洁净钢生产的二次精炼技术

    为满足最终用户需要，洁净钢生产中二次精练设施越来越发挥出举足轻重的作用。

    真空脱气首先用于生产不锈钢和特种钢，特别是不能在常压环境中进行有效生产的高铬钢。真空吹氧脱碳(VOD)工艺不仅能降低反应产物一氧化碳的分压，而且可防止过量铬被氧化，但该工艺缩短了钢包炉的使用寿命并延长了钢水的处理时间，从而导致氧氩混吹脱碳(AOD)工艺技术的开发。在大批量的不锈钢生产中，氧氩混吹脱碳工艺越来越受到用户的欢迎。钢铁生产者逐渐意识到炉渣对最终产品质量所造成的影响。炉渣的成分直接影响钢水以及钢材中夹杂物的成分，而夹杂物的成分反过来影响钢材的物理性能。不幸的是，到目前为止，炉渣成分和夹杂物成分之间的因果关系并不能进行实时测量。但值得庆幸的是，通过炉渣管理系统可进行高洁净钢的生产。炉渣管理系统是一种用于说明和控制钢包渣成分的工艺。在采用该系统之前，必须了解炉渣的构成，其包括：炉渣携带量、脱氧产品、钢包炉的炉衬材料、造渣添加剂以及上炉钢的余渣。

    以下介绍几个采用炉渣管理系统生产特种钢并获得理想结果的实例。

    镇静钢以及轴承钢生产

    轴承钢零件的使用寿命和夹杂物(SiO2和Al2O3)的总量之间成反比关系。携带了氧化亚铁(FeO)和氧化锰(MnO)的炉渣可导致钢水过氧化以及夹杂物中氧化物的水平过高，因此控制炉渣携带量是生产洁净轴承钢的前提。而且，在控制炉渣携带量的同时必须考虑去除钢水中的脱氧产物，因此，炉渣必须具备一定的亲和力，以便吸附氧化铝。满足上述要求的炉渣成分必须位于CaO饱和区域并接近CaO?Al2O3共熔区。一般情况下，炉渣成分中石灰与氧化铝的比例应在1.2-2.0之间。对轴承钢来说，1.7应该是最优的。

    为描述氧化钙饱和区内钢包渣的特性，定义了氧化钙饱和指数。该指数主要用于以下几个目的：

――识别炉渣的相对饱和度，从而判断石灰的添加量；

――显示炉渣的脱硫潜力；

――预测并防止钢包炉炉衬磨损。

    上述最后一点在增加碱性衬钢包炉的炉衬使用寿命方面显得特别重要。未饱和炉渣或者说饱和指数小于1.0的炉渣达到平衡时与饱和炉渣达到平衡时5%的MgO含量相比具有更高的MgO含量，因而使用未饱和炉渣或饱和指数小于1.0的炉渣将侵蚀钢包炉炉衬，为防止钢包炉炉衬的过量磨损，采用这些炉渣时必须添加一定量的MgO。

    以上实例证明用钢渣管理系统可降低钢材的生产成本。

    弹簧钢、钢帘线和钢轨钢生产

    弹簧钢、钢帘线和钢轨钢是几种需求为看好的钢种。这几种钢的共同特性是采用钢渣管理系统可改变热处理后仍残余在钢中的非金属夹杂物的类型，而且这几种钢要求其内残余的夹杂物在拉丝或热轧过程中具备超塑性。Si―Cr气门弹簧钢(SAE 9254)要求其在动态扭转应变的条件下具备较长的使用寿命，其使用寿命的长短取决于夹杂物的物理性能以及夹杂物的数量、尺寸和其分布情况。因此，气门弹簧钢必须要求其是超洁净钢。

       SAE 9254气门弹簧钢的化学成分规格列于表1中。尽管其允许铝含量最高达30ppm，但这种钢种生产时必须将其铝含量严格限制到小于5ppm。钢中的铝含量通过精练渣中所包含的氧化铝的量来控制。钢水冶炼过程中，由于钢渣和钢水之间存在热动态平衡过程，因此控制钢渣中三氧化二铝的含量在14%―28%之间可使铝浓度和含氧夹杂物的成分达到标准要求。

表1  SAE 9254气门弹簧钢的化学成分规格

    无间隙原子(1F)钢生产

    如果没有真空精练技术，无间隙原子钢的生产是无法实现的。要想使无间隙原子钢中的碳含量小于20ppm，必须采用真空脱气技术。目前的RH设施在设计上采用了顶枪技术，从而极大地缩短了钢水的处理时间并降低了最终钢水的碳含量。但增加了工艺的复杂性，因此生产中必须采用2级系统。该系统可减少操作人员的手工计算，并帮助操作人员使其冶炼的钢水在质量和产量上达标。

    真空吹氧脱碳(VOD)工艺

         VOD工艺与采用顶枪设计的RH工艺类似。为提高生产效率并缩短处理时间，VOD工艺不断进行改进。SMS Mevac公司开发成功一种氧枪，该氧枪可使氧流波动来增加反应表面积。而且，为消除抽真空、喷吹以及底部搅拌过程中所造成的过烧现象，采用了自动化抽真空以及气体控制系统。为预测吹氧过程的结束并进行工艺优化，采用了气体分析传感器，从而可防止铬的过氧化，尽而降低生产成本。该工艺所采用的2级系统可在最低的运行成本条件下优化计算过程并帮助操作人员获得一致的结果。

    总结

    真空冶炼技术在满足客户需求方面越来越发挥出更为重要的作用。表2概括总结出钢水二次精练后各元素含量所能获得的最低水平(采用―亡述所谈到的技术和设备便可达到该水平)以及未来可能需要达到的水平。

表2  钢水二次精练后元素残余量的最低值

      2级自动化系统在满足客户不断增加的需求方面已成为一种必要的工具。