纯净钢

纯净钢(clean steel) 含非金属夹杂物和气体很少的钢，或者说含氧、硫、磷、氢、氮5种有害元素很少的钢。

非金属夹杂物对钢质量有很大害处，含有夹杂物可说是钢不清洁，非金属夹杂物的大小和形态是评吹chuj价钢的洁净度的标志。

氧、硫、磷、氢、氮是钢中的杂质，含量多的钢被认为是不纯的。

研究证明，钢材中发现的非金属夹杂物大多是在钢液凝固时有害杂质元素偏析浓缩而与金属元素结合形成的。

当然有些有害元素除生成夹杂物之外还有其他危害作用。

但总的看来，非金属夹杂物的数量或5种有害元素的含量水平都可以代表钢的纯净度。

20世纪80年代初期，钢的纯净度水平在100t熔炼炉规模上已达到氧、硫、磷、氢、氮5元素的浓度总和为0．005％(5010-6)，其中[H]≤0．710-6，[N]≤1510-6，[O]≤1010-6，[P]≤1510-6，[s]≤510-6。

对于低碳的软钢，碳含量可达到2010-6以下。

钢中非金属夹杂物的形态和尺寸分布比含量多少更为重要。

随着炼钢工艺过程使用废钢比例的增大，钢中混入的有色金属元素也增多起来，特别是铅、铋、砷、锑、锡5种痕量元素也成为生产纯净钢应该注意的问题。

由于它们含量都是10-6级，凝固后多偏聚在晶界上，往往对钢的性能有很大危害。

但分析这样微小浓度的仪器缺乏，在经常生产中很少去分析它们，还难以对它们的影响作出定量判断，因而也还没有一个纯净与不纯净的明确界限。

纯净钢是一个相对的概念，它的确切定义一直是变动的。

纯净与否往往取决于观察者的判断。

有些钢在50年代算纯净的，到了80年代就不算纯净了。

对于一般用途的钢，50μm大小的夹杂物可允许存在，而对于精密轴承就不允许了。

因此需根据对钢材性能的不同要求，订出钢的纯净度的合理指标，以便经济合理地生产和使用优质钢材。

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。

目前在大规模生产纯净钢的生产流程上采用了许多先进技术，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。

纯净钢的生产工艺
由于更广义的纯净钢是脱除了不希望有的溶质元素的钢种，纯净钢生产工艺的基础理念是控制夹杂物的数量、尺寸、分布和种类，求得所希望的产品性能。

主要技术来自氧气冶炼，脱氧和二次精炼，通过合理设计和采用磁场控制中间包和结晶器内流场，也采用各种措施防止外来夹杂，如防止炉渣进入大包，防止炉渣、保护渣、耐火材料使钢水二次氧化。

广义的纯净钢也包括脱除了碳、氮、氢、磷和硫的钢种。

脱氧产物是内在氧化物。

来自耐火材料、炉渣、保护渣及由它们造成的二次氧化产物属外来夹杂物。

这些夹杂物的不良作用必须消除，以求所需的钢材性能。

.1纯净钢生产工艺的基础理念
为了达到钢材性能，可以用氧含量代表的氧化物夹杂总量和夹杂物的尺寸必须控制。

轴承钢和弹簧钢的总氧含量影响其疲劳寿命。

在DI罐生产过程中，大颗粒夹杂会造成开裂，降低深冲性。

汽车板生产过程中，板坯的皮下夹杂物和针孔必须消除，不然会在板材表面造成
起皮。

对钢丝的拔制性讲，生产轮胎钢丝（子午线）或不锈钢钢丝的小方坯中夹杂物必
须控制其化学成分使其可以变形。

这些就是纯净钢生产工艺的基础理念。

.2纯净钢生产的主要技术内容和应用这些技术后纯净钢的物化特性
.2.1降低氧化(jiang4 di1 yang3 hua4)物夹杂总量
在精炼领域，与顶吹相比，采用顶底复吹转炉在相同脱碳量时氧含量更低。

这是因为底吹强化了碳的传输。

采用RH和DH真空脱气，在相同碳含量时可降低氧含量。

可用无渣出钢和钢水脱氧后用铝或铝粒降低炉渣的氧位，尽量减少大包内顶渣造成的二次氧化。

连铸方面用电磁方法AMEPA，在大包钢渣开始进入中间包时就检测出来并关闭塞棒就可减少钢渣进入中间包的量。

在中间包上采用保护措施可减少顶渣造成的二次氧化。

中间包和结晶器保护渣应防止钢水与空气直接接触。

.2.2 减少大颗粒夹杂
如60t的大容量中间包和H形中间包，前者可促进大颗粒夹杂长时间逗留，而后者则在浅熔池情况下使夹杂物向顶渣上浮而被除去。

直弯型连铸机与弧型相比也更有利于大颗粒夹杂在结晶器内脱除。

在板坯厚度方向上采用静态磁场，即所谓LMF（液面磁场），使浸入式水口两个孔的钢流出口速度下降，结晶器窄面的下降钢流减弱，使下降钢流的终点位于更浅的地位，结果使大颗粒夹杂上浮至洁净器顶渣的几率增加，不然就会造成内部缺陷。

控制结晶器液面，选择最佳的结晶器保护渣和控制结晶器内流场可最大程度减少结晶器保护渣的卷入。

.2.3 降低板坯表面及皮下夹杂物
采用结晶器电磁搅拌(EMS)就感应形成平行于板坯表面的水平钢流。

这种钢流向夹杂物施加Safman力，使夹杂物与生长的初始坯壳分离。

纯净铸钢和超纯净钢
1. 纯净铸钢
纯净铸钢系指不含氧化物、硫化物和氮化物等宏观夹杂的高质量铸钢件。

氧化物、氮化物和硫化物夹杂的数量标示钢液的纯净度。

对铸造碳钢和低合金钢而言，纯净铸钢杂质应控制在:[S]＋[O]（或[N]）＜200×10-6的水平。

影响铸钢纯净度的夹杂物来源主要是两类，其一是来自钢渣、型砂和耐火材料等，可归结为外来夹杂。

其二是来自再氧化过程和脱氧剂在钢液中的化学反应产物，约占钢中夹杂的80％。

如果脱氧产物中氧化物夹杂颗粒达到10μm以上，可认为是宏观夹杂。

而氧化物宏观夹杂是造成铸钢件表面缺陷和内部缺陷最主要的原因。

统计表明，铸钢件20％的直接成本消耗在清理
与氧化物有关的缺陷上。

一般情况下，加铝脱氧的氧化物夹杂颗粒在5μm以下。

聚集为大颗粒夹杂才有利于上浮排除。

因此，控制夹杂物的数量、尺寸、形态和组成从而得到纯净铸钢件是采用控制熔炼工艺的一个重要内容。

氩气净化、喂线、AOD、VOD和LF等精炼工艺是生产纯净钢液的较先进的工艺。

感应电炉生产纯净铸钢也是非常重要的领域。

由于感应电炉主要功能是熔化，不进行氧化还原等冶金工艺过程，要获得纯净钢液和规定成分，主要依靠原材料的质量。

采取氩气保护措施，将钢液表面尽可能与空气隔绝，是行之有效的方法，能够净化钢液，降低合金加入量和延长炉衬寿命。

感应电炉的快速熔化技术、批量熔化技术和IF-AOD精炼技术是感应电炉生产纯净钢和超低碳不锈钢液的新工艺。

2．超纯净钢
超纯净钢可定义为[S]＋[O]（或[N]）＜100×10-6（对碳钢和低合金钢而言），有许多炼钢工艺可实现超纯净钢的精炼，如钢包喷粉、氩气净化、Ca-Si线喷射、真空精炼、EAF／AOD 双联工艺以及EAF／AOD／VOD三联工艺等。

超纯净钢有许多优点，其韧塑性很高，容许缺陷的临界尺寸大，特别是低温性能显著改善以及大大减少铸造和形变产品的缺陷。

总之，其力学性能随着有害杂质元素含量的降低而不断提高。

超纯净钢由于[O]、[S]、[N]和［H]等元素含量极低，因此表现出某些特殊的行为和特性，这些特性有可能对质量和性能带来不利的影响，因而在纯净钢生产过程中，要掌握和控制超精炼工艺对钢液的行为、随后的微观组织和各项性能以及质量的影响。

例如，极低气体含量的超纯净钢液在出钢和浇注过程由于再氧化和吸入氢、氮气体而可能二次污染钢液。

特别是用Al 脱氧的超低硫钢液，对氮的吸附更为突出。

见图1。

含[O]极低也会有同样的作用。

具有表面活性和起晶核作用的杂质元素的减少，是超纯净钢液一个重要特征。

如果没有掌握相应的控制熔炼工艺，超纯净钢有些质量问题，就会出现如粗大晶粒、冰糖状断口、铸件缺陷（皮下气孔，热裂，宏观夹杂等）、未达到力学性能指标、氢脆、宏观组织特征、夹杂物的组成和含量确定等。

采取相应的控制工艺措施包括加强出钢口的维护以保持密实钢流出钢，减少再氧化和吸收氮、氢气体；钢包氩气净化；在包中和浇注过程加Al，减少Al的加入量；采用局部陶瓷耐火材料浇注系统和浇注过程氩气保护，减少MgO 夹杂来源和防止结瘤；控制夹杂物组成和形态，保持一定比例的Ca量等。

这些工艺措施是针对超纯净钢的特征而在生产中获得应用。

国内外纯净钢生产新技术
摘要:概述了近年来国内外先进炼钢厂的纯净钢生产新技术，系统地分析了碳、硫、磷、氢、氧、氮等元素在钢中的行为和降低钢中杂质元素的措施。

分钢种（高级别管线钢、IF钢等）和厂家（新日铁、JFE、POSCO、宝钢、武钢等）统计了世界纯净钢生产先进指标。

指出多工序分阶段精炼，大规模经济地生产纯净钢是发展趋势。

关键词: 纯净钢生产技术夹杂物IF钢管线钢
1 前言
随着市场对纯净钢需求的不断增加，国内外各大钢厂为了占有更大的市场份额和追求更高的利润，在开发和创新了许多纯净钢生产新技术的同时，不断扩大高附加值产品的生产。

生产纯净钢，一是要提高钢的纯净度，二是严格控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。

不同钢种对纯净度的要求和对夹杂物的敏感性不同。

例如，氧化铝簇夹杂物可导致汽车和电气产品用薄钢板表面缺陷，也能引起DI罐用薄钢板裂纹，还可造成轮胎子午线等线材断线，以及使轴承钢等棒钢的疲劳性能恶化；对模具钢来说，提高其纯净度已经成为提高模具性能和寿命的重要手段，当SKD（H13）的硫含量从0.03%降低到0.01%时，可使钢的冲击韧性提高1倍。

18Cr2NiMo不锈钢中磷含量从0.026%降到0.002%时，其耐硝酸腐蚀的能力提高100倍以上。

表1为不同用途钢中的夹杂物含量的限制和尺寸要求。

表1 典型钢种的洁净度要求
钢种有害元素含量上限，/×10-4 % 夹杂物尺寸上限，/ μm
汽车板和深冲板[C]≤30, [N]≤30 100
DI罐[C]≤30, [N]≤30,T.O.≤20 20
管线[S]≤30, [N]≤35, T.O.≤30 ; [N]≤50 100
滚珠轴承T.O.≤10 15
轮胎帘线[H]≤2, [N]≤40, T.O.≤15 10
厚板[H]≤2; [N]30-40, T.O.≤20 单个夹杂13 ,点簇状夹杂200
线材[N]≤60; T.O.≤30 20
2 国内外纯净钢的研究和生产水平
目前，世界纯净钢生产与研发水平最高的是日本，其次是欧美和韩国。

日本神户制钢250马氏体时效钢全氧含量已经达到（2～5）×10-4%。

最近,新日铁开发了控制钢中夹杂物的新技术,通过向钢水中添加镁，控制夹杂物的成分，并细化夹杂物颗粒。

采用该方法，使夹杂物的变形性能接近钢的变形性能，可以提高产品的韧性和加工性能，从而提高产品质量。

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。

2.1 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、硫含量脱至成品钢种水平。

欧美各国铁水预处理一般以预脱硫为主，而日本铁水“三脱”预处理比例在90%以上。

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［P］＜0.010%、［S］＜0.005%的纯净钢，但后者经济效益显著高于前者。

2.2 转炉生产
炼钢工序对产品质量起着决定性作用，采用转炉顶底复合吹炼技术可显著地降低钢水中的碳、磷含量。

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（日本钢管）、H炉工艺（神户）、MURC法（室兰厂）等。

据统计，转炉脱碳渣用于另一座转炉脱磷的“双联法”，生产1吨铁水的钢铁料消耗比传统方法减少25kg，石灰消耗减少40%，吨钢成本降低约65元。

“双联法”适于大量地、经济地生产纯净钢。

另外，转炉出钢挡渣效果对钢的纯净度和生产成本有严重影响。

2.3 炉外精炼
炉外精炼处理技术的兴起和发展，极大地丰富和扩展了炼钢流程的冶金功能,钢包精炼炉成为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、合金化、升温、调节连铸节奏和控制夹杂物形态等功能。

目前，日本先进钢厂生产的纯净钢杂质总含量已达到了0.005%。

根据钢材对纯净度的不同要求，选择和组合不同的炉外精炼工艺，可以实现超纯净钢的生产。

2.4 连铸工艺
连铸工序对钢的纯净度影响很大，采用保护浇注﹑中间包冶金﹑新型中间包覆盖剂﹑调整保护渣性能及设置电磁搅拌等手段还可继续去除及控制夹杂物，降低废品率。

国内外先进炼钢厂纯净钢生产各工序钢中全氧量参见表2。

此外，电磁搅拌技术和轻压下在连铸工序得到了广泛应用。

当今世界上有400多台方坯连铸机安装了电磁搅拌装置，电磁搅拌已成为先进方坯连铸机的标准配置；许多板坯连铸机也安装了电磁搅拌和凝固末端轻压下设备。

电磁搅拌和轻压下技术可改善铸坯内部凝固结构、扩大等轴晶区，从而减轻中心偏析和中心疏松。

目前，奥钢联的动态轻压下和新日铁的面压下是比较先进的轻压下技术。

表2 国内外先进钢铁厂纯净钢生产各工序钢中全氧量
钢厂T.［O］/ ×10-4% 时间/年
精炼方法钢水包中间包结晶器板坯
美国Inland厂4号BOF LMF 30 24 21 15 1990
RH-OB 60-80 8-30 2003
美国阿姆克Middletown厂RH 60-105 15-40（25）16.9-23.8 1991 美钢联Lorain厂BOP 真空脱气13-17 1991
北美某厂20-35 20-30 10-15 1991
加拿大Dofasco钢厂 LF+RH 19 13
美国Weirton炼钢车间DravO-RH 23±10 22±12 1995
芬兰Rautaruukki Raahe钢厂48±12 32 38 17 1993
芬兰Koerhar厂气体搅拌32 23 2000
德国Dillinger厂10-15 10 ≤15 1994
荷兰霍戈文Ijmuiden厂真空脱气IF钢20-30 1994
法国索拉克Dunkirk厂RH-DB 20-50 1997
英钢联RH ＜10 1994
日本JFE川崎千叶厂RH 40 20 1989
韩国POSCO LF+RH 25-31 ＜10 1991
台湾中钢公司LF+RH ＜30 12 1994
中国武钢第2炼钢厂RH 28-34 24-26 12-19 2000
中国攀钢RH-MFB 20-24 2000
中国宝钢集团公司LF+RH 40 23 10 8 2003
注：（）内数据为平均值
3 氧化物冶金
近10年来，氧化物冶金技术是国际冶金材料学术界和产业界广为关注的前沿技术。

氧化物冶金技术的关键是通过精确地控制钢水凝固前沿的凝固条件对夹杂物的种类、大小和形态进行控制。

该技术对改善高强度低合金钢种（HSLA）的焊接热影响区（HAZ）的韧性、开发超细晶粒钢有十分重要意义，有望得到大规模产业化应用。

4 高级别管线钢、IF钢等纯净钢的生产
目前，国内外先进流程生产的纯净钢（IF深冲汽车板和管线钢等）中有害元素[C、S、P、N、H、T•O] 之和可控制在100×10-4%以下，一些冶金学家还提出了超纯净钢的概念，并将超纯净钢界定为夹杂物[C、S、P、N、H、T•O]之和在40×10-4%以下。

2000年钢中各杂质元素单体控制水平为：[C]：4×10-4%；[S]：0.6×10-4%；[P]：3×10-4%；[N]：6×10-4 %；[H]：0.5×10-4%；T•[O]：2×10-4%。

宝钢在纯净钢单项生产技术开发的基础上,较为妥善地解决了各工序间的配合关系、杂质元素相关制约关系、净化后钢水再污染等问题。

IF钢纯净度达到[Ｃ]≤16×10-4%、[Ｎ]≤15×10-4%、Ｔ[Ｏ]≤19×10-4%;管线钢纯净度可达到[Ｓ]≤9×10-4%,[Ｐ]≤50×10-4%,Ｔ[Ｏ]≤16×10-4% [Ｎ]≤30×10-4%,[Ｈ]≤1. 5×10-4%;达到了国际同类产品的先进水平。

武钢的深脱碳、深脱硫、钙处理及控制氮、氧的纯净钢冶炼工艺，使钢中有害元素总量指标达到国际先进水平，生产出以IF钢为代表的超低碳、低氮、低全氧的冷轧深冲薄板，及以X60、X70为代表的具有良好冲击韧性、冷弯性能和抗腐蚀、抗裂纹性的高级管线钢，彩电系列用钢、制币钢、精密轴瓦用钢、冷轧
电磁钢等。

目前，武钢三个炼钢厂的铁水预脱硫比均达到70%以上，硫含量可达20×10-4%以下，脱硫率达90%以上。

钢的碳含量最低为9×10-4%、氮含量最低为12×10-4%、氧含量最低为10×10-4%。

该厂的产品已供货一汽、二汽等多家汽车公司。

攀钢的SP52超细晶粒钢性能达到510MPa强度级别，用于冲压东风汽车零部件。

2003年6月12日,鞍钢第一炼钢厂精炼后的钢水有害元素[S、P、N、H、T•O]之和达到63.96×10-4%，是目前国内最好水平。

欧美和日本的先进钢厂正致力于建立以转炉为中心的大规模生产纯净钢的生产流程，其IF钢的生产比例达到了50%～70%，[S]≤0.003%的超低硫钢生产比例达到了20%～30%。

国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平参见表3。

表3 国内外一些先进钢厂的纯净钢生产水平Unit：×10-4%
厂家［C］［P］［S］［N］［H］ T.［O］合计钢种工艺
日本神户制钢 3 20 2-3 6-9 1.0 2-5 41(34) 250马氏体时效钢真空感应炉
日本新日铁10(3) 25 3 14 1.0 5 58(52) 深冲钢LD-OB +RH
德国蒂森20 15 5 15 0.7 10 65.7 深冲钢LD+真空脱气
韩国浦项5-8 80（未计［c］）轴承钢BOF+LF+RH
中国宝钢≤15 15 5-10 11 ≤1.0 ≤8-15 67（55）IF钢.管线钢BOF+LF+RH
中国武钢9 40 3.4 12 1.0 10 81.4 IF钢.管线钢BOF+LF+RH
中国攀钢18 24 12 2.0 18 74（未计［c］）深冲钢BOF+LF+RH
中国鞍钢20 5 20 0.96 18 63.96（未计［c］）管线钢BOF+LF+VD
注：（）内为最低值
5 结论
纯净钢与非金属夹杂物是当今冶金界的科研热点，近20年来有关夹杂物的文章超过1万份。

目前，氧化物冶金技术成为广为关注的前沿技术，对开发超细晶粒钢有十分重要意义。

随着炼钢技术的发展，钢水成分的控制范围越来越窄，钢的机械性能越来越稳定。

多工序分阶段精炼，大规模经济地生产纯净钢是发展趋势。