轉爐煉鋼標準成本管控模式的探索與創新

馬軍文，熊龍權，周 虎，徐 皓，陳壽紅，速國武

（昆明鋼鐵控股有限公司煉鋼廠，云南 安寧 650309）

0 引言

轉爐煉鋼的純度一般較高、粉塵顆粒較細并且均勻性較高，除此之外高純鋼還有這常規材料所具備的光、熱、電和磁等特點，是現代化工業中附加屬性較高、應用較為廣泛的功能型材料之一。現階段全球每年工業生產需要的高純鋼約為7500t，主要的生產地在歐美。我國的鋼生產主要的材料為鋼，產品的純度和可以均勻度都難以滿足市場的需求，高品質的鋼生產尚未達到基本的標準。隨著我國經濟實力的不斷發展，對于高純度鋼的需要只增不減，因此需要加強對高純鋼的提純工藝。

1 轉爐煉鋼制備標準成本管控技術

轉爐煉鋼制備標準成本管控的技術較多，主要可以分為3 種類型，即液相技術、氣相技術和固相技術。轉爐煉鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭位置有著巨大的不同，出現這種區別來自于組織結構不同所導致。在對不同組織結構的鋼進行焊接時，兩種鋼由于組織結構不同，具有完全不同的晶格。比如奧氏體鋼為溶于γ 鐵中的固溶體，γ 鐵的面心為立方晶格，其堆積方式為最緊密的密堆積形式，并不具有鐵磁性。普通的低碳鋼和低合金鋼一般為鐵素體加珠光體組織，鐵素體是碳溶于α 鐵或者δ 鐵的固溶體，α 鐵和δ 鐵都是立方晶格結構，具有一定的磁性。在晶格形式不同的情況下，鋼的比熱容、相變應力、熱膨脹系數就會有明顯不同，并且具有物理性質上的區別[1]。由于兩側金屬性質的不同，導致了轉爐煉鋼焊接會存在明顯的不均勻性，主要表現為以下特性。

（1）化學成分不均勻性。化學成分不均勻是由于焊接加熱過程中兩側母材的融化兩不同，熔敷金屬和木材融化成分存在一定的區別，由于焊接過程中存在稀釋作用以及碳遷移，導致化學形式會存在一定的變化。對于接頭區域，由于填充金屬、木材各自的原始成分不同，以及受到焊接工藝的影響，也會導致不均勻。根據有目前研究，焊接狀態下對接頭在不同溫度條件下進行加熱時，融合線的兩側會有明顯的碳遷移傾向，隨著焊接中溫度的提升和時間不斷增加，會有更為明顯的碳遷移情況，碳遷移情況的出現會導致原始化學成分出現改變。

（2）組織不均勻性。焊接過程中會有焊接熱循環作用，但是由于鋼的形狀不同、組織不同、接頭區域的結構不同，組織會有明顯的不均勻性，并且焊接中還可能形成復雜的組織結構[2]。由于組織結構復雜，最終造成了氫分布不均勻，在異種焊接接頭的位置，焊縫和熱影響區域的氫脆和融合區會出現氫致剝離，導致轉爐煉鋼焊接接頭在高溫服役狀態下容易出現氫致斷裂。

（3）性能不均勻。由于轉爐煉鋼的組織成分不同，因此會存在性能上的不同，轉爐煉鋼本身的性能差異導致焊接接頭的不同區域受到影響，焊接后會出現各種倍數關系的變化，尤其在焊縫兩側的熱影響區域會有非常大的沖擊力，在高溫下的性能持久強度、蠕變強度也會有明顯的不均勻分布。

（4）應力場分布不均勻。在組織、成分、結構不同的情況下，轉爐煉鋼焊接接頭的熱膨脹系數會有很大區別，導熱系數也各不相同，導致塑性區域會有明顯的區別，以及熱應力的不相同。由于組織應力和熱應力的共同作用，發生疊加之后會產生應力峰值，最終導致接頭發生斷裂。

其中，液相技術在轉爐煉鋼的質量、成本和環境方面都比后者較高，是現階段應用最為廣泛，也是最重要的鋼制備標準成本管控技術。本文主要針對液相技術進行深入的研究，其中液相技術可細分為以下5 種技術。

1.1 硫酸鋼銨結晶熱解技術

結晶熱解的方法主要的原材料是硫酸鋼銨，硫酸鋼銨的活性較好、顆粒的均勻程度也很細致，經過精細加工狗的硫酸鋼在硫酸銨的加持下進行結晶，在多次結晶之后硫酸鋼銨中高度提純，最終將提純后的硫酸鋼銨進行熱解，從而得到鋼。在提純的過程中可以采用分段式的硫酸鋼銨熱解技術制備標準成本管控高純度的鋼，所得到的將會是形狀近似球體、分散性較為良好的高純鋼，粉體的直徑約為200～300nm，這樣大小的轉爐煉鋼對后續的加工和生產都有著較為良好的作用。結晶熱解技術的操作較為簡單、成本投入也較低并且粉體的質量也較高與大規模工業生產之后得到的轉爐煉鋼，但是在操作的過程中容易出現熱熔解的現象，對晶體中含有的鉀、鈣、鹵素等一系列雜質的提取排除有一定的困難。除此之外，在結晶熱分解的過程中會產生氨氣和硫氧化物等一系列會對環境造成污染的物質，這也是限制結晶熱解技術廣泛應用和發函的主要原因。在對硫酸鋼銨熱解的過程中，相關的技術人員需要對熱解過程中產生的污染氣體進行回收、中和、加工等方式進行處理，這樣也可以保證鋼在生產過程中的經濟性與環保性。

1.2 碳酸鐵銨結晶熱解技術

在硫酸鋼銨之后人們為了能夠更加優化和改進現有的結晶熱解技術，在原有技術的基礎上研究出碳酸鐵銨的方法，碳酸鐵銨結晶熱解的方法在一定意義上控制了熱熔解時對空氣造成的污染問題，也是現階段在工業生產中應用較為廣泛的一種方法。碳酸鐵銨結晶熱解技術主要就是將提純后的硫酸鋼銨與碳酸氫銨進行結合，從而轉變成碳酸鐵銨，以此來避免在后續的熱熔解過程中產生硫氧化物氣體。碳酸鐵銨結晶熱解技術與硫酸鋼銨結晶熱解技術相比，碳酸鐵銨所產出的粉體顆粒均勻性不高，有團聚的現象出現，生產的成本也比硫酸鋼銨的成本高。根據研究顯示，碳酸鐵銨會受到濃度、溶液、pH 和添加劑的影響，對提純后的純凈度和粉體的質量都會有著一定的偏差，因此，在生產過程中需要嚴格控制相關的參數。

1.3 醇鋼水解技術

醇鋼水解技術就是在催化劑的作用下，將有機醇和金屬鋼進行化學反應生成醇鋼溶液，然后將醇鋼溶液進行水解，將多得到的高純度氫鋼進行燒結，從而得到純度較高的鋼。這樣的技術也是保證鋼質量的關鍵技術，為了能夠奧正高純鋼的質量，需要從以下3 點進行控制：①需要保障原材料的純凈度。②醇鋼需要進一步地提純，去除高熔點的雜質和沉淀物。③醇鋼的干燥、結燒需要進行有效的調控，以保證粉體顆粒的均勻程度。在提純過程中，需要使用大量鋼含量為99.9%的鋼片和純度較高的丙醇進行制備標準成本管控[3]，從而生產出超細的高純鋼。隨后需要利用恒溫水浴進行加熱、添加丙醇和氧化汞作為催化劑，經過多想加工之后得出最終的高純鋼產品。醇鋼水解技術的技術工藝較為復雜、對鋼的純度也難以掌控、并且生產的成本也較高。

1.4 水熱合成技術

水熱合成技術對高純鋼的純度和分體顆粒均勻程度比較容易掌控，技術主要利用水溶液作為基礎反應物，通過加熱加壓來增大溶液的溶解程度，高純鋼與水蒸氣進行化學作用直接水解成為氫鋼，隨后在對氫鋼進行降溫，從降溫的過程中得到鋼，避免氫鋼在煅燒過程中出現硬物團聚的現象，之后再經過干燥、煅燒等工藝得到鋼。水熱合成的技術缺點在于設備資金的投入比較大，加溫加壓的過程中會出現一些安全風險，氫鋼轉化成鋼的效率比較低，通常都需要添加晶體變相地對氫鋼進行降溫，技術工藝較為復雜[4]。

1.5 溶膠凝膠技術

溶膠凝膠技術主要是低溫制備標準成本管控高純鋼的重要技術，將高純度的鋼鹽在高純度的無機鹽之中進行水解，從而生成水合成物前驅體透明的溶膠，然后再溶膠之中加入聚合凝膠從而得到透明凝膠，對凝膠進一步地進行高溫加熱得到高純鋼。在制備標準成本管控的過程中用高純硝酸鋼在氨水之中，二者進行結合形成水合成物前驅制備標準成本管控溶膠，在凝膠階段加入高純鋼結晶，將三氟化鋼作為添加劑進行低溫加工，得到高純納米鋼。在實驗的過程中，用高純硝酸鋼和乳酸作為原材料，實驗中發現鋼離子在乳酸中會逐漸生成前驅體，經過高溫的煅燒之后得到納米鋼纖維陶瓷。但是該加工技術中技術工藝較為復雜、對溶劑的純度要求也較高、同時生產的成本也較高，這些因素都阻礙著溶膠凝膠技術在工業中廣泛地被應用。除此之外，轉爐煉鋼的團聚現象較為嚴重，需要添加表面活性劑或者一些相關的溶劑來控制粉體團聚現象[5]。

2 技術分析

根據多種高純轉爐煉鋼制備標準成本管控技術可以看出，現階段能用于工業的高純鋼的主要制備標準成本管控技術局限在硫酸鋼銨熱解技術、碳酸鐵銨熱解技術和醇鋼技術3 種。其中硫酸鋼銨熱解技術在生產過程中的操作較為穩定，產品的純度基本可以達到4N，粉體顆粒表面均勻并且團聚反應較少，但是這種制備標準成本管控技術主要的缺陷在于對環境的污染水平較為嚴重。碳酸鐵銨熱解技術的實質樹妖在硫酸鋼銨熱解技術的基礎之上進行改良，有效地攻克硫酸鋼銨熱解技術中產生的硫氧化物污染，但是在技術上較為復雜成本投入也較高，并且生產出的粉體顆粒均勻性也沒有硫酸鋼銨熱解技術高。醇鋼水解技術在高純鋼的提純純度較高，但是成本較高導致醇鋼水解技術在工業中的應用受到嚴重的局限。在現階段提純工藝中，許多提純技術都受到成本的限制，技術難度也難以得到有效地控制，并且提取的純度也較低，最主要的是在制備標準成本管控的過程中，會存在安全方面的隱患。

2.1 射線成本管控

由于轉爐煉鋼存在埋藏性缺陷，為了避免成本管控工作受到金屬金相組織核材料晶粒度的影響，一般優先考慮射線成本管控方法，由于射線的特征，裂紋的檢出率也會與照射角度相關。經過研究，轉爐煉鋼焊接角的位置，裂紋一般會沿著破口的方向發展，因此可以根據裂紋的常見發展方向優化射線成本管控的方向，可以沿著融合區進行兩次相距180°的成本管控，實現沿著缺陷可能的發展方向探傷，獲得裂縫的狀況[6]。為了能夠獲得足夠的級和清晰度，一般會將底片側設置在最有可能出現裂紋的珠光體破口側。融合區裂紋的成本管控工作需要結合設備的形狀以及坡口的形式，使用合理的方法進行探傷工作。

2.2 超聲成本管控

由于壓力容器的結構、焊接位置厚度等原因，導致剛焊接接頭的埋藏缺陷很難使用射線成本管控獲得，對此需要使用超聲成本管控方法，獲得缺陷的準確情況。對轉爐煉鋼焊接接口進行超聲成本管控時，應該考慮焊縫組織的結構特點，比如奧氏體不銹鋼和低合金鋼相焊，一般使用不銹鋼焊條作為焊接的填充金屬，焊接的組織接近于奧氏體，需要按照奧氏體材料的特點確定超聲波工藝，以及根據實際情況選擇轉爐煉鋼的模擬試塊，確保成本管控工作的精確性。

2.3 滲透成本管控

如果轉爐煉鋼中存在奧氏體，則焊接接頭位置會出現磁力線不連續的情況，難以使用磁粉進行成本管控，此時對于開口缺陷可以采用滲透成本管控的方法。在成本管控過程中，必須做好滲透劑中硫、氟等有害離子含量的控制，防止由于殘留導致焊接接口位置出現晶間腐蝕，影響壓力容器的強度。

2.4 金屬磁記憶成本管控

結合轉爐煉鋼焊接接頭的金屬磁記憶成本管控技術原理，根據儀器參數，可以成本管控受熱面轉爐煉鋼接頭的磁場分布，分析不同磁信號下對應的轉爐煉鋼接頭應力，以及磁信號和淬硬組織的對應關系，能夠比較好地進行硬度測試。使用該方法并不需要進行勵磁，操作比較簡單，便于焊接中的實時成本管控，做好對缺陷的早期預防。焊接工藝參數的控制包括控制電流大小、焊接速度、電壓等，通常情況下，焊接各種參數大小可以根據融合比確定。在轉爐煉鋼焊接工作中，融合比不宜過大，所以使用的焊接電流一般都比較小，而且要保持較快的焊接速度，并且用多層多道的焊接方式滿足焊接工作要求。如果木材的焊接性能比較差，哈姐開始之前需要做好預熱工作防止出現裂紋。所有工藝參數的選擇都需要以焊接接頭的質量作為依據進行合理選擇，獲得最好的焊接效果。

通過使用新型焊接技術可以進一步提升焊接工作的效果，強化對焊接工藝的控制，保證焊接過程中的穩定性，解決在轉爐煉鋼焊接過程中焊接工藝問題。傳統的焊接工作中，坡口相對比較大，所以縫隙中的金屬填充量較高，需要比較高的焊接能量。使用窄間隙埋弧焊接技術能夠解決傳統埋弧焊接技術中存在的問題，在壓力容器壁厚比較大時，具有非常好的焊接工作效果。

3 結語

轉爐煉鋼具有普通鋼不具備的性能，在現代化工業生產和科學技術領域的應用較為廣泛。現階段，對轉爐煉鋼制備標準成本管控的技術還處于實驗階段，一些技術已經可以滿足工業化的生產要求。轉爐煉鋼在生產中會遇到諸多的問題，主要可以分為產品提純質量較低、粉體顆粒均勻性較差、提純技術較為復雜、生產設備落后等方面，因此在今后的轉爐煉鋼制備標準成本管控技術方面，需要減少制備標準成本管控過程中對環境的污染，著重控制成本的投入，提升轉爐煉鋼的質量。