純凈鋼生產技術開發(fā)現狀

純凈鋼生產技術開發(fā)現狀09冶金4班 孫晨光 7摘要 本文簡述了國內外先進煉鋼廠的純凈鋼生產技術現狀，以及生產過程中雜質元素的控制技術的發(fā)展。關鍵詞 純凈鋼 精煉技術 雜質元素去除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 隨著科學技術的進步，各行各業(yè)對鋼材性能和質量的要求越來越高。純凈鋼的市場需求不斷增加，關于純凈鋼生產技術的研究也越來越深入。其中包括兩方面內容：一是提高鋼的純凈度，二是嚴格控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態(tài)。前者是純凈鋼研究的主要任務，只有大幅度降低鋼中雜質元素的含量，才能有效地控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態(tài)。也就是說，對于鋼性能的要求不同，純凈度所要求的控制因素也不同。2、純凈鋼的概念 關于純凈鋼或潔凈鋼的概念，目前國內外尚無統一的定義，但一般都認為潔凈鋼是指對鋼中非金屬夾雜物進行嚴格控制的鋼種，這主要包括：鋼中總氧含量低，非金屬夾雜物少、尺寸小、分布均勻、脆性夾雜物少以及合適的夾雜物形狀。而純凈鋼則是指除對鋼中非金屬夾雜物進行嚴格控制以外，鋼鋼中其它雜質元素含量也少的鋼種。鋼中的雜質元素一般是指C、S 、P、N 、H、O, 1962 年Kiessling把鋼中微量元素( Pb、As、S b、Bi、Cu、Sn) 也包括在雜質元素之列 1 , 這主要是因為煉鋼過程中上述微量元素難以去除, 隨著廢鋼的不斷返回利用, 這些微量元素在鋼中不斷富集, 因而其有害作用日益突出。理論研究和生產實踐都證明鋼材的純凈度越高, 其性能越好, 使用壽命也越長。鋼中雜質含量降低到一定水平, 鋼材的性能將發(fā)生質變。如鋼中碳含量從4010- 6降低到2010- 6 , 深沖鋼的伸長率可增加7 %。提高鋼的純凈度還可以賦予鋼新的性能 ( 如提高耐磨腐蝕性等) , 因此純凈鋼已成為生產各種用于苛刻條件下高附加值產品的基礎, 其生產具有巨大的社會經濟效益。需要指出的是對不同鋼種其中的雜質元素的種類是不同的, 如硫在一般鋼中都視為雜質元素, 但在易切削鋼中其為有益元素; IF 鋼中氮是雜質元素,但在不銹鋼中氮可以代替一部分鎳和其它貴重合金元素, 其固溶強化和彌散強化作用可提高鋼的強度?？梢钥闯?雜質元素的界定取決于人們對鋼中溶質元素所起作用的認識, 以及不同鋼種在不同用途中所希望的是利用其作用還是避免其作用。不同鋼種對鋼的純度和清潔度的要求是不一樣的。如汽車板有較高的溶質元素水平C、N的要求,但其容許的最大夾雜物尺寸卻是100Lm;而顯象管陰罩用鋼則要求夾雜物尺寸小于5Lm,這主要因鋼的使用條件和級別而異。3、純凈鋼生產技術純凈鋼的生產主要集中在兩方面:(1)盡量減少鋼中雜質元素的含量;(2)嚴格控制鋼中的夾雜物,包括夾雜物的數量、尺寸、分布、形狀、類型。減少鋼中溶質元素的含量主要在各種鐵水預處理以及二次精煉設備中營造最佳去除的熱力學和動力學條件來實現,鋼中夾雜物的控制主要是減少其生成、對其進行改性、促其上浮。通常純凈鋼生產工藝包括以下幾部分:鐵水預處理,轉爐復吹,出鋼擋渣、扒渣、對爐渣改性,二次精煉(真空、吹氣、加熱、造渣)、全程保護澆鑄、中間包冶金、結晶器冶金及采取各種促使夾雜物去除的措施等。以下將針對具體元素的去除和控制進行分述。3.1、碳的去除碳的去除鋼中碳對鋼的性能影響最大, 碳含量高能增加鋼的強度, 但使塑性下降、沖壓性能變壞。因此一般優(yōu)質深沖型鋁鎮(zhèn)靜鋼要求 C 0. 05 %、I F 鋼要求 C 0. 007 % 。鋼中碳的控制主要集中于兩點: 爐外精煉使鋼中碳達到極低水平、防止連鑄過程增碳。80 年代以來國際上應用最多的真空精煉裝置是RH、VOD、VD, 其中VOD 主要用于超低碳不銹鋼的精煉, RH 與VD 相比, 因其真空室較高, 適合于精煉超低碳鋼時鋼水的劇烈沸騰, 并且RH 采用大氬氣量大循環(huán)時, 可在短時間內將氫脫至1 10- 6 , 因此RH 更適合于超低碳深沖鋼、鍍層鋼板的生產。RH 真空處理過程中控制脫碳主要有以下兩個因素: ( 1) 鋼液環(huán)流量( 為浸入管直徑的函數) ; ( 2) 從真空室中提取 C 的速率( 為真空室橫截面積及攪拌能的函數) 。據報道日本住友金屬工業(yè)公司采用VODPB 噴吹氧化粉劑法, 可將碳降至310- 6, 其缺點是隨著脫碳反應的進行, 鋼中氧含量會逐漸增多 2 。3.2、硫的去除眾所周知脫硫的熱力學條件是高溫、高堿度、低的氧化性,因此脫硫應注意以下三點:金屬液和渣中氧含量要低、使用高硫容量的堿性渣、鋼渣要混合均勻。鐵水預處理可以深度脫硫,也可以部分脫磷。目前廣泛采用在鐵水包或魚雷罐中喂線、噴粉的鐵水預處理方法,新投產的設備中機械攪拌法(KR脫硫法)已很少采用。噴粉可以造就良好的動力學條件,極大擴展反應界面。所噴粉狀脫硫劑主要組成舉例如下: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所喂包芯線的主要組成為:100%鎂粉或70%鎂粉+30%鈣粉。采用上述方法可將鐵水中硫含量從0.04%0.02%脫至0. 008 %0.002%水平。經鐵水預處理后的鐵水兌入轉爐前需仔細扒渣,轉爐應使用低硫返回廢鋼并采用復合吹煉,盡量減少廢鋼和熔劑造成的回硫。目前國外鋼廠出鋼過程中對爐渣進行改性十分活躍,這主要是出于降低爐渣的氧化性和進一步脫硫的綜合考慮。通常在出鋼過程中添加石灰粉80%、螢石10%、鋁粉10%和罐裝碳化鈣進行鋼液脫硫,控制鋼包渣中FeO1.5%,可使出鋼脫硫達34 %3。有的廠家還進行底吹氬攪拌,可使S3010- 6。3.3 磷的去除脫磷的熱力學條件是低溫、高堿度、高的氧化性,目前磷的去除主要也是在鐵水預處理、轉爐或電爐精煉期、二次精煉三個階段進行。鐵水脫磷必須先脫硅,在高爐出鐵流溝及鐵水包投放脫硅劑可將鐵水中硅脫到0.2%。英國鋼鐵公司Llanwen廠和Tecesside 廠 4 建議生產低磷鋼最好使用Si為0.3%的鐵水,兩廠采用堿性轉爐吹煉,用石灰代替白云石,使用硅含量很低的鐵水,并保持良好的攪拌,可使P由鐵水中(720870)10- 6下降到(8090)10- 6。川崎發(fā)明的SRP 法使用轉爐進行預脫磷,其脫碳爐中產生的爐渣作為脫磷劑返回脫磷爐中,采用兩座轉爐同時作業(yè)的目的是避免回磷。在脫磷爐中磷在10min內脫到0.011 %,同時可熔化7%的廢鋼,其后在脫碳爐中很容易生產出小于0.010%的超低磷鋼水。此外,低溫不脫氧出鋼,有助于脫磷,也可防止吸氮。3.4 氮的去除鋼中氮的去除比較困難,目前主要依靠轉爐脫氮,在澆注過程中防止吸氮。在最近的報道中,鐵水脫氮和二次精煉脫氮已有所進展。鐵水氮含量是影響鋼水終點氮含量的重要因素,低氮鐵水主要靠高爐的順行來獲得,高溫、高鈦、高錳、高硅均有助于減少鐵水氮含量。3.5 氫的去除以前主要在煉鋼初期通過CO激烈沸騰得到,自真空處理技術出現以后鋼中氫已可穩(wěn)定控制在210- 6以下。嚴格杜絕各工序造渣劑、合金料、覆蓋劑以及耐材的潮濕,避免碳氫化合物、空氣與鋼水接觸,都有助于降低鋼中氫的含量。3.6 氧的去除及夾雜物的控制鋼中氧的復雜性在于鋼水冷卻凝固過程中因氧的溶解度降低將進一步生成脫氧產物,鋼水在澆注過程中會因為二次氧化而與大氣、爐渣、耐材發(fā)生氧化反應形成大顆粒夾雜物。鋼中夾雜物的數量、尺寸、分布、形狀、類型都將對鋼材的性能產生很大的影響。對于鋼中氧的去除有如下重要因素:(1)減少所生成的夾雜物數量,控制所生成夾雜物的性質;（2)創(chuàng)造良好的條件促使夾雜物去除;(3)控制爐渣成分使其更有利于吸收夾雜;(4)防止鋼水被大氣、爐渣、耐材氧化等。減少所生成夾雜物的數量首先必須降低轉爐終點氧含量,合理的吹煉制度特別是減少補吹有助于降低終點鋼水氧含量。鋼包渣中FeO+MnO含量與鋼水中氧含量有正比關系, 因而減少出鋼下渣量很重要,廣泛采用擋渣帽+擋渣球的擋渣方法,也有采用氣動擋渣、多棱錐擋渣等方法的報道,提高轉爐終渣(MgO)含量和堿度也有利于減少下渣。鋼中的脆性夾雜物是造成很多鋼種出現缺陷的原因,如輪胎子午線的冷拔斷裂,汽車板表面美容的損壞等,同時脆性Al2O3夾雜也是引起澆注過程中水口堵塞的主要原因。4、結論純凈鋼的生產是一項系統工程,首先需要確定使用者所要求達到的性能,其后需要在生產和科研中積累鋼中雜質和性能、缺陷之間的關系,進而提出生產過程中的控制目標。純凈鋼不僅是一個技術問題,它首先是一個經濟問題,高的純凈度往往意味著高的代價。在制定生產工藝過程中希望造就最佳的熱力學和動力學條件,但需要對各雜質元素的去除進行綜合考慮,所營造的條件往往是一種妥協方案。在我國,純凈鋼的生產剛剛起步,隨著社會的發(fā)展,對各種優(yōu)良性能鋼材的需求會越來越大,同時我國加入世界貿易組織的可能性也越來越大,發(fā)展純凈鋼生產高附加值產品增強國際競爭力是各鋼廠當務之急。參考文獻1、李正邦，超純凈鋼的新進展。材料與冶金學報，2002,32、朱立新等，寶鋼純凈鋼生產技術發(fā)展.鋼鐵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. 英國鋼鐵公司堿性氧氣轉爐冶煉低磷鋼. 煉鋼與連鑄, 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、歐洲鋼鐵冶金的進展. 鋼鐵, 1991, 20( 2) : 7078.8、崔蘋. RH-PB 熔煉極低硫鋼的技術. 世界金屬導報, 1999, 6, 1.9、肖英龍, 張化義. 川崎鋼鐵公司開發(fā)新鋼水脫氮技術. 世界金屬導報, 1998, 4, 14.10、Fukuzaki Y. P