超细晶化理论及技术与炉外精炼技术

超细晶化理论及技术是21世纪新一代钢铁材料的重要发展方向。

目前，工业生产和广泛应用的低合金钢的屈服强度约为400MPa，抗拉强度约为500MPa，晶粒尺寸约为lOpm。

长期研究和生产实践表明，具有高强度且有高韧度的钢铁材料是最理想的材料，晶粒细化处理是同时提高材料强度和韧度的最有效途径，因此世界各国研究者力争通过对低合金钢进行细晶化的研究，将低合金钢的屈服强度由目前的400MPa级提高到800MPa级，其核心理论和技术是实现钢材的超细晶（或超细组织）。

1997年4月，日本开始了“新世纪结构材料（或超级钢材料）”为期10年的研究计划，提出生产将现有钢材强度翻番和使用寿命翻番为目标的新一代钢材。

之后韩国在1998年启动了“21世纪高性能结构钢”，我国予1998年末确立启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”项目（国家973项目），其目标是将现有的普碳钢和低合金钢的强度和寿命提高1倍，同时不降低钢的综合性能。

东亚相差不到1年，设立相同目标的研究项目带动了欧美各国钢铁界竞相参与和重视。

控制超细晶粒钢的组织而使钢强韧化的观点出发，对现有高强度低合金(HSLA)钢晶粒细化的理论和技术进行了探讨。

探讨高强度低合金钢的晶粒细化理论。

1.高强度低合金钢的晶粒细化理论：2.低合金高强钢最重要的力学性能指标是屈服强度GB和韧脆转变温度T。

对于新一代钢铁材料来说，提高其屈服强度民，降低其韧性转变温度T是研究和开发的重点。

提高钢铁材料强度的方法有：固溶强化、析出相强化、弥散强化、形变强化，细晶强化等。

钢铁材料提高强度的途径主要有4条Ⅲ：通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生周溶强化通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难（位错强化）通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细晶强化通过第二相(一般为M(C，N),析出相或弥散相）使位错发生弓弯和受阻产生析出强化。

各种强化机制的效果。

其中，细晶强化是唯一能同时提高强度和韧性的方法，其它强化方法得到的显微组织都存在强度提高而韧性下降的缺点。

细晶强化可用传统的Hall-Petch公式描述式中内摩擦力；足为常数，晶粒直径。

同时，晶粒尺寸与材料的塑性和韧性有着密切的关系，Petch根据断裂应力与晶粒直径的关系：α和β为常数，随着晶粒尺寸的逐步变小，屈服强度提高，韧转变温度降低。

研究工作表明：微米、亚微米级的钢铁材料，其强度和晶粒度仍服从Hall-Petch公式。

材料从传统的细晶（10mm或稍大）细化到1mm，其强度可提高l倍以上，并使钢的韧脆转变温度下降到200℃以下，显著地改善了钢的韧性。

Takakic6及其合作者的研究指出，具有低碳贝氏体或针状铁素体的低（微）合金钢若显微组织细化至2mm以下，强度就能翻番。

因此超细晶钢是将目前细晶钢的基体组织细化至微米及亚微米数量级。

微米及亚微米组织的性能特征。

2.分析高强度低合金钢的晶粒细化技术及其研究现状细化晶粒是控制金属材料组织结构的最重要、最基本的方法。

目前，获得细晶粒的方法有利用相变和再结晶的热处理（或形变热处理），钢液超速冷却，机械合金化，超细粒子烧结和非晶体结晶等。

形变热处理对晶粒细化极为有效，已以实验室规模获得了具有小于或等于超细晶组织的成块材料。

下面介绍几种重要的细化晶粒技术。

炉外精炼是把转炉、平炉或电炉中所炼的钢水移到另一个容器中(主要是钢包)进行精炼的过程。

也叫“二次炼钢”或钢包精炼。

炉外精炼把传统的炼钢分为两步。

(1)初炼：在氧化性气氛下进行炉料的熔化、脱磷、脱碳和主合金化。

(2)精炼：在真空、惰性气氛或可控气氛下进行脱氧、脱硫、去除夹杂、夹杂物变性、微调成分、控制钢水温度等。

从60年代以来，各种炉外精炼方法相继出现。

目前，全世界已有500多台炉外精炼设备在钢厂投入工业生产。

炉外精炼在现代化的钢铁生产流程中已成为一个不可缺少的环节。

尤其是炉外精炼与连铸相配合，是保证连铸生产顺行、扩大连铸品种、提高铸坯质量的重要手段。

在炼钢生产流程中，采用转炉(电炉)→炉外精炼→连铸已成为钢厂技术改造的普遍模式。

炉外精炼工艺特点和冶金作用各种炉外精炼方法的工艺各异，共同特点是：(1)有一个理想的精炼气氛，如真空、惰性气体或还原性气体。

(2)采用电磁力、吹惰性气体搅拌钢水。

(3)为补偿精炼过程中的钢水温降损失，采用电弧、等离子、化学法等加热方法。

炉外精炼主要是在钢包内完成的。

总的来说，有以下冶金作用：—钢水温度和成分均匀化。

—微调成分使成品钢的化学成分范围非常窄。

—把钢中硫含量降到非常低(如S<0.005％)。

—降低钢中的氢氮含量(如H<2ppm)。

—改变钢中夹杂物形态和组成。

—去除有害元素。

—调整温度。

钢包精炼方法不同，采用的工艺操作也不相同，所达到的冶金效果也不一样。

要结合生产的钢种、产品质量来选择合适的炉外精炼方法。

选择与连铸相匹配的炉外精炼的要求与连铸相匹配的钢包精炼，在于提高铸坯质量和保证连铸工艺的稳定性。

选择合适的炉外精炼方法是连铸钢水准备、提供合格质量钢水的重要手段。

为此结合产品质量要求，选择钢包精炼设备应满足以下基本要求：(1)调节钢水温度，达到连铸所要求的浇注温度。

(2)提高钢水清洁度，特别是减少钢中大型夹杂物的含量。

(3)降低钢中气体(如氢)含量。

(4)降低有害杂质(如硫、磷)含量。

(5)夹杂物变性作用，改善钢水流动性。

(6)减轻炼钢炉的冶炼负荷，缩短冶炼周期，提高生产率。

(7)钢包精炼炉成为炼钢炉和连铸机之间的一个“缓冲器”，平衡两者之间的生产节奏，有利于提高连铸机的生产率。

炼钢炉与连铸机之间装设了炉外精炼设备，可以达到以下目的：1)为连铸提供合格质量的钢水，改善连铸坯质量；2)协调炼钢与连铸之间的节奏，提高连铸机的生产率。

因此凡是有连铸机的工厂应选择合适的炉外精炼方法来准备钢水。

究竟采用哪种炉外精炼法取决于工厂条件、产品质量等。

应根据产品质量要求，建立不同的生产工艺流程：(1)对于电炉或超高功率电炉相配合连铸机，选择钢包精炼应满足合金比高的产品质量的要求。

如不锈钢可采用电炉—AOD炉一连铸、电炉一VOD炉一连铸，轴承钢采用电炉一钢包炉(如LF、SKF)一连铸。

(2)对于大型转炉相配合的板坯、大方坯、圆坯连铸机，要提供优质钢水，生产高质量的铸坯。

采用转炉一RH一连铸、转炉一RH+KIP一连铸。

生产超低碳(碳小于0.1％)或超低硫(硫小于0.005％)可采用LF炉与真空处理并用，可得到最佳效果。

(3)对于小型转炉，相配合小方坯、矩形坯连铸机，以生产普碳钢为主，一般采用钢包吹氩或辅以钢包喂丝技术，基本上能满足连铸工艺和铸坯质量要求。

与连铸相匹配常用的炉外精炼法有：真空处理(如RH、DH)，钢包精炼炉(如LF法、ASEA —SKF法、VOD法等)，钢包钙处理(如TN法、KIP法、喂钙丝法等)。

与连铸相配合的RH(或DH)真空处理法的特点RH是目前广泛应用的一种真空处理法。

其设备由真空室与抽气装置组成。

真空室下有吸取钢水的上升管和排出钢水的下降管。

脱气处理时，首先将两根管子插入钢包内钢水面以下150～300mm。

抽真空时钢水在大气压力作用下进入真空室。

同时在上升管内吹入氩气，因钢水内充满氩气泡，液体密度减小而使钢水向上流动进入真空室，而下降管内钢水密度大而下降，返回钢包内。

因此连续反复循环，使钢水在真空室脱气。

RH的作用是脱氢、脱氧、脱碳、减少钢中夹杂物、均匀钢水温度和微调成分等。

RH真空处理法已向多功能方向发展，如RH真空室吹氧以生产超低碳钢(碳小于0.003％)，开发了RH—OB、RH—KTB法。

武钢、宝钢均采用转炉一RH一连铸工艺流程生产板坯。

目前，DH真空处理法用得较少。

与连铸相配合的钢包精炼的方法目前广泛采用的钢包精炼法有以下几种： (1)LF钢包精炼炉该法主要特点是：有3根石墨电极，电弧产生在钢包钢水面上的炉渣中，进行“埋弧精炼和加热”。

处理时添加合成渣脱硫，钢包底部吹氩搅拌钢水，可以均匀温度和成分，促使夹杂物上浮排除。

这是一种设备投资省、精炼效果好的炉外精炼法。

LF炉已成为电炉与连铸之间的一个重要设备。

LF炉具有加热功能，可使电炉出钢温度降低120℃。

缩短冶炼时间，提高电炉生产率20％。

经过LF炉处理使连铸钢水温度波动减少到±2℃，有利于连铸生产的稳定性。

我国不少电炉厂建成了电炉一LF炉一连铸以生产方坯、圆坯的生产流程。

(2)VOD炉VOD炉主要用于冶炼低碳不锈钢，在钢包炉内真空条件下吹氧脱碳(脱碳量为0.3～0.6％)。

采用消耗式喷枪或水冷喷枪吹氧。

VOD炉没有热源，一般不用造渣精炼。

上钢三厂已建成电炉一VOD一板坯连铸机流程生产不锈钢，年产量达10万t/年。

与连铸相配合的喷射冶金技术的特点喷射冶金是以压缩气体(如氩气)作为载体，把各类精炼粉剂(如石灰粉、Si-Ca粉等)喷射到钢包深部，利用气体的搅拌作用增加粉剂和钢水的接触面积，从而改善化学反应的动力学条件。

这样可以快速脱硫、脱氧、脱磷、提高合金的收得率和钢的纯净度。

与连铸相配合的钢包喷粉技术主要解决以下问题：(1)改善钢水的可浇性和中间包水口的堵塞。

浇注含铝钢，钢水中Al2O3夹杂呈固态串簇状分布，使钢水发粘是水口堵塞的根源。

在钢包内喷吹Si-Ca粉，使CaO与Al2O3结合成铝酸钙(12CaO·7Al2O3)，在钢水中呈液态球形而上浮，解决了水口堵塞。

(2)降低钢水中含硫量。

连铸用于生产石油管线和船板的坯，要求钢中硫小于0.005％，可在钢包喷吹Ca—Si粉、石灰粉来生产低硫钢。

(3)夹杂物变性处理以提高钢的清洁度。

如16Mn钢经喷粉处理后，钢中Al2O3以及MnS夹杂物明显降低，Al2O3降低67％，MnS降低66％。

且夹杂物呈细小均匀分布，有利于钢材力学性能的改善。

目前将喷射冶金和真空处理相结合，是一种有吸引力的炉外精炼技术。

如将LF、VOD、RH 等精炼设备与喷射冶金相结合组成新的精炼工艺，可进一步提高钢水精炼效果。

与连铸相配合的喂线技术的特点向钢水中加钙不仅改善连铸钢水的可浇性，而且可改善钢的质量。

目前向钢水喂钙丝已成为向钢水加钙的有效技术，可取代喷吹Si-Ca粉技术。

以80～300m/min的速度把钙线喂入钢包深部，在1600℃高温下，钙在1～3S内就可熔化，钙滴或钙气泡向上移动时间较长，与钢水更能有效的起反应。

比喷吹Si-Ca粉效果要好。

由于金属钙是非常活泼的元素，在1600℃能很快的气化，所以出钢时若采用通常方法把钙加入钢包，钙蒸发会引起激烈的沸腾喷溅，钙烧损大，效率低。

为此，采用特殊加工方法将CaSi粉或CaSi+A1按比例混合作为芯部材料，外面用0.2mm厚的薄钢带包覆起来，并将粉剂压实，制成6～10mm不同直径的复合包线。

包线可做成圆形或矩形(如12×6mm)。