纯净钢绪论

●轴承钢中总氧量每低1ppm，其寿命可提高10倍，目前轴
承钢中总氧量最好水平为平均4～6ppm，国内5～9ppm
●优质宽厚板和管线钢连铸坯总氧量要求小于10ppm，MnS
夹杂全部转化为球形CaS
● 用 于 易拉 罐 的 镀锡 板 要 求总 氧 含 量小 于 10ppm ， 钢 中
Al2O3夹杂物小于10μm
◆“clean steel” is defined as steel[1]
(1)low levels of the impurity elements such as sulfur， phosphorus， nitrogen， oxygen and hydrogen；
(2)controlled levels of the residual elements like copper， lead， zinc， nickel， chromium， bismuth， tin， antimony and magnesium；
•A.W.Cramb.Impurities in engineering materials， edited by C.L.Briant， Chapter 4， 1999， Marcel dekker， inc， 49-90
“The cleanliness of steel， like beauty， is very much in the eye of the beholder”
•纯净钢简介
（1）纯净钢的概念
•洁净钢( clean steel) ：指对钢中非金属夹杂物 (主要是氧化物、硫化物) 进行严格控制的钢种， 这主要包括: 钢中总氧含量低， 非金属夹杂物 数量少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以 及合适的夹杂物形状。
•纯净钢(purity steel)：是指除对钢中非金属夹 杂物进行严格控制以外， 钢中其它杂质元素含 量也少的钢种。
• 日本神户制钢的Nishi和Ogawa等用真空感应炉(VIF)熔炼出航空工业用 的250马氏体时效钢时，将T.O、S和N分别降低到(2-5)×10-6、(2-3)×10-6和 (6-9)×10-6，钢中的夹杂物尺寸最大为6～8μm，主要分布在2～4μm之间。
• Fukumoto和Mitchell用电子束冷坩埚熔炼法(EBCHM)熔炼适用于电子 元件的奥氏体不锈钢时，将钢的[T.O]降低到(2-3)×10-6，钢中的氧化物夹杂 主要来自原始合金中的CaO夹杂。
1980 30 10 40 20
1990 10 4 10 10
1996 5 5 10 10
2000 4 0.6 3 6
H T.O 3 40 2 30 1 10 0.8 7 <1 5 0.5 2
实际冶炼过程成分变化情况
C/% Si/% Mn/% P/% S/% N/% T.O/% T/℃
铁水 4.0~4.5 0.25~0.7 0.2~0.4 <0.25 <0.04
• 因此,所谓的“零夹杂”钢实质上是指“零氧化物夹杂”钢。要获得真 正的“零夹杂”钢,除了控制钢中的氧含量以及脱氧元素含量及偏析,使它 们的溶度积低于固相线温度时的平衡溶度积,以防止在固相线温度以前析出 氧化物夹杂以外,还在于如何使原始合金带来的氧化物夹杂从钢中气化去除, 即:
（4）零氧化物夹杂钢
通常纯净钢生产工艺包括以下几部分： 铁水预处理， 转 炉复吹， 出钢挡渣、扒渣、对炉渣改性，二次精炼(真空、吹 气、加热、造渣)、全程保护浇铸、中间包冶金、结晶器冶金及 采取各种促使夹杂物去除的措施等。
一位网友：
“我认为洁净钢的定义应如下:当钢中的非金属夹杂物 直接或间接地影响产品的生产性能或使用性能时，该钢就 不是洁净钢;而如果非金属夹杂物的数量、尺寸或分布对产 品的性能都没有影响，那么这种钢就可以认为是洁净钢。
脱氧产物锰铝榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)在加工后钢材中呈细小 分散夹杂，对性能影响不大。
◆ 夹杂物过滤器 一种是ZrO2过滤器可过滤液态及固态夹杂，一种是多孔隙泡沫筛
可以将[O]降低42%;还有一种MgO、Al2O3及ZrO2粉末填塞过滤层，使不 锈 钢 中 Al2O3 夹 杂 物 降 低 20% ～ 70% ， 用 于 Ni 基 合 金 过 滤 夹 杂 物 降 低 44%～55%。
•自李正邦《超洁净钢和零非金属夹杂钢 》
生产显微夹杂钢关键技术
◆深脱氧技术 在真空处理设备中(RH-KTB、VODC、LF-VD)钢水进行真空碳脱氧，
只要降低PCO就可以达到降[O]的目的，由于氧的传质是反应限制性环 节，深脱氧需要足够时间。随后进行沉淀脱氧，使用复合脱氧剂SiMn-Al，脱氧产物熔点低，在钢液中碰撞易于聚合成大颗粒夹杂而浮 出钢液表面。
气泡上一同浮出钢液。
（4）零氧化物夹杂钢
• 目前国内外大规模生产的IF洁净钢中C、S、P、N、H、T.O之和不大 于100×10-6，不少冶金学家将超洁净钢界定为C、S、P、N、H、T.O质量 分数之和不大于40×10-6，作者认为，针对不同钢种及要求，采用不同 精炼手段，各个突破，可以达到上述洁净要求。 • Kiedssling提出夹杂物“临界尺寸”的概念，根据断裂韧性KIC的 要求，夹杂物“临界尺寸”为5～8μm。当夹杂物小于5μm时，钢材在 负荷条件下，不再发生裂纹扩展，可将此界定为超洁净钢标准之一。 • 近年来，加拿大Mitchell教授和新日铁Fukumoto博士提出“零氧化 物夹杂钢”的概念。
用于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途钢板目前 硫控制在80ppm以下，将来会降到50ppm以下
用于含H2S等酸性介质油气输送用管线钢硫含量目前已降 低到（5-1）ppm
对于新一代汽车 用超深冲 IF 钢冷轧钢板 ，氮要 求低于 25ppm
用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量小于10ppm，夹杂 物尺寸小于5μm
高到109。
纯净钢的生产主要集中在两方面： （1） 尽量减少钢中杂质元素的含量；
减少钢中溶质元素的含量主要在各种铁水预处理以及二次 精炼设备中营造最佳去除的热力学和动力学条件来实现， 钢中 夹杂物的控制主要是减少其生成、对其进行改性、促其上浮。 （2） 严格控制钢中的夹杂物，包括夹杂物的数量、尺寸、分 布、形状、类型。
减少钢中的杂质含量，可以显著地改善钢材的延展性、韧 性、加工、焊接、抗腐蚀等性能。
对于钢性能要求不同，纯净度所要求的控制因素也不同。
如：
IF钢：要获得成品钢材的高延展性、高r值以及优良的表面 性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；
管线钢：为了提高钢的冲击韧性及抗HIC的能力则要求钢 中硫、磷含量尽可能低。
(3)a low frequency of product defects associated with the presence of nonmetallic inclusions created during
steelmaking， ladle metallurgy， casting and rolling.
应该说，洁净钢的概念不是为了制备样品，也不是一 味追求纯净，而是为了高效率、低成本地生产出成批可满 足用户要求的优质商品钢材。”
国外钢中杂质元素单体控制水平的发 展趋势（20世纪预测的极限值）
年份 C
元 素 /1 0 -6 SPN
1960 200 200 200 40
1970 80 40 100 30
●生产汽车外板（O5板）要求钢中总氧含量小于20ppm，且
Al2O3杂物尺寸小于20μm
（3）显微夹杂钢
◆早年瑞典将尺寸为1～100μm夹杂划为“显微夹杂物”。近年较多著作将1～ 20μm定为显微夹杂。
要求显微级夹杂的几种典型超纯净钢 ◆深冲汽车板及易拉罐薄板
IF钢要求：[T.O]≤20×10-6，夹杂物尺寸≤20μm; DI钢要求：[T.O]≤30×10-6。 ◆子午线轮胎冷拉钢丝：要求钢液中酸溶铝[Al]sol=(2-5)×10-6，[T.O]≤20×106、夹杂物尺寸≤20μm，夹杂物成分中Al2O3尽量少，呈典型塑性夹杂物。 ◆阀门弹簧钢：夹杂物尺寸≤20μm，夹杂物为硅酸盐(CaO·Al2O3·SiO2)，夹杂 物成分中(Al2O3)≤20%。 ◆轴承钢：超低氧，日本山阳特钢、瑞典SKF轴承钢[T.O]<5×10-6。
•零夹杂超级纯净钢精炼工艺原则 根据热力学计算,精炼零夹杂超级纯净钢的关键是:(1)控制钢中的酸溶
铝含量低于10×10-6;(2)避免原材料中存在含CaO的夹杂物;(3)避免炉衬污 染;(4)高真空度精炼。工艺流程见表1。
•冶炼效果 42CrMo钢: T.O=(2～4)×10-6,σ-1在720MPa,疲劳寿命由原商业产品107提
煤气 800~1000万吨钢铁厂
高
转
连
炉
炉
铸
热
冷
连
连
轧
轧
14~28万吨废塑料
废渣
烧结
120万吨废钢
300万吨
水泥厂
产品
21世纪流程制造业面临的问题：
传统流程制造业的结构缺陷： — 不少制造流程往往停留在工序的简单叠加和堆砌， 缺乏合理的结构，效率低，质量不稳定，能耗高，排放 量大。 冶金流程制造业的改造方向： — 以资源与能源最佳转化效率为核心的制造流程优化 和产品优化，解决产品制造功能、能源转换功能和社会 大宗废弃物的资源化功能。
• 因此，可能存在的亚微米夹杂物来自两部分，一部分是由原始合金或初 炼炉带来的含Al2O3、SiO2、CaO的夹杂物，另一部分是钢液凝固过程中析 出的氧化物、硫化物和氮化物夹杂。
（4）零氧化物夹杂钢
• 钢液中析出硫化物和氮化物的溶积度远比析出氧化物的溶积度高,在一 般情况下液相中不可能析出硫化物和氮化物。
1300
De-S 4.0~4.5 0.25~0.7 0.2~0.4 <0.25 0.0003