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1、纯净钢的生产工艺和应用由于更广义的纯净钢是脱除了不希望有的溶质元素的钢种，本文首先总结了这类代表性钢种要求的这类溶质元素的含量及其生产流程。然而本文重点是有害氧化物夹杂的纯净化。纯净钢生产工艺的基础理念是控制夹杂物的数量、尺寸、分布和种类，求得所希望的产品性能。主要技术来自氧气冶炼，脱氧和二次精炼，通过合理设计和采用磁场控制中间包和结晶器内流场，也采用各种措施防止外来夹杂，如防止炉渣进入大包，防止炉渣、保护渣、耐火材料使钢水二次氧化。然后根据 IISI 的纯净钢工作小组最近的报告总结了世界纯净钢生产的概况。最后讨论了纯净钢的特性、使用效果和钢中夹杂物物化性能的关系和经济可行性。 广义的纯净钢也
2、包括脱除了碳、氮、氢、磷和硫的钢种。表 1 列举了各类纯净钢中这些元素的含量要求及其生产流程。脱氧产物是内在氧化物。来自耐火材料、炉渣、保护渣及由它们造成的二次氧化产物属外来夹杂物。这些夹杂物的不良作用必须消除，以求所需的钢材性能。 1 纯净钢生产工艺的基础理念 为了达到钢材性能，可以用氧含量代表的氧化物夹杂总量和夹杂物的尺寸必须控制，这种情况总结在表 2 中。轴承钢和弹簧钢的总氧含量影响其疲劳寿命。在 DI 罐生产过程中，大颗粒夹杂会造成开裂，降低深冲性。汽车板生产过程中，板坯的皮下夹杂物和针孔必须消除，不然会在板材表面造成起皮。对钢丝的拔制性讲，生产轮胎钢丝（子午线）或不锈钢钢丝的小方坯中
3、夹杂物必须控制其化学成分使其可以变形。这些就是纯净钢生产工艺的基础理念。 2 纯净钢生产的主要技术和应用这些技术后纯净钢的物化特性 21 降低氧化物夹杂总量 在精炼领域，与顶吹相比，采用顶底复吹转炉在相同脱碳量时氧含量更低。这是因为底吹强化了碳的传输。采用 RH 和 DH 真空脱气，在相同碳含量时可降低氧含量。可用无渣出钢和钢水脱氧后用铝或铝粒降低炉渣的氧位，尽量减少大包内顶渣造成的二次氧化。连铸方面用电磁方法 AMEPA，在大包钢渣开始进入中间包时就检测出来并关闭塞棒就可减少钢渣进入中间包的量。在中间包上采用保护措施可减少顶渣造成的二次氧化。中间包和结晶器保护渣应防止钢水与空气直接接触。 2
4、2 减少大颗粒夹杂 如 60t 的大容量中间包和 H 形中间包，前者可促进大颗粒夹杂长时间逗留，而后者则在浅熔池情况下使夹杂物向顶渣上浮而被除去。直弯型连铸机与弧型相比也更有利于大颗粒夹杂在结晶器内脱除。在板坯厚度方向上采用静态磁场，即所谓 LMF（液面磁场） ，使浸入式水口两个孔的钢流出口速度下降，结晶器窄面的下降钢流减弱，使下降钢流的终点位于更浅的位置，结果使大颗粒夹杂上浮至洁净器顶渣的几率增加，不然就会造成内部缺陷。控制结晶器液面，选择最佳的结晶器保护渣和控制结晶器内流场可最大程度减少结晶器保护渣的卷入。 23 降低板坯表面及皮下夹杂物 采用结晶器电磁搅拌(EMS)就感应形成平行于板坯表
5、面的水平钢流。这种钢流向夹杂物施加 Safman力，使夹杂物与生长的初始坯壳分离。当粘性拉力与Safman 力共同作用，最终使夹杂物速度大于初始坯壳的生长速度时，夹杂物就不可能为生长的坯壳所捕获，即 EMS 感生的钢流把夹杂物洗刷出去了。直径 100m 的夹杂物可用速度为 03ms 的水平钢流洗刷掉。 在电磁连铸中（EMC） ，在结晶器外水平绕一线圈，并通以交流电。垂直磁场和铸件内感生的水平方向的次级电流相互作用产生的劳伦兹(Lorenz)力即使交流电流方向改变也总是向内的。这样，对初始坯壳总形成一个束紧的力，并支撑着坯壳，初始坯壳与结晶器表面间的间隙就增大，从结晶器吸收的热量下降，实现了缓冷
6、。由于较低的冷却速度，初始坯壳不会在弯月面上形成，因结晶器振动而产生的结晶器坯壳间隙的压力波动就因间隙增大而减小。结果就可防止生成振痕和钩痕，从而也防止了钩痕卷入夹杂物和气泡。用 EMC 可大大减少板坯表面 10mm 深度内的夹杂物数量。这是 JRCM 电磁连铸项目的研究成果之一。对 22 和 23 提到的中间包和结晶器流场控制以去除夹杂物来讲，计算电磁流体动力学研究是必不可少的。 24 控制夹杂物化学成分 耦合析出模型分析凝固微观偏析时考虑了溶质向固体的反向扩散。假设剩下的液体内达到局部热力学平衡，包括夹杂物的析出。这个模型可模拟凝固时夹杂物化学成分的变化，曾用于控制表 3 的奥氏体不锈钢的
7、氧化物夹杂。 当固体分数为 05 时，代表钢中氧含量的氧化铝、氧化硅含量计算值与观察结果很好相符。两种结果都指出，当钢中总氧量从 40ppm 增至 80ppm 时，氧化铝含量急速下降而氧化硅含量大大增加。在总氧量为 40ppm 的钢中，即使在高温下，夹杂物中大都是坚硬的结晶相，为氧化铝和 MgOAl2O3 尖晶石，这些夹杂物是不能变形的。而在总氧量为 80ppm 的钢中，在 1200时液态相占夹杂物的 80，这些夹杂物被认为是可以变形的。根据这一发现，成功地开发了一种可拔丝的奥氏体不锈钢。对轮胎钢丝也作了类似的分析。对控制夹杂物化学成分来说，计算热力学是很有用的。 3 世界纯净钢生产概况 国际
8、钢铁协会组成了一个纯净钢工作组并提出了工作报告。该报告也着重于氧化物夹杂，并提出了与上述有关纯净钢准则很相似的观点。结论是使用中要求纯净度很高的钢种是超低碳钢（ULC） 、低碳钢（LC） 、管线钢和高碳长材（HighClong） 。对每一钢种都静态研究了有害夹杂物的尺寸范围和有害夹杂物的来源，并提出了报告。对每一钢种也总结了冶金流程、炼钢过程、二次冶金、连铸、连铸机型、模铸、浇注速度和控制大包下渣。 其要点如下：关于冶金流程，对 ULC 钢，RH是主要流程，但只有不到 30的 LC 钢是真空处理的。对于连铸，尤其对 ULC 钢，连铸机垂直部分具有分离夹杂物的最有利条件。大包中间包和中间包结晶器
9、之间的保护要严格，以防止注流二次氧化。中间包和结晶器内钢水液面上的渣层也要防止二次氧化。为防止大包下渣至中间包，开发了电磁系统，并已广泛应用。板坯连铸机一般用容量为 4060t 的大型中间包。结论是，主要问题是如何控制过程和标明不稳定状态的条件以区分铸坯的缺陷部分。 4 纯净钢的特性和应用结果 氧含量从 20ppm 降至 10ppm 以下可把滚珠轴承钢的疲劳寿命提高一个数量级。钢中平均夹杂物厚度从 20m 降至 10m，宽度从 50m 降至 40m 可把极限折边率从 2提高至 7。 5 经济可行性 考虑向用户提供解决方案方面的产品性能，使产品生产成本下降，最终成品价格合理才具有经济可行性。 表
10、 1 不同钢材要求的溶质元素净化程度及生产流程 元素 生产流程 含量 产品 C 顶底复吹RH C20ppm 深冲钢板 顶底复吹RH P20ppm 合金钢，压力容器钢 P 铁水预处理顶底复吹PIRHPI P20ppm 抗氢致裂纹钢 S 铁水预处理顶底复吹RH S20ppm 优质管线钢 铁水预处理顶底复吹PIRHPI S20ppm 抗氢致裂纹钢 N 顶底复吹RH N20ppm 连续退火钢 O 铁水预处理顶底复吹LFRH O20ppm 轴承钢 注：PI喷粉，LF钢包炉。 表 2 对夹杂物的要求 钢材形状 最终产品 要求性能要求夹杂物尺寸 薄板 DI 罐 抗边裂 很小深冲板 r1.82.0 小阴罩 光刻缺陷少 非常小 引线框架 成型性好 非常小 中板 用于酸性气氛 抗氢致裂纹控制形状 表 3 奥氏体不锈钢化学成分 Cr Ni C Si Mn Al O Mo Ca Mg 18.3 10.35 0.02 0.5 1.1 0.00150.003 00.00400.0150 0.01 0.0005 0.0004
