国内外纯净钢生产新技术

发表时间：[2007-11-01]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：2883

摘要:概述了近年来国内外先进炼钢厂的纯净钢生产新技术，系统地分析了碳、硫、磷、氢、氧、氮等元素在钢中的行为和降低钢中杂质元素的措施。分钢种（高级别管线钢、IF钢等）和厂家（新日铁、JFE、POSCO、宝钢、武钢等）统计了世界纯净钢生产先进指标。指出多工序分阶段精炼，大规模经济地生产纯净钢是发展趋势。

关键词: 纯净钢生产技术夹杂物 IF钢管线钢

1 前言

　随着市场对纯净钢需求的不断增加，国内外各大钢厂为了占有更大的市场份额和追求更高的利润，在开发和创新了许多纯净钢生产新技术的同时，不断扩大高附加值产品的生产。

　生产纯净钢，一是要提高钢的纯净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。不同钢种对纯净度的要求和对夹杂物的敏感性不同。例如，氧化铝簇夹杂物可导致汽车和电气产品用薄钢板表面缺陷，也能引起DI罐用薄钢板裂纹，还可造成轮胎子午线等线材断线，以及使轴承钢等棒钢的疲劳性能恶化；对模具钢来说，提高其纯净度已经成为提高模具性能和寿命的重要手段，当SKD（H13）的硫含量从0.03%降低到0.01%时，可使钢的冲击韧性提高1倍。18Cr2NiMo不锈钢中磷含量从0.026%降到0.002%时，其耐硝酸腐蚀的能力提高100倍以上。表1为不同用途钢中的夹杂物含量的限制和尺寸要求。

表1 　典型钢种的洁净度要求

钢种	有害元素含量上限， /×10^-4%	夹杂物尺寸上限， / μm
汽车板和深冲板	[C]≤30, [N]≤30	100
DI罐	[C]≤30, [N]≤30,T.O.≤20	20
管线	[S]≤30, [N]≤35, T.O.≤30; [N]≤50	100
滚珠轴承	T.O.≤10	15
轮胎帘线	[H]≤2, [N]≤40, T.O.≤15	10
厚板	[H]≤2; [N]30-40, T.O.≤20	单个夹杂 13 ,点簇状夹杂 200
线材	[N]≤60; T.O.≤30	20

2 国内外纯净钢的研究和生产水平

　目前，世界纯净钢生产与研发水平最高的是日本，其次是欧美和韩国。日本神户制钢250马氏体时效钢全氧含量已经达到（2～5）×10^-4%。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，从而提高产品质量。

纯净钢生产是通过各种设备和工艺手段不断净化、提纯优化的过程。国内外各大钢厂在大规模生产纯净钢的生产流程上（包括铁水预处理、转炉炼钢、挡渣出钢、炉外精炼和连铸等工艺环节）采用了许多先进技术。

2.1 铁水预处理

　 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、硫含量脱至成品钢种水平。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。目前，基于铁水预处理的纯净钢冶炼工艺有两种：一种是铁水深脱硫处理+转炉脱磷、脱碳+钢水炉外喷粉脱磷、脱硫；另一种是铁水三脱预处理+复吹转炉少渣炼钢+钢水炉外喷粉脱硫。两种工艺均能生产［P］＜0.010%、［S］＜0.005%的纯净钢，但后者经济效益显著高于前者。

2.2 转炉生产

　炼钢工序对产品质量起着决定性作用，采用转炉顶底复合吹炼技术可显著地降低钢水中的碳、磷含量。近十几年来，日本发明了转炉铁水预处理工艺，主要有SRP法（住友）、ORP法（新日铁）、NRP法（日本钢管）、H炉工艺（神户）、MURC法（室兰厂）等。据统计，转炉脱碳渣用于另一座转炉脱磷的“双联法”，生产 1吨铁水的钢铁料消耗比传统方法减少25kg，石灰消耗减少40%，吨钢成本降低约65元。“双联法”适于大量地、经济地生产纯净钢。另外，转炉出钢挡渣效果对钢的纯净度和生产成本有严重影响。

2.3 炉外精炼

　炉外精炼处理技术的兴起和发展，极大地丰富和扩展了炼钢流程的冶金功能,钢包精炼炉成为生产纯净钢的重要设备。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，日本先进钢厂生产的纯净钢杂质总含量已达到了0.005%。根据钢材对纯净度的不同要求，选择和组合不同的炉外精炼工艺，可以实现超纯净钢的生产。

2.4 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。国内外先进炼钢厂纯净钢生产各工序钢中全氧量参见表2。

　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压下是比较先进的轻压下技术。

表2 　国内外先进钢铁厂纯净钢生产各工序钢中全氧量

钢厂	T.［O］ / ×10^-4%					时间/年
钢厂	精炼方法	钢水包	中间包	结晶器	板坯	时间/年
美国Inland厂4号BOF	LMF	30	24	21	15	1990
美国Inland厂4号BOF	RH-OB	60-80	8-30			2003
美国阿姆克Middletown厂	RH	60-105	15-40（25）		16.9-23.8	1991
美钢联Lorain厂BOP	真空脱气				13-17	1991
北美某厂		20-35		20-30	10-15	1991
加拿大Dofasco钢厂	LF+RH		19		13
美国Weirton炼钢车间	DravO-RH		23±10	22±12		1995
芬兰Rautaruukki Raahe钢厂		48±12	32	38	17	1993
芬兰Koerhar厂	气体搅拌	32		23		2000
德国Dillinger厂			10-15	10	≤15	1994
荷兰霍戈文Ijmuiden厂	真空脱气		IF钢20-30			1994
法国索拉克Dunkirk厂	RH-DB		20-50			1997
英钢联	RH				＜10	1994
日本JFE川崎千叶厂	RH	40			20	1989
韩国POSCO	LF+RH	25-31			＜10	1991
台湾中钢公司	LF+RH	＜30			12	1994
中国武钢第2炼钢厂	RH	28-34	24-26		12-19	2000
中国攀钢	RH-MFB	20-24				2000
中国宝钢集团公司	LF+RH	40	23	10	8	2003

　注：（）内数据为平均值

3 氧化物冶金

　近10年来，氧化物冶金技术是国际冶金材料学术界和产业界广为关注的前沿技术。氧化物冶金技术的关键是通过精确地控制钢水凝固前沿的凝固条件对夹杂物的种类、大小和形态进行控制。该技术对改善高强度低合金钢种（HSLA）的焊接热影响区（HAZ）的韧性、开发超细晶粒钢有十分重要意义，有望得到大规模产业化应用。

4 高级别管线钢、IF钢等纯净钢的生产

　目前，国内外先进流程生产的纯净钢（IF深冲汽车板和管线钢等）中有害元素[C、S、P、N、H、T·O] 之和可控制在100×10^-4%以下，一些冶金学家还提出了超纯净钢的概念，并将超纯净钢界定为夹杂物[C、S、P、N、H、T·O]之和在40×10^-4%以下。2000年钢中各杂质元素单体控制水平为：[C]：4×10^-4%；[S]：0.6×10^-4%；[P]：3×10^-4%；[N]：6×10^-4%；[H]：0.5×10^-4%；T·[O]：2×10^-4%。

　宝钢在纯净钢单项生产技术开发的基础上,较为妥善地解决了各工序间的配合关系、杂质元素相关制约关系、净化后钢水再污染等问题。IF钢纯净度达到[Ｃ]≤16×10^-4%、[Ｎ]≤15×10^-4%、Ｔ[Ｏ]≤19×10^-4%;管线钢纯净度可达到[Ｓ]≤9×10^-4%,[Ｐ]≤50×10^-4%,Ｔ[Ｏ]≤16×10^-4% [Ｎ]≤30×10^-4%,[Ｈ]≤1. 5×10^-4%;达到了国际同类产品的先进水平。

　武钢的深脱碳、深脱硫、钙处理及控制氮、氧的纯净钢冶炼工艺，使钢中有害元素总量指标达到国际先进水平，生产出以IF钢为代表的超低碳、低氮、低全氧的冷轧深冲薄板，及以X60、X70为代表的具有良好冲击韧性、冷弯性能和抗腐蚀、抗裂纹性的高级管线钢，彩电系列用钢、制币钢、精密轴瓦用钢、冷轧电磁钢等。目前，武钢三个炼钢厂的铁水预脱硫比均达到70%以上，硫含量可达20×10^-4%以下，脱硫率达90%以上。钢的碳含量最低为9×10^-4%、氮含量最低为12×10^-4%、氧含量最低为10×10^-4%。该厂的产品已供货一汽、二汽等多家汽车公司。

　攀钢的SP52超细晶粒钢性能达到510MPa强度级别，用于冲压东风汽车零部件。

　 2003年6月12日,鞍钢第一炼钢厂精炼后的钢水有害元素 [S、P、N、H、T·O]之和达到63.96×10^-4%，是目前国内最好水平。

　欧美和日本的先进钢厂正致力于建立以转炉为中心的大规模生产纯净钢的生产流程，其IF钢的生产比例达到了50%～70%，[S]≤0.003%的超低硫钢生产比例达到了20%～30%。国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平参见表3。

表3 　国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平 Unit：×10^-4%

厂家	［C］	［P］	［S］	［N］	［H］	T.［O］	合计	钢种	工艺
日本神户制钢	3	20	2-3	6-9	1.0	2-5	41(34)	250马氏体时效钢	真空感应炉
日本新日铁	10(3)	25	3	14	1.0	5	58(52)	深冲钢	LD-OB +RH
德国蒂森	20	15	5	15	0.7	10	65.7	深冲钢	LD+真空脱气
韩国浦项						5-8	80（未计［c］）	轴承钢	BOF+LF+RH
中国宝钢	≤15	15	5-10	11	≤1.0	≤8-15	67（55）	IF钢 .管线钢	BOF+LF+RH
中国武钢	9	40	3.4	12	1.0	10	81.4	IF钢 .管线钢	BOF+LF+RH
中国攀钢		18	24	12	2.0	18	74（未计［c］）	深冲钢	BOF+LF+RH
中国鞍钢		20	5	20	0.96	18	63.96（未计［c］）	管线钢	BOF+LF+VD

　注：（）内为最低值

5 结论

　纯净钢与非金属夹杂物是当今冶金界的科研热点，近20年来有关夹杂物的文章超过1万份。目前，氧化物冶金技术成为广为关注的前沿技术，对开发超细晶粒钢有十分重要意义。

随着炼钢技术的发展，钢水成分的控制范围越来越窄，钢的机械性能越来越稳定。多工序分阶段精炼，大规模经济地生产纯净钢是发展趋势。