爐外精煉技術張士憲

課堂討論：傳統煉鋼存在什么問題？傳統轉爐煉鋼技術產品的成分含量能達到什么水平？現代社會生產對鋼材有什么樣的要求？任務1基本概念任務2爐外精煉技術發展的原因

所謂爐外精煉，就是按傳統工藝，將在常規煉鋼爐中完成的精煉任務，如去除雜質(包括不需要的元素、氣體和夾雜)、成分和溫度的調整和均勻化等任務，部分或全部地移到鋼包或其他容器中進行，為得到比初煉更高的生產率、更高的質量而進行的冶金操作，也稱為“二次精煉”或“鋼包冶金”。任務1基本概念

爐外精煉把傳統的煉鋼方法分為兩步，即初煉加精煉。初煉是在氧化性氣氛下進行爐料熔化、脫磷、脫碳和主合金化；精煉是在真空、惰性氣氛或可控氣氛的條件下進行脫氧、脫硫、去除夾雜和夾雜變性、調整成分(微合金化)、控制鋼水溫度等。傳統的鋼鐵生產流程：高爐→煉鋼爐(轉爐和電弧爐)→鑄錠，已逐步被新的工藝流程所代替，即高爐→鐵水預處理→煉鋼爐→爐外精煉→連鑄。這已成為國內外大型鋼鐵企業技術改造后的普遍模式。爐外精煉的產生半世紀以來迅速發展的鋼鐵冶金重要技術潔凈鋼的生產是現代科學技術的發展和現代工業的需要提高生產率的需要滿足不同鋼種的特殊要求所謂潔凈鋼，通常指非金屬夾雜物（主要是各類氧化物和硫化物）含量少的鋼，也有人認為，潔凈鋼是指鋼種S、P、H、O、N含量極低的鋼。任務2爐外精煉技術發展的原因

氧氣轉爐煉鋼、爐外精煉和連鑄這三項技術被譽為現代煉鋼生產的三大關鍵技術，也有人稱之為冶金史上的三大技術革命。氧氣轉爐煉鋼和連鑄普及面比較廣，目前已具備了相當的規模；而爐外精煉起始于20世紀50年代，進入80年代以后，直至現在，爐外精煉和鐵水預處理技術水平已成為現代鋼鐵生產流程水平與鋼鐵產品高質量水平的標志，它的發展也朝著功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。

早在1986年日本轉爐鋼的二次精煉比已達到70.8％；特殊鋼生產的二次精煉比高達94％；現在日本、歐美等先進的鋼鐵生產國家，爐外精煉比超過90％，2004年日本轉爐鋼真空處理比達到72.7%；而新建電爐短流程鋼廠和轉爐煉鋼廠100％采用二次精煉。日本爐外精煉比和連鑄比逐年增長的趨勢圖中國爐外精煉比、連鑄比和吹氬喂絲比逐年增長的趨勢圖

爐外精煉技術的主要發展原因有兩個：第一，適應了連鑄生產對優質鋼水的嚴格要求，大大提高了鑄坯的質量，而且在溫度、成分及時間節奏的匹配上起到了重要的協調和完善作用，定時、定溫、定品質地提供連鑄鋼水，成為穩定連鑄生產的因素。第二，與調整產品結構，優化企業生產的專業化進程緊密結合，使鋼鐵企業提高了產品的市場競爭力。

（一）科學技術進步要求提高鋼材質量鋼軌、汽車板、鉆桿和油井管、鍋爐管、電機硅鋼片、耐蝕耐高壓鋼材、鉛系易削鋼、海上采油平臺、原子能工業、導彈和軍工。

提高鋼材性能和質量的重點之一是鋼的超純化。提高鋼的純凈度即為降低硫、磷含量，氧化物夾雜量，氫、氮氣體含量和非金屬以及微量雜質元素的含量等。對超低碳鋼，碳含量應盡力降低；以硫、磷為例：普通鋼要求各低于0.035％，優質鋼要求低于0.025％，而超純鋼則要求各低于0.010％甚至0.005％以下，有的還要求[S]+[P]+[H)+[N]+[O]<70ppm。鋼水超純化，就大大減輕了產生中心偏析、裂紋、大型夾雜、氣孔、白點和斑疤等缺陷的傾向，使鋼組織致密均勻，改善了連鑄坯的表面及內部質量，使鋼材性能大為提高。

從各種不同的使用性能出發，提出了對鋼中夾雜物形態控制的要求。最初是厚板生產者及T型焊接工藝要求鋼中硫化物夾雜呈一定的形態。然后，Z型鋼和石油、天然氣管線用鋼對硫化物的數量及形態提出了更為嚴格的要求。例如為防止焊縫的脆性開裂，焊條鋼爐外精煉時應用復合脫氧劑，使精煉后鋼中夾雜物呈細小分散的半塑性狀態(鋁硅酸錳系列)。結果是令人滿意的。

近期對精煉鋼質量要求的另一個明顯變化，是許多用戶提出，要大大降低精煉鋼的磷含量。對于低合金高強度的管線用鋼，磷必須小于100ppm(即≤0.010％)以防止氫誘導裂紋(H1C)及應力腐蝕裂紋(SCC)；對于奧氏體不銹鋼，如果將磷含量從200ppm降到20ppm，則應力腐蝕裂紋可以完全防止。降低鋼的磷含量，對高強度齒輪鋼（SCM420等)，其磷含量由0.015％降為0.002％時，疲勞強度能由814MPa提高到863MPa。

用于深沖的高強度冷軋鋼板，經常要求很低的碳含量(<400ppm，即≤0.040％)。由于爐外精煉工藝能把碳降到很低的水嚴，而又保證鋼中氧及氧化物夾雜含量不高，因此可以在爐外精煉時使鋼液脫碳，來取代傳統的成品帶鋼連續脫碳退火的工藝，它不但降低了生產成本，而且大大提高了生產率。此外，這類產品常常還要求非常低的氮含量(例如N≤20ppm)，這在脫碳退火中是無法達到的，而在氧氣轉爐激烈脫碳之后，再加上真空下的脫碳則有可能實現。

煉鋼工作者通過爐外精煉技術可冶煉出具有高質量特性的鋼種以滿足實際需要，具體要求如下：（1）精確控制化學成分以保證力學性能穩定。（2）減少鋼中磷、硫含量以改善沖擊性能、抗層狀拉裂性能、熱脆性，并能減少中心偏析和防止連鑄坯的表面缺陷。（3）減少鋼中氧、氫、氮含量以減少超聲波探傷缺陷、條狀裂紋等，并且能改善鋼材的制管性能。（4）使用先進技術精煉鋼液以滿足對鋼質量的各種特殊需要。例如，控制硫化物夾雜形態以防止氫致裂紋。（5）控制夾雜物的形狀以改善鋼的深沖性能和鋼的加工性能。

采用爐外精煉還能優化煉鋼工藝和提高效益。采用爐外精煉工藝，投資將增加5％~10％，其成本將增加10~30元/t，并增加了煉鋼爐到連鑄的生產周期，但它是改善鋼質所必需的工藝，而且能提高總經濟效益。（1）能生產無缺陷連鑄坯，使不精整率達90％以上，這樣就簡化了精整工序，使連鑄坯由精整后冷送改為熱送熱裝爐或直接軋制。例如，采用轉爐—爐外精煉—連鑄—熱送直軋流程的有日本塄廠、加拿大道福斯克廠和韓國的光陽廠等；采用連鑄坯熱裝入爐的就更普遍了。因而縮短了生產周期，節約能耗達20~30KJ/t。（2）冷軋薄板用低碳鋼，經真空處理使[C]≤30ppm，[N]≤30ppm。可采用連續退火流程使鋼板溫度均勻，省去板卷吊放加罩工序，勞動生產率提高3倍，生產周期由10日縮短為10min，提高了經濟效益。目前全世界已投產30套冷軋連續退火線，進而用于鍍鋅、鍍錫及硅鋼片上。

（二）控制鋼水質量，穩定連鑄生產

連鑄技術的發展促進了爐外精煉技術的發展，使之成為煉鋼生產工藝中必不可少的手段之一。1989年日本普鋼連鑄比98.1％，特鋼78.9％，綜合為94.8％。為了保證煉鋼與連鑄之間的協調，防止連鑄時水口堵塞和保證連鑄坯的質量，必須保證準確的澆注溫度、鋼中團絮狀A12O3類夾雜物充分少、鋼液良好脫硫、鋼液成分準確控制。這些要求只有通過爐外精煉才能達到。

由于連鑄過程必須與煉鋼相配合，因此在鋼包中脫氧與鋼水處理的冶金目標對生產優質產品極為重要。特別是生產易切削鋼、高合金鋼、低合金鋼和各種不銹鋼時，更需要特殊的冶煉操作工藝，以便鑄坯與最終產品能達到良好的表面質量和內部質量。澆注小方坯和大方坯時，達到優質產品所需要采取的措施是：煉鋼及脫氧；鋼包冶金；噴鈣及真空處理。鋼包—中間包—結晶器之間的鋼流保護；電磁攪拌；自動控制系統等。

爐外精煉必須提高和有助于連鑄過程操作的可靠性，以便取消連鑄坯的直接檢查和清理。因此，以下幾方面的綜合結果便是衡量所有這些方法效能的標準。（