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1、纯净钢及二次精炼纯净钢及二次精炼前言纯净钢或洁净钢概论炉外精炼发展过程钢中夹杂物控制原理连铸坯中夹杂物来源与分布洁净钢生产的控制对策一、前言 近二十年来国际钢铁界认为最成功的两个生产流程是： 1）从矿石开始的高炉冶炼铁水预处理转炉吹炼二次精炼连铸连轧长流程； 2）从废钢为原料的电炉熔炼二次精炼连铸连轧短流程。转炉仅起到铁水脱碳和提温的作用；电炉操作也只有熔化期，主要完成废钢熔化及钢水提温的要求。 结果：有了二次精炼，使钢的纯净度不断提高,满足连铸要求;更重要的是容易与连铸-连轧匹配。 通过二次精炼，转炉和电炉失去了原有炼钢功能：二、纯净钢和洁净钢概论纯净钢的由来 1962年,英国钢铁协会首先以
2、纯净钢为主题举行了学术会议。 纯净钢的提出，一方面反映了人们始终没有放弃过提高钢质量的奋斗；同时也是市场竞争的结果。纯净钢的由来H、P、O、S 1） H产生白点，真空冶金技术可解决； 2） P一般钢种要求小于0.035%； 3） O以溶解和化合物的形式存在，形成复杂的氧化物，对钢质量影响大； 4）S与O一样，最终也是硫化物的形式存在。钢是合金基体与非金属夹杂物构成的复合材料钢是合金基体与非金属夹杂物构成的复合材料。纯净钢的由来N 1）作合金用，提高钢的强度，起碳的作用，如低合金高强度钢和铁素体合金钢；）对其它钢种，又提出了超低氮的纯度要求。纯净钢的由来痕量残余元素（Pb、As、Sb、Bi、Cu
3、、Sn）特点：）含量少，小于0.01%，一般不检测；）一般的氧化和还原不能排除去；）作为废钢返回利用，不断富积，从而影响钢质量。纯净钢的由来C 钢是铁碳合金；但C在不锈钢是有害元素；在汽车用的IF钢和电工钢中也是有害元素。纯净钢和洁净钢概念 关于纯净钢(purity steel)或洁净钢(clean steel)的概念,目前国内外尚无统一的定义,但一般都认为洁净钢是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,这主要包括:钢中总氧含量低,非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。只有那些尺寸大于“临界值”的夹杂物才起重要作用，凡是只存在尺寸小于临
4、界值的夹杂物的钢，就认为是洁洁净净钢钢。而纯净钢则是指除对钢中非金属夹杂物进行严格控制以外,钢中其它杂质元素含量也少的钢种，如铜、砷、铅、锌、锑等。纯净钢（纯净钢（purity steel）S+P+N+O+H总合水平：60年代 900ppm70年代 800ppm80年代 600ppm90年代 100ppm2000年 50ppm纯净钢（纯净钢（purity steel）高纯净钢对炼钢工艺要求：高纯净钢对炼钢工艺要求：（1 1）去除杂质元素）去除杂质元素 超低C： 如汽车板； 超低S： 如输气管线； 超低N： 如铁素体不锈钢管，冷锻线棒材； 超低P： 如高压容器钢板。（2 2）去除夹杂物）去除夹杂
5、物 超低O： 如滚珠钢，汽车板； 形态控制：如拉拔钢丝，管线钢。（3 3）成分控制）成分控制 化学成分控制在窄的范围，性能均一性。滚珠轴承钢的纯净度要求1)接触疲劳破坏特征:表面凹坑,，“麻点”；2)非金属夹杂物对接触疲劳的破坏作用：3) 轴承钢当O从30PPm降到15PPm时，其疲劳寿命提高5倍；降到10PPm时，提高15倍；而降到5PPm时，提高30倍；4)3）其他影响因素：粗大的碳化物和杂质元素，如TiN、Cu、H、P等。 非金属夹杂物的平均线膨胀系数（）夹杂物106-1夹杂物106-1TiN9.4（0700)MgOAl2O38.4（0700)MnS18.1（0700)CaO2Al2O3
6、5.0（0850)Al2O38.0（0700)CaS14.7（0850)Cr2O37.9（0700)3CaOAl2O310.0（0800)MnO14.1（0700)12CaO7Al2O37.6（0800)MgO13.5（0700)CaO6Al2O38.8（0800)CaO13.5（0700)CaOAl2O36.5（0800)MnOAl2O38.0（0700)铬轴承钢铬轴承钢12.512.5（0 0850)850)从组成和结构上,对非金属夹杂物分类： 1）A类夹杂：简单金属氧化物及固溶体； 2）B类夹杂：尖晶石夹杂物 （MOR2O3 ） M=Fe, Mn, Mg；R=Fe, Al, Cr 3）C
7、类夹杂：硅酸盐夹杂（铁、铝和复杂硅酸盐）； 4）D类夹杂：钙铝酸盐（球状氧化物）夹杂。结构钢的纯净度要求 1）热加工性：FeSMnS，AlN等，晶界析出； 2）冷加工性： P、 S 、O和N等； 3）焊接性：硬度、韧性和塑性等变化； 4）易切削性： S 、MnS、Bi、Pb等； 5）承载能力对钢纯净度的要求：强度；韧性与脆 性-断裂抗力；失效与老化；各向异性；疲劳抗力； 6）大锻件对钢纯净度的要求：成分、组织均匀； 7）薄板的可涂覆性能：薄板表面质量。不锈钢、耐热钢和耐蚀钢的纯净度要求1）耐蚀性：C、Cu、P；2）热强性：Pb、Sb、S；3）超纯铁素体不锈钢：O、N对脆性；4）高氮铁素体不锈钢
8、： N增加弥散强化 效果。电工钢的纯净度要求1）软磁性能：初始导磁率和最大导磁率；铁损小；磁致收缩常数小。2）加工性能和脆性。纯净钢（纯净钢（purity steel）国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表1纯净钢（纯净钢（purity steel）2000年后杂质元素含量预测水平如表2： 纯净钢除S+P+N+H+O五大元素外，随电炉短流程的发展，废钢用量的增加，还包Cu、Zn、Sn、Bi、Pb等伴生元素。 理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高，其性能越好,使用寿命也越长。钢中杂质含量降低到一定水平，钢材的性能将发生质变。 1）钢中碳含量从4010-6降低到201
9、0-6，深冲钢的伸长率可增加7%； 2）轴承钢当O从30PPm降到15PPm时，其疲劳寿命提高5倍；降到10PPm时，提高15倍；而降到5PPm时，提高30倍； 3）热轧带钢%S从0.02降到0.001,钢的横向冲击值提高1215倍。纯净钢（纯净钢（purity steel）需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的,如硫在一般钢中都视为杂质元素,但在易切削钢中其为有益元素;IF钢中氮是杂质元素,但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素,其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。洁净钢（洁净钢（clean steel） 钢中非金属夹杂物总量、形态和尺寸。它决定于钢种和产品用途。不
10、同用途的产品对钢中洁净度要求表3 。洁净钢（洁净钢（clean steel） 钢的洁净度与产品制造和使用过程中所出现的众多缺陷密切相关，一些厂家对某些高纯度钢发生缺陷所作的调查如表4所示，可以看出钢中的夹杂物尤其是大颗粒夹杂物是引起产品缺陷的主要原因。洁净钢（洁净钢（clean steel） 日本一向对钢材质量有着严格的要求，最近日本夹杂物委员会提出的不同成品对钢中夹杂物含量及尺寸的要求如表5 所示。高附加值产品洁净度：高附加值产品洁净度：高附加值产品对洁净度要求是： TO要低20ppm; 夹杂物数量要少； 夹杂物尺寸要小0 TO= O夹 对于对于AlKAlK钢：钢： AlS=0.02-0.0
11、5%，O溶=4-8ppm，如在连铸坯中测定TO=20ppm ，则说明除O溶外，氧化物夹杂O夹为12-18ppm，这说明钢中很干净了。 对于对于SiKSiK钢：钢： 用Si、Mn脱氧平衡O溶含量较高。仅用Si、Mn 脱氧钢中O溶为40-60ppm。在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。钢中夹杂物评价：钢中夹杂物评价：人们预测2000年后生产超洁净钢，钢中O要达到5ppm水平，TO= O溶+ O夹解决途径： 生产“零夹杂物”钢； O夹 0，即钢中夹杂物完全去除； 进一步降低O溶 对于AlK钢，炉外精炼改变AlO 热力学平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度达到0.001，与 AlS相平衡得
12、O溶小于1ppm。 对于SiK钢，炉外精炼控制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2，可使钢中O溶降到与AlK钢水平。钢中夹杂物控制原理钢中夹杂物控制原理 由以上分析可知，要降低钢中TO，就是要减少钢中夹杂物，降低O夹，降低O夹其方法是：（1）去除脱氧产物。 它决定于： 夹杂物形成； 夹杂物传输到钢/渣界面； 渣相吸附夹杂物；方法：控制脱氧产物方法：控制脱氧产物+ +炉外精炼炉外精炼+ +搅拌搅拌TO=20-40ppmTO=20-40ppm钢中夹杂物控制原理钢中夹杂物控制原理就脱氧而言，分三种情况：1）用Si+Mn脱氧形成的脱氧产物有： 纯SiO2（固体）： MnO SiO2（液体
13、）； MnO FeO（固溶体）。 控制合适的Mn/Si比，得到液相MnO SiO2 容易上浮排除。但往往由于脱氧不良，铸坯会产生皮下气孔。钢中夹杂物控制原理钢中夹杂物控制原理2）用Si+Mn+Al脱氧形成的脱氧产物可能有： 蔷薇辉石（2MnO 2Al2O3 5SiO2）； 硅铝榴石（3MnO Al2O3 3SiO2）； 纯Al2O3（Al2O3 30%）。 要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中AlS50 m，甚至几百 m； 组成复杂； 来源广泛； 偶然性分布； 对产品性能危害最大。连铸坯中夹杂物来源连铸坯中夹杂物来源 连铸过程中氧化物夹杂的来源图六、洁净钢生产的控制对策六、洁净钢生产
14、的控制对策从炼钢精炼连铸生产洁净钢，主要控制对策是：（1 1）控制炼钢炉下渣量）控制炼钢炉下渣量 挡渣法：（偏心炉底出钢、气动法、挡渣球）； 扒渣法：目标是钢包渣层厚50 m）去除，采用中间包控流技术 小颗粒夹杂（50 m）去除； 中间包钙质过滤器 中间包电磁旋转 钢包 中间包 结晶器过程中防止下渣、卷渣是生产洁净钢非常重要的操作； 把非稳定态浇注铸坯质量提高到稳定态浇注水平以提高整体铸坯质量是当今人们迫切解决的问题。为此采用： 临界液面操作法，防止旋涡下渣，生产DI罐，钢包还是4% 钢水就关水口 下渣探测器 长水口采用撇渣器 开浇时中间包水口上方采用挡渣器 开浇时中间包密封 结晶器液面控制（
15、8）钢中微细夹杂物去除）钢中微细夹杂物去除洁净钢生产的控制对策洁净钢生产的控制对策（9 9）防止浇注过程下渣和卷渣）防止浇注过程下渣和卷渣 示踪试验：加入示踪剂追踪铸坯中夹杂物来源；结晶器渣中示踪剂变化；铸坯中夹杂物来源。初步估计外来夹杂物占41.6% 二次氧化占39% ，脱氧产物为20%。 目前还是广泛采用吹Ar来防止堵塞。生产洁净钢总的原则是：钢水进入结晶器之前尽可能排除Al2O3。洁净钢生产的控制对策洁净钢生产的控制对策（10）防止Ar气泡吸附夹杂物 对Al-K钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，但吹Ar会造成： 水口堵塞物破碎进入铸坯，大颗粒Al2O3轧制延伸会形成表面条状缺陷 小于
16、1mm Ar气泡上浮困难，它是Al2O3和渣粒的聚合地，当气泡尺寸大于200 m易在冷轧板表面形成条状缺陷。为解决水口堵塞问题，可采用： 钙处理改善钢水可浇性 钙质水口 无C质水口洁净钢生产的控制对策洁净钢生产的控制对策（1111）结晶器钢水流动控制）结晶器钢水流动控制 电磁制动EMBR； FC（Flow Control）结晶器。不同拉速下液渣层分布模拟结果不同拉速下液渣层分布模拟结果aa无电磁制动无电磁制动 b b全幅一段全幅一段 c c全幅二段全幅二段不同位置电磁制动计算结果不同位置电磁制动计算结果 冷轧板缺陷指数：有FC为1.1； 无FC为4.5 七、 结语洁净钢提高了钢水质量，提高了产品竞争力；洁净钢是一个相对概念，应根据产品用途来制订合理的工艺对策来生产洁净钢； 经过炉外精炼的钢水，钢中总氧TO可达到20-40ppm，可以说是非常干净的。要在连铸坯中TO达到小于20ppm，在连铸过程中一是防止再污染，二是在传递过程中要创造条件去除夹杂物； 把产生产品缺陷的夹杂物消灭在钢水进入结晶器之 前。二次精炼和连铸工艺操作是生产洁净钢的关键。 谢谢大家！谢谢大家！作 业国内外洁净钢生产技术（综述）适应市场需求，开发X（单位）洁净钢生产技术要求：要求：5000字、参考文献大于字、参考文献大于10篇、篇、放假前交报告放假前交报告
