第一節(jié) 認識爐外精煉技術

爐外精煉技術張士憲

課堂討論：傳統(tǒng)煉鋼存在什么問題？傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術產(chǎn)品的成分含量能達到什么水平？現(xiàn)代社會生產(chǎn)對鋼材有什么樣的要求？任務1基本概念任務2爐外精煉技術發(fā)展的原因

所謂爐外精煉，就是按傳統(tǒng)工藝，將在常規(guī)煉鋼爐中完成的精煉任務，如去除雜質(zhì)(包括不需要的元素、氣體和夾雜)、成分和溫度的調(diào)整和均勻化等任務，部分或全部地移到鋼包或其他容器中進行，為得到比初煉更高的生產(chǎn)率、更高的質(zhì)量而進行的冶金操作，也稱為“二次精煉”或“鋼包冶金”。任務1基本概念

爐外精煉把傳統(tǒng)的煉鋼方法分為兩步，即初煉加精煉。初煉是在氧化性氣氛下進行爐料熔化、脫磷、脫碳和主合金化；精煉是在真空、惰性氣氛或可控氣氛的條件下進行脫氧、脫硫、去除夾雜和夾雜變性、調(diào)整成分(微合金化)、控制鋼水溫度等。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)流程：高爐→煉鋼爐(轉(zhuǎn)爐和電弧爐)→鑄錠，已逐步被新的工藝流程所代替，即高爐→鐵水預處理→煉鋼爐→爐外精煉→連鑄。這已成為國內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)技術改造后的普遍模式。爐外精煉的產(chǎn)生半世紀以來迅速發(fā)展的鋼鐵冶金重要技術潔凈鋼的生產(chǎn)是現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的需要提高生產(chǎn)率的需要滿足不同鋼種的特殊要求所謂潔凈鋼，通常指非金屬夾雜物（主要是各類氧化物和硫化物）含量少的鋼，也有人認為，潔凈鋼是指鋼種S、P、H、O、N含量極低的鋼。任務2爐外精煉技術發(fā)展的原因

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉和連鑄這三項技術被譽為現(xiàn)代煉鋼生產(chǎn)的三大關鍵技術，也有人稱之為冶金史上的三大技術革命。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼和連鑄普及面比較廣，目前已具備了相當?shù)囊?guī)模；而爐外精煉起始于20世紀50年代，進入80年代以后，直至現(xiàn)在，爐外精煉和鐵水預處理技術水平已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程水平與鋼鐵產(chǎn)品高質(zhì)量水平的標志，它的發(fā)展也朝著功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。

早在1986年日本轉(zhuǎn)爐鋼的二次精煉比已達到70.8％；特殊鋼生產(chǎn)的二次精煉比高達94％；現(xiàn)在日本、歐美等先進的鋼鐵生產(chǎn)國家，爐外精煉比超過90％，2004年日本轉(zhuǎn)爐鋼真空處理比達到72.7%；而新建電爐短流程鋼廠和轉(zhuǎn)爐煉鋼廠100％采用二次精煉。日本爐外精煉比和連鑄比逐年增長的趨勢圖中國爐外精煉比、連鑄比和吹氬喂絲比逐年增長的趨勢圖

爐外精煉技術的主要發(fā)展原因有兩個：第一，適應了連鑄生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)鋼水的嚴格要求，大大提高了鑄坯的質(zhì)量，而且在溫度、成分及時間節(jié)奏的匹配上起到了重要的協(xié)調(diào)和完善作用，定時、定溫、定品質(zhì)地提供連鑄鋼水，成為穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的因素。第二，與調(diào)整產(chǎn)品結構，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)化進程緊密結合，使鋼鐵企業(yè)提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

（一）科學技術進步要求提高鋼材質(zhì)量鋼軌、汽車板、鉆桿和油井管、鍋爐管、電機硅鋼片、耐蝕耐高壓鋼材、鉛系易削鋼、海上采油平臺、原子能工業(yè)、導彈和軍工。

提高鋼材性能和質(zhì)量的重點之一是鋼的超純化。提高鋼的純凈度即為降低硫、磷含量，氧化物夾雜量，氫、氮氣體含量和非金屬以及微量雜質(zhì)元素的含量等。對超低碳鋼，碳含量應盡力降低；以硫、磷為例：普通鋼要求各低于0.035％，優(yōu)質(zhì)鋼要求低于0.025％，而超純鋼則要求各低于0.010％甚至0.005％以下，有的還要求[S]+[P]+[H)+[N]+[O]<70ppm。鋼水超純化，就大大減輕了產(chǎn)生中心偏析、裂紋、大型夾雜、氣孔、白點和斑疤等缺陷的傾向，使鋼組織致密均勻，改善了連鑄坯的表面及內(nèi)部質(zhì)量，使鋼材性能大為提高。

從各種不同的使用性能出發(fā)，提出了對鋼中夾雜物形態(tài)控制的要求。最初是厚板生產(chǎn)者及T型焊接工藝要求鋼中硫化物夾雜呈一定的形態(tài)。然后，Z型鋼和石油、天然氣管線用鋼對硫化物的數(shù)量及形態(tài)提出了更為嚴格的要求。例如為防止焊縫的脆性開裂，焊條鋼爐外精煉時應用復合脫氧劑，使精煉后鋼中夾雜物呈細小分散的半塑性狀態(tài)(鋁硅酸錳系列)。結果是令人滿意的。

近期對精煉鋼質(zhì)量要求的另一個明顯變化，是許多用戶提出，要大大降低精煉鋼的磷含量。對于低合金高強度的管線用鋼，磷必須小于100ppm(即≤0.010％)以防止氫誘導裂紋(H1C)及應力腐蝕裂紋(SCC)；對于奧氏體不銹鋼，如果將磷含量從200ppm降到20ppm，則應力腐蝕裂紋可以完全防止。降低鋼的磷含量，對高強度齒輪鋼（SCM420等)，其磷含量由0.015％降為0.002％時，疲勞強度能由814MPa提高到863MPa。

用于深沖的高強度冷軋鋼板，經(jīng)常要求很低的碳含量(<400ppm，即≤0.040％)。由于爐外精煉工藝能把碳降到很低的水嚴，而又保證鋼中氧及氧化物夾雜含量不高，因此可以在爐外精煉時使鋼液脫碳，來取代傳統(tǒng)的成品帶鋼連續(xù)脫碳退火的工藝，它不但降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)率。此外，這類產(chǎn)品常常還要求非常低的氮含量(例如N≤20ppm)，這在脫碳退火中是無法達到的，而在氧氣轉(zhuǎn)爐激烈脫碳之后，再加上真空下的脫碳則有可能實現(xiàn)。

煉鋼工作者通過爐外精煉技術可冶煉出具有高質(zhì)量特性的鋼種以滿足實際需要，具體要求如下：（1）精確控制化學成分以保證力學性能穩(wěn)定。（2）減少鋼中磷、硫含量以改善沖擊性能、抗層狀拉裂性能、熱脆性，并能減少中心偏析和防止連鑄坯的表面缺陷。（3）減少鋼中氧、氫、氮含量以減少超聲波探傷缺陷、條狀裂紋等，并且能改善鋼材的制管性能。（4）使用先進技術精煉鋼液以滿足對鋼質(zhì)量的各種特殊需要。例如，控制硫化物夾雜形態(tài)以防止氫致裂紋。（5）控制夾雜物的形狀以改善鋼的深沖性能和鋼的加工性能。

采用爐外精煉還能優(yōu)化煉鋼工藝和提高效益。采用爐外精煉工藝，投資將增加5％~10％，其成本將增加10~30元/t，并增加了煉鋼爐到連鑄的生產(chǎn)周期，但它是改善鋼質(zhì)所必需的工藝，而且能提高總經(jīng)濟效益。（1）能生產(chǎn)無缺陷連鑄坯，使不精整率達90％以上，這樣就簡化了精整工序，使連鑄坯由精整后冷送改為熱送熱裝爐或直接軋制。例如，采用轉(zhuǎn)爐—爐外精煉—連鑄—熱送直軋流程的有日本塄廠、加拿大道福斯克廠和韓國的光陽廠等；采用連鑄坯熱裝入爐的就更普遍了。因而縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約能耗達20~30KJ/t。（2）冷軋薄板用低碳鋼，經(jīng)真空處理使[C]≤30ppm，[N]≤30ppm?？刹捎眠B續(xù)退火流程使鋼板溫度均勻，省去板卷吊放加罩工序，勞動生產(chǎn)率提高3倍，生產(chǎn)周期由10日縮短為10min，提高了經(jīng)濟效益。目前全世界已投產(chǎn)30套冷軋連續(xù)退火線，進而用于鍍鋅、鍍錫及硅鋼片上。

（二）控制鋼水質(zhì)量，穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)

連鑄技術的發(fā)展促進了爐外精煉技術的發(fā)展，使之成為煉鋼生產(chǎn)工藝中必不可少的手段之一。1989年日本普鋼連鑄比98.1％，特鋼78.9％，綜合為94.8％。為了保證煉鋼與連鑄之間的協(xié)調(diào)，防止連鑄時水口堵塞和保證連鑄坯的質(zhì)量，必須保證準確的澆注溫度、鋼中團絮狀A12O3類夾雜物充分少、鋼液良好脫硫、鋼液成分準確控制。這些要求只有通過爐外精煉才能達到。

由于連鑄過程必須與煉鋼相配合，因此在鋼包中脫氧與鋼水處理的冶金目標對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品極為重要。特別是生產(chǎn)易切削鋼、高合金鋼、低合金鋼和各種不銹鋼時，更需要特殊的冶煉操作工藝，以便鑄坯與最終產(chǎn)品能達到良好的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。澆注小方坯和大方坯時，達到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品所需要采取的措施是：煉鋼及脫氧；鋼包冶金；噴鈣及真空處理。鋼包—中間包—結晶器之間的鋼流保護；電磁攪拌；自動控制系統(tǒng)等。

爐外精煉必須提高和有助于連鑄過程操作的可靠性，以便取消連鑄坯的直接檢查和清理。因此，以下幾方面的綜合結果便是衡量所有這些方法效能的標準。（