纯净钢专题

纯净钢专题

摘要：本文从杂质元素对钢材机械性能的影响开始，引出纯净钢的概念，并分析了纯净钢的应用领域以及目前国内外先进的纯净钢生产技术和未来纯净钢的发展方向，最后列出纯净钢检测方法以期指导纯净钢生产实践。

关键词：纯净钢超纯净零非金属夹杂钢

引言：炼钢工业化的百年历史是沿着钢材纯净化和合金化的方向不断前进的。近年来随着钢铁材料在材料领域的广泛应用，外界对钢材的质量要求越来越高标准化。在关系国计民生的汽车、建筑、天然气、压力容器、电工材料等领域都要求钢材的优良机械性能和使用性能，纯净钢的发展适时的满足了这写领域的需要，但同时这些领域也为纯净钢发展提出了新的要求和方向。

一、钢中杂质元素对其机械性能的影响

硫：硫在钢中以硫化物(MnS、FeS、CaS等)形式存在，对力学性能的影响是:：(1) 使钢材横向、厚度方向强度、塑性、韧性显著低于轧制方向(纵向)，特别是钢板低温冲击性能；

(2) 显著降低钢材抗氢致裂纹能力，因此用于海洋工程、铁道桥梁、高层建筑、大型储氢罐，钢板[ S] ≤50×10-6。硫还影响钢材抗腐蚀性能，用于输送含H2 S等酸性介质油气管线钢，[ S]降至(5～10)×10- 6。此外硫对钢材热加工性能、可焊性均发生不利影响。

磷：由于磷是表面活性杂质，在晶界及相界面偏析严重，往往达到平均浓度的数千倍，因此洁净钢要求[ P] ≤100×10- 6。

氮：氮对钢材的危害是：(1) 加重钢材时效；(2)降低钢材冷加工性能；(3) 使焊接热影响区脆化。

氧：钢中氧含量过高会引起角状夹杂物及宏观夹杂物增多，易于发生脆性断裂，而且非金属氧化物夹杂物含量过高也会影响钢表面质量。

钢中的碳含量直接影响钢中组织形态，对于不同钢种其标准不同。

表1钢中杂质元素对其机械性能的影响

二、纯净钢的概念

纯净钢一般是指钢中杂质元素磷、硫、氧、氮、氢、碳和非金属夹杂物含量很低的钢。在这里的杂质是随钢种变化的，这是因为某一类元素在某钢种内是有害杂质，但可能在另一种钢内其有害程度会减轻或者甚至是有益元素。也就是说对于钢性能要求不同，纯净钢所要求的控制因素和控制力度也不同。

纯净钢要求钢中硫含量小于50PPM，磷含量小于50PPM，氧含量小于10PPM，氢含量小于30PPM，氮含量小于50PPM。对于具体钢种会用不同标准。

钢材中的夹杂物可引起许多缺陷，钢的洁净度取决于钢中非金属夹杂物的数量、形态和尺寸分布, 因钢种及其用途不同而定义不同。

三、纯净钢应用领域

1、汽车领域，在现代汽车工业中，节能减排已成为亟待解决的问题。汽车燃油消耗与车重有着极为密切的关系，而减轻车重最有效的方法就是采用汽车轻量化技术。汽车的轻量化不仅可以减小各种行驶阻力，降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能指标。但轻量化一般会降低汽车的碰撞安全性，这就多汽车用材的性

能和成本提出了很大要求。应用纯净钢技术，可以生产高焊接性能、高强度的结构钢和高深冲性能波板带钢。

2、石油、天然气领域，石油、天然气的开采逐渐向深海和寒冷地区延伸，面对深海的高压及海水的腐蚀，寒冷地区的复杂情况，需要高强度、高韧性、耐H2S、CO2、耐腐蚀的高性能油井管钢和合金结构钢，对于其强度要求大于700MPa。为此需要运用纯净钢技术。

3、建筑领域，随着建筑物的大型化和高层化以及巨型输电塔和高大新型建筑机械的制造，对建筑领域应用最广的材料——钢铁提出了严谨的质量要求，需要高耐候、抗焊裂、能确保焊点韧性的新型高强度钢材。这又为纯净钢技术的应用提供了新的领地。

4、超高压力容器领域，压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器钢板是关系到国计民生的特殊材料，是冶金行业的短线产品。由于其工作条件，要求钢材具有高温强度，钢板板厚方向强韧性均一，抗焊脆性，抗氧腐蚀等。

5、电力工业和家用电器领域，需要高磁束密束取向和无取向电工钢，钢板薄化2.0 高硅化，高纯度化。

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四、各类钢种对钢洁净度的要求

表2 各类钢种对钢洁净度的要求[1]

五、纯净钢先进生产技术[2][4]

纯净钢生产是通过各种设备和工艺手段不断净化、提纯优化的过程。国内外各大钢厂在大规模生产纯净钢的生产流程上(包括铁水预处理、转炉炼钢、挡渣出钢、炉外精炼和连铸等工艺环节)采用了许多先进技术。

铁水预处理

20 世纪80 年代以来，铁水预处理已成为生产优质低磷、低硫钢必不可少的经济工序。其目标是将入转炉的铁水磷、硫含量脱至成品钢要求水平。

目前,基于铁水预处理的纯净钢冶炼工艺有两种：一种是铁水深脱硫处理+转炉脱磷、脱碳+钢水炉外喷粉脱磷、脱硫；另一种是铁水三脱预处理+复吹转炉少渣炼钢+钢水炉外喷粉脱硫。两种工艺均能生产w ( P) < 0. 010 %、w (S) < 0. 005 %的纯净钢,但后者经济效益显著高于前者。

在诸多铁水预脱硫方法当中，KR法脱硫近年多被新建大型钢厂采用。KR法是1963 年新日铁研究的，新日铁君津制铁所的两个炼钢厂和住友和歌山厂等均采用KR设备脱硫。近年,宝钢股份不锈钢分公司、昆明钢厂、济南钢厂、四川川威钢厂等也采用KR 法脱硫，且取得了良好效果。

转炉炼钢

炼钢采用转炉顶底复合吹炼技术可显著地降低钢水中的碳和磷。近十几年来，日本发明了转炉铁水预处理工艺，主要有SRP 法(住友) 、ORP法(新日铁) 、NRP 法(原N KK) 、H 炉工艺(神户) 、MURC法(室兰厂)等。

现在日本住友金属和歌山厂、J FE福山厂、水岛厂、新日铁室兰厂和君津制铁所第二炼钢厂以及韩国浦项光阳厂等均采用转炉双联法进行大规模生产。转炉双联法典型的工艺流程为高炉铁水→铁水脱硫预处理→转炉脱磷→转炉定温脱碳→二次精炼→连铸。

炉外精炼

钢包精炼炉是生产纯净钢的重要设备。在炼钢生产中,精炼炉具有脱硫、气体搅拌、合