洁净钢是指钢中五大杂质元素（S、P、H、N、O）含量较低，并且对钢中非金属夹杂物进行严格控制的钢种。早期洁净钢生产对钢材性能和洁净度要求不高，转炉成为生产洁净钢的主要工艺。当时的洁净钢技术研发重点是解决顶吹转炉反应效率低、渣钢反应偏离平衡和吹炼过程不平稳等技术问题。研发的一些主要技术包括：氧气底吹转炉和喷粉技术，各种复吹转炉以及铁水脱硫和炉外精炼等。

    20世纪70年代以后，由于制造业的快速发展，对钢材洁净度要求更加苛刻，如无间隙原子深冲钢要求[C+N]≤50ppm、轴承钢要求T.O≤6ppm等，单纯依赖转炉很难达到质量要求。这一时期的研发重点是针对转炉功能的解析与转换，形成洁净钢生产流程，突破洁净钢冶炼的技术极限。主要研发的技术包括：铁水“三脱”（脱硫、脱硅、脱磷）预处理、转炉智能吹炼、多功能真空精炼等。

    自2000年以来，洁净钢生产工艺的研究热点从单纯追求突破洁净度极限，转变为降低生产成本、提高生产效率、实现绿色化生产。主要研发成果包括：钢中最大夹杂物控制、连铸轻压下和小压缩比连铸，及建立高效低成本洁净钢生产平台等。

    1 高效铁水“三脱”技术

    脱磷、脱硫是钢水提纯中最重要的冶金反应。和转炉相比，铁水“三脱”（脱硫、脱硅、脱磷）工艺的主要特点是将脱磷、脱硫反应从高温、高氧位转移到低温、低氧位条件下实施，更有利于反应的发生，进而解决了传统炼钢中回硫、低碳脱磷和钢渣过氧化等弊病。

    为了开发更经济、更高效的“三脱”工艺，有专家推荐以下技术：一是根据耦合反应理论，设计在同一反应器内分阶段进行脱硅、脱磷和脱硫。二是加强熔池搅拌，开发低FeO渣脱磷工艺（控制渣中TFe≤5%，R=2-2.5），提高脱磷效率达80%以上，半钢[P]≤0.02%。三是喷粉解决熔池法造渣困难问题，高Ca/O比操作，形成高碱度、低FeO渣深脱硫，使脱硫率≥90%。四是通过灵活调节Ca/O比，精确控制“三脱”反应过程中的氧化还原程度。五是吹炼期采用溢渣工艺，及时排出各反应期生成的炉渣，并实现在线炉渣改质。

    2 提高夹杂物控制水平的措施

    近年来，业界对夹杂物控制提出更高的要求，在降低夹杂物总量的基础上，要求严格控制夹杂物最大尺寸，大幅提高钢材的各项性能。

    为实现这一目标，应采取以下技术措施：一是用真空碳脱氧代替合金沉淀脱氧，减少脱氧夹杂物；二是抑制或减少精炼中渣钢反应，避免生成大颗粒变性、卷渣和脱硫夹杂物；三是加强钢水保护，避免浇铸中钢水的二次氧化，从而产生新的夹杂物。

    改变脱氧工艺的技术关键是提高真空循环脱气（RH）界面反应速度，促使真空下，碳氧反应接近气相平衡。具体措施如下：一是扩大真空室表面积；二是真空室吹氩气，加快钢液表面的更新速度，增大界面流量；三是采用微气泡技术（PERM法），在RH精炼前，吹入H2或N2，提高钢中气体含量，利用真空脱气功能，在后期形成大量微气泡，促进熔池脱碳并有利于夹杂物上浮。

    中间包冶金对钢中夹杂物控制有重要作用，其目标不是进一步提纯钢水，而是严格控制浇铸过程的污染，避免产生二次氧化、卷渣和变性夹杂。具体措施包括：采用大容量中间包，合理设计中间包形状，避免钢水形成紊流；加强中间包密封，控制中间包气氛中的氧含量PO2≤0.1mol%；采用镇静开浇工艺，可使铸坯表层夹杂物富集带中夹杂物面积率从镇静5min开浇的1%下降到镇静10min开浇的0.2%；采用无渣浇铸工艺，如日本山阳特钢厂生产超纯净轴承钢，采用无渣浇铸工艺，可控制钢中最大夹杂物尺寸≤12μm。

    3 建立高效的洁净钢生产体系

    以日本住友钢厂1座210t脱磷炉和2座脱碳炉配合2台KR脱硫站、2台RH精炼炉和3台连铸机，构建的高效快节奏生产平台为例，其高效快节奏的洁净钢生产特点如下：

    一是全部产品高品质化。采用100%铁水“三脱”、100%快节奏生产、100%钢水真空处理和100%铸坯热装直轧（≥850℃），全部产品杂质总量Σ[S+P+T.O+N+H]≤100ppm。

    二是压缩辅助时间，缩短冶炼周期。通常转炉辅助时间与吹炼时间之比为1∶1，而双联转炉吹炼时间≤10min，要求压缩辅助时间≤10min，保证20min周期。加快生产节奏，解决了脱碳炉热量不足的问题，日产45炉钢时，冷却能与传统转炉相当，日产55炉钢时，冷却能提高7.2%。

    三是建立以转炉为中心的快节奏生产体系。生产周期长于转炉的KR和RH，采用2台设备配1台转炉；3台连铸机同时生产时，连铸周期为1h，2台连铸机同时生产时，连铸周期为40min。

    四是缩短铁水罐周转时间，提高周转次数，铁水入炉温度提高46℃。

    五是简化炉外精炼，提高钢包周转率，出钢温度比传统转炉降低30℃，不配置LF炉。

    建立高效快节奏的生产方式具有很大的经济效益：一是提高设备作业率，减少设备台数，降低管理成本；二是缩短辅助时间，加快钢包（铁包）周转，减少辅助能耗和在线钢包数量；三是大幅度提高劳动生产率，降低人员成本。

    4建立绿色低成本洁净钢生产平台

    传统流程以炉外精炼控制钢材纯净度，以铁水“三脱”为基础的洁净钢生产新流程，可以通过以下途径，降低生产成本：

    一是提高反应效率。该流程通过提高渣钢间磷、硫分配比，抑制钢渣过氧化，减少脱氧夹杂物以及提高锰资源回收率等措施，降低渣量，减少辅料、钢铁料和铁合金消耗，降低生产成本。

    二是实行高效快节奏生产。该流程通过加快生产节奏，提高设备作业率，降低辅助时间能耗和铁水、钢水周转过程温降等措施，降低生产能耗；通过减少设备台数简化备件管理，提高全员劳动生产率，进一步降低生产成本。

    三是简化炉外精炼工序。国内钢厂普遍采用LF精炼。LF工序能耗高、周期长，渣钢反应易产生大颗粒夹杂物，国外先进钢厂已开始抑制LF渣钢反应甚至取消LF精炼炉。

    四是颠覆传统流程。高品质特钢须采用电渣（ESR）或真空感应+真空自耗（VAR）等特种冶金和锻造工艺生产，规模小、成本高。这种状况已开始改变，如SKF公司通过超低硫冶炼和硫化物控制，使轧材横、纵向性能偏差从50%降低到10%以下，实现以轧代锻生产风电轴等产品。日本山阳特殊钢公司通过改善夹杂物控制工艺，完全消除20μm以上的大型夹杂物，使轴承钢的疲劳寿命≥108，生产的航空轴承质量已超过采用ESR或VAR工艺生产的产品。

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责任编辑：殷鹏飞

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