洁净钢新技术与高品质钢的生产

BG-42

注：莱芜钢铁集团技术研发中心
1、洁净钢的基本内涵
      洁净钢的概念20世纪60年代出现欧洲，直到90年代末随着中国汽车工业、高层建筑、大型桥梁、工程机械的发展，用户对钢材要求的提高，国内企业开始研究洁净钢。但是，真正将洁净钢作为竞争战略来对待还是最近几年的事情，随着钢铁企业产能的提升，特别是能源、资源危机的出现，钢材的品质成为提升企业竞争力的重要手段，高附加值产品成为企业生存的关键。
      一般意义上的洁净钢（Clean steel）指对钢中非金属夹杂物（主要是氧化物、硫化物）进行严格控制的钢种，主要包括：钢中总氧含量低，非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀以及合适的夹杂物形状。而纯净钢（purity steel）是指除对钢中非金属夹杂物进行严格控制以外，钢中其他杂质元素含量也少的钢种。洁净钢不同于纯净钢，洁净钢更具有工业价值，它是针对特定的钢材和特定的服役环境来讨论的，不同钢种、不同用途的钢材洁净度要求存在差异，所以，洁净钢具有经济洁净度的概念。最近的观点是，洁净钢技术是一个钢铁企业竞争力的重要表征，是综合冶炼能力的表现，可以满足或超越用户的不同需求，因此，洁净钢更是“用户工程学”的概念。另外，在洁净钢研究过程中由于去除成本的限制，夹杂物、残余元素无害化概念被提出来，具有一定性能的夹杂物对钢材无害不必去除，某些微细夹杂物可以被用来强化钢的性能，残余元素可以被固化形成纳米析出物，从而达到析出强化的目的。
2、用户工程学———对洁净钢的再认识
      钢水洁净度的研究是一项综合技术，不是单一的品种开发，而是一个企业综合冶炼能力的提高。工艺参数的精确控制，也包括耐火材料、炉渣、保护渣、脱氧剂、中间包流场、精炼与连铸操作参数的优化，以及洁净度控制流程的修正，它是一个企业高附加值产品开发的基础。钢水洁净度没有国家标准，对于具体品种各个企业也不一样，它是满足甚至超出用户使用预期的结果，是“用户工程学”的概念，同事，企业控制钢水洁净度也不能不顾成本，所以，洁净钢又需要有经济洁净度的概念。
      研究洁净钢首先应该关注用户使用条件，研究钢材如何满足用户的特殊要求，从而又针对性的对钢水进行洁净度控制。对于钢材的耐点蚀疲劳寿命、耐海水（酸、碱）耐腐蚀性能、大线能量焊接性能、耐磨性能、低温冲击韧性、冲压成型性能、高速加工性能、涂镀性能、抗HIC性能等，不同的用户应用都又不同的具体要求。如用于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等钢板目前硫控制在80×10-6以下,有的企业达到了50×10-6以下；用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量＜10×10-6,夹杂物尺寸＜5μm;轴承钢中总氧量每低1×10-6,其寿命可提高10倍,目前轴承钢中总氧量最好水平为平均(4~6)×10-6,国内(5~9)×10-6;用于易拉罐的镀锡板要求总氧含量＜10×10-6，钢中Al2O3夹杂物＜10μm。生产汽车外板，要求钢中总氧含量＜20×10-6,且Al2O3夹杂物尺寸＜10μm.合理制定不同钢中的洁净度控制范围,既能满足甚至超越用户预期性能，又防止性能的浪费，达到经济洁净度的目的是洁净钢用户工程学的重要课题。
      洁净钢的生产水平是一个企业综合竞争能力的表现，研究洁净钢又是一个系统的复杂过程，基础研究非常重要。只有具有了洁净度的综合控制能力，再针对具体品种进行重点控制，高附加值产品才能快速生产。
3、高品质钢对洁净度的要求
     洁净钢是大幅度提高钢材强度、韧性和使用寿命的基础，使产品具备更好的深冲性、拉拔性、冷变形性；低温韧性以及更好的抗疲劳、抗氢致裂纹和应力腐蚀裂纹等耐久性能。近些年来随着冶炼技术的进步，钢的洁净度水平不断提高，以钢中C、P、S、N、H、O含量为例，1980年德国蒂森公司生产的钢上述杂质含量可去除到600×10-6,到90年代则可去处到100×10-6.韩国浦项可将P、S、O、N、H总量去除到80×10-6的水平。德国人预测，在今后几年中上述杂质含量可以达到一下水平（×10-6）：[C]≤20,[P]≤15,[S]≤5,[N]≤15,T[O]≤10,[H]≤0.7;总和为65.7×10-6.而日本人预测到21世纪,日本纯净钢的冶炼水平可达到(×10-6):[C]≤6,[P]≤2,[S]≤1,[N]≤14,T[O]≤5,[H]≤0.2;总量为28.2×10-6.
      近年来,国内也开展了洁净钢冶炼技术的开发研究。如宝钢曾开展超纯洁净钢冶炼的试验研究，冶炼出了P、S、O、N、H5大元素总量为80×10-6的超纯净钢;本钢与东北大学合作开发出了同一炉次中[C]+[N]+[P]+[S]+[O]=118×10-6的超纯净IF钢,所生产的IF钢单一元素最低含量控制为(×10-6):[C]=12,[N]=19,[P]=26,[S]=36,T[O]=18;所生产的X70管线钢最低硫含量达到3×10-6.国内鞍钢、武钢、马钢等企业也进行了大量的研究，获得了较好的洁净钢冶炼水平。
      除了降低钢中S、P、N、H、C、O等杂质元素外，对夹杂物含量、尺寸、形状也有要求，如用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量＜10×10-6,夹杂物尺寸＜5μm;优质宽厚板和管线钢连铸坯总氧含量要求＜1×10-6,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＜10×10-6,钢中Al2O3夹杂物＜10μm;生产汽车外板(05板、IF钢）要求钢中总氧含量＜20×10-6,且Al2O3夹杂物尺寸＜10μm.这几类钢材属高附加值产品，也是目前世界上生产难度很大的钢种，我国虽也开始生产，但其质量与世界水平相差甚大。
4、钢水洁净度的控制
4.1 洁净钢经济流程
       从成本控制来讨论，洁净度控制需要选择经济流程，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程序。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，基于铁水预处理的洁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。两种工艺均能生产低磷低硫的洁净钢。两种工艺相比各有优势，需要根据各厂的具体情况选用，前者不全量三脱预处理，温降小，热孙少，可提高废钢比，而且还可以低温出钢，但终点磷含量较高；后者克服了生产低磷钢中的一些困难，可以通过减少总渣量降低成本，提高产量，但预处理时热损失大，限制了废钢比，若生产超低磷钢的钢种可选择后者工艺路线。另外，还有一种转炉双联法工艺，工艺流程为高炉铁水——铁水脱硫预处理——转炉脱碳渣用于另一座转炉脱磷——转炉定温脱碳——二次精炼——连铸。由于双联法降低了钢铁料消耗、石灰消耗，所以，成本降低。“双联法”适于大量经济地生产洁净钢。
4.2 夹杂物控制
      钢的二次精炼可显著提高钢的纯净度，二次精炼方法有很多种，但目前最常见的是RH和LF。RH精炼法已从当初的真空脱气为主，发展成了可进行真空吹氧脱碳、喷粉或加顶渣脱硫并进行成分微调的多功能精炼设备，在国内外得到了广泛应用，已成为生产超低碳钢和洁净钢的主要手段。LF由于具有电弧加热、炉渣精炼、吹氩搅拌和气氛可控的特点，可有效的脱硫、脱氧、去除钢中夹杂物以及精确控制成分和温度，是生产洁净钢的有效方法。连铸中间包冶金可进一步提高钢的洁净度，其主要手段包括中间包流动控制、吹氩、加热及温度控制等。在浇注过程中采用长水口、浸入式水口及气体保护，良好的结晶器保护渣，结晶器钢水流动控制，结晶器、二冷段及凝固末端的电磁搅拌均是改善钢的质量的措施。
      夹杂物从来源上可分为内生夹杂喝外来夹杂，内生夹杂是由于溶解于钢水中的氧与加入到钢夜中的脱氧元素反应形成的，其尺寸在几十微米至几百微米之间，但它们也有可能聚合成簇状物或宏观夹杂。外来夹杂主要是由于钢夜与空气、氧化渣合成渣和耐火材料接触而引起的二次氧化以及炉渣、保护渣、耐材的卷入，其尺寸可达1mm。由于外来夹杂通常是在钢液脱氧、脱氧产物去除之后，钢液运到结晶器前产生的，因此，它们被除去的机会相对要少得多，最终会引起严重的生产事故和质量问题。由于夹杂物密度与钢水密度不同，当夹杂物随钢液流动时，有上浮的趋势。当夹杂物浮到熔池上表面时，就有可能被从钢水中去除；同时，当夹杂物与上表面渣碰撞时，有些夹杂物也会重新返回到钢水中，而且在靠近容器壁边界层存在着速度梯度和浮力，会加速夹杂物向壁移动，从而有可能被包壁吸附。此外，在钢液中夹杂物通过碰撞（布朗碰撞，斯托克斯碰撞喝湍流碰撞）聚合长大而上浮。因此，通过控制钢液流动来去除夹杂物及防止从钢包到结晶器的各个环节的钢水二次氧化、卷渣非常重要。
4.3 洁净钢的二次污染
      洁净钢还要防止钢水的二次污染。解决连铸过程中增[C]问题的常用方法是，采用无碳钢包衬砖、无碳长水口、极低碳钢包覆盖剂、极低碳中包渣，无碳浸入式水口、镁钙质涂料、超低碳结晶器保护渣等措施。这些材料的应用，RH精炼后到铸坯的增[C]量平均在3×10-6左右，可满足要求.
      洁净钢一般[N]≤40×10-6,高级别钢一般[N]≤60×10-6.在连铸过程主要任务是尽可能少增[N]。连铸增[N]不仅是影响钢水成分，也是连铸保护浇铸水平的一个重要指标。初期中间包增[N]量较大，统计结果显示该工序平均增[N]913~15)×10-6.连铸增[N]的原因是由于钢水与空气接触造成的，在连铸过程中，钢水与空气的接触机会主要是在以下3个过程中：钢水从钢包进入中包的过程；钢水在中间包内；钢水从中间包进入结晶器的过程。为了减低连铸过程的增[N]量，分别对这3个过程相应地采取一些措施后表明：从RH精炼后到成品铸坯的平均增[N]量为5×10-6左右，成品[N]含量可以控制在40×10-6以内.

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5、洁净钢新技术及其基础研究
      应用经济的方法提高钢水洁净度，还需要冶金技术的重大突破。目前，关于洁净钢方面新的冶金技术不断涌现。
5.1 夹杂物碰撞长大机理的基础研究
      运用冶金学、流体力学、冶金反应工程学的理论喝知识及现代数值计算理论，在利用物理模型研究气泡行为、气泡与夹杂物碰撞、本体流动对夹杂物行为影响基础上，采用数学模拟（计算机模拟）研究精炼钢包（包括抽真空）、连铸中间包喝结晶器内夹杂物行为以及研究气泡的尺寸、数量、运动与夹杂物行为之间的定量关系，它们在精炼钢包、连铸中间包喝结晶器中的不同特点是制定有效去除夹杂物技术措施的基础与关键，为夹杂物有效控制和新技术研究提供直到和理论依据，同时也确立夹杂物描述的合理方法。目前，国内外研究者对夹杂物的来源、碰撞机理、运动、去除、脱氧条件对夹杂物的影响等方面研究，取得了一批研究成果。
      在夹杂物碰撞机理方面，虽然对斯托克斯碰撞、布朗碰撞以及湍流碰撞的几种方式进行了描述，但对于实际精炼与连铸不同容器如钢包、中间包、结晶器内的主要碰撞方式还没有明确阐述。
5.2 夹杂物在线快速分析技术
      前的夹杂物分析不论是精炼、连铸中间包还是连铸坯，最终产品都是离线电解或显微分析，分析周期长，对夹杂物无法及时控制，容易造成质量损失。进行钢水成材以前的纯净度控制，在精炼或中间包进行在线夹杂物检测，将对洁净钢的研究产生影响。
      根据麦克斯韦尔原理，导电流体内悬浮着非导电夹杂物。将一侧壁打孔的绝缘材质取样管插入被测导电液体中，若小孔内充满电场，且各点均有一定的电位，则此时的小孔区成为电敏感区。当有一个绝缘粒子通过电敏感区（孔径为D）时，会影响电敏感区内电场分布，改变电敏感区的电性质。若导电液体电阻率远小于粒子的电阻率，则最终会导致电敏感区内电阻值升高。在有电流通过的情况下，这种电阻的变化表现为连续的电压脉冲，该脉冲变化的幅度与非导电微粒的体积及小孔孔径有关。当小孔孔径确定时，脉冲变化的幅度就与非导电微粒的体积有一定的比例关系；脉冲变化的宽度与非导电微粒在导电液体中运动的速度及取样管壁厚有关：脉冲个数等于通过电敏感区的粒子数。可见，通过适当检测方法获取电压脉冲，进行分析后便可间接得到夹杂物颗粒的粒径信息。
5.3 镁脱氧与夹杂物变性技术
      非金属夹杂的变性处理就是向钢液喷入某些固体溶剂，即变性剂，如硅钙、稀土合金等，改变存在于钢液中的非金属夹杂物的性质，达到消除或减小它们对钢性质的不利影响，以及改善钢液的可浇注性，保证连铸工艺操作顺利进行。一是通过增加钢中有效钙含量，使大颗粒Al2O3夹杂物变性成低熔点复合夹杂物，促进夹杂物上浮，净化钢水；二是在钢水凝固过程中提前形成的高熔点CaS质点，可以抑制钢水在此过程中生成MnS的总量和聚集程度，并把MnS部分或全部改性成CaS，即形成细小、单一的CaS相或CaS与MnS的复合相。
      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，可提高产品的韧性和加工性能。
      铝作为炼钢中最常见的脱氧剂，其脱氧能力和细化晶粒的作用已为人们所共识。但铝脱氧产生大量细小、难熔的Al2O3夹杂，不易上浮排出，在浇铸时易产生水口结瘤，造成钢液连浇中断。和铝一样，在炼钢温度下，镁也能溶于钢液中，镁与氧、硫都有很强的亲和力，脱氧脱硫产物为氧化镁、硫化镁。欲将非金属夹杂物控制在塑性夹杂物成分区内，必须对夹杂物的成分进行调整控制，掌握这些成分与钢液中[Mg]、[Al]、[Ca]、[O]等元素含量之间的影响关系以及获得合理夹杂物成分所须采用的炉渣成分、精炼工艺参数等。研究人员对镁在冶炼纯净刚中的应用进行了理论探索，得出镁有比铝强得多的脱氧能力，镁能够将钢水中氧含量降到很低的水平，同时得出镁脱氧产生的MgO有很强的扩大CaO—SiO2—Al2O3三元系相图中低熔点区域的能力，使得由CaO、SiO2和Al2O3组成的非金属夹杂物生成低熔点的非结晶相的概率大大增加。
5.4 氮作为合金的基础研究
      氮对钢材的危害是：1）加重钢材时效；2）降低钢材冷加工性能；3）使焊接热影响区脆化。所以，对一般钢种而言，刚中氮超过一定限度就认为是有害成分（高氮钢除外）。当钢中氮超过熔融条件下的平衡溶解度时，这些钢成为超高氮钢。不锈钢中氮合金化的影响是双重的，氮像碳一样以间隙形式强化奥氏体，但不像碳会导致晶间碳化物析出，这是在奥氏体及双相不锈钢中应用氮作为奥氏体稳定剂的原因之一。此外，氮还有其他优点，使得高氮合金的使用比其他合金更为有利，这些优点是：1）屈服强度、抗拉强度高和延展性好；2）具备高强度与高断裂韧性；3）高应变硬化潜力；4）阻止形成变形诱导马氏体；5）低磁导率；6）良好的耐腐蚀性能。氮在提高钢的强度、断裂韧性、耐磨性、磁性及耐腐蚀性等方面具有特别的优势，含氮钢具有极好的力学性能和耐腐蚀性能的理论基础在于氮元素加强了钢的金属键。
5.5 脱氧体技术基础研究
      固体电解质脱氧体脱氧新方法亦属电化学脱氧，它以氧离子传导的固体电解质和高温电子导电材料构成脱氧体，脱氧体内装有液态脱氧剂。当脱氧体浸入钢液后，根据电化学原理，钢液中的氧在氧位差的推动下将通过固体电解质进入脱氧体内，与脱氧剂反应，使钢液脱氧。
      用固体电解质脱氧体对钢液脱氧是一个快速高效的脱氧过程。由于钢液温度较高，导致金属液中氧传质速度加快和固体电解质氧离子电导率增大，都可使脱氧速度增大。对金属中夹杂物的检测结果表明，脱氧体的脱氧产物和脱氧剂都不会对金属造成污染。
6、结论      洁净钢是一项综合冶炼技术，具有成本的限制，具有用户工程学的概念，同事，洁净钢是现代钢铁企业生存与发展的关键技术，是生产高附加值产品的基础。随着社会的发展，新技术的涌现，钢水的洁净度还会提高。

[ 本帖最后由 BG-42 于 2009-5-18 15:45 编辑 ]

BG-42

累，打字打了三个小时~
补充：IF钢的概念
      IF钢，全称Interstitial-Free Steel，即无间隙原子钢，有时也称超低碳钢，具有极优异的深冲性能，现在伸长率和r值可达50%和2.0以上，在汽车工业上得到了广泛应用。
      IF钢在1949年首次被研制成功，其基本原理是在钢中加入一定比例的Ti，使钢中固溶C和N的含量降到0.01%以下，使铁素体得到深层次的净化，从而得到良好的深冲性能。但由于受到当时冶炼技术的限制，钢中原始的固溶C、N含量较高，所以需要加入的Ti含量也很高，达到了0.25-0.35%，Ti是一种价格非常昂贵的稀有合金元素，在当时更是如此，因而阻止了其当时的商业化进程。直到1967-1970，由于真空脱气技术在冶金生产中的应用，大大减少了需要添加的Ti合金元素含量(大约为0.15%左右)才正式出现了商用的IF钢，几乎在同时，人们也发现了Nb具有和Ti几乎相同的作用，但还是受到价格因素的制约，其应用也只限于少量特殊的零件。20世纪70年代在日本开始用连退线生产少量的IF钢，70年代末，IF钢成分大致为：0.005-0.01%C、0.003%N、0.15%Ti或Nb。到20世纪80年代，冶炼技术进一步发展，采用改进的RH处理可经济的生产C≤0.002%的超低碳钢，RH处理时间也缩短到10-20min。现代IF钢的成分大致为：C≤0.005%、N≤0.003%，Ti或Nb一般约0.05%。到1994年全世界IF钢的产量超过了1000万吨。归根到底，IF钢的迅速发展来自于市场需求的急剧增加和生产成本的降低。

[ 本帖最后由 BG-42 于 2009-5-18 18:05 编辑 ]

zat

支持，虽然明显看不懂，不过支持楼主的为刀友造福的精神！

420359591

呵呵   好东西   帮顶了

新玛

学习了，记不住

yc7731

不错的原创贴子,需要的就是这,楼主加油