洁净钢生产技术的发展与创新

刘浏

（中国钢研科技集团有限责任公司钢铁研究总院）

人类文明的发展依赖于劳动工具的持续改进，也孕育了新材料的发展。18世纪工业革命加速了人类文明的发展，之后，各种先进工具被陆续制作出来，如火车、汽车、飞机等，对材料也提出更高的要求，除提高强度和硬度外，还要有高的韧性、塑性和长的寿命。这一需求推动了炼钢技术（氧化提纯）的发展，将铁水还原中带来的各种杂质如C、Si、S、P等通过氧化去除，提高其纯净度。

洁净钢冶炼技术的发展

上世纪四五十年代以来，洁净钢冶炼技术得到迅速发展。氧气顶吹转炉是这时期Z重要的技术创新，不仅淘汰了平炉，推动电炉进行彻底改造，而且促进了高炉大型化和连铸、连轧工艺的发展。这一时期，洁净钢生产技术发展可分为3个阶段。

转炉洁净钢生产阶段（1945年~1970年）。早期洁净钢生产对钢材性能和洁净度要求不高，转炉成为生产的主要环节。洁净钢技术发展重点是研究解决顶吹转炉反应效率低、渣钢反应偏离平衡和吹炼过程不平稳等技术问题。主要创新成果包括：氧气底吹转炉和喷粉技术，各种复吹转炉以及铁水脱硫和炉外精炼等。

底吹转炉的发明对洁净钢生产有较大影响，提供了以下启示：一是底吹搅拌可促进反应平衡，提高反应效率。二是采用底吹喷石灰粉工艺，利用熔池中大量悬浮的氧化钙（CaO）颗粒与钢水发生的“瞬时反应”，解决了化渣困难的问题。

洁净钢生产流程开发阶段（1970年~2000年）。由于制造业对钢材洁净度要求更加苛刻，如无间隙原子深冲钢要求[C+N]≤50ppm、轴承钢要求T.O≤6ppm等，单纯依赖转炉很难生产。这一时期的研究重点是对转炉功能的解析与转换，形成洁净钢生产流程，突破洁净钢冶炼的技术极限。主要技术创新包括：铁水“三脱”（脱硫、脱硅、脱磷）预处理、转炉智能吹炼、多功能真空精炼等。表1给出了洁净钢生产工艺主要指标。目前工业生产能达到的洁净度，对于不同钢种，波动范围为40ppm~65ppm，未达到Z初预期的发展水平（1983年预测2000年应达到杂质总量≤27.6ppm，1992年预测杂质总量≤16.1ppm）。 

洁净钢生产流程优化阶段（2000年至今）。钢材洁净度未达到预期水平的原因主要是：提高钢材性能并非完全依赖纯净度，钢中Z大夹杂物尺寸，连铸偏析、疏松等缺陷及轧材组织控制等因素的影响不容忽视，使研究热点从突破洁净度极限转变到对生产流程的优化。洁净钢生产发展的重点从单纯追求突破洁净度极限转变为降低生产成本，提高生产效率，实现绿色化生产。主要创新包括：钢中Z大夹杂物控制、连铸轻压下和小压缩比连铸及建立高效低成本洁净钢生产平台等。

2000年，日本和歌山厂将原有两家炼钢厂改造为一家210t转炉炼钢厂，被誉为“21世纪世界Z先进的钢铁厂”。通过改造，该厂实现了以下开发目标：一是采用全量铁水“三脱”和真空处理工艺，全部产品的杂质总量≤100ppm；二是采用高效快节奏生产工艺，转炉生产效率提高1倍，达到两座转炉的产量；三是降低生产成本，产品成本低于传统流程普通钢，可降低炼钢能耗66%、石灰消耗25%、铁损29%、锰铁合金48%，减少渣量33%，粉尘回收率提高60%。

传统洁净钢生产流程的弊病

传统洁净钢生产流程如图1所示，其主要特点是把炉外精炼作为钢水提纯的重点，转炉作为初炼炉，多数未采用“三脱”工艺。该流程存在以下技术弊病：

炼钢回硫。炼钢回硫由反应热力学决定：脱硫为还原反应，脱硅、脱磷和脱碳是氧化反应，氧化性炉渣溶解硫的能力大幅降低。表2是几种工艺脱硫的技术比较。在基本相同的炉渣条件下，铁水脱硫LS达到1000以上；各种氧化脱硫工艺LS很低。热力学的差异是造成炼钢回硫的根本原因。

回硫的危害是：需要炉外精炼二次脱硫，增加生产成本；二次脱硫虽然降低钢水中的硫含量，但脱硫产生的硫化钙（CaS)系夹杂物严重污染钢水，影响钢材性能。

低碳脱磷。低碳脱磷是转炉炼钢的基本特征。低碳脱磷的原因在于钢液中C、Si、Mn、P等元素的选择性氧化，各元素氧化顺序决定于发生氧化反应的氧位PO2。PO2越低，越易于氧化，优先其他元素反应。脱碳PO2较低，使金属中的磷很难直接氧化生成P2O5；在渣钢界面上通过炉渣成分控制，使P2O5活度系数降低到10-17~10-18才能达到脱磷的效果。底吹转炉渣钢氧位基本相当，顶吹转炉偏差较大，炉渣过氧化现象较严重。

低碳脱磷的Z大危害是不能高碳出钢，造成钢渣过氧化。

夹杂物控制困难。夹杂物控制困难是传统流程中Z突出的问题，由以下因素造成：一是钢水过氧化，大量消耗脱氧剂，增大夹杂物去除负荷；二是沉淀脱氧，脱氧产物以夹杂物形态残留在钢中；三是精炼过程不断产生新的夹杂物，如变性夹杂物、脱硫夹杂物和各种卷渣夹杂物。

表3是国内某厂生产的高纯度轴承钢中夹杂物的类型、来源和分布。其中，精炼脱硫产生的含CaS夹杂物比例Z大，卷渣和变性夹杂物次之，脱氧与二次氧化夹杂物比例很小。凝固析出的各类夹杂物也占一定比例，以钛夹杂物为主。对性能危害Z大的Ds类和B类粗系夹杂物多来源于渣钢反应生成的变性、脱硫与卷渣夹杂物。

效率低、成本高、质量不稳定。传统流程的主要特点是将钢水提纯的重点放在炉外精炼，造成以下弊端：

一是反应效率低。由于脱磷、脱硫、脱氧等基元反应存在上述热力学弊病，反应效率降低。例如，渣钢间磷、硫分配比低造成渣量增加，钢水过氧化使钢铁料和合金消耗升高等。

二是精炼流程长。为提高钢水纯净度，业内往往采用LF+RH（VD）双重精炼和长时间软吹，导致钢包周转时间长达2.5小时~3小时，降低了生产效率，增加了钢包周转数量。

三是前期污染，加重末端治理负荷。如表4所示，传统流程中前期冶炼往往造成钢水污染，加重末端治理负荷，难以达到良好的冶金效果。

四是难以保证提纯效果。流程中重复使用氧化和还原提纯工艺，由于热力学的矛盾，很难达到Z佳的处理效果。例如，钢中钛（Ti）很容易被氧化，转炉终点[Ti]为3ppm~5ppm；但在LF精炼炉中极易被还原，使[Ti]增加到30ppm以上。控制增钛需要采用更纯的合金和渣料。

五是生产过程不稳定。如铁水硅（Si）波动大，影响炼钢渣量和温度，造成终点成分、温度控制不稳定，进而影响到炉外精炼和连铸的冶金效果，导致产品性能波动。

铁水“三脱”的特点与发展

脱磷、脱硫是钢水提纯中Z重要的冶金反应。和转炉相比，铁水“三脱”（脱硫、脱硅、脱磷）工艺的主要特点是将脱磷、脱硫反应从高温、高氧位条件下转移到低温、低氧位下实施，更有利于反应的发生，进而解决了传统炼钢中回硫、低碳脱磷和钢渣过氧化等弊病。

代铁水“三脱”工艺采用脱硅和同时脱磷、脱硫两步法，以混铁车或铁水罐作为反应器，利用粉剂与铁水间的瞬时反应实现高Ca/O比同时脱磷、脱硫。采用低硅铁水（[Si]≤0.15%），处理过程碳烧损较小，使得脱磷氧效率(脱磷量与用氧量的比)、石灰脱磷效率(脱磷量与石灰消耗量的比)、脱磷速率KP和脱硫率浑浊等指标，均优于以渣钢反应为主的转炉“三脱”工艺。但反应过程温降大，已不在工业中应用。

第二代铁水“三脱”工艺采用脱硫和脱硅、脱磷两步法，转炉作为反应器，低Ca/O比操作。通过采取强化底搅拌降低顶供氧强度的措施来提高熔池持久反应效率和热效率，可熔化废钢。因铁水硅高，碳烧损较严重，使脱磷氧效率降低；渣量增大，使石灰脱磷效率降低。温度低，化渣困难，很难形成高碱度低FeO炉渣，造成脱硫效率降低甚至会发生回硫。该工艺已在日本许多转炉厂和国内京唐钢厂采用。表1给出两种“三脱”工艺的技术比较。

两种“三脱”工艺各有优、缺点。代工艺的冶金效果优于第二代，但热效率低；第二代工艺热效率高，却无法解决回硫和碳烧损等问题。两种工艺的共同缺点是：均采用两步法，造成铁水“三脱”工艺流程长，生产效率低，消耗大成本高；对“三脱”反应的氧化还原控制（即Ca/O比调节）方法单一，缺乏灵活性；吹炼方法简单，熔池法很难克服低温造高碱度渣的困难，喷吹法消耗高、温降大；铁水罐反应空间小，不适宜“三脱”冶炼；转炉作为“三脱”反应器是“大马拉小车”，造成基建、运行和能源消耗等成本升高，在转炉产能不富余的钢厂很难推广。

研究开发更经济、更高效的“三脱”工艺，推荐以下技术：一是根据耦合反应理论，设计在同一反应器内分阶段进行脱硅、脱磷和脱硫。二是加强熔池搅拌，开发低FeO渣脱磷工艺（控制渣中TFe≤5%，R=2~2.5），提高脱磷效率至≥80%，半钢[P]≤0.02%。三是喷粉解决熔池法造渣困难问题，高Ca/O比操作形成高碱度低FeO渣深脱硫，使脱硫率≥90%。四是通过灵活调节Ca/O比，精确控制“三脱”反应过程中的氧化还原程度。五是吹炼期采用溢渣工艺，及时排出各反应期生成的炉渣并实现在线炉渣改质。

转炉少渣冶炼与炉内合金化

“三脱”铁水少渣冶炼，渣量为20kg/t~30kg/t，改善了转炉反应动力学条件。该技术可提高脱碳氧效率和渣钢间磷、硫分配比，用少量石灰得到比传统转炉更优的脱磷、脱硫效果。

少渣冶炼应严格控制钢水?化性，避免钢渣过氧化。对于中、高碳钢，采用高碳出钢为主的低氧钢冶炼工艺，控制终点钢水aO：高碳钢aO≤100ppm，中碳钢aO≤200ppm。冶炼低碳、超低碳钢应采用定碳出钢和底吹强搅拌等工艺，控制终点[C]≥0.06%，aO≤350ppm。

传统转炉锰回收率不足10%（铁水[Mn]为0.2%~0.5%，终点[Mn]≤0.05%），造成资源浪费。少渣冶炼生产中、高碳钢时采用富锰矿化渣，通过高碳出钢和减少渣量实现锰矿熔融还原。

特殊钢含较高的锰、铬成分。传统工艺利用LF精炼炉熔化合金，须采用价格昂贵的低碳或微碳合金，控制合金中[Ti]≤0.01%。神户钢厂在脱碳炉内熔化价格便宜的高碳铬铁（[Ti]=0.9%）生产轴承钢，铬的回收率从传统转炉的45%提高到90%，(%Cr)/[%Cr]分配比从10~20降低到3~7，钢水中[Ti]从30ppm降低到平均8ppm。

改变脱氧工艺提高夹杂物控制水平

近十年，业界对夹杂物控制提出更高要求：在降低夹杂物总量的基础上，要求严格控制夹杂物Z大尺寸，大幅提高钢材各项性能。实现这一目标，应采取以下技术措施：一是用真空碳脱氧代替合金沉淀脱氧，减少脱氧夹杂物；二是抑制或减少精炼中渣钢反应，避免生成大颗粒变性、卷渣和脱硫夹杂物；三是加强钢水保护，避免浇铸中二次氧化产生新夹杂物。

改变脱氧工艺的技术关键是提高RH（真空循环脱气）界面反应速度，促使真空下碳氧反应接近气相平衡。具体措施如下：一是扩大真空室表面积；二是真空室吹氩，加快钢液表面更新速度，增大界面流量；三是采用微气泡技术(PERM法)，在RH前吹入H2或N2，提高钢中气体含量，利用真空脱气功能在后期形成大量微气泡，促进熔池脱碳并有利于夹杂物上浮。

中间包冶金对钢中夹杂物控制有重要作用，其目标不是进一步提纯钢水，而是严格控制浇铸过程的污染，避免产生二次氧化、卷渣和变性夹杂。具体措施包括：采用大容量中间包，合理设计中间包形状，避免钢水形成紊流；加强中间包密封，控制中间包气氛中的PO2≤0.1mol%；采用镇静开浇工艺，可使铸坯表层夹杂物富集带中夹杂物面积率从镇静5分钟开浇的1%下降到镇静10分钟开浇的0.2%；采用无渣浇铸工艺，如日本山阳厂生产超纯净轴承钢采用无渣浇铸工艺，可控制钢中Z大夹杂物尺寸≤12μm。

建立高效快节奏生产体系

日本住友钢厂1座210t脱磷炉和2座脱碳炉（二吹一）配合2台KR脱硫站、2台RH精炼炉和3台连铸机，构建高效快节奏生产平台。脱磷炉和脱碳炉冶炼周期为20分钟，每座转炉日产炉数超过55炉，年产量为420万吨，生产效率比传统转炉提高1倍。高效快节奏的生产特点如下：

一是全部产品高品质化。该厂采用100%铁水“三脱”、100%快节奏生产、100%钢水真空处理和100%铸坯热装直轧(≥850℃)，全部产品杂质总量Σ[S+P+T.O+N+H]≤100ppm。

二是压缩辅助时间，缩短冶炼周期。通常转炉辅助时间与吹炼时间之比为1∶1，而双联转炉吹炼时间≤10分钟，也要求压缩辅助时间至≤10分钟，保证20分钟周期。加快生产节奏解决了脱碳炉热量不足的问题，日产45炉钢时冷却能与传统转炉相当，日产55炉钢时冷却能提高7.2%。

三是建立以转炉为中心的快节奏生产体系。生产周期长于转炉的KR和RH，采用2台设备配1台转炉；3台连铸机同时生产时连铸周期为1小时，2台连铸机同时生产时连铸周期为40分钟。

四是缩短铁水罐周转时间，提高周转次数，铁水入炉温度提高46℃。

五是简化炉外精炼，提高钢包周转率，出钢温度比传统转炉降低30℃，不配置LF炉。

建立高效快节奏的生产方式具有很大的经济效益：一是提高设备作业率，减少设备台数，降低管理成本；二是缩短辅助时间，加快钢包（铁包）周转，减少辅助能耗和在线钢包数量；三是大幅度提高劳动生产率，降低人员成本。

建立绿色低成本洁净钢生产平台

传统流程以炉外精炼控制钢材纯净度，提高纯净度意味着要增加精炼工序，延长精炼时间，采用更纯净的渣料和合金，使成本升高。提高洁净度与降低成本相矛盾。

以铁水“三脱”为基础的洁净钢生产新流程，可以通过以下途径降低生产成本：

一是提高反应效率。该流程通过提高渣钢间磷、硫分配比，抑制钢渣过氧化，减少脱氧夹杂物以及提高锰资源回收率等措施，降低渣量，减少辅料、钢铁料和铁合金消耗，降低生产成本。

二是实行高效快节奏生产。该流程通过加快生产节奏，提高设备作业率，降低辅助时间能耗和铁水、钢水周转过程温降等措施，降低生产能耗；通过减少设备台数简化备件管理，提高全员劳动生产率，进一步降低生产成本。

三是简化炉外精炼工序。国内钢厂普遍采用LF精炼，因钢种不同，成本波动在60元/吨~100元/吨。LF工序能耗高、周期长，渣钢反应易产生大颗粒夹杂物，国外一些先进钢厂已开始抑制LF渣钢反应，甚至取消LF精炼炉。

四是颠覆传统流程。高品质特钢须采用电渣（ESR）或真空感应+真空自耗（VAR）等特种冶金和锻造工艺生产，规模小，成本高。这种状况已开始改变，如SKF公司通过超低硫冶炼和硫化物控制，使轧材横、纵向性能偏差从50%降低到10%以下，实现以轧代锻生产风电轴等产品。日本山阳公司通过改善夹杂物控制工艺，完全消除20μm以上的大型夹杂物，使轴承钢的疲劳寿命≥108，生产的航空轴承的质量已超过采用ESR或VAR工艺生产的产品。

表2和图1为国内某厂采用3种工艺生产GCr15轴承钢的质量对比，得出以下结论：采用3种工艺生产的钢材成分控制精度基本相同。[P]，VARZ低，传统流程Z高。[S]，传统流程略低于VAR。[Ti]，电渣炉Z低，VAR与传统流程相当。T.[O]，VARZ低，传统流程略高，电渣炉Z高。钢中夹杂物，传统流程存在大颗粒Ds类卷渣夹杂物和B类粗系变性夹杂物，硫化物夹杂中钙含量较高；电渣钢夹杂以点链状Al2O3和硫氧复合夹杂物为主；VAR钢中夹杂物主要是Ti(C,N)和MnS。钢中Z大夹杂物尺寸，VAR为27.8μm，传统流程为34.3μm，电渣钢为40.6μm。

以上分析证明，采用传统流程工艺生产轴承钢的洁净度已接近VAR钢，优于电渣钢，若配置“三脱”工艺，完全可超过VAR钢；夹杂物控制与VAR钢差距较大。通过改进夹杂物控制工艺，抑制渣钢反应，消除Ds类卷渣和变性夹杂，传统流程生产的钢质量可以优于VAR工艺，并大幅降低生产成本。

来源：《中国冶金》2016年第10期