洁净钢生产的研究现状及发展前景

洁净钢生产的研究现状及发展前景l引言洁净钢的概念是由Kiessling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的发展方向。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。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。因此，在激烈的市场竞争条件下，提高钢的洁净度，进一步减少钢中夹杂物的含量，是冶金企业提高产品竞争力的主要途径之一。上述原因使洁净钢及其生产技术迅速发展。目前国内外许多钢铁厂已建立起大规模生产超纯洁净钢(钢中杂质总量：S+P+N+H+T.O≤100ppm)生产体制。本文就洁净钢及其生产工艺的发展进行综述，并分析洁净钢发展的前景。2洁净钢生产技术2.1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0.00l%，80年代喷吹法预脱磷已能经济地将铁水[P]降到0.005%-0015%，同时脱硫将[S]降到0.002%-0.010%。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。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。2.2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吨转炉采用脱磷－脱碳双联工艺后，吹炼时间平均缩短2min，终点操作时间缩短1min，冶炼周期从29min降至26min，作业率提高4%。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，l座210吨转炉的年产量达到420万吨。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。2.3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。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。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较先进的轻压下技术。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。3洁净钢传统生产工艺与新工艺的对比3.1传统工艺传统洁净钢制造流程，主要采用铁水脱硫预处理－传统复吹转炉冶炼－LF炉精炼与RH真空精炼－全连铸生产工艺。虽然可以生产出高洁净度的钢水，但由于工艺流程长，生产工艺和原辅材料的波动造成钢水质量不稳定；钢水提纯主要依靠炉外精炼，造成能耗高、成本高、CO2排放量高。3.2日本新工艺日本学者认为：传统的洁净钢生产工艺流程存在着生产成本高、能耗高、CO2排放量大和产品质量不稳定等缺点。为改进这些缺点，提出采用分阶段冶炼工艺，并经过20年的发展完善，形成了洁净钢制造新的工艺流程。传统洁净钢生产工艺为欧美等国家及我国大部分钢厂所采用，用全量铁水脱硫预处理－转炉冶炼－炉外精炼工艺，以炉外精炼作为控制钢水洁净度的主要手段。如此以来不但流程长，而且耗能，还容易造成回磷、回硫，也是造成钢质量不稳定，生产成本高、能耗高的主要原因。日本开发的洁净钢生产新工艺流程强调采用全量铁水“三脱”预处理工艺，实现转炉少渣冶炼，通过铁水预处理控制钢水洁净度，达到降低成本和提高效率的目标，与传统工艺相比减少了渣量；缩短了转炉冶炼周期；减少了吨钢铁耗；减少了吨钢铁合金消耗。目前，世界金融危机使全球钢铁业进入萧条时期，降低洁净钢制造成本、降低生产能耗和减少生产过程中的环境污染成为今后全球钢铁业市场竞争的焦点，因此，日本新工艺更具有市场竞争力。4洁净钢生产前景展望随着洁净钢生产工艺与设备技术的发展，生产高洁净度钢材以满足高品质钢的质量要求已不存在非常大的技术困难，但如何降低洁净钢生产成本，实现洁净钢大批量稳定高效的生产乃是急待解决的技术问题。因此，如何生产高效低成本洁净钢已成为市场发展的需要，是历史赋予炼钢工作者的责任，也是洁净钢生产面临的技术挑战。目前，世界洁净钢生产与研发水平最高的是日本，其次是欧美和韩国。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。同时，加拿大Mitchell和新日铁提出“零夹杂钢”的概念，即夹杂物尺寸小于lμm，无法用光学显微镜观察到，预示钢的抗疲劳性能将有大幅度提高。5结语(1)洁净化、均质化和晶粒细化是现代钢铁材料发展的主要技术潮流，因此洁净钢生产是当代炼钢技术发展的重大方向。(2)以全量铁水“三脱”预处理和转炉少渣冶炼工艺为基础的洁净钢生产新流程是今后洁净钢生产工艺的重要发展方向。(3)洁净钢冶炼技术是钢铁企业科技创新中一项具有普适性、基础性工作，事关钢铁企业效率、质量、成本的共性关键技术，必须给予高度重视。(4)随着技术的发展，钢水成分的控制范围越来越窄，钢的机械性能更加稳定。多工序分阶段冶炼，大规模经济地生产纯净钢是一种发展趋势。本文摘自