纯净钢生产技术开发现状

纯净钢生产技术开发现状09冶金4班 孙晨光 7摘要 本文简述了国内外先进炼钢厂的纯净钢生产技术现状，以及生产过程中杂质元素的控制技术的发展。关键词 纯净钢 精炼技术 杂质元素去除Purity steel production technology development present situationAbstract This paper introduces the domestic and international advanced steelmaking plant of purity steel production technology of the status quo, and the production process control of the impurities in the development of the technology.Key Words clean steel refining technology impurity element abstraction1、前言 随着科学技术的进步，各行各业对钢材性能和质量的要求越来越高。纯净钢的市场需求不断增加，关于纯净钢生产技术的研究也越来越深入。其中包括两方面内容：一是提高钢的纯净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。前者是纯净钢研究的主要任务，只有大幅度降低钢中杂质元素的含量，才能有效地控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。也就是说，对于钢性能的要求不同，纯净度所要求的控制因素也不同。2、纯净钢的概念 关于纯净钢或洁净钢的概念，目前国内外尚无统一的定义，但一般都认为洁净钢是指对钢中非金属夹杂物进行严格控制的钢种，这主要包括：钢中总氧含量低，非金属夹杂物少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。而纯净钢则是指除对钢中非金属夹杂物进行严格控制以外，钢钢中其它杂质元素含量也少的钢种。钢中的杂质元素一般是指C、S 、P、N 、H、O, 1962 年Kiessling把钢中微量元素( Pb、As、S b、Bi、Cu、Sn) 也包括在杂质元素之列 1 , 这主要是因为炼钢过程中上述微量元素难以去除, 随着废钢的不断返回利用, 这些微量元素在钢中不断富集, 因而其有害作用日益突出。理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高, 其性能越好, 使用寿命也越长。钢中杂质含量降低到一定水平, 钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从4010- 6降低到2010- 6 , 深冲钢的伸长率可增加7 %。提高钢的纯净度还可以赋予钢新的性能 ( 如提高耐磨腐蚀性等) , 因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下高附加值产品的基础, 其生产具有巨大的社会经济效益。需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的, 如硫在一般钢中都视为杂质元素, 但在易切削钢中其为有益元素; IF 钢中氮是杂质元素,但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素, 其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。可以看出,杂质元素的界定取决于人们对钢中溶质元素所起作用的认识, 以及不同钢种在不同用途中所希望的是利用其作用还是避免其作用。不同钢种对钢的纯度和清洁度的要求是不一样的。如汽车板有较高的溶质元素水平C、N的要求,但其容许的最大夹杂物尺寸却是100Lm;而显象管阴罩用钢则要求夹杂物尺寸小于5Lm,这主要因钢的使用条件和级别而异。3、纯净钢生产技术纯净钢的生产主要集中在两方面:(1)尽量减少钢中杂质元素的含量;(2)严格控制钢中的夹杂物,包括夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型。减少钢中溶质元素的含量主要在各种铁水预处理以及二次精炼设备中营造最佳去除的热力学和动力学条件来实现,钢中夹杂物的控制主要是减少其生成、对其进行改性、促其上浮。通常纯净钢生产工艺包括以下几部分:铁水预处理,转炉复吹,出钢挡渣、扒渣、对炉渣改性,二次精炼(真空、吹气、加热、造渣)、全程保护浇铸、中间包冶金、结晶器冶金及采取各种促使夹杂物去除的措施等。以下将针对具体元素的去除和控制进行分述。3.1、碳的去除碳的去除钢中碳对钢的性能影响最大, 碳含量高能增加钢的强度, 但使塑性下降、冲压性能变坏。因此一般优质深冲型铝镇静钢要求 C 0. 05 %、I F 钢要求 C 0. 007 % 。钢中碳的控制主要集中于两点: 炉外精炼使钢中碳达到极低水平、防止连铸过程增碳。80 年代以来国际上应用最多的真空精炼装置是RH、VOD、VD, 其中VOD 主要用于超低碳不锈钢的精炼, RH 与VD 相比, 因其真空室较高, 适合于精炼超低碳钢时钢水的剧烈沸腾, 并且RH 采用大氩气量大循环时, 可在短时间内将氢脱至1 10- 6 , 因此RH 更适合于超低碳深冲钢、镀层钢板的生产。RH 真空处理过程中控制脱碳主要有以下两个因素: ( 1) 钢液环流量( 为浸入管直径的函数) ; ( 2) 从真空室中提取 C 的速率( 为真空室横截面积及搅拌能的函数) 。据报道日本住友金属工业公司采用VODPB 喷吹氧化粉剂法, 可将碳降至310- 6, 其缺点是随着脱碳反应的进行, 钢中氧含量会逐渐增多 2 。3.2、硫的去除众所周知脱硫的热力学条件是高温、高碱度、低的氧化性,因此脱硫应注意以下三点:金属液和渣中氧含量要低、使用高硫容量的碱性渣、钢渣要混合均匀。铁水预处理可以深度脱硫,也可以部分脱磷。目前广泛采用在铁水包或鱼雷罐中喂线、喷粉的铁水预处理方法,新投产的设备中机械搅拌法(KR脱硫法)已很少采用。喷粉可以造就良好的动力学条件,极大扩展反应界面。所喷粉状脱硫剂主要组成举例如下:CaO+Mg或CaO+CaCO3+CaF2 或CaC2+CaCO348%52 % Mg粉+1.0 %MgO+30%40%Al+5%10%SiO260%CaC2+20% CaO+5%C所喂包芯线的主要组成为:100%镁粉或70%镁粉+30%钙粉。采用上述方法可将铁水中硫含量从0.04%0.02%脱至0. 008 %0.002%水平。经铁水预处理后的铁水兑入转炉前需仔细扒渣,转炉应使用低硫返回废钢并采用复合吹炼,尽量减少废钢和熔剂造成的回硫。目前国外钢厂出钢过程中对炉渣进行改性十分活跃,这主要是出于降低炉渣的氧化性和进一步脱硫的综合考虑。通常在出钢过程中添加石灰粉80%、萤石10%、铝粉10%和罐装碳化钙进行钢液脱硫,控制钢包渣中FeO1.5%,可使出钢脱硫达34 %3。有的厂家还进行底吹氩搅拌,可使S3010- 6。3.3 磷的去除脱磷的热力学条件是低温、高碱度、高的氧化性,目前磷的去除主要也是在铁水预处理、转炉或电炉精炼期、二次精炼三个阶段进行。铁水脱磷必须先脱硅,在高炉出铁流沟及铁水包投放脱硅剂可将铁水中硅脱到0.2%。英国钢铁公司Llanwen厂和Tecesside 厂 4 建议生产低磷钢最好使用Si为0.3%的铁水,两厂采用碱性转炉吹炼,用石灰代替白云石,使用硅含量很低的铁水,并保持良好的搅拌,可使P由铁水中(720870)10- 6下降到(8090)10- 6。川崎发明的SRP 法使用转炉进行预脱磷,其脱碳炉中产生的炉渣作为脱磷剂返回脱磷炉中,采用两座转炉同时作业的目的是避免回磷。在脱磷炉中磷在10min内脱到0.011 %,同时可熔化7%的废钢,其后在脱碳炉中很容易生产出小于0.010%的超低磷钢水。此外,低温不脱氧出钢,有助于脱磷,也可防止吸氮。3.4 氮的去除钢中氮的去除比较困难,目前主要依靠转炉脱氮,在浇注过程中防止吸氮。在最近的报道中,铁水脱氮和二次精炼脱氮已有所进展。铁水氮含量是影响钢水终点氮含量的重要因素,低氮铁水主要靠高炉的顺行来获得,高温、高钛、高锰、高硅均有助于减少铁水氮含量。3.5 氢的去除以前主要在炼钢初期通过CO激烈沸腾得到,自真空处理技术出现以后钢中氢已可稳定控制在210- 6以下。严格杜绝各工序造渣剂、合金料、覆盖剂以及耐材的潮湿,避免碳氢化合物、空气与钢水接触,都有助于降低钢中氢的含量。3.6 氧的去除及夹杂物的控制钢中氧的复杂性在于钢水冷却凝固过程中因氧的溶解度降低将进一步生成脱氧产物,钢水在浇注过程中会因为二次氧化而与大气、炉渣、耐材发生氧化反应形成大颗粒夹杂物。钢中夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型都将对钢材的性能产生很大的影响。对于钢中氧的去除有如下重要因素:(1)减少所生成的夹杂物数量,控制所生成夹杂物的性质;（2)创造良好的条件促使夹杂物去除;(3)控制炉渣成分使其更有利于吸收夹杂;(4)防止钢水被大气、炉渣、耐材氧化等。减少所生成夹杂物的数量首先必须降低转炉终点氧含量,合理的吹炼制度特别是减少补吹有助于降低终点钢水氧含量。钢包渣中FeO+MnO含量与钢水中氧含量有正比关系, 因而减少出钢下渣量很重要,广泛采用挡渣帽+挡渣球的挡渣方法,也有采用气动挡渣、多棱锥挡渣等方法的报道,提高转炉终渣(MgO)含量和碱度也有利于减少下渣。钢中的脆性夹杂物是造成很多钢种出现缺陷的原因,如轮胎子午线的冷拔断裂,汽车板表面美容的损坏等,同时脆性Al2O3夹杂也是引起浇注过程中水口堵塞的主要原因。4、结论纯净钢的生产是一项系统工程,首先需要确定使用者所要求达到的性能,其后需要在生产和科研中积累钢中杂质和性能、缺陷之间的关系,进而提出生产过程中的控制目标。纯净钢不仅是一个技术问题,它首先是一个经济问题,高的纯净度往往意味着高的代价。在制定生产工艺过程中希望造就最佳的热力学和动力学条件,但需要对各杂质元素的去除进行综合考虑,所营造的条件往往是一种妥协方案。在我国,纯净钢的生产刚刚起步,随着社会的发展,对各种优良性能钢材的需求会越来越大,同时我国加入世界贸易组织的可能性也越来越大,发展纯净钢生产高附加值产品增强国际竞争力是各钢厂当务之急。参考文献1、李正邦，超纯净钢的新进展。材料与冶金学报，2002,32、朱立新等，宝钢纯净钢生产技术发展.钢铁2000.113、Philbin J P. Cost Effective Sulfur Remove lat WCI Steel. Steelmaking Conf. Pro c. ( 81) . T ORONTO. I ISI. 1999. 379382.4、Thornton G. 英国钢铁公司碱性氧气转炉冶炼低磷钢. 炼钢与连铸, 1994, ( 3) : 2631.5、Gatellier C. Pros pectives of Ladle Metallurgy Processes. 2nd European Conf. Proc. Dsseldorf.GermanIron and Steel Institute . 1994. 1724.6、Marique C. Sources and Control of Nitrogen in Oxygen Steelmaking Processes. Iron making and Steelmaking ,1988, 15( 1) : 3842.7、欧洲钢铁冶金的进展. 钢铁, 1991, 20( 2) : 7078.8、崔苹. RH-PB 熔炼极低硫钢的技术. 世界金属导报, 1999, 6, 1.9、肖英龙, 张化义. 川崎钢铁公司开发新钢水脱氮技术. 世界金属导报, 1998, 4, 14.10、Fukuzaki Y. P