第一节 认识炉外精炼技术

炉外精炼技术张士宪

课堂讨论：传统炼钢存在什么问题？传统转炉炼钢技术产品的成分含量能达到什么水平？现代社会生产对钢材有什么样的要求？任务1基本概念任务2炉外精炼技术发展的原因

所谓炉外精炼，就是按传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质(包括不需要的元素、气体和夹杂)、成分和温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行，为得到比初炼更高的生产率、更高的质量而进行的冶金操作，也称为“二次精炼”或“钢包冶金”。任务1基本概念

炉外精炼把传统的炼钢方法分为两步，即初炼加精炼。初炼是在氧化性气氛下进行炉料熔化、脱磷、脱碳和主合金化；精炼是在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行脱氧、脱硫、去除夹杂和夹杂变性、调整成分(微合金化)、控制钢水温度等。传统的钢铁生产流程：高炉→炼钢炉(转炉和电弧炉)→铸锭，已逐步被新的工艺流程所代替，即高炉→铁水预处理→炼钢炉→炉外精炼→连铸。这已成为国内外大型钢铁企业技术改造后的普遍模式。炉外精炼的产生半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术洁净钢的生产是现代科学技术的发展和现代工业的需要提高生产率的需要满足不同钢种的特殊要求所谓洁净钢，通常指非金属夹杂物（主要是各类氧化物和硫化物）含量少的钢，也有人认为，洁净钢是指钢种S、P、H、O、N含量极低的钢。任务2炉外精炼技术发展的原因

氧气转炉炼钢、炉外精炼和连铸这三项技术被誉为现代炼钢生产的三大关键技术，也有人称之为冶金史上的三大技术革命。氧气转炉炼钢和连铸普及面比较广，目前已具备了相当的规模；而炉外精炼起始于20世纪50年代，进入80年代以后，直至现在，炉外精炼和铁水预处理技术水平已成为现代钢铁生产流程水平与钢铁产品高质量水平的标志，它的发展也朝着功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。

早在1986年日本转炉钢的二次精炼比已达到70.8％；特殊钢生产的二次精炼比高达94％；现在日本、欧美等先进的钢铁生产国家，炉外精炼比超过90％，2004年日本转炉钢真空处理比达到72.7%；而新建电炉短流程钢厂和转炉炼钢厂100％采用二次精炼。日本炉外精炼比和连铸比逐年增长的趋势图中国炉外精炼比、连铸比和吹氩喂丝比逐年增长的趋势图

炉外精炼技术的主要发展原因有两个：第一，适应了连铸生产对优质钢水的严格要求，大大提高了铸坯的质量，而且在温度、成分及时间节奏的匹配上起到了重要的协调和完善作用，定时、定温、定品质地提供连铸钢水，成为稳定连铸生产的因素。第二，与调整产品结构，优化企业生产的专业化进程紧密结合，使钢铁企业提高了产品的市场竞争力。

（一）科学技术进步要求提高钢材质量钢轨、汽车板、钻杆和油井管、锅炉管、电机硅钢片、耐蚀耐高压钢材、铅系易削钢、海上采油平台、原子能工业、导弹和军工。

提高钢材性能和质量的重点之一是钢的超纯化。提高钢的纯净度即为降低硫、磷含量，氧化物夹杂量，氢、氮气体含量和非金属以及微量杂质元素的含量等。对超低碳钢，碳含量应尽力降低；以硫、磷为例：普通钢要求各低于0.035％，优质钢要求低于0.025％，而超纯钢则要求各低于0.010％甚至0.005％以下，有的还要求[S]+[P]+[H)+[N]+[O]<70ppm。钢水超纯化，就大大减轻了产生中心偏析、裂纹、大型夹杂、气孔、白点和斑疤等缺陷的倾向，使钢组织致密均匀，改善了连铸坯的表面及内部质量，使钢材性能大为提高。

从各种不同的使用性能出发，提出了对钢中夹杂物形态控制的要求。最初是厚板生产者及T型焊接工艺要求钢中硫化物夹杂呈一定的形态。然后，Z型钢和石油、天然气管线用钢对硫化物的数量及形态提出了更为严格的要求。例如为防止焊缝的脆性开裂，焊条钢炉外精炼时应用复合脱氧剂，使精炼后钢中夹杂物呈细小分散的半塑性状态(铝硅酸锰系列)。结果是令人满意的。

近期对精炼钢质量要求的另一个明显变化，是许多用户提出，要大大降低精炼钢的磷含量。对于低合金高强度的管线用钢，磷必须小于100ppm(即≤0.010％)以防止氢诱导裂纹(H1C)及应力腐蚀裂纹(SCC)；对于奥氏体不锈钢，如果将磷含量从200ppm降到20ppm，则应力腐蚀裂纹可以完全防止。降低钢的磷含量，对高强度齿轮钢（SCM420等)，其磷含量由0.015％降为0.002％时，疲劳强度能由814MPa提高到863MPa。

用于深冲的高强度冷轧钢板，经常要求很低的碳含量(<400ppm，即≤0.040％)。由于炉外精炼工艺能把碳降到很低的水严，而又保证钢中氧及氧化物夹杂含量不高，因此可以在炉外精炼时使钢液脱碳，来取代传统的成品带钢连续脱碳退火的工艺，它不但降低了生产成本，而且大大提高了生产率。此外，这类产品常常还要求非常低的氮含量(例如N≤20ppm)，这在脱碳退火中是无法达到的，而在氧气转炉激烈脱碳之后，再加上真空下的脱碳则有可能实现。

炼钢工作者通过炉外精炼技术可冶炼出具有高质量特性的钢种以满足实际需要，具体要求如下：（1）精确控制化学成分以保证力学性能稳定。（2）减少钢中磷、硫含量以改善冲击性能、抗层状拉裂性能、热脆性，并能减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷。（3）减少钢中氧、氢、氮含量以减少超声波探伤缺陷、条状裂纹等，并且能改善钢材的制管性能。（4）使用先进技术精炼钢液以满足对钢质量的各种特殊需要。例如，控制硫化物夹杂形态以防止氢致裂纹。（5）控制夹杂物的形状以改善钢的深冲性能和钢的加工性能。

采用炉外精炼还能优化炼钢工艺和提高效益。采用炉外精炼工艺，投资将增加5％~10％，其成本将增加10~30元/t，并增加了炼钢炉到连铸的生产周期，但它是改善钢质所必需的工艺，而且能提高总经济效益。（1）能生产无缺陷连铸坯，使不精整率达90％以上，这样就简化了精整工序，使连铸坯由精整后冷送改为热送热装炉或直接轧制。例如，采用转炉—炉外精炼—连铸—热送直轧流程的有日本塄厂、加拿大道福斯克厂和韩国的光阳厂等；采用连铸坯热装入炉的就更普遍了。因而缩短了生产周期，节约能耗达20~30KJ/t。（2）冷轧薄板用低碳钢，经真空处理使[C]≤30ppm，[N]≤30ppm。可采用连续退火流程使钢板温度均匀，省去板卷吊放加罩工序，劳动生产率提高3倍，生产周期由10日缩短为10min，提高了经济效益。目前全世界已投产30套冷轧连续退火线，进而用于镀锌、镀锡及硅钢片上。

（二）控制钢水质量，稳定连铸生产

连铸技术的发展促进了炉外精炼技术的发展，使之成为炼钢生产工艺中必不可少的手段之一。1989年日本普钢连铸比98.1％，特钢78.9％，综合为94.8％。为了保证炼钢与连铸之间的协调，防止连铸时水口堵塞和保证连铸坯的质量，必须保证准确的浇注温度、钢中团絮状A12O3类夹杂物充分少、钢液良好脱硫、钢液成分准确控制。这些要求只有通过炉外精炼才能达到。

由于连铸过程必须与炼钢相配合，因此在钢包中脱氧与钢水处理的冶金目标对生产优质产品极为重要。特别是生产易切削钢、高合金钢、低合金钢和各种不锈钢时，更需要特殊的冶炼操作工艺，以便铸坯与最终产品能达到良好的表面质量和内部质量。浇注小方坯和大方坯时，达到优质产品所需要采取的措施是：炼钢及脱氧；钢包冶金；喷钙及真空处理。钢包—中间包—结晶器之间的钢流保护；电磁搅拌；自动控制系统等。

炉外精炼必须提高和有助于连铸过程操作的可靠性，以便取消连铸坯的直接检查和清理。因此，以下几方面的综合结果便是衡量所有这些方法效能的标准。（