纯净钢生产技术.

纯净钢生产技术朱苗勇东北大学内容提要◆概述◆纯净钢含义及其生产◆冶金过程计算机模拟与仿真1.120世纪钢铁工业的变化二战后日本和欧洲重建并使钢铁厂现代化；美国落后，80年代实现现代化具有竞争力；平炉向转炉和电炉的转变；模铸向连铸转变，连铸技术取得进步；短流程出现，在长、扁平材上具有竞争力；后半个世纪钢材消耗逐步增加，达到纪录；扁平材比例增加；吨钢的使用价值增加；质量和服务的要求增加；环保从终端控制转变对整个流程控制；从国有企业向私有化过渡；技术创新：原材料、炼钢、成品加工工艺；材料的竞争力增加；汽车上使用的钢材要求更轻、更安全；用于住宅建设的钢材量增加；竞争加剧：要求生产成本低，增加生产率；技术投资增加，同时研究经费投入加大；需要基本标准和改进生产、提高效益措施；贸易壁垒和贸易保护主义愈加严重；全球经济发展，但部分地区出现经济危机；除欧洲，钢铁工业合并延缓。1.2钢铁工业的挑战能力过程，并将继续蔓延；较差的经济效益；环保法规压力加大；贸易保护主义增强；其他非钢铁材料竞争的威胁加大；在新技术上的投资以便成为低成本的生产者；改进钢铁工业形象以吸引最好的人才；资金短缺必须解决；研究项目必须继续以便降低成本和提高质量。1.3钢铁工业的主要发展趋势吨钢成本降低；钢铁厂所有产物必须全部循环利用；增加研究和开发的投入；对员工的再教育和加强培训；合并和收购的趋势增加。我国炼钢生产面临的机遇和挑战加入WTO后，参与国际市场竞争形势严峻；钢铁生产结构优化进入攻坚阶段；西部大开发和东北老工业基地振兴，钢铁工业结构优化带来了新机遇；炼钢生产的二次资源综合利用与污染治理成为钢厂生存发展的基本前提。结构优化的基本思路继续提高连铸产量、连铸比，提高铸坯质量，扩展炼铸钢种，以优质和低成本为根本目标，积极推进纯净钢生产、高效连铸和近终形连铸，搞好污染治理与综合利用，开发应用智能化控制等新技术，强化技术创新机制，全面优化生产结构，提高经济效益。从地球中金属资源，可回收利用程度，价格和性能，世界经济发展需要以及可持续发展战略等方面看，钢材仍将是21世纪内可预见的最主要的结构材料。一个国家的钢铁工业状况仍是衡量其工业水平和综合国力的重要指标。从20世纪末钢铁科学技术发展趋向看，21世纪钢铁工业的科技进步是寻求可以替代现有工艺路线的更优的新工艺和对现有工艺进一步完善化，使其具有更强竞争力两大趋势。对于炼钢而言，集中体现在纯净高质量钢生产工艺的完善和以薄板坯和薄带钢为代表的近终形连铸技术开发上。2.1纯净钢的概念纯净钢应是所含杂质和夹杂物很少的钢。减少钢中的杂质含量，可以显著地改善钢材的延展性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能。但对于钢性能要求不同，纯净度所要求的控制因素也不同。如IF钢，要获得成品钢材的高延展性、高r值以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；管线钢，为了提高钢的冲击韧性及抗HIC的能力则要求钢中硫、磷含量尽可能低。2.2纯净度与钢的性能硫：对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193℃，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985℃。液态Fe与FeS虽然可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。当钢中的硫含量超过0.020%时，钢水在凝固过程中由于偏析，低熔点Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低（940℃），更加剧了钢的“热脆”现象的发生。锰可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS，纯MnS的熔点为1610℃，共晶体FeS-MnS（占93.5%）的熔点为1164℃，它们能有效的防止钢热加工过程的“热脆”。硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。硫除对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有大的影响外，对力学性能影响主要表现在：与钢材轧制方向相比，非轧制方向强度、延展性、冲击韧性等显著降低；显著降低钢材的抗氢致裂纹（HIC）的能力。用于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途钢板目前硫控制在80ppm以下，将来会降到50ppm以下；用于含H2S等酸性介质油气输送用管线钢硫含量目前已降低到（5-1）ppm。磷：对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的“冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能。优质钢对磷的要求已由(200-400)ppm降到150ppm以下，对于少数钢种要求磷含量在30ppm以下。氮：钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。钢中氮含量高时，在250-4500C温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。对于新一代汽车用超深冲IF钢冷轧钢板，氮要求低于25ppm；对于厚板为了保证焊接热影响区的韧性，钢中氮应低于20ppm。氧：氧主要是以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中。非金属夹杂物对钢材的疲劳特性、加工性能、延性、韧性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蚀等性能均有显著的影响。如用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量小于10ppm，夹杂物尺寸小于5μm；轴承钢中钢总氧量每低1ppm，其寿命可提高10倍，总氧量为4～6ppm；优质宽厚板和管线钢连铸坯总氧量要求小于10ppm，MnS夹杂全部转化为球形CaS；用于易拉罐的镀锡板要求总氧含量小于10ppm，钢中Al2O3夹杂物小于10μm；生产汽车外板（O5板）要求钢中总氧含量小于20ppm，且Al2O3杂物尺寸小于20μm。2.3纯净钢生产技术Ⅰ超低硫钢生产技术生产超低硫钢（[S]≤40ppm）转炉流程：铁水预处理＋转炉冶炼＋钢水精炼脱硫电炉流程：电炉炼钢＋钢水精炼脱硫1)铁水脱硫预处理主要有KR和喷粉脱硫两种，目前采用较多的是在铁水包或鱼雷罐车中喷粉脱硫工艺。脱硫早期多采用CaC2，目前多采用CaO+CaF2粉剂，用量3-8kg/t，脱硫率在40-80%，处理终了铁水[S]可脱至100-80ppm。为了用较少的熔剂进行有效脱硫，在CaO中混入Mg或CaC2，可以将硫降到50ppm以下。脱硫预处理后的低硫铁水，在转炉炼钢过程，通常不仅不能进一步脱硫，废钢、铁水渣、石灰中的硫反而会进入钢水中，回硫量可达20-50ppm以上。炼钢过程中回硫是生产超低硫钢的重大障碍。生产超低硫钢时应采用较高铁水装入比，并尽量减少铁水的带渣量。2)二次精炼脱硫是生产超低硫钢[S]≤40ppm不可缺的手段。钢包喷粉有SL、TN、KIP等方法，通过向钢水内部喷吹CaO-CaF2-Al2O3、CaSi等进行脱硫，处理后[S]可脱到10ppm以下。此方法的优点是速度快、效率高，缺点是钢水搅动大，钢水氧化和吸收氮严重。LF炉脱硫在电弧加热条件下，钢水表面造还原性炉渣（泡沫渣）进行脱硫，处理终了的[S]可降低到10ppm以下。该方法工艺稳定，但与喷粉脱硫相比，处理时间较长，设备投资也较大。真空处理喷粉脱硫主要有RH真空喷粉和V-KIP真空喷粉两种方法，由于在真空下喷粉，因此避免钢水表面翻腾造成的氧化和吸氮，处理终了的[S]可降低到10ppm以下。Ⅱ低磷钢生产技术低磷钢的生产分为普通低磷钢([P]≤100ppm)和超低磷钢([P]≤30ppm)生产两种工艺。普通低磷钢生产，主要依靠铁水脱磷预处理和氧气转炉炼钢脱磷将钢中磷脱除至100ppm以下。超低磷钢生产则除了铁水脱磷预处理和氧气转炉炼钢脱磷外，对钢水还进行精炼脱磷处理，将磷脱除至30ppm以下。1)铁水脱磷预处理铁水包、鱼雷罐车中喷粉脱磷氧气转炉对铁水脱磷处理两种采用铁水包或鱼雷罐车喷粉脱磷，须将铁水进行脱硅，将硅脱除至0.15%-0.20%，然后再对铁水进行脱磷。脱磷剂主要采用Fe2O3-CaO-CaF2系，炉渣碱度控制在2.5-5.0，处理终了磷可脱到0.015%-0.050%。2)转炉吹炼前期脱磷：采用顶吹低流量、高枪位，底吹高流量搅拌的吹炼技术。经10多分钟吹炼，可将铁水中的磷从0.080%降至0.003%-0.008%。影响因素：熔池温度≤1350℃，脱磷率为90%以上；炉渣粘度控制在3.2-3.6，脱磷率可达90%以上。造双渣：转炉吹炼前期脱磷结束后，排除炉渣，在造渣吹炼，此时，可按常规模式进行。双膜传质理论表示脱磷速率方程km和ks分别是磷在金属和熔渣中的传质系数，Oeter计算出km=3.90×10-5m.s-1，ks=1.15×10-5m.s-1;A是反应界面积;Vm为钢液体积;K以物质的量浓度表示的磷分配比;LP以质量百分数表示的磷分配比。PsmmLPPKkkVAdtPd)(%][%)(111][%对于少数要求极低磷含量的钢种如低温容器罐用钢，在通常的铁水脱磷预处理和氧气转炉炼钢脱磷外，还须进行钢水二次精炼脱磷处理。采用炼钢低温不脱氧出钢，出钢后钢包内除渣，钢包喷粉脱磷，LF炉电弧加热，最后进行合金化，由此可将磷降到30ppm以下。Ⅲ低氮钢生产技术钢液脱氮，由于氮的原子半径较大，同时气-钢表面大部分被钢的表面活性元素硫、氧所吸附，实际效果很差。氮在钢液中的传质系数低，真空处理时，脱氮速度缓慢。实践表明，在V-KIP真空喷粉处理过程中，当[N]低于35ppm时，真空处理基本上不能够脱氮。低氮钢液的脱氮问题至今尚未解决，目前生产低氮钢主要采用在转炉炼钢过程提高铁水装入比，炼钢过程尽可能脱氮，在出钢、二次精炼和连铸过程尽可能保护钢水防止吸氮的策略。相对于全工序脱氮，钢水吸氮造成的影响相当显著。Ⅳ减少钢中夹杂物技术减少钢中非金属夹杂一直是研究的重点，对夹杂物的要求主要体现在三个方面：●含量低；●尺寸小；●轴承钢、硬线钢等要求不变形夹杂物要少。纯净钢生产中夹杂物的控制涉及多个环节，以转炉炼钢流程为例，关键技术主要有：炼钢终点控制技术：吹炼终点成分和温度的控制命中率高达90%，避免由于终点控制不好，多次补吹造成的钢水氧含量的增加；钢水真空处理技术（RH、LF-VD、VOD）：钢水在未脱氧的情况下进行真空碳脱氧，然后进行脱氧、合金化、脱氧产物上浮。真空处理后的高碳钢液中的全氧可降低到10ppm，低碳钢液的全氧可降到30-40ppm以下；严密的保护浇铸技术，基本杜绝钢液与空气接触造成的二次氧化；在中间包、结晶器设置控流装置，促使夹杂物微小夹杂物的碰撞、聚合、上浮，防止中间包和结晶器卷渣。减少带渣技术：出钢前提高炉渣碱度和MgO含量降低炉渣流动性，减少出钢带渣；采用大包下渣自动检测技术防止钢包渣进入中间包；控制中间包内钢水的液位。2.4纯净钢生产技术应用Ⅰ超低碳IF钢1)超低碳控制技术●转炉终点碳控制技术RH脱碳的最佳成分范围控制[C]=（300～400）ppmT[O]=（500～650）ppm减少了脱氧用铝量，有利于提高钢水的纯净度。●RH脱碳技术满足钢种和多炉连浇的要求，提高RH脱碳速率、缩短脱碳时间是超低碳冶炼的关键问题:采用“硬脱碳”模式，脱碳初期，真空室压力快速下降，加速脱碳；采用“KTB”方式，高碳时顶吹氧加速脱碳；脱碳后期真空室内浸入式吹氩，加速脱碳；消除真空室冷钢，采用氧枪管切割冷钢和低碳高温