国内外纯净钢生产技术的新进展

国内外纯净钢生产技术的新进展 潘秀兰 　郭艳玲 　王艳红 (鞍钢集团技术中心) 摘要 　概述了国内外先进炼钢厂的纯净钢生产技术 ,讨论了铁水预处理、冶炼、精炼及连 铸各工序控制钢中夹杂物 C、S、P、N、H、T. O 的主要技术措施 ,为纯净钢生产的工艺选择和成分 控制提供参考。 关键词 　纯净钢 　生产技术 　进展 　夹杂物 New Progress of Production Technology for Clean Steel at Home and Abroad Pan Xiulan 　Guo Yanling 　Wang Yanhong (Angang Technology Center) Abstract 　This article summarizes the production technology for clean steel in advanced steelmaking plants at home and abroad , discusses the main technical measurements to control inclusions including C ,S , P ,N ,H ,T. O during pretreating hot metal , smelting , refining and continuous casting , and provides refer2 ences to select technique and control compositions for clean steel production. Key Words 　clean steel 　production technology　progress 　inclusion 1 　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。 其研究主要包括两方面内容 :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。 目前 ,国内外已建立了纯净钢及相关产品 ( IF 深冲汽车板和管线钢等)大规模生产流程 ,钢中有 害元素 C、S、P、N、H、T. O 含量之和可控制在 0101 %以下。一些冶金学家还提出了超纯净钢的 概念 ,并将其界定为夹杂物 C、S、P、N、H、T. O 含 量之和在 01004 %以下。钢中各杂质元素单体控 制水平的发展情况如 1 所示。 从国内外超纯净钢的研发与生产现状来看 , 表 1 　钢中杂质元素单体控制水平的发展情况[1 ] , ×10 - 4 % 元素 1960 年 1970 年 1980 年 1990 年 1996 年 2000 年 C S P N H T. O 200 200 200 40 3. 0 40 80 40 100 30 2. 0 30 30 10 40 20 1. 0 10 10 4 10 10 0. 8 7 5 2. 5 10 10 < 1. 0 5 4 0. 6 3 6 0. 5 2 应用特种精炼手段 ,不难达到上述指标。但受经 济因素制约无法大规模生产 ,只有针对钢种和用 途的特定要求 ,铁水预处理、冶炼、精炼、连铸、轧 制以及热处理等工序正确配合 ,才能经济地生产 出满足用户要求的纯净钢。 众所周知 ,不同钢种对纯净度的要求和对夹 杂物的敏感性不同。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 ,引起 DI罐用薄钢 　　潘秀兰 ,教授级高级师 ,1982 年毕业于鞍山科技大学炼钢专业 ,现工作于鞍钢技术中心科技信息研究所 (114001) 。 ·1·2003 年第 5 期 　　　　　　　　　　　　 鞍钢技术 ANGANG TECHNOLOGY 板裂纹 ,还可造成轮胎子午线等线材断线 ,使轴承 钢等棒钢的疲劳性能恶化。为了减轻氧化物系夹 杂物对钢材质量的不良影响 ,必须降低其含量。 近年来 ,加拿大的 Mitchell 和新日铁的福本提 出“零夹杂钢”的概念。所谓“零夹杂钢”,不是钢 中无夹杂物 ,而是夹杂物尺寸小于 1μm。在凝固 之前非金属夹杂物不析出 ,在固相状态下析出的 非金属夹杂物高度弥散分布 ,无法用光学显微镜 观察到 ,这时夹杂物可发挥有益的作用[2 ] ,使钢的 抗疲劳性能大幅度提高。 国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平见表 2[3～13 ] 。 表 2 　国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平 , ×10 - 4 % 厂　家 [ C] [ P] [ S] [N] [ H] T. [O] 合计 钢种 工艺 日本神户 日本新日铁 日本目前水平 日本专家预测 德国蒂森 韩国浦项 中国宝钢 中国武钢 中国攀钢 中国鞍钢 3 10(3) 16 6 20 　 ≤15 9 　 　 20 25 12 2 15 　 15 40 18 20 2～3 3 4 1 5 　 20 3. 4 24 5 6～9 14 14 14 15 　 11 12 12 20 1. 0 1. 0 0. 5 0. 2 0. 7 　 ≤1. 0 1. 0 2. 0 0. 96 2～5 5 5 5 10 　 ≤10 10 18 18 41(34) 58(52) 51. 5 28. 2 65. 7 80(未计[ C]) 72 81. 4 74(未计[ C]) 63. 96 (未计[ C]) 250 马氏体时效钢 深冲钢 纯净钢 超纯净钢 深冲钢 深冲钢 IF 钢、管线钢 IF 钢、管线钢 深冲钢 纯净钢 真空感应炉 LD - OB + RH BOF + RH BOF + 真空脱气 LD + 真空脱气 BOF + RH BOF + LF + RH BOF + LF + RH BOF + LF + RH BOF + LF + VD 　　注 : ()内为最低值。 2 　国外纯净钢的研究和生产水平 目前 ,国外纯净钢生产与研发水平最高的是 日本 ,其次是欧美和韩国。日本山阳、瑞典 SKF 轴 承钢全氧含量已经低于 0. 0005 %。世界各地的钢 厂普遍采用保持钢中一定的铝含量 ,利用钢中铝 和 Al2O3 的平衡达到控制氧含量的目的 ;另外 ,把 钢中酸溶铝含量控制在较低水平还可以改变弹簧 钢中氧化物夹杂的性能、尺寸及分布 ,从而提高钢 的抗疲劳性能。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 钢的冲击韧性提高一倍。对不锈钢而言 , [ C + N ] 低于 0. 01 %时 ,就可以完全防止晶间腐蚀和应力 腐蚀。 最近 ,日本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 ,使夹杂物的 变形性能接近铁元素的变形性能 ,可以提高产品 的韧性和加工性能 ,从而提高产品质量。图 1 给 出了当代典型的转炉工艺生产纯净钢流程、各工 序成分和采用的关键技术。 2. 1 　铁水预处理 铁水预处理对改进转炉操作、生产优质钢有 十分重要的作用。欧美各国铁水预处理一般仅脱 硫 ,而日本铁水“三脱”预处理 (包括脱硫、脱硅及 脱磷)比例超过 90 %以上。高炉低硅冶炼稳定生 产含硅低于 0. 4 %的铁水 ;铁水脱磷处理使磷含量 降到 0. 01 %以下 ;采用高效镁基脱硫剂进行铁水 预处理 ,铁水中含硫量可降至 0. 003 %以下。 采用铁水包、铁水罐或混铁车等运输设备作 为“三脱”预处理反应容器的处理方法 ,受限于反 应容器的自由空间 ,一般采用喷粉工艺、造高碱度 渣、低气/ 固比 ,同时脱磷脱硫。该处理过程降温 较多 ,严重地削弱了铁水运输能力 ,处理能力不易 提高。而采用转炉作为铁水预处理容器 ,高气/ 固 比、中等碱度、炉容比大 ,有利于钢 - 渣反应 ,是预 脱磷的发展方向。 2. 2 　转炉流程生产纯净钢 近十年来 ,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 ,采用脱碳转炉渣作为转炉脱磷剂的 “双联法”,生产 1t 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 ·2· 《鞍钢技术》2003 年第 5 期 图 1 　当代典型的转炉纯净钢生产工艺流程及控制参数 65 元。“双联法”适于大量、经济地生产纯净钢。 而传统的转炉加炉外精炼工艺已能够冶炼大 多数钢种 ,且成本很低 ,钢水纯净度高。 用转炉生产纯净钢有如下优势 : 转炉用铁水的纯净度和质量稳定性优于电炉 原料废钢 ; 转炉采用铁水预处理工艺 ,进一步提高了铁 水的纯净度 ; 转炉的终点控制水平高 ,且钢 - 渣反应比电 炉更接近平衡 ; 转炉钢水气体含量低 ( [N ] ≤0. 002 %、[ H] ≤ 0. 0003 %) ; 炉外精炼和连铸的工艺技术水平与电炉流程 相当。 日本一些转炉钢厂采用 100 %铁水“三脱”预 处理工艺 ,复吹转炉少渣冶炼和终点智能控制 ,提 高终点命中率和控制精度。利用转炉渣作为脱磷 剂处理后 ,使铁水 [ C ]为 3. 5 %～4. 0 %、[ S ] ≤ 01015 %、[ P] ≤01015 %。转炉复合吹炼时间缩短 到 25min。另外 ,日本一些钢厂真空处理钢水的比 例高达 90 %以上 ,能够保证钢水的纯净度。 为满足不同钢种 ,特别是高附加值钢种对纯 净度的要求 ,欧美和日本许多钢厂正致力于建立 以转炉为中心的大规模生产纯净钢的生产流程 , 如日本和许多北美钢厂 , IF 钢的生产比例可达到 50 %～70 % , [ S] ≤0. 003 %的超低硫钢生产比例 达到 20 %～30 %。 正是由于采用较完善的纯净钢生产流程 ,国 外的转炉已经能够批量生产轮胎子午线用的高强 度钢丝、轴承和齿轮用钢、汽车面板和弹簧用钢、 易切削钢以及冷镦钢等。 2. 3 　电炉流程生产纯净钢 ·3·潘秀兰 郭艳玲 王艳红 　国内外纯净钢生产技术的新进展 日本山阳特殊钢公司的纯净钢精炼工艺 (SNRP)是一种典型的电炉短流程纯净钢生产工 艺 ,其生产纯净钢的标准工艺设备包括 :150t 炉底 出钢电弧炉、LF 钢包炉、RH 真空炉和立式大板坯 连铸机等。山阳特殊钢生产的优质纯净钢 (即 Cr2 Mo 钢 (AIST41) )中氧含量达到 0. 00045 %以下 ,非 金属夹杂物直径小于 10μm。与其它钢种比较 ,采 用优质纯净钢生产的汽车负载能力明显提高。 2. 4 　炉外精炼与纯净钢 原有的转炉、电炉、吹氩、连铸流程已不能满 足生产超低碳、低磷、低硫和低总氧含量钢的要 求。随着炉外精炼技术的进步 ,钢水的纯净度也 明显提高 ,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。在 20 世纪 70 年代 ,大规模工业生产的钢 水中 ,硫、磷、氮、氧、氢杂质总含量低于 0. 05 % ;至 20 世纪 80 年代 , 钢水的杂质总含量可达到 01025 % ;而到了 20 世纪 90 年代 ,钢水的杂质总含 量已经低于 0. 01 %。目前 ,工业生产钢水的杂质 总含量达到 0. 005 %。 采用转炉顶底复合吹炼技术可以显著降低钢 水中的碳、磷含量。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。按照目前炉外精炼所能达到的工 艺技术水平 ,钢水纯净度可达到 [ S] ≤0. 0005 %、 [ P] ≤0. 002 %、[N ] ≤0. 0025 %、[ H] ≤0. 0001 %、 [C] ≤0. 0003 % 、[O ] ≤0. 0002 %～0. 0003 %的水 平[3 ] 。 2. 5 　连铸工艺与纯净钢 冶炼、精炼后续的连铸工序对钢的纯净度也 有很大影响。采用保护浇铸、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 手段还可继续去除并控制夹杂物、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 见表 3[14 ] 。 表 3 　国内外先进钢铁厂生产纯净钢各工序钢中全氧量 , ×10 - 4 % 钢　厂 精炼方法 钢水包 中间包 结晶器 板坯 时间 ,年 美国内陆厂 4 号 BOF LMF 30 24 21 15 1990 美国阿姆克 Middletown 厂 RH 60～105 15～40(25) 　 16. 9～23. 8 1991 美国钢公司Lorain 厂 BOP 真空脱气　 　 　 　 13～17 1991 北美某厂 　 20～35 　 20～30 10～15 1991 加拿大多法斯科厂 LF + RH 　 19 　 13. 2 1994 美国 Weirton 炼钢车间 Dravo - RH 　 23 ±10 22 ±12 　 1995 芬兰劳塔鲁基拉赫钢厂 　 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 日本川崎千叶厂 RH 40 　 　 20 1989 韩国浦项厂 LF + RH 25～31 　 　 < 10 1991 中国台湾省中钢公司 LF + RH < 30 　 　 12 1994 中国宝钢集团公司 LF + RH 40 23 10 ≤10 2000 　　注 : ()内数据为平均值。 3 　国内纯净钢研究和生产现状 大批量生产纯净钢是中国炼钢技术发展的重 要方向。针对目前现有装备和技术水平 ,大力开 发纯净钢生产技术 ,发展铁水预处理和二次精炼、 深入研究纯净钢生产流程已经成为国内钢铁企业 的当务之急。 如前所述 ,“双联法”是日本发明的典型的转 炉生产纯净钢工艺流程 ,指用两座转炉中的一座 作为铁水“三脱”预处理炉 ,另一座作为脱碳升温 炉 ,在预处理炉内加入合成渣和其它常规造渣料 , 采用顶底复吹工艺进行铁水脱磷 ,而在精炼炉内 完成脱碳、脱硫精炼任务 ,并将精炼炉的炉渣返回 ·4· 《鞍钢技术》2003 年第 5 期 预处理炉作为脱磷剂。该工艺脱磷率达 85 %以 上 ,具有处理成本低 ,对铁水含硅要求不苛刻的特 点 ,适用于对吹炼终点钢水磷含量有特殊要求的 钢种进行铁水脱磷处理。宝钢 300t 转炉采用“双 联法”冶炼纯净钢 ,前期脱磷处理时间为 14min , 脱磷率为 91 % ,成功地冶炼出总杂质含量 ≤0. 0072 %的 IF 钢。此外 ,宝钢还成功地开发出了非 金属夹杂物控制技术 ,能有效地降低和控制钢水 精炼前、中、后期的硫化物、氧化铝、硅酸盐含量 , 实现了对帘线钢夹杂物成分和形态的控制。 武钢开发的深脱碳、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 含量可控制在 0. 002 %以下 ,脱硫率达 90 %以上。 钢水碳含量最低为 0. 0009 %、氮含量最低为 010012 %、氧含量最低为 01001 %。该厂的产品已 供货一汽、二汽等多家汽车公司。 大冶特钢轴承钢总氧含量最低达 0. 0005 % 以下 ,试验用超低硫钢硫含量最低达 0. 0003 % ; 珠钢 150tEAF + LF 生产低碳钢硫含量最低达 0. 001 % ,其热轧薄板无各向异性 ; 兴澄特钢的 GCr15 轴承钢平均含氧量达 0. 000735 % ,最好时 达 0100043 %的水平。 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。 珠钢生产纯净钢的经验表明 ,可以采用 50 % 以上冷废钢代替 HBI 加生铁生产低残余元素钢 水 ,使 [ Cu ] < 0108 %、[ Cu + Ni + Cr + Mo ] < 0115 % ,以满足生产深冲钢板的要求。在电炉生 产中成功应用终点控制工艺 ,使电炉钢水 [ C ]、 [ P]和温度同时命中控制目标 (命中率为 96 %) , 也是珠钢纯净钢生产的重要经验之一。 2003 年 6 月 12 日 ,鞍钢新轧钢公司第一炼钢 厂精炼后的钢水有害元素 S、P、N、H、T. O 含量之 和达到 01006396 % ,是目前国内最好水平。 4 　结论 纯净钢生产是各种设备和工艺手段不断净 化、提纯优化的过程。单纯从技术上讲 ,在真空中 炼钢质量最好 ,或者重复若干次反复提纯 ,纯净度 也可以很高 ,但如考虑成本和市场因素 ,显然值得 商榷。 对于一个炼钢厂来说 ,纯净钢的生产要坚持 以市场为导向 ,以提高产品质量、提高市场竞争力 和生产拳头产品为目标 ,研究开发适合其自身特 点的纯净钢生产工艺 ,并努力提高纯净钢生产和 管理水平。 参考文献 1 　刘中柱. 纯净钢生产技术. 钢铁 ,2002 ,2. 64～69 2 　李正邦. 超纯净钢的新进展. 材料与冶金学报 ,2002 ,3. 161～ 165 3 　世界金属导报. 2002 年 1 月～2003 年 5 月 4 　朱立光. 河北理工学院学报. 2002. 5 5 　刘浏. 炉外精炼工艺技术的发展. 炼钢 ,2001. 4 6 　战东平等. 高纯净度管线钢中元素的作用与控制. 钢铁 ,2001. 6 7 　朱立新等. 宝钢纯净钢生产技术进展. 钢铁 ,2000. 11 8 　潘秀兰等. 纯净钢生产技术初探. 鞍钢技术 ,2002. 6 9 　余志祥等. 纯净钢的生产实践. 炼钢 ,2002. 3 10 　贾宝军等. 武钢管线钢生产情况及发展规划. 焊管 ,2001. 1 11 　李桂荣. 管线钢冶炼工艺特点. 特殊钢 ,2002. 5 12 　李茂林. 攀钢纯净钢生产实践与探讨. 钢铁钒钛 ,2001. 3 13 　2002 Steelmaking Conference Proceedings 14 　H. T. Tsai ,W. J . Sammon and D. E. Hazelton ,”Characterization and Countermeasures for Sliver Defects in Cold Rolled Products”, in Steelmaking Conf . Proc. Vol . 73 , Iron and Society ,Warrendale PA , 1990 ,49～59 (编辑 　许平静) 收稿日期 :2003 - 04 - 10 ·5·潘秀兰 郭艳玲 王艳红 　国内外纯净钢生产技术的新进展