鋼的潔凈度與產(chǎn)品性能

鋼的潔凈度與產(chǎn)品性能

1鋼質和凈凈度鋼凈化技術是創(chuàng)造高性能高質量產(chǎn)品的基礎，代表了鋼鐵公司在鋼鐵和冶金行業(yè)的技術設備水平。20世紀80年代以來,鋼的潔凈度不斷提高。日本2000年批量生產(chǎn)的潔凈鋼中,有害元素[C、P、S、N、O、H]總量可達0.005%,我國寶鋼可達0.008%,見表1。隨著國防、交通、石油和汽車等行業(yè)對鋼材質量要求的日益提高,今后鋼的潔凈度會進一步提高。潔凈鋼是一個相對概念,一般認為,潔凈鋼是指鋼中五大雜質元素[S、P、H、N、O]含量較低,且對非金屬夾雜物(主要是氧化物和硫化物)進行嚴格控制的鋼種,主要包括:鋼中總氧含量低,非金屬夾雜物數(shù)量少、尺寸小、分布均勻,脆性夾雜物少以及合適的夾雜物形態(tài)。理論和實踐證明,鋼的潔凈度越高,其產(chǎn)品性能越好,使用壽命越長。如鋼中碳含量從0.004%降低到0.002%時,深沖鋼的延伸率可提高7%。提高鋼的潔凈度還可提高其耐磨和耐腐蝕等性能。因此,生產(chǎn)潔凈鋼是生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的基礎,具有明顯的經(jīng)濟效益。應該指出的是,不同鋼種對鋼的潔凈度要求不同,見表2。2清潔鋼生產(chǎn)技術2.1其他真空精制裝置鋼中碳對鋼的性能影響最大,碳含量高能增加鋼的強度,但使塑性下降、沖壓性能變壞。因此一般優(yōu)質深沖型鋁鎮(zhèn)靜鋼要求[C]≤0.05%,IF鋼要求[C]≤0.007%。鋼中碳的控制主要集中在爐外精煉和防止連鑄過程增碳。20世紀80年代以來,國際上應用最多的真空精煉裝置是RH、VOD、VD。其中VOD主要用于超低碳不銹鋼的精煉;與VD相比,RH更適合于超低碳深沖鋼、鍍層鋼板的生產(chǎn)。為了將鋼中碳脫到0.005%以下,國外發(fā)展了RH-OB、RH-KTB、RH-PTB、VOD-PB等吹氧、噴粉強制脫碳的方法。據(jù)報道,日本住友金屬工業(yè)公司采用VOD-PB噴吹氧化粉劑法,可將碳降至0.0003%,但其缺點是隨著脫碳反應的進行,鋼中氧含量會逐漸增加。鋼中碳控制的另一個重點是防止連鑄過程增碳。降低耐火材料中的碳含量,或者使鋼水與含碳材料接觸面最小;中間包使用不含碳或碳含量少的保溫材料;結晶器使用無碳保護渣等,都有助于防止增碳。2.2脫硫、預應力、噴噴、吹氣硫在鋼中主要以硫化物(Mn、Fe)S的形式存在,除對鋼材的熱加工性能、焊接性能、抗腐蝕性能有較大影響外,對力學性能的影響主要表現(xiàn)在:①與鋼材軋制方向的性能相比,非軋制方向(橫向、厚度方向)的強度、延性、沖擊韌性等顯著降低;②顯著降低鋼材的抗氫致裂紋(HIC)的能力。硫能顯著降低鋼板非軋制方向的性能。用于高層建筑、重載橋梁、海洋設施等重要用途的鋼板,其硫含量目前大都控制在0.008%以下,預計將來會進一步降低到0.005%以下。用于輸送含H2S等酸性介質油氣的管線鋼硫含量目前已降低到0.0005%~0.0001%。脫硫的熱力學條件是高溫、高堿度、低氧化性,因此脫硫應注意以下三點:金屬液和渣中氧含量要低、使用高硫容量的堿性渣、鋼渣要混合均勻。鐵水預處理可以深脫硫,也可以部分脫磷。目前廣泛采用的鐵水脫硫預處理工藝方法見表3。經(jīng)預處理后的鐵水兌入轉爐前需認真扒渣,轉爐應使用低硫廢鋼并采用復合吹煉。目前,國外鋼廠出鋼過程中對爐渣進行改性十分重視,這主要是出于降低爐渣的氧化性和進一步脫硫的綜合考慮。通常在出鋼過程中添加石灰粉80%、螢石10%、鋁粉10%和罐裝碳化鈣進行鋼水脫硫,控制鋼包渣中FeO≤1.5%,可使出鋼脫硫率達34%。有的廠家還進行底吹氬攪拌,可使[S]<0.003%。二次精煉是生產(chǎn)超低硫鋼的必要手段,所用方法主要為噴粉、真空處理、加熱造渣、喂線、吹氣攪拌,實踐中常常是幾種手段綜合采用。所形成的精煉設備及精煉效果如表4所示。此外,鋼中的長條形(尤其是沿晶界分布的)硫化物是產(chǎn)生氫致裂紋的必要條件,對鋼水進行鈣處理可將其改變?yōu)榍蛐?一般鈣硫比(Ca/S)接近2為佳。2.3脫磷和磷處理磷對鋼材的延性、低溫韌性、調質鋼的回火脆性有很大影響,優(yōu)質鋼對磷的要求已由過去的0.02%~0.04%降低到目前的0.015%以下。少數(shù)鋼種,例如含Ni9%左右的低溫儲罐用鋼,要求磷含量在0.003%以下。應該指出的是,磷在低濃度時,對絕大多數(shù)鋼材的延性沒有明顯的影響。對于高強度熱軋鋼板,當[P]由0.013%降到0.002%后,鋼板的沖擊韌性沒有明顯的改善。大多數(shù)鋼種[P]降低到0.01%左右即可滿足鋼材延性要求。脫磷的熱力學條件是低溫、高堿度、高氧化性。目前磷的去除主要在鐵水預處理、轉爐或電爐精煉期、二次精煉三個階段進行,如表5所示。鐵水脫磷必須先脫硅,在高爐出鐵溝及鐵水包投放脫硅劑,可將鐵水中的硅脫到0.2%。川崎發(fā)明的SRP法在轉爐中進行預脫磷,其脫碳爐中產(chǎn)生的爐渣作為脫磷劑返回脫磷爐中,采用兩座轉爐同時作業(yè)的目的是避免回磷。在脫磷爐中,磷在10min內(nèi)脫到0.011%,同時可熔化7%的廢鋼,其后在脫碳爐中可生產(chǎn)出小于0.010%的超低磷鋼水。此外,低溫不脫氧出鋼,有助于脫磷,也可防止吸氮。2.4鋼水脫氮技術氮對鋼材性能的影響有三個方面:①加快鋼材的時效;②降低鋼材的冷加工性能;③造成焊接熱影響區(qū)脆化。對于新一代汽車用超深沖IF鋼冷軋鋼板,為了保證良好的深沖性能,[N]要求低于0.0025%。研究表明,為了保證厚板焊接熱影響區(qū)的韌性,鋼中[N]應低于0.002%。鋼中去氮比較困難,目前主要依靠轉爐去氮,在澆鑄過程中防止吸氮。在最近的報道中,鐵水脫氮和二次精煉脫氮已有所進展。鐵水氮含量是影響鋼水終點氮含量的重要因素,低氮鐵水主要靠高爐的順行來獲得。高溫、高鈦、高錳、高硅均有助于減少鐵水氮含量。鐵水脫硅的同時也能脫氮,COCKERILI-SAMBRE鋼廠鐵水工業(yè)試驗證明,在魚雷罐車中加入40kg/t燒結礦粉,脫氮率可達50%。轉爐是有效的脫氮設備,一般可使氮含量達到0.002%~0.004%,其高低取決于鐵水加入量、轉爐的吹煉控制、出鋼脫氧制度等。底吹氣體的性質、用于保護噴嘴的介質種類及氧氣中氮含量也是影響鋼水終點氮含量的重要因素,而吹煉末期的補吹可使鋼水中氮含量明顯增高。不脫氧出鋼、控制出鋼口形狀不散流以及在鋼包內(nèi)添加含CaO的頂渣可有效防止鋼水吸氮。精煉過程中,氮主要來源于與鋼水接觸的大氣、加入的合金及熔劑。鋼液去氮主要靠攪拌處理、真空脫氣或兩種工藝的組合。住友金屬公司開發(fā)的VOD-PB工藝在真空下向鋼水深吹鐵礦粉和錳礦粉,在精煉的高碳期間生成CO小氣泡,可得[N]<0.002%的鋼水。該公司隨后開發(fā)的RH-PB法可使鋼水中[S]=0.0005%、[N]=0.0015%。真空室的密封性對實現(xiàn)低氮也非常重要,整體式真空室有利于低氮鋼的生產(chǎn)。川崎發(fā)現(xiàn)在RH下降管內(nèi)壓力小于管外壓力,其耐材內(nèi)氣體主要成分是氮氣。2.5鋼水下渣、鋼水緩沖器出現(xiàn)2.氧主要以氧化物系非金屬夾雜物的形式存在于鋼中,實際上,除部分硫化物以外,鋼中的非金屬夾雜物絕大多數(shù)為氧化物系夾雜物。鋼中非金屬夾雜物對鋼材的疲勞特性、加工性能、延性、韌性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蝕性能等均有顯著的影響。對非金屬夾雜物要求苛刻的主要鋼種有:①超深沖汽車鋼板、DI罐板等,要求總氧含量低于0.003%,優(yōu)質汽車板總氧含量目前已能達到0.002%以下;②子午線輪胎冷拉鋼絲、大橋懸索用冷拉鋼絲等,要求總氧含量低于0.002%、夾雜物尺寸小于20μm,并不含(或含極少)Al2O3類夾雜物;③軸承鋼、優(yōu)質軸承鋼總氧含量已能夠控制在0.0005%以下。鋼中脫氧的復雜性在于鋼水冷卻凝固過程中,因氧的溶解度降低將進一步生成脫氧產(chǎn)物,鋼水在澆鑄過程中,會因與大氣、爐渣、耐材發(fā)生氧化反應形成大顆粒夾雜物。要減少所生成夾雜物的數(shù)量,首先必須降低轉爐終點氧含量。合理的吹煉制度,特別是減少補吹,有助于降低終點鋼水氧含量。鋼包渣中FeO+MnO含量與鋼水中氧含量有正比關系,廣泛采用擋渣法減少出鋼下渣量,以及提高轉爐終渣(MgO)含量和堿度也有利于減少下渣。鋼中含有脆性夾雜物是很多鋼種出現(xiàn)缺陷的原因,如輪胎子午線的冷拔斷裂、汽車板表面的損壞等。同時脆性Al2O3夾雜也是引起澆鑄過程中水口堵塞的主要原因。生產(chǎn)中去除夾雜物和防止二次氧化所采取的措施有:(1)出鋼擋渣、扒渣、爐渣改性;(2)真空精煉并吹氣攪拌以有效去除夾雜;(3)鋼包到中間包、中間包到結晶器惰性氣體保護澆鑄,中間包吹氬實現(xiàn)惰性氣氛澆鑄,中間包密封或真空澆鑄等;(4)鋼包、中間包下渣檢測,中間包采用防渦流技術;(5)鋼包全自動開澆和浸入式開澆技術;(6)中間包使用擋墻、壩、阻流器控制鋼水流動,使用過濾器、電磁旋轉離心器或底吹氬減少夾雜,使用高堿度覆蓋劑吸收夾雜,造還原性中間包覆蓋劑,使用堿性耐材降低侵蝕,采用H型或大容量中間包等;(7)中間包加熱,控制溫度波動;(8)采用立彎式結晶器促使夾雜上浮,結晶器采用電磁攪拌減少鑄坯皮下夾雜物和氣泡,采用FC結晶器或電磁閘控制鋼水流動,同時減少液面波動,結晶器保護渣自動添加;(9)低速澆鑄。2.6去除自適應的c鋼中的氫不僅降低鋼的機械性能,而且會形成裂紋、皮下氣泡、中心疏松及白點。氫的去除以前主要在煉鋼初期通過CO激烈沸騰達到目的。自從真空處理技術出現(xiàn)以后,鋼中氫已可穩(wěn)定控制在0.0002%以下。嚴格杜絕各工序造渣劑、合金料、覆蓋劑以及耐材的潮濕,避免碳氫化合物、空氣與鋼水接觸,都有助于降低鋼中氫含量。3要求嚴格控制非雜物加入WTO以后,鞍鋼實施精品戰(zhàn)略,生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品主要有管線鋼、壓力容器用鋼、橋梁用鋼、鐵路用鋼、汽車用鋼、集裝箱用鋼、船板鋼、冷軋硅鋼等。這些鋼種均要求嚴格控制鋼中的非金屬夾雜物。根據(jù)目前的工藝裝備現(xiàn)狀,應采取以下措施。3.1轉爐法鐵水預處理鐵水“三脫”生產(chǎn)工藝概括起來可分為兩大類:(1)利用鐵水運輸設備進行“三脫”。工藝特點是[Si]≤0.15%,混鐵車(或鐵水罐)噴粉脫磷、脫硫。(2)利用轉爐進行鐵水“三脫”處理。經(jīng)過日本10年的實踐,綜合比較,證明轉爐法鐵水預處理工藝是目前最佳的選擇。采用轉爐實現(xiàn)鐵水“三脫”有如下優(yōu)點:①工藝流程短,處理成本低。②處理能力大,容易實現(xiàn)全量鐵水“三脫”預處理。③投資小,可利用原有轉爐進行“三脫”,不必新建鐵水“三脫”預處理站。④工藝穩(wěn)定,易于操作控制,但轉爐“三脫”工藝需要占用一座煉鋼轉爐,會降低煉鋼廠的生產(chǎn)能力。為解決這一問題,日本根據(jù)10年生產(chǎn)經(jīng)驗開發(fā)出高效生產(chǎn)工藝,使一座轉爐的產(chǎn)量達到兩座轉爐的生產(chǎn)能力。目前,鞍鋼轉爐煉鋼技術方面與日本相比有較大差距,鐵水脫硫扒渣能力明顯不足,缺少經(jīng)脫磷、脫硅、脫硫處理的“三脫”鐵水。鞍鋼能否采用“雙聯(lián)”工藝,首先要打破“三吹二”傳統(tǒng)工藝的束縛,建議鞍鋼深入研究和開發(fā)日本的“雙聯(lián)”法。因為“雙聯(lián)”法適于大量地、經(jīng)濟地生產(chǎn)超潔凈鋼。3.2復吹轉爐底部供放電鞍鋼第一、第二煉鋼廠的6座90t轉爐采用的是頂吹技術,第三煉鋼廠的復吹轉爐底部供氣元件與爐齡不同步問題突出,鋼鐵料消耗高,脫磷、脫硫效果差,鋼渣過氧化嚴重,不利于冶煉低碳鋼。采用復吹技術不僅有利于潔凈鋼冶煉,而且可降低成本6~15元/t鋼。3.3[c]與鋼的也/合金規(guī)則終點成分和溫度控制不好,將會嚴重影響鋼的氧、氮含量及爐外處理操作,造成鋼中碳、鋁、合金含量波動和夾雜物含量升高。以IF鋼煉鋼終點控制為例,如[C]能準確地在0.02%~0.03%、溫度在1680~1690℃時結束吹煉,鋼中[O]可控制在0.06%~0.08%之間。如成分和溫度控制不好,多次補吹,[O]會急劇增加到0.08%~0.1%以上,而鋼中[O]的提高最終將導致鋼中非金屬夾雜物含量的增加。3.4等重要鋼種爐外精煉是生產(chǎn)潔凈鋼的重要環(huán)節(jié)。深沖、管線、重軌、軸承、工具鋼等重要鋼種應采用真空處理。我國寶鋼鋼的最佳潔凈度[P、S、O、N、H]含量為0.008%,能批量生產(chǎn)IF鋼和高性能的管線鋼,采用的就是鐵水“三脫”—扒渣—BOF—RH—鈣處理—連鑄的工藝路線。3.5差、下渣多,影響鋼的潔凈度目前,鞍鋼鐵水帶渣量較多,造成煉鋼回硫嚴重或脫硫困難。轉爐出鋼擋渣效果差、下渣多,嚴重地影響了鋼的潔凈度。潔凈鋼生產(chǎn)對帶渣要求十分嚴格,減少帶渣主要包括:①減少鐵水脫硫渣隨鐵水進入煉鋼轉爐;②減少煉鋼轉爐爐渣在出鋼時帶入鋼包;③防止鋼包爐渣進入中間包;④防