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钢铁材料是人类发展史上最重要的基础材料，目前世界上还没有哪一种材料能够完全替代钢铁材料。钢铁工业的进步与钢材性能提升主要依赖于生产工艺的创新与发展，洁净钢生产也须克服传统工艺流程的弊病，进一步优化和创新。 铁水“三脱”的特点与发展 脱磷、脱硫是钢水提纯中最重要的冶金反应。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。 第一代铁水“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?浊S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。第一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氧化性，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最大尺寸，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，可控制钢中最大夹杂物尺寸≤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]，VAR最低，传统流程最高。[S]，传统流程略低于VAR。[Ti]，电渣炉最低，VAR与传统流程相当。T.[O]，VAR最低，传统流程略高，电渣炉最高。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。钢中最大夹杂物尺寸，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：冶金传媒 |
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