直接还原铁对冶炼高端钢种的帮助

　　米德雷克思

　　背景简述

　　我国虽然是世界产钢第一大国，但我国优质钢、洁净钢的生产无论是数量，还是品种、质量方面与世界先进国家有很大的差距，成为我国钢铁生产的短板，无法满足我国经济发展的需要，严重的影响我国装备制造、国防等工业发展。如果单从冶金装备条件上比较，我国通过近些年的大量引进现代国际先进的冶金技术设备，已具备生产优质钢、洁净钢、超洁净钢的能力。目前的主要问题是生产技术和管理以及原材料上存在差距。作为发展中国家，我国废钢资源不足，主要以高炉长流程工艺为主。高炉转炉工艺路线流程长，控制点多，影响因素复杂，因此产品质量稳定性很难控制。而优质钢、洁净钢对产品多项控制指标有着严苛的控制范围要求，单一路线存在一些先天不足，需要结合各种工艺的优缺点，以互补短板的方式达到工艺指标。当然国内也有很多采用电炉的短流程钢厂或车间，但因缺泛优质废钢，大部分以高炉铁水加普通废钢为原料，因钢中残留元素难以控制，很少有企业能生产洁净钢、超洁净钢时。国外先进钢厂目前已将优质废钢加直接还原铁作为生产洁净钢、超洁净钢的标配组合。

　　直接还原炼铁是以天然气或非焦煤制气为能源，在不熔化、不造渣的条件下，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法。其产品直接还原铁中硅、锰、镍、铬、钛、钒、砷、锑、铋等元素含量比高炉铁水及废钢低1～2个数量级，是生产优质纯净钢铁材料不可多得的原材料。

　　1.纯净钢的概念

　　纯：指成品钢中杂质元素[P]、[S]、[O]、[H]、[N] 、（[C]）含量很低。如深冲钢:

　　∑[i]= [P]+[S]+[O]+[H]+[N]+[C] ≤100ppm

　　净：指成品钢中的非金属夹杂物数量极少，尺寸小。在杂质元素含量低的前提下，精炼和浇注中形成的非金属夹杂物能够上浮排除。净的指标：钢中夹杂物指数＜5mg/10kg，夹杂物的尺寸＜30?m，T[O] ＜30ppm。

　　2.杂质元素对钢性能的影响

　　2.1硫元素

　　[S]：存在形式：（Mn、Fe）S。对钢材的热加工性能、焊接性能和抗腐蚀性能有很大的影响。显著降低钢材非轧制方向的强度、延展性、冲击韧性和抗氢致裂纹（HIC）的能力。

　　高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途的钢材[S]含量控制在30-50ppm以下，石油管线钢[S] ＜10ppm，高级别的石油管线钢[S] ＜1-5ppm。

　　硫在低温下对钢的冲击韧性降低造成的危害。在低温下，钢中含硫高，也会造成钢的冲击值或冲击韧性显著降低。1912年4月14日晚11点40分，TITANIC号客轮与冰山相撞，造成1517人死亡的沉船事故，就是由于当时用的船板钢的硫含量高，在低温下，船板的抗冲击韧性极低而产生断裂所造成的悲惨事故。1992年，加拿大的冶金学家从沉船地点打捞起船板，取钢样分析，从分析结果可知，该船钢板中，硫含量很高。用这种船板与20世纪50年代初期生产的具有类似成分但硫含量相当低的钢板作冲击试验进行比较。由试验结果可知，在接近0℃时，TITANIC号船板基本上无冲击韧性。由此可得到结论，当冰山撞击TITANIC号时，脆裂造成了船身的断裂。这种与高硫含量有关的在低温下钢的脆裂现象直到1947年才被认识到。

　　2.2磷元素

　　[P]：从室温到0℃以下，磷使钢产生脆裂，表现在钢的冲击韧性大大下降。冷脆的原因一般认为是由于磷原子富集在铁素体晶界上形成的‘固溶强化’作用所引起的，造成晶粒间的强度提高，从而产生脆性。在-20℃到0℃以下，钢中的磷使冲击韧性急剧下降。另外，磷是钢中偏析程度大的元素。因为，含磷钢液在凝固时需要通过较大的温度区域，造成最后凝固的铁液中含有较多的磷，从而产生较大程度的磷偏析。所以，磷对钢材的延展性、低温韧性有很大的影响。[P]在钢液凝固过程中，产生严重的偏析。

　　普通低磷钢要求[P] ≤100ppm；超低磷钢如含9%[Ni]的低温储罐钢，[P] ≤30ppm。

　　2.3氮元素

　　[N]：造成钢材时效硬化；降低钢材的冷加工性能；造成焊接热影响区脆化。

　　超深冲IF钢冷轧钢板，要求[N] ＜25ppm，以保证深冲性能；厚板钢为了保证焊接热影响区的韧性，[N] ＜20ppm。

　　2.4氧元素

　　[O]：以非金属氧化物的形式存在钢中。对钢材的疲劳强度、加工性能、延展性能、韧性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蚀性能均有显著的降低作用。

　　对夹杂物要求严格的钢：汽车板、DI罐，T[O] ＜20-30ppm；子午线轮胎冷拔钢丝、大桥悬索钢丝， T[O] ＜20ppm，夹杂物尺寸小于20?m；轴承钢， T[O] ＜5ppm。

　　钢中T[O]量与产品质量关系：

　　（1）轴承钢T[O]由30×10-6降到5×10-6，疲劳寿命提高100倍。

　　（2）钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显的对应关系。

　　美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现：