转炉炼钢标准成本管控模式的探索与创新

马军文，熊龙权，周 虎，徐 皓，陈寿红，速国武

（昆明钢铁控股有限公司炼钢厂，云南 安宁 650309）

0 引言

转炉炼钢的纯度一般较高、粉尘颗粒较细并且均匀性较高，除此之外高纯钢还有这常规材料所具备的光、热、电和磁等特点，是现代化工业中附加属性较高、应用较为广泛的功能型材料之一。现阶段全球每年工业生产需要的高纯钢约为7500t，主要的生产地在欧美。我国的钢生产主要的材料为钢，产品的纯度和可以均匀度都难以满足市场的需求，高品质的钢生产尚未达到基本的标准。随着我国经济实力的不断发展，对于高纯度钢的需要只增不减，因此需要加强对高纯钢的提纯工艺。

1 转炉炼钢制备标准成本管控技术

转炉炼钢制备标准成本管控的技术较多，主要可以分为3 种类型，即液相技术、气相技术和固相技术。转炉炼钢焊接接头和同种钢焊接接头位置有着巨大的不同，出现这种区别来自于组织结构不同所导致。在对不同组织结构的钢进行焊接时，两种钢由于组织结构不同，具有完全不同的晶格。比如奥氏体钢为溶于γ 铁中的固溶体，γ 铁的面心为立方晶格，其堆积方式为最紧密的密堆积形式，并不具有铁磁性。普通的低碳钢和低合金钢一般为铁素体加珠光体组织，铁素体是碳溶于α 铁或者δ 铁的固溶体，α 铁和δ 铁都是立方晶格结构，具有一定的磁性。在晶格形式不同的情况下，钢的比热容、相变应力、热膨胀系数就会有明显不同，并且具有物理性质上的区别[1]。由于两侧金属性质的不同，导致了转炉炼钢焊接会存在明显的不均匀性，主要表现为以下特性。

（1）化学成分不均匀性。化学成分不均匀是由于焊接加热过程中两侧母材的融化两不同，熔敷金属和木材融化成分存在一定的区别，由于焊接过程中存在稀释作用以及碳迁移，导致化学形式会存在一定的变化。对于接头区域，由于填充金属、木材各自的原始成分不同，以及受到焊接工艺的影响，也会导致不均匀。根据有目前研究，焊接状态下对接头在不同温度条件下进行加热时，融合线的两侧会有明显的碳迁移倾向，随着焊接中温度的提升和时间不断增加，会有更为明显的碳迁移情况，碳迁移情况的出现会导致原始化学成分出现改变。

（2）组织不均匀性。焊接过程中会有焊接热循环作用，但是由于钢的形状不同、组织不同、接头区域的结构不同，组织会有明显的不均匀性，并且焊接中还可能形成复杂的组织结构[2]。由于组织结构复杂，最终造成了氢分布不均匀，在异种焊接接头的位置，焊缝和热影响区域的氢脆和融合区会出现氢致剥离，导致转炉炼钢焊接接头在高温服役状态下容易出现氢致断裂。

（3）性能不均匀。由于转炉炼钢的组织成分不同，因此会存在性能上的不同，转炉炼钢本身的性能差异导致焊接接头的不同区域受到影响，焊接后会出现各种倍数关系的变化，尤其在焊缝两侧的热影响区域会有非常大的冲击力，在高温下的性能持久强度、蠕变强度也会有明显的不均匀分布。

（4）应力场分布不均匀。在组织、成分、结构不同的情况下，转炉炼钢焊接接头的热膨胀系数会有很大区别，导热系数也各不相同，导致塑性区域会有明显的区别，以及热应力的不相同。由于组织应力和热应力的共同作用，发生叠加之后会产生应力峰值，最终导致接头发生断裂。

其中，液相技术在转炉炼钢的质量、成本和环境方面都比后者较高，是现阶段应用最为广泛，也是最重要的钢制备标准成本管控技术。本文主要针对液相技术进行深入的研究，其中液相技术可细分为以下5 种技术。

1.1 硫酸钢铵结晶热解技术

结晶热解的方法主要的原材料是硫酸钢铵，硫酸钢铵的活性较好、颗粒的均匀程度也很细致，经过精细加工狗的硫酸钢在硫酸铵的加持下进行结晶，在多次结晶之后硫酸钢铵中高度提纯，最终将提纯后的硫酸钢铵进行热解，从而得到钢。在提纯的过程中可以采用分段式的硫酸钢铵热解技术制备标准成本管控高纯度的钢，所得到的将会是形状近似球体、分散性较为良好的高纯钢，粉体的直径约为200～300nm，这样大小的转炉炼钢对后续的加工和生产都有着较为良好的作用。结晶热解技术的操作较为简单、成本投入也较低并且粉体的质量也较高与大规模工业生产之后得到的转炉炼钢，但是在操作的过程中容易出现热熔解的现象，对晶体中含有的钾、钙、卤素等一系列杂质的提取排除有一定的困难。除此之外，在结晶热分解的过程中会产生氨气和硫氧化物等一系列会对环境造成污染的物质，这也是限制结晶热解技术广泛应用和发函的主要原因。在对硫酸钢铵热解的过程中，相关的技术人员需要对热解过程中产生的污染气体进行回收、中和、加工等方式进行处理，这样也可以保证钢在生产过程中的经济性与环保性。

1.2 碳酸铁铵结晶热解技术

在硫酸钢铵之后人们为了能够更加优化和改进现有的结晶热解技术，在原有技术的基础上研究出碳酸铁铵的方法，碳酸铁铵结晶热解的方法在一定意义上控制了热熔解时对空气造成的污染问题，也是现阶段在工业生产中应用较为广泛的一种方法。碳酸铁铵结晶热解技术主要就是将提纯后的硫酸钢铵与碳酸氢铵进行结合，从而转变成碳酸铁铵，以此来避免在后续的热熔解过程中产生硫氧化物气体。碳酸铁铵结晶热解技术与硫酸钢铵结晶热解技术相比，碳酸铁铵所产出的粉体颗粒均匀性不高，有团聚的现象出现，生产的成本也比硫酸钢铵的成本高。根据研究显示，碳酸铁铵会受到浓度、溶液、pH 和添加剂的影响，对提纯后的纯净度和粉体的质量都会有着一定的偏差，因此，在生产过程中需要严格控制相关的参数。

1.3 醇钢水解技术

醇钢水解技术就是在催化剂的作用下，将有机醇和金属钢进行化学反应生成醇钢溶液，然后将醇钢溶液进行水解，将多得到的高纯度氢钢进行烧结，从而得到纯度较高的钢。这样的技术也是保证钢质量的关键技术，为了能够奥正高纯钢的质量，需要从以下3 点进行控制：①需要保障原材料的纯净度。②醇钢需要进一步地提纯，去除高熔点的杂质和沉淀物。③醇钢的干燥、结烧需要进行有效的调控，以保证粉体颗粒的均匀程度。在提纯过程中，需要使用大量钢含量为99.9%的钢片和纯度较高的丙醇进行制备标准成本管控[3]，从而生产出超细的高纯钢。随后需要利用恒温水浴进行加热、添加丙醇和氧化汞作为催化剂，经过多想加工之后得出最终的高纯钢产品。醇钢水解技术的技术工艺较为复杂、对钢的纯度也难以掌控、并且生产的成本也较高。

1.4 水热合成技术

水热合成技术对高纯钢的纯度和分体颗粒均匀程度比较容易掌控，技术主要利用水溶液作为基础反应物，通过加热加压来增大溶液的溶解程度，高纯钢与水蒸气进行化学作用直接水解成为氢钢，随后在对氢钢进行降温，从降温的过程中得到钢，避免氢钢在煅烧过程中出现硬物团聚的现象，之后再经过干燥、煅烧等工艺得到钢。水热合成的技术缺点在于设备资金的投入比较大，加温加压的过程中会出现一些安全风险，氢钢转化成钢的效率比较低，通常都需要添加晶体变相地对氢钢进行降温，技术工艺较为复杂[4]。

1.5 溶胶凝胶技术

溶胶凝胶技术主要是低温制备标准成本管控高纯钢的重要技术，将高纯度的钢盐在高纯度的无机盐之中进行水解，从而生成水合成物前驱体透明的溶胶，然后再溶胶之中加入聚合凝胶从而得到透明凝胶，对凝胶进一步地进行高温加热得到高纯钢。在制备标准成本管控的过程中用高纯硝酸钢在氨水之中，二者进行结合形成水合成物前驱制备标准成本管控溶胶，在凝胶阶段加入高纯钢结晶，将三氟化钢作为添加剂进行低温加工，得到高纯纳米钢。在实验的过程中，用高纯硝酸钢和乳酸作为原材料，实验中发现钢离子在乳酸中会逐渐生成前驱体，经过高温的煅烧之后得到纳米钢纤维陶瓷。但是该加工技术中技术工艺较为复杂、对溶剂的纯度要求也较高、同时生产的成本也较高，这些因素都阻碍着溶胶凝胶技术在工业中广泛地被应用。除此之外，转炉炼钢的团聚现象较为严重，需要添加表面活性剂或者一些相关的溶剂来控制粉体团聚现象[5]。

2 技术分析

根据多种高纯转炉炼钢制备标准成本管控技术可以看出，现阶段能用于工业的高纯钢的主要制备标准成本管控技术局限在硫酸钢铵热解技术、碳酸铁铵热解技术和醇钢技术3 种。其中硫酸钢铵热解技术在生产过程中的操作较为稳定，产品的纯度基本可以达到4N，粉体颗粒表面均匀并且团聚反应较少，但是这种制备标准成本管控技术主要的缺陷在于对环境的污染水平较为严重。碳酸铁铵热解技术的实质树妖在硫酸钢铵热解技术的基础之上进行改良，有效地攻克硫酸钢铵热解技术中产生的硫氧化物污染，但是在技术上较为复杂成本投入也较高，并且生产出的粉体颗粒均匀性也没有硫酸钢铵热解技术高。醇钢水解技术在高纯钢的提纯纯度较高，但是成本较高导致醇钢水解技术在工业中的应用受到严重的局限。在现阶段提纯工艺中，许多提纯技术都受到成本的限制，技术难度也难以得到有效地控制，并且提取的纯度也较低，最主要的是在制备标准成本管控的过程中，会存在安全方面的隐患。

2.1 射线成本管控

由于转炉炼钢存在埋藏性缺陷，为了避免成本管控工作受到金属金相组织核材料晶粒度的影响，一般优先考虑射线成本管控方法，由于射线的特征，裂纹的检出率也会与照射角度相关。经过研究，转炉炼钢焊接角的位置，裂纹一般会沿着破口的方向发展，因此可以根据裂纹的常见发展方向优化射线成本管控的方向，可以沿着融合区进行两次相距180°的成本管控，实现沿着缺陷可能的发展方向探伤，获得裂缝的状况[6]。为了能够获得足够的级和清晰度，一般会将底片侧设置在最有可能出现裂纹的珠光体破口侧。融合区裂纹的成本管控工作需要结合设备的形状以及坡口的形式，使用合理的方法进行探伤工作。

2.2 超声成本管控

由于压力容器的结构、焊接位置厚度等原因，导致刚焊接接头的埋藏缺陷很难使用射线成本管控获得，对此需要使用超声成本管控方法，获得缺陷的准确情况。对转炉炼钢焊接接口进行超声成本管控时，应该考虑焊缝组织的结构特点，比如奥氏体不锈钢和低合金钢相焊，一般使用不锈钢焊条作为焊接的填充金属，焊接的组织接近于奥氏体，需要按照奥氏体材料的特点确定超声波工艺，以及根据实际情况选择转炉炼钢的模拟试块，确保成本管控工作的精确性。

2.3 渗透成本管控

如果转炉炼钢中存在奥氏体，则焊接接头位置会出现磁力线不连续的情况，难以使用磁粉进行成本管控，此时对于开口缺陷可以采用渗透成本管控的方法。在成本管控过程中，必须做好渗透剂中硫、氟等有害离子含量的控制，防止由于残留导致焊接接口位置出现晶间腐蚀，影响压力容器的强度。

2.4 金属磁记忆成本管控

结合转炉炼钢焊接接头的金属磁记忆成本管控技术原理，根据仪器参数，可以成本管控受热面转炉炼钢接头的磁场分布，分析不同磁信号下对应的转炉炼钢接头应力，以及磁信号和淬硬组织的对应关系，能够比较好地进行硬度测试。使用该方法并不需要进行励磁，操作比较简单，便于焊接中的实时成本管控，做好对缺陷的早期预防。焊接工艺参数的控制包括控制电流大小、焊接速度、电压等，通常情况下，焊接各种参数大小可以根据融合比确定。在转炉炼钢焊接工作中，融合比不宜过大，所以使用的焊接电流一般都比较小，而且要保持较快的焊接速度，并且用多层多道的焊接方式满足焊接工作要求。如果木材的焊接性能比较差，哈姐开始之前需要做好预热工作防止出现裂纹。所有工艺参数的选择都需要以焊接接头的质量作为依据进行合理选择，获得最好的焊接效果。

通过使用新型焊接技术可以进一步提升焊接工作的效果，强化对焊接工艺的控制，保证焊接过程中的稳定性，解决在转炉炼钢焊接过程中焊接工艺问题。传统的焊接工作中，坡口相对比较大，所以缝隙中的金属填充量较高，需要比较高的焊接能量。使用窄间隙埋弧焊接技术能够解决传统埋弧焊接技术中存在的问题，在压力容器壁厚比较大时，具有非常好的焊接工作效果。

3 结语

转炉炼钢具有普通钢不具备的性能，在现代化工业生产和科学技术领域的应用较为广泛。现阶段，对转炉炼钢制备标准成本管控的技术还处于实验阶段，一些技术已经可以满足工业化的生产要求。转炉炼钢在生产中会遇到诸多的问题，主要可以分为产品提纯质量较低、粉体颗粒均匀性较差、提纯技术较为复杂、生产设备落后等方面，因此在今后的转炉炼钢制备标准成本管控技术方面，需要减少制备标准成本管控过程中对环境的污染，着重控制成本的投入，提升转炉炼钢的质量。