1压缩稿炼钢质量控制胥昌第.docx
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1压缩稿炼钢质量控制胥昌第
炼钢是控制钢材质量的基础
—控制化学成分按内控标准生产
胥昌第2015.5.
炼钢工序在钢材生产流程中的功能:
一是调整控制化学成分，包括元素和化合物;二是凝固成型，控制连铸坯的内外缺陷。
影响钢材加工性能和使用性能是两个因素，一是化学成分，二是钢材的组织结构。
化学成分波动大,直接影响钢材性能的稳定性，同时又间接影响组织结构波动。
组织结构的形成，是依靠各种加工工艺，煅轧加工，控轧控冷和各种热处理方法得到的。
各种加工工艺控制参数中，最主要参数是温度，包括各个相变点温度、再结晶温度等等，都是随化学成分变化而变化。
因此，化学成分的波动是影响性能稳定的双重因素。
钢材的稳定均一，是用户最主要的需求，也是当前钢材用户对钢材质量意见最多的一个方面。
化学成分的稳定是性能稳定的基础。
计划经济和市场经济体制调整控制化学成分的标准是很不同的。
在计划经济时代，除军工产品外大部分钢材产品是按国家标准控制化学成分，成分波动范围很大，有害元素控制值过高。
这是因为国家标准要覆盖全部钢材品种和规格、档次，既包括高端用户也包括低端的用户的需求，因此质量性能不稳定是必然的。
在市场经济时代，钢铁企业大部或全部按内控化学成分为控制目标，成分波动收窄，有害元素大幅度降低。
钢铁工业是政府管理比较严格的产业。
四十多年的计划经济，对钢铁工业发展影响很大。
充分认识这个影响，大力推动市场化，营造公平竞争市场环境，转变发展方式，是钢铁工业走出困境的最主要方面，也是企业走出困境最重要途径。
市场经济对钢材质量的评价是“使用”，好用或不好用；计划经济钢材质量的评价是“标准”，合格或不合格。
市场经济评价企业钢材质量的是千万个使用者，是千万个不同使用要求的用户，是千万个用户对企业钢材质量的满意度。
在一个竞争的市场中，企业为了效益、生存与发展，努力争取用户高的满意度。
两种经济体制，两种质量观念。
市场经济是按“使用”生产，按企业制定内控技术标准生产、检验判定、交货。
内控技术标准有两种，企业内控技术标准和协议内控技术标准。
品种是按使用划分的，每一种内控标准制定一个工艺卡片，生产计划下达，有炉号，钢号，还有工艺卡片编号。
是为某个用户生产的，是一种个性化生产方式。
目前多数企业仍习惯计划经济时代按满足按国家标准生产，仅少数企业按用户使用要求生产。
这次研讨会，我讲的主题就是调整控制化学成分，逐步实现全部按内控标准成分生产。
用户使用要求和满意度主要有两方面：
1、加工性能：
提供钢材要为用户加工过程节能降耗、降低成本服务。
节能方面，尽量减少用户加工过程中热处理工序，促使用户实现低碳经济和绿色生产。
降耗方面，针对用户加工特点，提高钢材加工性能，减少用户加工过程中的废品率、减少切屑、减少边角废料，提高钢材利用率。
降低加工费用，降低用户成本。
缩短交货周期，降低用户资金占用，为用户效益最大化服务。
2、使用性能：
高性能、高质量、长寿、安全、可靠、稳定、均一，为提高产品使用性能服务和精品品牌战略服务。
现在，钢铁行业的品种，质量，节能，环保，综合利用，安全生产等，都是最好的时期。
但是企业经营困难，有的企业降本增效，仍然采用传统方法，靠增加产量降低固定成本。
但是钢材库存大量上升，增加资金占用，经营成本上升。
一些企业在降本增效中出现牺牲质量的现象，不利于转方式，不利于品种质。
炼钢生产要提高质量首先要解决一个前提，就是炼钢设备长期超能力挖潜增产，损害了质量、节能、环境、设备、安全等。
改革开放初期，多数转炉炼钢厂没有达到设计能力。
八十年代中期，多数转炉炼钢厂达到了设计能力，开始挖潜增产。
增产有三个途径：
一是提高转炉作业率；二是扩大单炉出钢量；三是缩短冶炼时间。
对这三个途径，我们要做具体分析。
关于提高转炉作业率。
主要是提高炉龄，八十年代中使用鎂碳砖，炉龄从几百炉上升到一两千炉。
九十年代推广溅渣护炉，炉龄达到万炉。
目前有的转炉高龄化倾向，炉龄达几万炉，几年不换炉。
这个问题是否合理需要讨论。
关于扩大单炉出钢量。
从八十年代开始搞扩容提高出钢量，炉容比保持在0.9以上不变，是合理的；九十年代开始超装，即炉容不变增加了装入量，炉容比最低降到0.6，可增产30%。
但是喷渣，溢渣，烟气外溢，煤气回收量和质都下降，回收的转炉煤气热能仅有50%；最严重是超负荷运转，严重损坏设备和安全，出现了减速机断齿，地脚螺丝脱扣、断裂，天车滚筒开裂，钢丝绳断丝，天车梁道轨断裂等问题。
有一个厂，天车道轨一年断三十多次。
关于缩短冶炼时间。
近十年来，转炉炼钢缩短冶炼时间，主要是提高供氧强度，缩短吹氧时间，许多厂达到8-14分钟，采用高氧压，低枪位，超硬吹操作方法。
石灰熔化不好，冶炼时间短，脱磷、硫、氮等有害元素效率下降，脱磷率从90%下降到60-70%，磷普遍按标准上限，个别超标报废。
转炉冶炼时间短，冶炼时间在20-30分钟的转炉占54%。
相应精炼、连铸时间都都短，不利于夹杂上浮去除。
纯净度下降，质量下降。
要坚持科学生产，炼钢厂要坚持标准化作业，不违规。
有些企业领导要求炼钢厂在产量上“一年上一个台阶”；在成本上“一年下一个台阶”，这是不科学的。
按规程操作，钢铁料消耗应大于1080kg/t坯。
九十年代，有一个厂达到1056，2009年有一个厂达到1046，有的更低。
规程规定钢包向中间罐浇钢时，见渣停浇。
但有些厂浇净。
规程规定连铸机一个浇次结束时，中间罐要根据水口直径大小留200mm-400mm高度的钢水。
但有一些厂浇净，不留钢水。
规程规定浇铸过程中间罐钢水低于上述高度，也要停浇，防止旋窝效应，造成中间罐覆盖渣卷入结晶器，进入和留在钢坯钢材中，严重影响钢材质量。
目前，这种违规超产的情况比较普遍，这部分产量估计有1亿吨以上。
其中，小炉子超产能一倍以上的很普遍；30-50吨转炉超产能50%以上是多数；大型转炉也有，如120吨转炉出钢量157顿，超装30%，造成天车梁断轨30多次。
炼钢的调整是个系统工程，希望企业、设计部门就炼钢产能的界定达成共识：
一是如何设计和计算转炉炼钢厂产能。
目前有些设计部门设计产能偏大。
炉子大小是按公称吨命名的。
转炉砌砖后的容积，一立方米就是一个公称吨。
公称吨是设计重要参数，厂房结构，天车，精炼炉，连铸机都是与转炉公称吨匹配设计。
单炉出钢量，一个公称吨出一吨钢水（粗钢）。
宝钢一炼钢的转炉容积是303立方米，300吨转炉出钢量300吨，冶炼周期平均38分，吹氧时间16分钟以上，至今未变。
现在年产量800万吨上下。
一个公称吨大致9000吨。
增产主要是炉龄提高，实现三吹三。
钢铁料消耗1085~1090,宝钢是质量效益型企业，有些品种连铸机中间罐四炉就更换，许多品种为保证中间罐覆盖渣吸附夹杂能力，厚度超过100mm更换中间罐。
残留钢水200mm以上，对成本影响是可以想像的。
但是宝钢是钢铁企业利润最高，效益最好的企业。
长期坚持按内控技术标准生产，坚持推行标准化作业，有一套质量管理和科技开发体系，他们的经验和理念是值得学习的。
二是科学控制炼钢是转炉装备升级最重要一项内容。
也是这次炼钢调整的重要内容。
三是连铸机要按品种质量要求调整。
采用各种控制质量的技术，消除或减少连铸坯内外缺陷。
按国家标准生产转变为按用户使用生产，这是钢铁企业市场化改革重要一步。
动态的，长期的按用户使用要求生产供货，建立紧密供需关系。
这是新时期钢铁企业必须进行转变改革。
一是建立企业产品内控标准，企业内控标准在国家标准范围内。
又严于国家标准。
企业内控标准一般有两种；
1、一般企业内控标准。
企业根据自己用户群、装备、原料、生产管理等条件制定的。
适应一般用户签定供销合同使用。
近期可以国家标准和企业内控标准并行使用。
2、根据用户要求双方制定协议标准，这种内控标准是量身定做，个性化生产的标准。
是今后不断扩展的内控标准。
二是建立工艺卡片。
内容是从原料到成品各个工序工艺要点。
一般有技术中心制定。
略严于内控标准，又充分考虑成本。
炼钢厂根据工艺卡片制定技术规程，车间制定岗位规程。
内控标准和工艺卡片的一个重要内容是化学成分设计和控制要宽严适度，充分满足用户使用要求，又要考虑成本。
即价廉物美，服务用户。
成分设计和控制，大体分三个方面：
一是合金成分波动范围，二是有害原素控制，三是有害残余元素限制值。
从材料学理论看，钢的性能取决钢的化学成分和通过材料加工改变组织结构。
也就是说，最终组织结构也是决定性能重要因素，而组织结构又与钢的化学成分和全流程各个工序的工艺技术紧密相关。
炼钢的质量控制，不但要满足性能和组织结构对化学成分的要求，而且要满足全流程各个工序的工艺技术要求。
轧钢，热处理最重要工艺参数就是温度，温度制度的制定是根据钢的各个相变点，而化学成分又是相变点的变量。
炼钢只有按轧钢、热处理工艺技术的要求提供稳定和均一化学成分，才能顺利通过轧钢、热处理等工序达到预期设计组织结构和性能。
连铸坯的内外缺陷更是直接影响钢材性能和表面质量。
同时是钢材制品结构件，零部件破损，脆性断裂的根源。
这是我们过去不够重视的一个方面。
炼钢工序是品种质量的基础。
炼钢的质量控制不但要满足材料最终状态的微观组织和精细结构，而且要学习了解和充分满足全流程各个工序的工艺技术和要求。
钢材的化学成分和组织结构决定钢材性能，钢材的组织结构与化学成分和加工工艺技术相关，因此为达到钢材性能要求。
可以有两个途径：
一个是添加更多合金，达到满足加工性能和使用性能。
另一个是采用先进工艺技术调整组织结构，也能达到满足加工性能和使用性能要求，例如；控轧控冷、型变热处理、低温轧制、微合金化、超细晶粒、双相钢、超低碳氮纯铁体不锈钢等。
很多新工艺、新钢种，可以节约大量铁合金，既降低成本，又是绿色生产。
这是近年来材料科学和工艺技术结合创新发展成果，也是今后发展方向。
当然对炼钢工作者，要很好学习这些知识，为轧钢服务，为用户服务。
下面重点讲关于合金成分控制、有害成分控制和残余微量元素控制的问题：
一、合金成分控制。
标准规定合金化学成分波动范围是很宽的，按标准生产，控制化学成分和性能的波动是很大的。
因此，企业要普遍实行合金成分内控标准。
合金成分控制两个方面。
一是确定目标值，中上线，或中线，中下线。
二是成分目标值上下波动范围。
内控标准有三种情况：
1，企业一般钢种内控标准。
2，按用户有特殊要求，企业和用户签订协议标准，根据协议标准制定内控标准。
3，国家标准以外，钢铁企业与用户协议开发新产品的内控标准。
一般钢种内控标准。
应该普及企业生产的全部钢种，同钢种生产不同品种规格钢材有不同合金成分控制范围，以得到最佳性能。
各企业的原料杂质含量不同，全流程各个工序装备和生产条件不同，合金成分控制范围不同，所以企业必须制定自己的内部控制标准，但是又必须控制在国家标准范围之内。
目前有些企业为了降低成本，把合金成份一律控制在中下限，是不对的。
控制范围应该首先是满足最佳的质量和性能，其次是成本。
一般钢种内控标准多用于生产工程建筑结构用钢的企业。
与用户的协议标准。
用户有特殊使用要求，如加工性能，不同加工方法，加工环境。
使用性能，使用条件，环境，温度，压力，腐蚀介质等，企业和用户签订协议标准。
企业根据协议标准制定生产工艺技术标准和操作规程。
内控标准化学成分控制范围很窄，但是又在国家标准范围之内。
协议标准是针对特殊矛盾按使用性能生产的标准。
每一个专用工艺生产技术卡片就是一个品种。
例如一个线材厂90多钢种，800多个工艺卡片，按专用的工艺卡片生产，半成品按内控标准流转，成品按协议标准检验交货。
这就是个性化生产。
再加上交货周期短，批量小，批次多，生产管理非常麻烦。
但是很多钢铁企业愿意采用这种按使用生产方式，稳定供需关系，不断改进产品质量，有利供需双方生产安排。
机械电气制造业用户基本采用这种方式。
如何设计内控化学成分，要注意六个方面：
1、企业原料和生产工艺特点。
矿石中残余元素对性能影响是不可忽视的。
2、各种元素对各种性能影响是不同的，为达到性能稳定和最佳，必须对性能影响大的元素严格控制。
碳是最重要合金元素，对结构钢的力学性能影响是最大的。
碳是间隙固溶体元素，对强度，硬度，塑性，韧性影响最大，对加工性能，焊接性能，冷冲压性能，淬硬性，也是影响最大的。
因此首先要控制碳波动范围要最小。
各种元素对各种性能影响，已从经验走向科学。
有相应公式和数据供我们设计内控化学成分时参考。
要注意试验，统计，分析和不断改进。
3、钢铁企业内部各个工序生产工艺技术和用户加工热处理各个工艺技术对化学成分提出的严格要求。
这是我们设计内控化学成分要特别注意的。
也是质量一贯管理重要部分。
连铸连浇，两炉钢水在中间罐有混合，这期间浇铸连铸坯是过渡坯，过渡坯化学成分要控制在本炉钢内控标准范围内，因此两炉钢化学成分要严格控制。
为满足连铸工艺技术要求和夹杂物上浮清除，控制钢水可浇性。
控制锰硫比，锰硅比，钙铝比都是很重要的。
控轧控冷工艺也要求钢的化学成分稳定。
轧制模型主要参数如温度和变形量最佳配合，再结晶温度，相变温度都是和化学成分相关的，如Ar3纯铁体相变温度越低，晶粒越细小。
Ar3以下两相区轧制，进一步细化晶粒。
对一些轧机轧制力和轧机刚度不够，调化学成份提高再结晶温度，实现控制轧制，也是常用方法。
Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo-0.35（t-8）
可以看出碳，锰，钼影响比较大的，而锰含量比较高的，都要严格控制，才能达到控轧控冷预期效果。
用户零部件热处理，常化，调质处理，多采用连续式热处理设备，要求同炉号化学成分均一。
不同炉号，各炉化学成分都要在内控标准范围内。
4、综合考虑。
各元素对各种性能有不同影响，有正面影响，也有负面影响。
需要综合考虑。
5、在满足性能要求条件下，降低成本。
合金成分控制，为稳定性能，稳定各个工序工艺技术稳定，成分微调是不可少的，应普及全部钢种。
6、添加化學成份。
一些特殊性能鋼，例如HiB,82B.等，企业内控标准都有严格控制范围，有时需要二次微调。
二、有害成分控制
硫、磷、氧、氮、氢等是有害成分。
国家标准因为要覆盖高低档次要求。
对有害成分硫磷控制要求是低于上线，很宽松，但是不能满足使用要求，应该制定内控标准，按使用要求和全流程工艺技术要求，例如焊接对硫磷都有严格要求。
一般用于浇铸连铸钢水硫磷控制上限0.015%。
制定内控标准有害成分的上限。
硫，磷，氧，氮等，个别钢种做为合金成分，应该归并合金成分标准内。
上世纪90年代，德国提出超深冲钢控制碳、硫、磷、氮、氢、氧六个元素总量≤100PPM。
德国、日本、韩国等的企业达到这个目标。
我国宝钢1996年也达到这个目标。
武钢，鞍钢也达到。
本世纪初宝钢试验硫，磷，氮，氢，氧五个元素总量控制水平，平均达到85.5PPM.最低的一炉钢是71PPM.。
通过试验认识炼钢技术控制能力达到很高水平。
充分发挥铁水予处理，顶底复吹，炉外精炼等技术控制能力，并对所有原料、材料都必须精选，全过程防止增碳、硫、磷、氮、氢、氧。
一个一个PPM计算。
当然，控制有害成分是要分档次，根据使用需要，不是越低越好，因为关系成本。
目前有一种看法是认为有了铁水予处理，炉外精炼以后，转炉功能只是升温降碳，而放松了转炉工艺技术操作是不对的。
转炉冶炼仍然是很重要的，脱磷，脱氮主要依靠转炉冶炼和出钢以后的防护措施。
有害元素成分是相对概念，碳是钢铁最主要合金元素，但是超低碳钢，IF钢，无取向硅钢，纯铁体不锈钢又希望碳越低越好。
硫、磷、氮、氧一般是有害元素。
而一些钢种如易切钢，耐大气腐蚀钢，不锈钢，微合金钢，准沸腾钢等。
这些元素又是合金成分，要求控制一定含量。
表1：
部分钢种控制化学成分（单位%）
钢种
Ｃ
Ｓi
Mn
P
S
Al
Ti/Nb
O
N
Cr
Mo
Ni
电机汽
轮机轴
0.25
0.02
0.02
0.003
0.001
0.005
1.73
0.39
3.84
轿车
面板
0.002
0.01
0.100.
0.01
0.005
0.06/
0.01
0.003
0.002
純铁体
不锈钢
0.002
0.17
0.28
0.02
0.02
0.04
0.004
0.005
19.0
1,90
轴承钢
0.95
0.20
0.30
0.010
0.001
0.03
0.0005
1.4
0.05
管线钢
0.06
0.26
1.18
0.004
0.0007
0.002
0.10
压力管道0.110.220.900.0040.00060.580.322.32
低温储罐0.050.080.600.0020.00089.44
表中提供的化学成分，有害元素都是很低的。
特别是磷和氮，难度很大。
有害元素的控制，将结合炉外精炼课程讲解。
三、残余微量元素控制。
上个世纪七十年代，提出纯净钢要求控制残余微量元素。
主要两个原因；这些元素在钢中虽然含量很少，但是对有些性能影响很大。
这些元素氧化性很弱，一般低于铁。
所以在冶炼过程很难去除，虽着废钢循环使用，含量由于富集而不断上升，危害越来越大。
当时提出有Pb,As,Sb,Sn,Bi,Cu等。
一些企业制定了控制标准。
后来Ni,Cr,Mo,Co,W,等元素也列入残余微量元素。
宝钢高端板材较多，控制微量元素15种。
这些元素在冶炼过程很难去除，有的全部留在钢中。
但是这些元素Ni,Cr,Mo,Co,W,Cu又是合金钢最主要成分，最常用合金元素。
废钢中大量存在这些元素。
废钢按元素分类是非常重要工作。
同钢种返回冶炼可以大量节约合金，降低成本。
我们目前废钢分类不好。
浪费很大。
废钢分类关系全社会共同努力，必须用市场化方法，用经济手段解决，不锈钢废钢分类回收，采用方法是可借鉴的。
残余微量元素由于冶炼过程无法去除。
所以只有加强原料管理，控制钢的含量。
矿石要有采购标准。
是基础条件。
高炉通过配矿保证铁水残余元素控制标准。
转炉厂废钢分类存放，按品种要求配料使用。
钢铁企业质量一贯管理，要从矿石管起。
对电炉流程，目前由于废钢分类不好，控制残余元素非常困难。
目前采用大量加铁水稀释残余元素，是无可奈何的方法。
表2不同用途钢种对残余微量元素控制上限（单位%）
钢种
航空级
核能级
石油特级
电渣重熔
特级轴承钢
马式体时效钢
特殊深冲钢
高强度钢
细钢丝
特殊合金
轴承钢
镀锡板
深冲钢
冷拔钢
冷变形钢
冷顶锻钢
不锈钢
合金钢
无缝钢管
连铸圆坯
锻压棒材
汽车零件
穿孔带钢
热处理合金钢
压力容器钢
成分
Cu
Sn
Ni
Cr
Mo
小于等于
0.005
0.001
0.005
0.020
0.002
0.010
0.010
0.010
0.050
0.010
0.10
0.010
0.10
0.050
0.010
0.15
0.015
0.10
0.050
0.020
炼钢调整化学成分，广义包含化学元素和化合物、各种非金属夹杂、金属化合物等。
炼钢内控标准，一般包含合金元素，有害元素和残余元素。
特殊品种要包含非金属夹杂和金属化合物等。
要全流程调整控制，从铁水予处理，转炉冶炼，二次精炼，中间包冶金，结晶器等，都要有相应规程。
目前，我们对残余微量元素和金属化合物对质量性能影响、控制方法等，都研究得不够，应加强这方面的研究工作。
转炉为连转提供优良钢水，还要重视钢水温度控制。
钢水温度是连铸控制技术基础参数，关系连铸拉速和冷却制度。
许多连铸坯缺陷与浇铸温度相关。
目前虽然普遍重视，但是控制精度低。
需要在三方面改进：
1、测试各个工况的钢水温降，建立温度补赏制度并加强管理。
工况变化都要重新测试。
2、标准化作业，控制时间节奏。
3、精炼调温，精炼设备一般都应有调温功能。
要重视钢水搅拌均匀温度成分，夹杂上浮。
要有充分搅拌时间。
保证连铸坯质量稳定均一。
要控制锭坯内外缺陷。
目前我国基本实现全连铸，只有少数钢种和特厚板、大型锻件采用模铸。
连铸技术无疑是20世纪钢铁工业技术发展最重要成果。
虽然连铸生产在质量方面有一些优点，但是连铸比模铸更容易产生内外缺陷。
连铸与模铸有两个主要区别；1，模铸是静止状态凝固，连铸是在运动中凝固。
连铸坯壳在高温下受个种应力影响，容易产生内外裂纹。
严重时发生漏钢。
2，模铸是自然冷却凝固，连铸是强制冷却凝固。
连铸冷却强度大，铸坯内外温差大，温度梯度大，柱状晶发展，中心偏析，疏松，缩孔等严重。
3,冷却强度大，凝固速度快，液相穴深度长，夹杂上浮去除比较困难。
夹杂上浮速度要大于连铸坯拉速才能上浮去除，一些高质量钢要求限速，降低连铸拉速。
不管是内生夹杂还是外来夹杂对性能，寿命、安全、可靠、断裂都有严重影响。
夹杂物的控制是目前冶炼高质量钢最大难点。
连铸坯的内外缺陷，有的在后面加工中消除或改善，有的则不能，所以控制连铸坯质量是最重要的。
如何控制连铸坯质量，另有一单元专题研讨。
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