轉(zhuǎn)爐煉鋼標(biāo)準(zhǔn)成本管控模式的探索與創(chuàng)新

馬軍文，熊龍權(quán)，周 虎，徐 皓，陳壽紅，速?lài)?guó)武

（昆明鋼鐵控股有限公司煉鋼廠(chǎng)，云南 安寧 650309）

0 引言

轉(zhuǎn)爐煉鋼的純度一般較高、粉塵顆粒較細(xì)并且均勻性較高，除此之外高純鋼還有這常規(guī)材料所具備的光、熱、電和磁等特點(diǎn)，是現(xiàn)代化工業(yè)中附加屬性較高、應(yīng)用較為廣泛的功能型材料之一。現(xiàn)階段全球每年工業(yè)生產(chǎn)需要的高純鋼約為7500t，主要的生產(chǎn)地在歐美。我國(guó)的鋼生產(chǎn)主要的材料為鋼，產(chǎn)品的純度和可以均勻度都難以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，高品質(zhì)的鋼生產(chǎn)尚未達(dá)到基本的標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展，對(duì)于高純度鋼的需要只增不減，因此需要加強(qiáng)對(duì)高純鋼的提純工藝。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)

轉(zhuǎn)爐煉鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控的技術(shù)較多，主要可以分為3 種類(lèi)型，即液相技術(shù)、氣相技術(shù)和固相技術(shù)。轉(zhuǎn)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(xiàn)這種區(qū)別來(lái)自于組織結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致。在對(duì)不同組織結(jié)構(gòu)的鋼進(jìn)行焊接時(shí)，兩種鋼由于組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)力、熱膨脹系數(shù)就會(huì)有明顯不同，并且具有物理性質(zhì)上的區(qū)別[1]。由于兩側(cè)金屬性質(zhì)的不同，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接會(huì)存在明顯的不均勻性，主要表現(xiàn)為以下特性。

（1）化學(xué)成分不均勻性?；瘜W(xué)成分不均勻是由于焊接加熱過(guò)程中兩側(cè)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(qū)別，由于焊接過(guò)程中存在稀釋作用以及碳遷移，導(dǎo)致化學(xué)形式會(huì)存在一定的變化。對(duì)于接頭區(qū)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(huì)導(dǎo)致不均勻。根據(jù)有目前研究，焊接狀態(tài)下對(duì)接頭在不同溫度條件下進(jìn)行加熱時(shí)，融合線(xiàn)的兩側(cè)會(huì)有明顯的碳遷移傾向，隨著焊接中溫度的提升和時(shí)間不斷增加，會(huì)有更為明顯的碳遷移情況，碳遷移情況的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致原始化學(xué)成分出現(xiàn)改變。

（2）組織不均勻性。焊接過(guò)程中會(huì)有焊接熱循環(huán)作用，但是由于鋼的形狀不同、組織不同、接頭區(qū)域的結(jié)構(gòu)不同，組織會(huì)有明顯的不均勻性，并且焊接中還可能形成復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)[2]。由于組織結(jié)構(gòu)復(fù)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(qū)域的氫脆和融合區(qū)會(huì)出現(xiàn)氫致剝離，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接接頭在高溫服役狀態(tài)下容易出現(xiàn)氫致斷裂。

（3）性能不均勻。由于轉(zhuǎn)爐煉鋼的組織成分不同，因此會(huì)存在性能上的不同，轉(zhuǎn)爐煉鋼本身的性能差異導(dǎo)致焊接接頭的不同區(qū)域受到影響，焊接后會(huì)出現(xiàn)各種倍數(shù)關(guān)系的變化，尤其在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)域會(huì)有非常大的沖擊力，在高溫下的性能持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度也會(huì)有明顯的不均勻分布。

（4）應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻。在組織、成分、結(jié)構(gòu)不同的情況下，轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接接頭的熱膨脹系數(shù)會(huì)有很大區(qū)別，導(dǎo)熱系數(shù)也各不相同，導(dǎo)致塑性區(qū)域會(huì)有明顯的區(qū)別，以及熱應(yīng)力的不相同。由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用，發(fā)生疊加之后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力峰值，最終導(dǎo)致接頭發(fā)生斷裂。

其中，液相技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量、成本和環(huán)境方面都比后者較高，是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛，也是最重要的鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)。本文主要針對(duì)液相技術(shù)進(jìn)行深入的研究，其中液相技術(shù)可細(xì)分為以下5 種技術(shù)。

1.1 硫酸鋼銨結(jié)晶熱解技術(shù)

結(jié)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(xì)致，經(jīng)過(guò)精細(xì)加工狗的硫酸鋼在硫酸銨的加持下進(jìn)行結(jié)晶，在多次結(jié)晶之后硫酸鋼銨中高度提純，最終將提純后的硫酸鋼銨進(jìn)行熱解，從而得到鋼。在提純的過(guò)程中可以采用分段式的硫酸鋼銨熱解技術(shù)制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控高純度的鋼，所得到的將會(huì)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(zhuǎn)爐煉鋼對(duì)后續(xù)的加工和生產(chǎn)都有著較為良好的作用。結(jié)晶熱解技術(shù)的操作較為簡(jiǎn)單、成本投入也較低并且粉體的質(zhì)量也較高與大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)之后得到的轉(zhuǎn)爐煉鋼，但是在操作的過(guò)程中容易出現(xiàn)熱熔解的現(xiàn)象，對(duì)晶體中含有的鉀、鈣、鹵素等一系列雜質(zhì)的提取排除有一定的困難。除此之外，在結(jié)晶熱分解的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氨氣和硫氧化物等一系列會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的物質(zhì)，這也是限制結(jié)晶熱解技術(shù)廣泛應(yīng)用和發(fā)函的主要原因。在對(duì)硫酸鋼銨熱解的過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)人員需要對(duì)熱解過(guò)程中產(chǎn)生的污染氣體進(jìn)行回收、中和、加工等方式進(jìn)行處理，這樣也可以保證鋼在生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

1.2 碳酸鐵銨結(jié)晶熱解技術(shù)

在硫酸鋼銨之后人們?yōu)榱四軌蚋觾?yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有的結(jié)晶熱解技術(shù)，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上研究出碳酸鐵銨的方法，碳酸鐵銨結(jié)晶熱解的方法在一定意義上控制了熱熔解時(shí)對(duì)空氣造成的污染問(wèn)題，也是現(xiàn)階段在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一種方法。碳酸鐵銨結(jié)晶熱解技術(shù)主要就是將提純后的硫酸鋼銨與碳酸氫銨進(jìn)行結(jié)合，從而轉(zhuǎn)變成碳酸鐵銨，以此來(lái)避免在后續(xù)的熱熔解過(guò)程中產(chǎn)生硫氧化物氣體。碳酸鐵銨結(jié)晶熱解技術(shù)與硫酸鋼銨結(jié)晶熱解技術(shù)相比，碳酸鐵銨所產(chǎn)出的粉體顆粒均勻性不高，有團(tuán)聚的現(xiàn)象出現(xiàn)，生產(chǎn)的成本也比硫酸鋼銨的成本高。根據(jù)研究顯示，碳酸鐵銨會(huì)受到濃度、溶液、pH 和添加劑的影響，對(duì)提純后的純凈度和粉體的質(zhì)量都會(huì)有著一定的偏差，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制相關(guān)的參數(shù)。

1.3 醇鋼水解技術(shù)

醇鋼水解技術(shù)就是在催化劑的作用下，將有機(jī)醇和金屬鋼進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成醇鋼溶液，然后將醇鋼溶液進(jìn)行水解，將多得到的高純度氫鋼進(jìn)行燒結(jié)，從而得到純度較高的鋼。這樣的技術(shù)也是保證鋼質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，為了能夠奧正高純鋼的質(zhì)量，需要從以下3 點(diǎn)進(jìn)行控制：①需要保障原材料的純凈度。②醇鋼需要進(jìn)一步地提純，去除高熔點(diǎn)的雜質(zhì)和沉淀物。③醇鋼的干燥、結(jié)燒需要進(jìn)行有效的調(diào)控，以保證粉體顆粒的均勻程度。在提純過(guò)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(jìn)行制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控[3]，從而生產(chǎn)出超細(xì)的高純鋼。隨后需要利用恒溫水浴進(jìn)行加熱、添加丙醇和氧化汞作為催化劑，經(jīng)過(guò)多想加工之后得出最終的高純鋼產(chǎn)品。醇鋼水解技術(shù)的技術(shù)工藝較為復(fù)雜、對(duì)鋼的純度也難以掌控、并且生產(chǎn)的成本也較高。

1.4 水熱合成技術(shù)

水熱合成技術(shù)對(duì)高純鋼的純度和分體顆粒均勻程度比較容易掌控，技術(shù)主要利用水溶液作為基礎(chǔ)反應(yīng)物，通過(guò)加熱加壓來(lái)增大溶液的溶解程度，高純鋼與水蒸氣進(jìn)行化學(xué)作用直接水解成為氫鋼，隨后在對(duì)氫鋼進(jìn)行降溫，從降溫的過(guò)程中得到鋼，避免氫鋼在煅燒過(guò)程中出現(xiàn)硬物團(tuán)聚的現(xiàn)象，之后再經(jīng)過(guò)干燥、煅燒等工藝得到鋼。水熱合成的技術(shù)缺點(diǎn)在于設(shè)備資金的投入比較大，加溫加壓的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些安全風(fēng)險(xiǎn)，氫鋼轉(zhuǎn)化成鋼的效率比較低，通常都需要添加晶體變相地對(duì)氫鋼進(jìn)行降溫，技術(shù)工藝較為復(fù)雜[4]。

1.5 溶膠凝膠技術(shù)

溶膠凝膠技術(shù)主要是低溫制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控高純鋼的重要技術(shù)，將高純度的鋼鹽在高純度的無(wú)機(jī)鹽之中進(jìn)行水解，從而生成水合成物前驅(qū)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(duì)凝膠進(jìn)一步地進(jìn)行高溫加熱得到高純鋼。在制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控的過(guò)程中用高純硝酸鋼在氨水之中，二者進(jìn)行結(jié)合形成水合成物前驅(qū)制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控溶膠，在凝膠階段加入高純鋼結(jié)晶，將三氟化鋼作為添加劑進(jìn)行低溫加工，得到高純納米鋼。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，用高純硝酸鋼和乳酸作為原材料，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鋼離子在乳酸中會(huì)逐漸生成前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)高溫的煅燒之后得到納米鋼纖維陶瓷。但是該加工技術(shù)中技術(shù)工藝較為復(fù)雜、對(duì)溶劑的純度要求也較高、同時(shí)生產(chǎn)的成本也較高，這些因素都阻礙著溶膠凝膠技術(shù)在工業(yè)中廣泛地被應(yīng)用。除此之外，轉(zhuǎn)爐煉鋼的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，需要添加表面活性劑或者一些相關(guān)的溶劑來(lái)控制粉體團(tuán)聚現(xiàn)象[5]。

2 技術(shù)分析

根據(jù)多種高純轉(zhuǎn)爐煉鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)可以看出，現(xiàn)階段能用于工業(yè)的高純鋼的主要制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)局限在硫酸鋼銨熱解技術(shù)、碳酸鐵銨熱解技術(shù)和醇鋼技術(shù)3 種。其中硫酸鋼銨熱解技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的操作較為穩(wěn)定，產(chǎn)品的純度基本可以達(dá)到4N，粉體顆粒表面均勻并且團(tuán)聚反應(yīng)較少，但是這種制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)主要的缺陷在于對(duì)環(huán)境的污染水平較為嚴(yán)重。碳酸鐵銨熱解技術(shù)的實(shí)質(zhì)樹(shù)妖在硫酸鋼銨熱解技術(shù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改良，有效地攻克硫酸鋼銨熱解技術(shù)中產(chǎn)生的硫氧化物污染，但是在技術(shù)上較為復(fù)雜成本投入也較高，并且生產(chǎn)出的粉體顆粒均勻性也沒(méi)有硫酸鋼銨熱解技術(shù)高。醇鋼水解技術(shù)在高純鋼的提純純度較高，但是成本較高導(dǎo)致醇鋼水解技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用受到嚴(yán)重的局限。在現(xiàn)階段提純工藝中，許多提純技術(shù)都受到成本的限制，技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)成本管控的過(guò)程中，會(huì)存在安全方面的隱患。

2.1 射線(xiàn)成本管控

由于轉(zhuǎn)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(yōu)先考慮射線(xiàn)成本管控方法，由于射線(xiàn)的特征，裂紋的檢出率也會(huì)與照射角度相關(guān)。經(jīng)過(guò)研究，轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接角的位置，裂紋一般會(huì)沿著破口的方向發(fā)展，因此可以根據(jù)裂紋的常見(jiàn)發(fā)展方向優(yōu)化射線(xiàn)成本管控的方向，可以沿著融合區(qū)進(jìn)行兩次相距180°的成本管控，實(shí)現(xiàn)沿著缺陷可能的發(fā)展方向探傷，獲得裂縫的狀況[6]。為了能夠獲得足夠的級(jí)和清晰度，一般會(huì)將底片側(cè)設(shè)置在最有可能出現(xiàn)裂紋的珠光體破口側(cè)。融合區(qū)裂紋的成本管控工作需要結(jié)合設(shè)備的形狀以及坡口的形式，使用合理的方法進(jìn)行探傷工作。

2.2 超聲成本管控

由于壓力容器的結(jié)構(gòu)、焊接位置厚度等原因，導(dǎo)致剛焊接接頭的埋藏缺陷很難使用射線(xiàn)成本管控獲得，對(duì)此需要使用超聲成本管控方法，獲得缺陷的準(zhǔn)確情況。對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接接口進(jìn)行超聲成本管控時(shí)，應(yīng)該考慮焊縫組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)確定超聲波工藝，以及根據(jù)實(shí)際情況選擇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐煉鋼中存在奧氏體，則焊接接頭位置會(huì)出現(xiàn)磁力線(xiàn)不連續(xù)的情況，難以使用磁粉進(jìn)行成本管控，此時(shí)對(duì)于開(kāi)口缺陷可以采用滲透成本管控的方法。在成本管控過(guò)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(dǎo)致焊接接口位置出現(xiàn)晶間腐蝕，影響壓力容器的強(qiáng)度。

2.4 金屬磁記憶成本管控

結(jié)合轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接接頭的金屬磁記憶成本管控技術(shù)原理，根據(jù)儀器參數(shù)，可以成本管控受熱面轉(zhuǎn)爐煉鋼接頭的磁場(chǎng)分布，分析不同磁信號(hào)下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼接頭應(yīng)力，以及磁信號(hào)和淬硬組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠比較好地進(jìn)行硬度測(cè)試。使用該方法并不需要進(jìn)行勵(lì)磁，操作比較簡(jiǎn)單，便于焊接中的實(shí)時(shí)成本管控，做好對(duì)缺陷的早期預(yù)防。焊接工藝參數(shù)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(shù)大小可以根據(jù)融合比確定。在轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接工作中，融合比不宜過(guò)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(mǎn)足焊接工作要求。如果木材的焊接性能比較差，哈姐開(kāi)始之前需要做好預(yù)熱工作防止出現(xiàn)裂紋。所有工藝參數(shù)的選擇都需要以焊接接頭的質(zhì)量作為依據(jù)進(jìn)行合理選擇，獲得最好的焊接效果。

通過(guò)使用新型焊接技術(shù)可以進(jìn)一步提升焊接工作的效果，強(qiáng)化對(duì)焊接工藝的控制，保證焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性，解決在轉(zhuǎn)爐煉鋼焊接過(guò)程中焊接工藝問(wèn)題。傳統(tǒng)的焊接工作中，坡口相對(duì)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(shù)能夠解決傳統(tǒng)埋弧焊接技術(shù)中存在的問(wèn)題，在壓力容器壁厚比較大時(shí)，具有非常好的焊接工作效果。

3 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐煉鋼具有普通鋼不具備的性能，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛?，F(xiàn)階段，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控的技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，一些技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足工業(yè)化的生產(chǎn)要求。轉(zhuǎn)爐煉鋼在生產(chǎn)中會(huì)遇到諸多的問(wèn)題，主要可以分為產(chǎn)品提純質(zhì)量較低、粉體顆粒均勻性較差、提純技術(shù)較為復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備落后等方面，因此在今后的轉(zhuǎn)爐煉鋼制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控技術(shù)方面，需要減少制備標(biāo)準(zhǔn)成本管控過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染，著重控制成本的投入，提升轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量。