劉瀏

（中國鋼研科技集團有限責任公司鋼鐵研究總院）

人類文明的發展依賴于勞動工具的持續改進，也孕育了新材料的發展。18世紀工業革命加速了人類文明的發展，之后，各種先進工具被陸續制作出來，如火車、汽車、飛機等，對材料也提出更高的要求，除提高強度和硬度外，還要有高的韌性、塑性和長的壽命。這一需求推動了煉鋼技術（氧化提純）的發展，將鐵水還原中帶來的各種雜質如C、Si、S、P等通過氧化去除，提高其純凈度。

潔凈鋼冶煉技術的發展

上世紀四五十年代以來，潔凈鋼冶煉技術得到迅速發展。氧氣頂吹轉爐是這時期Z重要的技術創新，不僅淘汰了平爐，推動電爐進行徹底改造，而且促進了高爐大型化和連鑄、連軋工藝的發展。這一時期，潔凈鋼生產技術發展可分為3個階段。

轉爐潔凈鋼生產階段（1945年~1970年）。早期潔凈鋼生產對鋼材性能和潔凈度要求不高，轉爐成為生產的主要環節。潔凈鋼技術發展重點是研究解決頂吹轉爐反應效率低、渣鋼反應偏離平衡和吹煉過程不平穩等技術問題。主要創新成果包括：氧氣底吹轉爐和噴粉技術，各種復吹轉爐以及鐵水脫硫和爐外精煉等。

底吹轉爐的發明對潔凈鋼生產有較大影響，提供了以下啟示：一是底吹攪拌可促進反應平衡，提高反應效率。二是采用底吹噴石灰粉工藝，利用熔池中大量懸浮的氧化鈣（CaO）顆粒與鋼水發生的“瞬時反應”，解決了化渣困難的問題。

潔凈鋼生產流程開發階段（1970年~2000年）。由于制造業對鋼材潔凈度要求更加苛刻，如無間隙原子深沖鋼要求[C+N]≤50ppm、軸承鋼要求T.O≤6ppm等，單純依賴轉爐很難生產。這一時期的研究重點是對轉爐功能的解析與轉換，形成潔凈鋼生產流程，突破潔凈鋼冶煉的技術極限。主要技術創新包括：鐵水“三脫”（脫硫、脫硅、脫磷）預處理、轉爐智能吹煉、多功能真空精煉等。表1給出了潔凈鋼生產工藝主要指標。目前工業生產能達到的潔凈度，對于不同鋼種，波動范圍為40ppm~65ppm，未達到Z初預期的發展水平（1983年預測2000年應達到雜質總量≤27.6ppm，1992年預測雜質總量≤16.1ppm）。 

潔凈鋼生產流程優化階段（2000年至今）。鋼材潔凈度未達到預期水平的原因主要是：提高鋼材性能并非完全依賴純凈度，鋼中Z大夾雜物尺寸，連鑄偏析、疏松等缺陷及軋材組織控制等因素的影響不容忽視，使研究熱點從突破潔凈度極限轉變到對生產流程的優化。潔凈鋼生產發展的重點從單純追求突破潔凈度極限轉變為降低生產成本，提高生產效率，實現綠色化生產。主要創新包括：鋼中Z大夾雜物控制、連鑄輕壓下和小壓縮比連鑄及建立高效低成本潔凈鋼生產平臺等。

2000年，日本和歌山廠將原有兩家煉鋼廠改造為一家210t轉爐煉鋼廠，被譽為“21世紀世界Z先進的鋼鐵廠”。通過改造，該廠實現了以下開發目標：一是采用全量鐵水“三脫”和真空處理工藝，全部產品的雜質總量≤100ppm；二是采用高效快節奏生產工藝，轉爐生產效率提高1倍，達到兩座轉爐的產量；三是降低生產成本，產品成本低于傳統流程普通鋼，可降低煉鋼能耗66%、石灰消耗25%、鐵損29%、錳鐵合金48%，減少渣量33%，粉塵回收率提高60%。

傳統潔凈鋼生產流程的弊病

傳統潔凈鋼生產流程如圖1所示，其主要特點是把爐外精煉作為鋼水提純的重點，轉爐作為初煉爐，多數未采用“三脫”工藝。該流程存在以下技術弊病：

煉鋼回硫。煉鋼回硫由反應熱力學決定：脫硫為還原反應，脫硅、脫磷和脫碳是氧化反應，氧化性爐渣溶解硫的能力大幅降低。表2是幾種工藝脫硫的技術比較。在基本相同的爐渣條件下，鐵水脫硫LS達到1000以上；各種氧化脫硫工藝LS很低。熱力學的差異是造成煉鋼回硫的根本原因。

回硫的危害是：需要爐外精煉二次脫硫，增加生產成本；二次脫硫雖然降低鋼水中的硫含量，但脫硫產生的硫化鈣（CaS)系夾雜物嚴重污染鋼水，影響鋼材性能。

低碳脫磷。低碳脫磷是轉爐煉鋼的基本特征。低碳脫磷的原因在于鋼液中C、Si、Mn、P等元素的選擇性氧化，各元素氧化順序決定于發生氧化反應的氧位PO2。PO2越低，越易于氧化，優先其他元素反應。脫碳PO2較低，使金屬中的磷很難直接氧化生成P2O5；在渣鋼界面上通過爐渣成分控制，使P2O5活度系數降低到10-17~10-18才能達到脫磷的效果。底吹轉爐渣鋼氧位基本相當，頂吹轉爐偏差較大，爐渣過氧化現象較嚴重。

低碳脫磷的Z大危害是不能高碳出鋼，造成鋼渣過氧化。

夾雜物控制困難。夾雜物控制困難是傳統流程中Z突出的問題，由以下因素造成：一是鋼水過氧化，大量消耗脫氧劑，增大夾雜物去除負荷；二是沉淀脫氧，脫氧產物以夾雜物形態殘留在鋼中；三是精煉過程不斷產生新的夾雜物，如變性夾雜物、脫硫夾雜物和各種卷渣夾雜物。

表3是國內某廠生產的高純度軸承鋼中夾雜物的類型、來源和分布。其中，精煉脫硫產生的含CaS夾雜物比例Z大，卷渣和變性夾雜物次之，脫氧與二次氧化夾雜物比例很小。凝固析出的各類夾雜物也占一定比例，以鈦夾雜物為主。對性能危害Z大的Ds類和B類粗系夾雜物多來源于渣鋼反應生成的變性、脫硫與卷渣夾雜物。

效率低、成本高、質量不穩定。傳統流程的主要特點是將鋼水提純的重點放在爐外精煉，造成以下弊端：

一是反應效率低。由于脫磷、脫硫、脫氧等基元反應存在上述熱力學弊病，反應效率降低。例如，渣鋼間磷、硫分配比低造成渣量增加，鋼水過氧化使鋼鐵料和合金消耗升高等。

二是精煉流程長。為提高鋼水純凈度，業內往往采用LF+RH（VD）雙重精煉和長時間軟吹，導致鋼包周轉時間長達2.5小時~3小時，降低了生產效率，增加了鋼包周轉數量。

三是前期污染，加重末端治理負荷。如表4所示，傳統流程中前期冶煉往往造成鋼水污染，加重末端治理負荷，難以達到良好的冶金效果。

四是難以保證提純效果。流程中重復使用氧化和還原提純工藝，由于熱力學的矛盾，很難達到Z佳的處理效果。例如，鋼中鈦（Ti）很容易被氧化，轉爐終點[Ti]為3ppm~5ppm；但在LF精煉爐中極易被還原，使[Ti]增加到30ppm以上。控制增鈦需要采用更純的合金和渣料。

五是生產過程不穩定。如鐵水硅（Si）波動大，影響煉鋼渣量和溫度，造成終點成分、溫度控制不穩定，進而影響到爐外精煉和連鑄的冶金效果，導致產品性能波動。

鐵水“三脫”的特點與發展

脫磷、脫硫是鋼水提純中Z重要的冶金反應。和轉爐相比，鐵水“三脫”（脫硫、脫硅、脫磷）工藝的主要特點是將脫磷、脫硫反應從高溫、高氧位條件下轉移到低溫、低氧位下實施，更有利于反應的發生，進而解決了傳統煉鋼中回硫、低碳脫磷和鋼渣過氧化等弊病。

代鐵水“三脫”工藝采用脫硅和同時脫磷、脫硫兩步法，以混鐵車或鐵水罐作為反應器，利用粉劑與鐵水間的瞬時反應實現高Ca/O比同時脫磷、脫硫。采用低硅鐵水（[Si]≤0.15%），處理過程碳燒損較小，使得脫磷氧效率(脫磷量與用氧量的比)、石灰脫磷效率(脫磷量與石灰消耗量的比)、脫磷速率KP和脫硫率渾濁等指標，均優于以渣鋼反應為主的轉爐“三脫”工藝。但反應過程溫降大，已不在工業中應用。

第二代鐵水“三脫”工藝采用脫硫和脫硅、脫磷兩步法，轉爐作為反應器，低Ca/O比操作。通過采取強化底攪拌降低頂供氧強度的措施來提高熔池持久反應效率和熱效率，可熔化廢鋼。因鐵水硅高，碳燒損較嚴重，使脫磷氧效率降低；渣量增大，使石灰脫磷效率降低。溫度低，化渣困難，很難形成高堿度低FeO爐渣，造成脫硫效率降低甚至會發生回硫。該工藝已在日本許多轉爐廠和國內京唐鋼廠采用。表1給出兩種“三脫”工藝的技術比較。

兩種“三脫”工藝各有優、缺點。代工藝的冶金效果優于第二代，但熱效率低；第二代工藝熱效率高，卻無法解決回硫和碳燒損等問題。兩種工藝的共同缺點是：均采用兩步法，造成鐵水“三脫”工藝流程長，生產效率低，消耗大成本高；對“三脫”反應的氧化還原控制（即Ca/O比調節）方法單一，缺乏靈活性；吹煉方法簡單，熔池法很難克服低溫造高堿度渣的困難，噴吹法消耗高、溫降大；鐵水罐反應空間小，不適宜“三脫”冶煉；轉爐作為“三脫”反應器是“大馬拉小車”，造成基建、運行和能源消耗等成本升高，在轉爐產能不富余的鋼廠很難推廣。

研究開發更經濟、更高效的“三脫”工藝，推薦以下技術：一是根據耦合反應理論，設計在同一反應器內分階段進行脫硅、脫磷和脫硫。二是加強熔池攪拌，開發低FeO渣脫磷工藝（控制渣中TFe≤5%，R=2~2.5），提高脫磷效率至≥80%，半鋼[P]≤0.02%。三是噴粉解決熔池法造渣困難問題，高Ca/O比操作形成高堿度低FeO渣深脫硫，使脫硫率≥90%。四是通過靈活調節Ca/O比，精確控制“三脫”反應過程中的氧化還原程度。五是吹煉期采用溢渣工藝，及時排出各反應期生成的爐渣并實現在線爐渣改質。

轉爐少渣冶煉與爐內合金化

“三脫”鐵水少渣冶煉，渣量為20kg/t~30kg/t，改善了轉爐反應動力學條件。該技術可提高脫碳氧效率和渣鋼間磷、硫分配比，用少量石灰得到比傳統轉爐更優的脫磷、脫硫效果。

少渣冶煉應嚴格控制鋼水?化性，避免鋼渣過氧化。對于中、高碳鋼，采用高碳出鋼為主的低氧鋼冶煉工藝，控制終點鋼水aO：高碳鋼aO≤100ppm，中碳鋼aO≤200ppm。冶煉低碳、超低碳鋼應采用定碳出鋼和底吹強攪拌等工藝，控制終點[C]≥0.06%，aO≤350ppm。

傳統轉爐錳回收率不足10%（鐵水[Mn]為0.2%~0.5%，終點[Mn]≤0.05%），造成資源浪費。少渣冶煉生產中、高碳鋼時采用富錳礦化渣，通過高碳出鋼和減少渣量實現錳礦熔融還原。

特殊鋼含較高的錳、鉻成分。傳統工藝利用LF精煉爐熔化合金，須采用價格昂貴的低碳或微碳合金，控制合金中[Ti]≤0.01%。神戶鋼廠在脫碳爐內熔化價格便宜的高碳鉻鐵（[Ti]=0.9%）生產軸承鋼，鉻的回收率從傳統轉爐的45%提高到90%，(%Cr)/[%Cr]分配比從10~20降低到3~7，鋼水中[Ti]從30ppm降低到平均8ppm。

改變脫氧工藝提高夾雜物控制水平

近十年，業界對夾雜物控制提出更高要求：在降低夾雜物總量的基礎上，要求嚴格控制夾雜物Z大尺寸，大幅提高鋼材各項性能。實現這一目標，應采取以下技術措施：一是用真空碳脫氧代替合金沉淀脫氧，減少脫氧夾雜物；二是抑制或減少精煉中渣鋼反應，避免生成大顆粒變性、卷渣和脫硫夾雜物；三是加強鋼水保護，避免澆鑄中二次氧化產生新夾雜物。

改變脫氧工藝的技術關鍵是提高RH（真空循環脫氣）界面反應速度，促使真空下碳氧反應接近氣相平衡。具體措施如下：一是擴大真空室表面積；二是真空室吹氬，加快鋼液表面更新速度，增大界面流量；三是采用微氣泡技術(PERM法)，在RH前吹入H2或N2，提高鋼中氣體含量，利用真空脫氣功能在后期形成大量微氣泡，促進熔池脫碳并有利于夾雜物上浮。

中間包冶金對鋼中夾雜物控制有重要作用，其目標不是進一步提純鋼水，而是嚴格控制澆鑄過程的污染，避免產生二次氧化、卷渣和變性夾雜。具體措施包括：采用大容量中間包，合理設計中間包形狀，避免鋼水形成紊流；加強中間包密封，控制中間包氣氛中的PO2≤0.1mol%；采用鎮靜開澆工藝，可使鑄坯表層夾雜物富集帶中夾雜物面積率從鎮靜5分鐘開澆的1%下降到鎮靜10分鐘開澆的0.2%；采用無渣澆鑄工藝，如日本山陽廠生產超純凈軸承鋼采用無渣澆鑄工藝，可控制鋼中Z大夾雜物尺寸≤12μm。

建立高效快節奏生產體系

日本住友鋼廠1座210t脫磷爐和2座脫碳爐（二吹一）配合2臺KR脫硫站、2臺RH精煉爐和3臺連鑄機，構建高效快節奏生產平臺。脫磷爐和脫碳爐冶煉周期為20分鐘，每座轉爐日產爐數超過55爐，年產量為420萬噸，生產效率比傳統轉爐提高1倍。高效快節奏的生產特點如下：

一是全部產品高品質化。該廠采用100%鐵水“三脫”、100%快節奏生產、100%鋼水真空處理和100%鑄坯熱裝直軋(≥850℃)，全部產品雜質總量Σ[S+P+T.O+N+H]≤100ppm。

二是壓縮輔助時間，縮短冶煉周期。通常轉爐輔助時間與吹煉時間之比為1∶1，而雙聯轉爐吹煉時間≤10分鐘，也要求壓縮輔助時間至≤10分鐘，保證20分鐘周期。加快生產節奏解決了脫碳爐熱量不足的問題，日產45爐鋼時冷卻能與傳統轉爐相當，日產55爐鋼時冷卻能提高7.2%。

三是建立以轉爐為中心的快節奏生產體系。生產周期長于轉爐的KR和RH，采用2臺設備配1臺轉爐；3臺連鑄機同時生產時連鑄周期為1小時，2臺連鑄機同時生產時連鑄周期為40分鐘。

四是縮短鐵水罐周轉時間，提高周轉次數，鐵水入爐溫度提高46℃。

五是簡化爐外精煉，提高鋼包周轉率，出鋼溫度比傳統轉爐降低30℃，不配置LF爐。

建立高效快節奏的生產方式具有很大的經濟效益：一是提高設備作業率，減少設備臺數，降低管理成本；二是縮短輔助時間，加快鋼包（鐵包）周轉，減少輔助能耗和在線鋼包數量；三是大幅度提高勞動生產率，降低人員成本。

建立綠色低成本潔凈鋼生產平臺

傳統流程以爐外精煉控制鋼材純凈度，提高純凈度意味著要增加精煉工序，延長精煉時間，采用更純凈的渣料和合金，使成本升高。提高潔凈度與降低成本相矛盾。

以鐵水“三脫”為基礎的潔凈鋼生產新流程，可以通過以下途徑降低生產成本：

一是提高反應效率。該流程通過提高渣鋼間磷、硫分配比，抑制鋼渣過氧化，減少脫氧夾雜物以及提高錳資源回收率等措施，降低渣量，減少輔料、鋼鐵料和鐵合金消耗，降低生產成本。

二是實行高效快節奏生產。該流程通過加快生產節奏，提高設備作業率，降低輔助時間能耗和鐵水、鋼水周轉過程溫降等措施，降低生產能耗；通過減少設備臺數簡化備件管理，提高全員勞動生產率，進一步降低生產成本。

三是簡化爐外精煉工序。國內鋼廠普遍采用LF精煉，因鋼種不同，成本波動在60元/噸~100元/噸。LF工序能耗高、周期長，渣鋼反應易產生大顆粒夾雜物，國外一些先進鋼廠已開始抑制LF渣鋼反應，甚至取消LF精煉爐。

四是顛覆傳統流程。高品質特鋼須采用電渣（ESR）或真空感應+真空自耗（VAR）等特種冶金和鍛造工藝生產，規模小，成本高。這種狀況已開始改變，如SKF公司通過超低硫冶煉和硫化物控制，使軋材橫、縱向性能偏差從50%降低到10%以下，實現以軋代鍛生產風電軸等產品。日本山陽公司通過改善夾雜物控制工藝，完全消除20μm以上的大型夾雜物，使軸承鋼的疲勞壽命≥108，生產的航空軸承的質量已超過采用ESR或VAR工藝生產的產品。

表2和圖1為國內某廠采用3種工藝生產GCr15軸承鋼的質量對比，得出以下結論：采用3種工藝生產的鋼材成分控制精度基本相同。[P]，VARZ低，傳統流程Z高。[S]，傳統流程略低于VAR。[Ti]，電渣爐Z低，VAR與傳統流程相當。T.[O]，VARZ低，傳統流程略高，電渣爐Z高。鋼中夾雜物，傳統流程存在大顆粒Ds類卷渣夾雜物和B類粗系變性夾雜物，硫化物夾雜中鈣含量較高；電渣鋼夾雜以點鏈狀Al2O3和硫氧復合夾雜物為主；VAR鋼中夾雜物主要是Ti(C,N)和MnS。鋼中Z大夾雜物尺寸，VAR為27.8μm，傳統流程為34.3μm，電渣鋼為40.6μm。

以上分析證明，采用傳統流程工藝生產軸承鋼的潔凈度已接近VAR鋼，優于電渣鋼，若配置“三脫”工藝，完全可超過VAR鋼；夾雜物控制與VAR鋼差距較大。通過改進夾雜物控制工藝，抑制渣鋼反應，消除Ds類卷渣和變性夾雜，傳統流程生產的鋼質量可以優于VAR工藝，并大幅降低生產成本。

來源：《中國冶金》2016年第10期