60．

[3] 李志广，张远强，李艳.洁净钢生产的研究现状及发展前景[A].甘肃冶金，2014,34（1）:25.

［4］ 殷瑞钰．重视高效率、低成本洁净钢平台建设［A］．推动钢铁企业技术升级．2010年全国炼钢—连铸生产技术会议文集，中国金属学会，2010: 4．

［5］ 潘秀兰．国内外纯净钢生产［J］．鞍钢技术，2003( 5) :125．

［6］ 刘浏．高效低成本洁净钢平台建设的几个关键技术问题［A］．2010年全国炼钢—连铸生产技术会议文集，中国金属学会，2010: 4．

［7］ 王新华．洁净钢生产技术［J］．钢铁，1999，34( 增刊) :367- 373．

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［8］ 潘秀兰，李震，王艳红， 等． 国内外纯净钢生产先进技术［J］．炼钢2007( 1) : 59- 62．

[9] 许荣昌，亓显玲. 洁净钢新技术与高品质钢的生产.莱钢科技,5.

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