潔凈鋼是指鋼中五大雜質元素（S、P、H、N、O）含量較低，并且對鋼中非金屬夾雜物進行嚴格控制的鋼種。早期潔凈鋼生產對鋼材性能和潔凈度要求不高，轉爐成為生產潔凈鋼的主要工藝。當時的潔凈鋼技術研發重點是解決頂吹轉爐反應效率低、渣鋼反應偏離平衡和吹煉過程不平穩等技術問題。研發的一些主要技術包括：氧氣底吹轉爐和噴粉技術，各種復吹轉爐以及鐵水脫硫和爐外精煉等。

    20世紀70年代以后，由于制造業的快速發展，對鋼材潔凈度要求更加苛刻，如無間隙原子深沖鋼要求[C+N]≤50ppm、軸承鋼要求T.O≤6ppm等，單純依賴轉爐很難達到質量要求。這一時期的研發重點是針對轉爐功能的解析與轉換，形成潔凈鋼生產流程，突破潔凈鋼冶煉的技術極限。主要研發的技術包括：鐵水“三脫”（脫硫、脫硅、脫磷）預處理、轉爐智能吹煉、多功能真空精煉等。

    自2000年以來，潔凈鋼生產工藝的研究熱點從單純追求突破潔凈度極限，轉變為降低生產成本、提高生產效率、實現綠色化生產。主要研發成果包括：鋼中最大夾雜物控制、連鑄輕壓下和小壓縮比連鑄，及建立高效低成本潔凈鋼生產平臺等。

    1 高效鐵水“三脫”技術

    脫磷、脫硫是鋼水提純中最重要的冶金反應。和轉爐相比，鐵水“三脫”（脫硫、脫硅、脫磷）工藝的主要特點是將脫磷、脫硫反應從高溫、高氧位轉移到低溫、低氧位條件下實施，更有利于反應的發生，進而解決了傳統煉鋼中回硫、低碳脫磷和鋼渣過氧化等弊病。

    為了開發更經濟、更高效的“三脫”工藝，有專家推薦以下技術：一是根據耦合反應理論，設計在同一反應器內分階段進行脫硅、脫磷和脫硫。二是加強熔池攪拌，開發低FeO渣脫磷工藝（控制渣中TFe≤5%，R=2-2.5），提高脫磷效率達80%以上，半鋼[P]≤0.02%。三是噴粉解決熔池法造渣困難問題，高Ca/O比操作，形成高堿度、低FeO渣深脫硫，使脫硫率≥90%。四是通過靈活調節Ca/O比，精確控制“三脫”反應過程中的氧化還原程度。五是吹煉期采用溢渣工藝，及時排出各反應期生成的爐渣，并實現在線爐渣改質。

    2 提高夾雜物控制水平的措施

    近年來，業界對夾雜物控制提出更高的要求，在降低夾雜物總量的基礎上，要求嚴格控制夾雜物最大尺寸，大幅提高鋼材的各項性能。

    為實現這一目標，應采取以下技術措施：一是用真空碳脫氧代替合金沉淀脫氧，減少脫氧夾雜物；二是抑制或減少精煉中渣鋼反應，避免生成大顆粒變性、卷渣和脫硫夾雜物；三是加強鋼水保護，避免澆鑄中鋼水的二次氧化，從而產生新的夾雜物。

    改變脫氧工藝的技術關鍵是提高真空循環脫氣（RH）界面反應速度，促使真空下，碳氧反應接近氣相平衡。具體措施如下：一是擴大真空室表面積；二是真空室吹氬氣，加快鋼液表面的更新速度，增大界面流量；三是采用微氣泡技術（PERM法），在RH精煉前，吹入H2或N2，提高鋼中氣體含量，利用真空脫氣功能，在后期形成大量微氣泡，促進熔池脫碳并有利于夾雜物上浮。

    中間包冶金對鋼中夾雜物控制有重要作用，其目標不是進一步提純鋼水，而是嚴格控制澆鑄過程的污染，避免產生二次氧化、卷渣和變性夾雜。具體措施包括：采用大容量中間包，合理設計中間包形狀，避免鋼水形成紊流；加強中間包密封，控制中間包氣氛中的氧含量PO2≤0.1mol%；采用鎮靜開澆工藝，可使鑄坯表層夾雜物富集帶中夾雜物面積率從鎮靜5min開澆的1%下降到鎮靜10min開澆的0.2%；采用無渣澆鑄工藝，如日本山陽特鋼廠生產超純凈軸承鋼，采用無渣澆鑄工藝，可控制鋼中最大夾雜物尺寸≤12μm。

    3 建立高效的潔凈鋼生產體系

    以日本住友鋼廠1座210t脫磷爐和2座脫碳爐配合2臺KR脫硫站、2臺RH精煉爐和3臺連鑄機，構建的高效快節奏生產平臺為例，其高效快節奏的潔凈鋼生產特點如下：

    一是全部產品高品質化。采用100%鐵水“三脫”、100%快節奏生產、100%鋼水真空處理和100%鑄坯熱裝直軋（≥850℃），全部產品雜質總量Σ[S+P+T.O+N+H]≤100ppm。

    二是壓縮輔助時間，縮短冶煉周期。通常轉爐輔助時間與吹煉時間之比為1∶1，而雙聯轉爐吹煉時間≤10min，要求壓縮輔助時間≤10min，保證20min周期。加快生產節奏，解決了脫碳爐熱量不足的問題，日產45爐鋼時，冷卻能與傳統轉爐相當，日產55爐鋼時，冷卻能提高7.2%。

    三是建立以轉爐為中心的快節奏生產體系。生產周期長于轉爐的KR和RH，采用2臺設備配1臺轉爐；3臺連鑄機同時生產時，連鑄周期為1h，2臺連鑄機同時生產時，連鑄周期為40min。

    四是縮短鐵水罐周轉時間，提高周轉次數，鐵水入爐溫度提高46℃。

    五是簡化爐外精煉，提高鋼包周轉率，出鋼溫度比傳統轉爐降低30℃，不配置LF爐。

    建立高效快節奏的生產方式具有很大的經濟效益：一是提高設備作業率，減少設備臺數，降低管理成本；二是縮短輔助時間，加快鋼包（鐵包）周轉，減少輔助能耗和在線鋼包數量；三是大幅度提高勞動生產率，降低人員成本。

    4建立綠色低成本潔凈鋼生產平臺

    傳統流程以爐外精煉控制鋼材純凈度，以鐵水“三脫”為基礎的潔凈鋼生產新流程，可以通過以下途徑，降低生產成本：

    一是提高反應效率。該流程通過提高渣鋼間磷、硫分配比，抑制鋼渣過氧化，減少脫氧夾雜物以及提高錳資源回收率等措施，降低渣量，減少輔料、鋼鐵料和鐵合金消耗，降低生產成本。

    二是實行高效快節奏生產。該流程通過加快生產節奏，提高設備作業率，降低輔助時間能耗和鐵水、鋼水周轉過程溫降等措施，降低生產能耗；通過減少設備臺數簡化備件管理，提高全員勞動生產率，進一步降低生產成本。

    三是簡化爐外精煉工序。國內鋼廠普遍采用LF精煉。LF工序能耗高、周期長，渣鋼反應易產生大顆粒夾雜物，國外先進鋼廠已開始抑制LF渣鋼反應甚至取消LF精煉爐。

    四是顛覆傳統流程。高品質特鋼須采用電渣（ESR）或真空感應+真空自耗（VAR）等特種冶金和鍛造工藝生產，規模小、成本高。這種狀況已開始改變，如SKF公司通過超低硫冶煉和硫化物控制，使軋材橫、縱向性能偏差從50%降低到10%以下，實現以軋代鍛生產風電軸等產品。日本山陽特殊鋼公司通過改善夾雜物控制工藝，完全消除20μm以上的大型夾雜物，使軸承鋼的疲勞壽命≥108，生產的航空軸承質量已超過采用ESR或VAR工藝生產的產品。

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責任編輯：殷鵬飛

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