高纯净钢冶炼工艺优化探讨

2014-08-15赵大同

冶金经济与管理 2014年2期

赵大同

随着社会经济的发展，人们对钢的需求量也在不断上升，同时对于钢的质量和纯净度的要求也越来越高。为了满足这种社会需求，世界各国都在设法提高钢的纯净度。在当前的钢冶炼水平条件下，通常把钢材成品中磷、硫、氧、氮、氢的总含量小于0.01%的钢材为高纯净钢。但是，在炼钢技术的快速发展中，人们对于钢的纯净度水平要求也在不断提高。为了适应社会的发展需求，各生产厂商不断改善冶炼工艺和设备来提高钢的纯净度，在冶炼过程中降低钢质中的杂质是提高钢纯净度的有效措施。

一、高纯净钢的涵义

高纯净钢是指在钢质中含有极少的磷、硫、氧、氮、氢元素的钢。非金属杂质对钢铁的质量会产生很大的影响，同时非金属杂质的含量及其形态特征也是钢铁冶炼水平的重要标志。钢材中的磷、硫、氧、氮、氢元素的残留，通常是在冶炼过程中钢液凝固时有害气体杂质偏析浓缩后与金属元素结合产生的。虽然说钢材中非金属杂质含量的高低反应了钢的纯净度，但纯净钢又是一个相对的概念，不同材质的钢对纯净度的要求也有所不同。提高钢材的纯净度，就是要在冶炼过程中降低非金属元素的含量，并对于非金属元素形态进行控制。

二、高纯净钢冶炼工艺

高纯净钢的生产过程是通过先进的冶炼工艺和设备对钢材进行不断优化提炼的过程。其基本理念是控制非金属杂质的含量、形态和尺寸，以得到生产所需的优质钢材。其中，主要是控制氧气冶炼、脱硫和二次精炼，此外，还需采取必要的措施防止外来杂质入侵，如防止保护渣的再次氧化等。

1.高纯净钢冶炼过程中对氧含量的控制

在高纯净钢的精炼过程中可采用顶底复吹转炉来降低氧的含量，之后可采用无渣出钢和利用铝或结晶器保护渣来降低钢水脱氧后炉渣的氧位，避免二次氧化。

2.高纯净钢冶炼过程中对硫含量的控制

硫在钢质中通常以硫化物的形式存在，容易导致铸坯裂纹现象的出现，同时，还会影响钢质的抗腐性能，并导致冲击韧性降低。对硫含量进行控制：一是在冶炼过程中要对铁水进行脱硫处理，在此需注意金属液和炉渣中的氧含量要低；二是在冶炼过程中要对钢水进行脱硫处理，这个过程包含转炉钢水脱硫和二次钢水的精炼，转炉钢水脱硫可采用加入合成渣脱硫，二次精炼可采用喷粉、加热造渣和吹氩搅拌等形式脱硫。

三、高纯净钢冶炼工艺的优化

对钢冶炼工艺过程优化的目的是提高钢的性能，降低钢中磷、硫、氧、氮、氢元素的含量，提高钢材的强韧性。而对高纯净钢冶炼工艺的优化，是提高钢水纯净度最直接、有效的措施。优化纯净钢的冶炼工艺：一是加强在钢冶炼过程中对氧含量的控制，以增强钢材的疲劳强度；二是降低碳氮含量，以改善钢的深冲性能；三是增加钢在冶炼过程中的除硫量，提升钢的热加工性能。

1.在高纯净钢冶炼过程中对氮的控制

（1）采用转炉的控氮方式。利用活动烟罩，通过变频风机和固定烟罩微正压检测装置，对兑铁、吹炼升温、吹炼结束等进行微正压检测，在根据检测结果对转炉的分机转速以及炉口压力进行调整。其中，炉口压力必须保持在0～50 mbar，防止碳氧反应的减弱导致炉中一氧化碳气氛减弱，而再次吸入空气导致后期氮含量的增加。在操作过程中还要加强对底吹系统的维护，使吹流量达到0.015～0.05m3/(min·t)，最后根据钢材的种类，选择合理的底吹模式。此外，还可通过提高矿石加入量与铁水比来降低氮含量。在转炉钢材出钢时，要求出钢口的形状要合理，以减少出钢过程中氮的吸入。在转炉出站环节，在钢水流入钢包1/3时，迅速向钢包中添加碱性精炼渣，以防止钢水和外界空气接触增加氮含量。

（2）采用RH炉精炼的控氮方式。在此过程中进行去氮处理要满足蒸汽机的压力要保持高于10bar，温度高于190℃，蒸汽要处于平稳状态且炉中真空槽要严密。在RH炉中完成合金化的精炼处理之后，钢中界面的活性元素氧含量较低，利于快速脱氮。另外，还必须在RH浸液管周围进行氢封处理，这是因为当RH下降管的外部压力大于内部压力时，其耐材内主要是氮气，而氢封处理能够抑制钢液对氮气的吸收。

（3）进行连铸控制氮气的吸收。在长水口进行浇注保护处理，通过吹氩气进行保护，其中氩气要满足气流量30L/min、压力2.0bar的条件。

2.加强对转炉中进行脱硫、除磷和含氧夹杂物的控制

（1）对于高纯净钢在冶炼过程中对于磷的控制主要在转炉中，通过加入高碱度渣和双渣的形式使成品钢中的磷含量平均达到0.0077%，需注意的是，在出钢时应使用挡渣镖来防止下渣回磷现象。

（2）纯净钢中脱硫的处理，首先要满足其高温、较低的氧化性、高碱度的热力学条件。为满足这些条件，在进行脱硫操作时要控制钢液中的氧含量，使用混合均匀的碱性渣和钢渣。但是在转炉过程中的氧化气氛使钢液的脱硫能力减弱，为此可以采用钢水预处理的方法降低钢材中的硫含量（可降至0.001%），在扒渣后将其兑入转炉，以降低水渣中硫对铁水的影响。

（3）对于夹杂物的控制。主要是控制夹杂物含量和性质，首先，要创造一个良好的纯净钢冶炼环境；其次，对于炉渣成分进行控制，以便于炉渣随杂质的吸收；最后，做好空气、炉渣和设备耐材氧化对钢水影响的控制。需要完成以下几点：一是合理提高碳含量及加强转炉时复吹的有效性，同时还要注意终点钢水中氧化物的含量；二是在出钢过程中，为防止二次氧化要及时加入顶渣；三是保证出钢口的良好状态以及挡渣镖的正确安装；四是保证出钢钢包的清洁。

3.二次精炼处理

（1）钢包顶渣改质。钢包精炼中的渣洗方式，主要是增加全铝的含量，从而迅速降低顶渣氧化程度，同时降低铝的耗用量，提高钢的质量。

（2）对二次精炼造渣的优化控制。二次精炼中的除硫主要是利用加热造渣、喂线、吹气搅拌等方法来实现的，分为防止氧化反应，在进行此操作时必须在深度脱氧的情况下进行。最精炼造渣的优化主要有以下几个环节：一是对于进站造渣的厚度进行测量，并根据相应的要求添加适当的铝；二是对于造渣工艺进行合理设置，通常造渣的pH值为11时脱硫的效果最佳，因此应对造渣成分合理配置，以达到脱硫的最佳效果；三是在精炼过程中要对正压操作和底吹流量进行合理控制，一般是控制增氮15ppm、增氧30 ppm。