洁净钢的成分控制

洁净钢的成分控制在钢铁冶炼过程中，一部分杂质元素可以去除，但仍有一部分将残留在钢中，这些残余元素的存在是钢材质量产生不稳定的主要因素之一。

在这些元素中，某些残余元素由于易于偏析，即使其含量很低，也对钢材性能产生很强的有害影响。

因此正确认识钢铁产品中残余元素问题，建立洁净钢的概念及其工艺控制是保证现代钢铁工业生产优质钢材的重要前提。

提高钢的洁净度，可以明显改善钢材的机械性能和加工性能。

主要表现在：(1) 洁净度对钢材机械性能的影响降低钢中的S、P、N等的杂质含量，可以明显提高钢材的强度和韧性，如当钢中的[S]≤0.004%时，NiCrMo钢的冲击韧性明显提高；对于AIST4340钢，[P]从0.03%下降到0.003%，室温C型缺口冲击能约提高20%，而对于含B钢，控制[N]≤20ppm，可以获得很高的强度和低温韧性。

对于轴承钢，降低钢中的全氧含量，可以明显提高轴承的寿命。

因此，高质量的轴承钢，要求钢中T[O]≤10×10-4%。

同时，钢中夹杂物的尺寸、分布与性质对钢材的疲劳极限也有很大的影响。

降低钢中夹杂物，有利于提高钢材的疲劳强度。

对于硅钢（Si=3%），降低钢中的S和T[O]的含量（[S] ≤20ppm，T[O] ≤15ppm），可以使无取向硅钢片的铁芯损失降低到2.3w/kg以下。

而降低钢中的[C]和[N]含量，可以提高硅钢片的最大导磁率，降低矫顽力。

(2) 洁净度对钢材加工性能的影响焊接性能是钢材最重要的使用性能之一，降低钢中的含C量或降低钢的碳当量，有利于改善钢的焊接性能。

汽车板、家用电器和DI罐用钢等钢材，不仅要求一定的强度，还要求要有良好的深冲性能，降低钢中C含量，可以明显改善钢的深冲性能。

汽车用高质量IF钢，要求钢中C+N≤50ppm。

此外，生产热轧薄板，必须严格控制钢中大型Al2O 3夹杂物的数量，才能避免轧制过程中产生裂纹，获得良好的表面质量。

如生产0.3mmDI罐用钢板的关键技术是彻底杜绝30~40mm的大型脆性夹杂的出现。

钢中夹杂物的数量与类型对切削刀具寿命有明显的影响，这是由于钢种的脆性夹杂增大了工件与刀具间的摩擦阻力，不利于钢材的切削性能。

因此，尽量降低钢中的脆性夹杂物的含量，有利于改善钢材的切削性能。

钢中的脆性夹杂物对耐磨性有着极坏的影响，对于钢轨钢和轴承钢，钢中Al2O3等脆性夹杂往往造成钢材表面剥落、腐蚀。

因此，严格控制钢中Al2O3近似等于零，可以解决表面磨损的问题，提高钢材的耐磨性能。

N和C一样，是间隙型杂质。

低温时，容易在Fe原子晶格内扩散，引起时效，使钢材低温锻造性能下降。

对于0.35%的碳钢，如果控制钢中的固溶N含量≤50ppm，可以明显降低钢材冷锻时裂纹的产生率。

钢中含有硅及锰元素时，将大大促进残余元素引起的第二类回火脆性。

这可能是由于硅、锰促进残余元素在钢中的扩散及偏析能力。

相反，钢中如果添加适量的钼，一般为0.2~0.5，则可有效地抑制第二类回火脆性。

理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高，其性能越好，使用寿命也越长。

钢中杂质含量降低到一定水平，钢材的性能将发生质变。

如钢中碳含量从40×10-6降低到20×10-6，深冲钢的伸长率可增加7%。

提高钢的纯净度还可以赋予钢新的性能(如提高耐磨腐蚀性等)，因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下高附加值产品的基础，其生产具有巨大的社会经济效益。

需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的，如硫在一般钢中都视为杂质元素，但在易切削钢中其为有益元素；IF钢中氮是杂质元素，但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素，其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。

钢中[H]含量过多，易于产生氢发裂和白点，导致钢的严重缺陷。

硫是钢中的有害元素之一，是表面活性元素，常以MnS的形式在钢材晶界上或异相界面上偏析聚集。

硫对钢材最大的危害是引起钢的热脆，显著降低了钢的热加工性能。

而对于铁素体不锈钢，要求钢中S≤20ppm，保证钢材的热加工性能。

碳钢的S ≤ppm，热加工时可避免产生热裂纹现象。

此外，硫降低钢材的韧性，恶化钢的Z向性能，并对氢致裂纹有较大影响。

因此，要求管线钢具有较高的抗氢致裂纹(HIC)和抗硫应力裂纹(SSCC)的能力，要求控制钢中S≤10×10-6。

近20年来，随着宇航、航空、石油、汽车、国防及微电子工业的蓬勃发展，对钢铁杂质含量的要求越来越苛刻，因为人们发现钢的纯净度愈高，性能愈好。

例如轴承钢：当含氧量[O%]由30×10-4%降为15×10-4%时接触疲劳寿命提高5倍：降到10×10-4%时接触疲劳寿命提高15倍：降到5×10-4%时接触疲劳寿命提高30倍；又如为满足汽车工业对深冲压成型薄板的需求而推出的IF钢(无间隙相元素钢)对碳含量的要求更降至[%C]<30×10-4%已属于超低碳钢。

生产工艺：纯净钢的生产主要集中在两方面：(1)尽量减少钢中杂质元素的含量；(2)严格控制钢中的夹杂物，包括夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型。

减少钢中溶质元素的含量主要在各种铁水预处理以及二次精炼设备中营造最佳去除的热力学和动力学条件来实现，钢中夹杂物的控制主要是减少其生成、对其进行改性、促其上浮。

通常纯净钢生产工艺包括以下几部分：铁水预处理，转炉复吹，出钢挡渣、扒渣、对炉渣改性，二次精炼(真空、吹气、加热、造渣)、全程保护浇铸、中间包冶金、结晶器冶金及采取各种促使夹杂物去除的措施等。

根据对脱磷采取的不同工艺，洁净钢生产工艺大致可以分为以下两种工艺流程[12]：(1)铁水“三脱”洁净钢生产工艺：以日本为代表，主要的工艺特点是采用铁水预处理脱磷工艺，生产洁净钢。

技术特点是：采用铁水三脱预处理工艺，脱Si、脱S和脱P。

目前，多采用转炉作为铁水“三脱”的反应器，不再需要铁水预脱硅。

复合吹炼转炉采用少渣冶炼工艺，脱碳升温并进行脱磷；通常采用多功能的RH 进行钢水精炼，深脱磷、深脱硫和脱气；转炉弱脱氧“沸腾”出钢，避免钢水吸氮，适宜冶炼超低氮钢；连铸采用保护浇注、夹杂物过滤等一系列技术措施，保证钢水质量。

(2) 钢水精炼洁净钢生产工艺；以欧美为代表，主要依靠转炉脱磷，并采用钢包喷粉深脱磷。

其技术特点是：采用转炉冶炼低碳钢脱磷，脱碳、脱硅、脱磷和升温精炼；转炉弱脱氧出钢，钢包喷粉深脱磷，然后扒渣；LF升温脱硫精炼；RH脱氧和深脱硫，连铸保护浇注；不适宜生产超低N和低P钢种。

(3) 两种精炼工艺的技术比较采用铁水“三脱”工艺，脱P的热力学、动力学条件优于铁水精炼工艺；铁水“三脱”工艺流程短，工艺简单，更适宜冶炼超纯净钢；铁水“三脱”工艺生产纯净钢，生产成本明显低于钢水精炼工艺洁净钢的成分控制－－钢液碳的控制钢中碳对钢的性能影响最大，碳含量高能增加钢的强度，但使塑性下降、冲压性能变坏。

因此一般优质深冲型铝镇静钢要求[C]≤0.05%、IF钢要求[C]≤0.007%。

钢中碳的控制主要集中于两点：炉外精炼使钢中碳达到极低水平、防止连铸过程增碳。

RH处理脱碳主要受制约有以下两个因素：一是钢液环流量(是浸渍管直径的函数)；二是钢液向气泡[C]传递速率(是真空室横截面积及搅拌能的函数)。

因此可以通过增加钢液循环流量和净化气体流量来提高反应速度。

其主要手段是增大浸渍管直径和吹Ar流量。

目前，国外RH处理，吹Ar流量有500NL/min的记录，浸渍管直径有达1m的记录，国外一些厂家RH处理后钢中[C]最好的降到9～12×10-4%。

防止增碳，首先是防止RH处理从真空罐渣壳中吸碳。

特别是钢包用炭化稻壳保温，这一现象就显得尤为突出。

其次是防止连铸过程中增碳。

中钢公司研究了中间包不同覆盖剂对增碳的影响，发现：使用炭化稻壳，增[C]11.7×10-4%；使用某种粒状保护渣，增[C]7.3×10-4%；使用Mg基粒状覆盖剂，增[C]3.5×10-4%。

法国Sollac Dumkirk厂研究发现，开浇和换钢包期间，增[C]严重，可达10～20×10-4%。

因此，为防止增碳应注重以下几点：一是进一步降低耐火材料中的[C]量，使钢水与含碳材料接触面最小；二是中间包使用含碳少的保温材料；三是减少结晶器保护渣中的[C]含量。

采用RH可以实现超低碳钢精炼。

但当钢中w([C])≤0.002%时，由于钢水静压力的影响，RH脱碳速度减弱，趋于停止。

为了进一步降低钢中含碳量，日本近几年开发出以下新工艺：（1）提高钢水循环流量Q，促进脱碳反应——REDA法。

新日铁八幡钢厂对350tDH 炉进行改造：取消真空室下部槽和吸嘴，将真空室直接插入钢水中，利用钢包底吹Ar搅拌能，大幅度提高RH钢水的循环流量。

使熔池混匀时间从80s降低到40～60s，脱碳速度明显提高。

处理20min，可保证钢水w([C])≤10×10-6；处理30min，钢水[C]可达到3×10-6。

（2）提高容量传质系数αk，促进脱碳反应。

日本川崎钢铁公司为实现超低碳钢冶炼，采用H2作为搅拌气体，吹入RH真空室。

利用RH真空脱气的功能，使H2气从钢液中逸出时增加了反应界面，提高RH的容量传质系数αk。

处理20min，可使钢中[C]达到3×10-6。

众所周知脱硫的热力学条件是高温、高碱度、低的氧化性，因此脱硫应注意以下三点：金属液和渣中氧含量要低、使用高硫容量的碱性渣、钢渣要混合均匀。

铁水预处理可以深度脱硫，也可以部分脱磷。

目前广泛采用在铁水包或鱼雷罐中喂线、喷粉的铁水预处理方法，，喷粉可以造就良好的动力学条件，极大扩展反应界面。

二次精炼是生产超低硫钢所必不可少的手段，所用方法主要为喷粉、真空、加热造渣、喂线、吹气搅拌，实践中常常是几种手段综合采用。

钢中的长条形(尤其是沿晶界分布的)硫化物是产生氢致裂纹的必然条件，对钢水进行钙处理可将其改变为球形，降低其危害，一般钙硫比(Ca/S)接近2为佳。

炉渣的脱硫能力决定于炉渣碱度和渣中FeO含量；对于高碱度炉渣，脱硫反应速度的限制性环节是金属侧硫的传质速度，增强熔池搅拌，有利于提高脱硫速度。

采用低碱度精炼渣可有效地消除钢中点状夹杂物。

实践证明，碱度控制在2.0～2.5范围内，渣量为2%时，脱硫率可达70%。

在EBT电炉出钢过程中投入的脱硫剂，若添加适量的萤石（<10%），可显著提高脱硫效果，且不会对钢包的使用寿命构成危害。

通过含BaO和不含BaO渣系的脱硫动力学对比实验表明：含BaO脱硫渣系具有比不含BaO的脱硫渣系有更快的脱硫速率。

含BaO精炼渣系具有较好的深脱硫作用，在实验室条件下，可将钢中硫稳定的脱除至5×10-6以下，完全适用于极低硫钢的精炼。