最新轉(zhuǎn)爐精煉連鑄過程

1、轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)爐-精煉精煉-連鑄過程連鑄過程鋼中氧的控制鋼中氧的控制劉建華劉建華北京科技大學(xué)鋼冶系北京科技大學(xué)鋼冶系目目 錄錄1.鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度2.轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)鋼中氧的控制轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)鋼中氧的控制3.鋼中溶解氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成鋼中溶解氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成4.鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除5.連鑄過程鋼中氧的控制防止鋼水再污染連鑄過程鋼中氧的控制防止鋼水再污染6.結(jié)論結(jié)論1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度 煉鋼是一個(gè)氧化過程，吹煉到終點(diǎn)時(shí)，鋼水中溶解了過多的氧，稱為o溶或ao出鋼時(shí)，進(jìn)行脫氧合金化，o溶轉(zhuǎn)變成氧化物夾雜，可用

2、o夾雜表示，所以鋼中氧可用總氧to表示為： too溶o夾雜1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度出鋼時(shí)：鋼水中o夾雜0，too溶；脫氧后：根據(jù)脫氧程度的不同o溶0，too夾雜?？梢杂娩撝锌傃鮰o來表示鋼的潔凈度，即鋼中夾雜物水平。鋼中to越低，則鋼就越“干凈”。1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度為使鋼中to較低，必須控制：降低o溶：控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)ao，它主要決定于冶煉過程；降低夾雜物的o夾雜：控制脫氧、夾雜物形成及夾雜物上浮去除夾雜物工程概念（inclusion engineering）。 氧控制水平鋼中的總氧含量不斷降低，夾雜物越來越少，鋼水越來越“干凈”，甚至追求“零

3、夾雜物”，鋼材性能不斷改善。由于引入爐外精煉，對硅鎮(zhèn)靜鋼，to可達(dá)15-20ppm，對鋁鎮(zhèn)靜鋼，to可達(dá)到30 35 to越低，冷軋板質(zhì)量越好，to在40100ppm時(shí)廢品率非常高。 川崎mizushima把中間包to作為鋼水潔凈度標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)試驗(yàn)表明：中間包鋼水to55ppm 冷軋薄板降級使用 產(chǎn)品質(zhì)量缺陷不僅與鋼中總氧to有關(guān)，還與夾雜物種類、尺寸、形態(tài)和分布有關(guān)。 表1 典型純凈鋼對清潔度的要求 產(chǎn)品分類鋼種代表規(guī)格產(chǎn)品材質(zhì)特性要求清潔度要求薄板di罐低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.20.3mmt飛邊裂紋to20ppm,d20m深沖鋼超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.20.6mmt超深沖，非時(shí)效性表面線狀缺陷c20ppm

4、, n20ppm to20ppm,d100m蔭罩鋼低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.10.2mmt防止圖像侵蝕d100m,低硫化導(dǎo)架結(jié)構(gòu)材13%cr0.150.25mmt打眼加工時(shí)的裂紋d100m42nid5m， n50ppm中厚板管線鋼x5270級低合金鋼1040mmt氫引起的裂紋夾雜物形態(tài)控制低硫化，s10ppm低溫用鋼9%ni1040mmt低溫脆化p0.003%,s0.001%抗層狀撕裂鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼1040mmt層狀撕裂低磷化、低硫化無縫管座圈材軸承鋼50300mm轉(zhuǎn)動(dòng)疲勞壽命to10ppm, ti20ppm凈化管不銹鋼10 mm電解浸蝕時(shí)表面光潔度to20ppm, n50ppm d5m棒材軸承軸承鋼30

5、65 mm轉(zhuǎn)動(dòng)疲勞特性to10ppm, ti15ppmd15m滲碳鋼scm432、420疲勞特性、加工性to15ppm，p0.005%線材輪胎鋼絲swrh72、82b0.10.4 mm冷拔斷裂非塑性夾雜d20mswrssi-cr鋼1.610 mm0.10.15 mm表2某些高純度鋼發(fā)生缺陷的原因調(diào)查鋼種產(chǎn)品缺陷引起缺陷夾雜物最小直徑缺陷部位夾雜成分di罐用鍍錫板飛邊裂紋150m、60mcao-al2o3erw管材ut缺陷us缺陷150m220mcao-al2o3、群落狀al2o3鍍錫板爐渣分層400m、150m深沖深拉用冷軋鋼板沖壓缺陷夾雜250m400mcao-al2o3、群落狀al2o3、

6、cao-sio2-al2o3-na2ouo管材ut缺陷200mcao-al2o3、群落狀al2o3、cao-sio2-al2o3-na2ouoe管（厚鋼板）us缺陷220m注：表中夾雜物尺寸為板材加工后的夾雜 尺寸，推算至鑄坯中，約為5060m 品種用途用戶要求生產(chǎn)目標(biāo)薄板di罐防止裂紋da40m超深沖板2.0r3.0，非常薄較高抗拉強(qiáng)度dj40m防止碳化、氮化物的析出汽車輪箍防止勾形裂紋da100m汽車輪盤極好的穿孔性能dm20m門窗框架防止沖壓時(shí)產(chǎn)生裂紋da20m護(hù)板防止酸浸顏色不同防止加工時(shí)產(chǎn)生裂紋da5m管材無縫管防止因氫產(chǎn)生的裂紋全部為球形夾雜棒材軸承滾動(dòng)接觸壽命長da15m絲抗疲勞

7、鋼絲高抗拉強(qiáng)度防止沖壓時(shí)斷裂to10ppm注：da為al2o3直徑，dm為mns直徑，di為所 有夾雜物直徑表3各種鋼材夾雜物含量和尺寸的要求由以上數(shù)據(jù)表明： 鋼中to低，說明鋼中夾雜物數(shù)量少，鋼水較“干凈”； 潔凈鋼是一個(gè)相對概念，鋼中to控制到什么水平，決定于鋼種和產(chǎn)品用途； 產(chǎn)品質(zhì)量不僅要控制夾雜物數(shù)量，而且夾雜物的形態(tài)、尺寸和分布也要得到控制。2. 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中氧的控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中氧的控制 too溶o夾雜 出鋼時(shí)：o夾雜0，too溶； 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表明，終點(diǎn)o溶（ao）決定于：(1) 終點(diǎn)終點(diǎn)c 從某廠轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)由副槍測定的c和ao統(tǒng)計(jì)關(guān)系。圖3 轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)c-o關(guān)系圖 區(qū)：o溶波動(dòng)在

8、co平衡曲線附近， co=0.0027 爐齡2500爐當(dāng)爐齡大于3000爐，達(dá)到7500爐甚至10000爐，鋼水中co積遠(yuǎn)離平衡線，且波動(dòng)較大，這可能與采用濺渣護(hù)爐操作，降低了復(fù)吹冶金效果有關(guān)。cfe的選擇性氧化平衡點(diǎn)的選擇性氧化平衡點(diǎn) 根據(jù)式 c + o = co (1) lg (pco/ac* %o)= 1149/t2.002 以及反應(yīng) fe + o = （feo） (2) lg afeo/%o = 6317/t 2.739 得到反應(yīng) （feo）+ c = fe + co (3) lg (pco/ac* afeo)= 5170/t+4.736結(jié)論： 鋼液中c-fe的選擇性氧化平衡點(diǎn)為c0.

9、035， 終點(diǎn)c 1680時(shí)，終點(diǎn)o溶明顯增加。 16201680之間，氧含量總體水平較低，平之間，氧含量總體水平較低，平均為均為702ppm，該范圍的爐次共占總爐次的，該范圍的爐次共占總爐次的30%左右；左右； 出鋼溫度大于出鋼溫度大于1680時(shí)，終點(diǎn)鋼水氧含量有明顯時(shí)，終點(diǎn)鋼水氧含量有明顯的升高趨勢，平均為的升高趨勢，平均為972ppm，占總爐次的，占總爐次的70%左右。左右。（3）終渣（feo）0200400600800100012001400160018001214161820222426爐渣中（feo+mno）的含量（%）終點(diǎn)氧含量（ppm）終點(diǎn)01416182022242600.0

10、2 0.040.06 0.080.10.12終點(diǎn)碳含量（%）渣中（feo+mno）含量 %mno+feo圖5渣中（feomno）對o溶影響 圖6渣中（feomno）與c關(guān)系 當(dāng)終點(diǎn)c0.020.06時(shí)，終點(diǎn)渣中（feo+mno）為1424，而終點(diǎn)o溶波動(dòng)較大。 終點(diǎn)c0.04，渣中（feo+mno）增加且波動(dòng)較大，說明此時(shí)吹氧脫碳是比較困難的，而鐵則被大量氧化。 （4）爐齡對終點(diǎn)氧含量的影響圖1-32500爐終點(diǎn)c-o關(guān)系 圖1-4 25005000爐終點(diǎn)c-o關(guān)系 y = 25x-1400600800100012001400160018000.020.030.040.05轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量（%）

11、轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量（ppm）終點(diǎn)0乘冪 (平衡o)y = 25.054x-0.99960200400600800100012001400160000.020.040.060.080.1終點(diǎn)碳含量（%）終點(diǎn)氧含量（ppm）終點(diǎn)0乘冪 (平衡o)(5) 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)o溶預(yù)報(bào)模型02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0實(shí) 際 氧 含 量 ， p p m模型計(jì)算氧含量，ppm預(yù) 報(bào) 值圖8 氧含量模型一預(yù)報(bào)結(jié)果根據(jù)確定的控制變量，采用多元回歸分析，得到轉(zhuǎn)爐

12、終點(diǎn)氧含量預(yù)報(bào)模型：o溶3712.923+16.383c鐵248.706si鐵1014.045mn鐵3523.575p鐵 1.221t鐵1.254r廢18.057/c終2640.148mn鐵+3523.575p終3.749t終3.5510-2q+8.917(feo)預(yù)報(bào)結(jié)果如圖8所示，預(yù)報(bào)值與實(shí)測值相對誤差在 13.8%11.3% 由統(tǒng)計(jì)方程可知，在鐵水成分和吹煉制度一定的條件下，要降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)o溶，必須準(zhǔn)確控制終點(diǎn)鋼水碳和溫度： 控制c終不要0.01%）3.鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成圖9 feo-mno-sio2三元相圖 3.1 硅鎮(zhèn)靜鋼硅鎮(zhèn)靜鋼用si+mn脫氧

13、，形成的脫氧產(chǎn)物有：純sio2（固體）；xmnoysio2(液體)；xmnoyfeo(固溶體)。xmnoysio2al2o3對于硅鎮(zhèn)靜鋼，與si、mn相平衡的o溶較高，為4060 ppm。在結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固時(shí)易生成皮下針孔或氣泡。 圖10 采用si+mn脫氧后，si、mn與鋼水o溶關(guān)系3.鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成 采用si+mn脫氧后，與脫氧產(chǎn)物相平衡的鋼水o溶與鑄坯質(zhì)量關(guān)系如圖11所示。圖11 鑄坯針孔與o關(guān)系 o20ppm 鑄坯氣孔增加o=1020ppm 最佳范圍 水口堵塞水口堵塞不是al2o3而是sio2夾雜所致。為此應(yīng)生成mno.sio2液態(tài)夾雜，應(yīng)控制

14、mn/si： mn/si低時(shí)形成sio2夾雜，增加了水口堵塞可能性 mn/si高時(shí)生成典型的液態(tài)mno. sio2(mno 54.1%，sio2 45.9%)，夾雜物容易上浮. mn/si應(yīng)調(diào)整鋼成分，保持mn/si2.5生成液態(tài)的mnosio2，有利于夾雜物上浮。但在一定溫度下與si、mn相平衡的o溶較高（圖10），當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器會(huì)產(chǎn)生c-o反應(yīng)使坯殼生成皮下針孔，同時(shí)生成mnosio2浮渣也污染了鋼水。lf爐精煉，采用白渣操作+ar攪拌，鋼渣精煉擴(kuò)散脫氧既能把鋼水中o溶降到20ppm，也能有效的脫硫，把s降到0.01。3.鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成3.2 硅

15、-鋁鎮(zhèn)靜鋼僅用si+mn脫氧，鑄坯易形成皮下針孔；用si+mn+少量鋁脫氧，脫氧產(chǎn)物可能有：薔薇輝石（2mno2al2o35sio2）；錳鋁榴石（3mnoal2o33sio2）；純al2o3。 圖12 mno-sio2- al2o3相圖夾雜物成分控制在相圖中錳鋁榴石的陰影區(qū)： 夾雜物熔點(diǎn)低（1400），球形易上??； 熱軋時(shí)夾雜物可塑性好（8001300）； 錳鋁榴石夾雜物中al2o3接近20左右，變形性最好； 無單獨(dú)al2o3的析出，鋼水可澆性好，不堵水口； 脫氧良好，不生成氣孔3.鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉(zhuǎn)換脫氧與夾雜物生成 理論計(jì)算：鋼中si0. 2，mn0.4，溫度為1550

16、條件下，若鋼中als0.006，則鋼中o 0.14ca/to = 0.71.2對于鋁鎮(zhèn)靜鋼鋼，鈣處理后： 解決了可澆性，不堵水口； 夾雜物易上浮去除； 消除了al2o3不變形夾雜物對鋼性能的有害作用。3.4 sica脫氧。脫氧量與ca線喂入量之間的關(guān)系見圖和式（2）。to = -22.7 +0.223l + 0.00175l2 0.000007l3 (s=13.52; r=4.8%)式中：to脫氧量，ppm；l喂ca線量，m圖2 脫氧量（ppm）與ca線喂入量（m）之間的關(guān)系使用ca脫氧，在同樣條件下終點(diǎn)的氧含量散差很大，難以達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)值；隨加入量的增加，脫氧效率明顯下降。另一方面，ca脫

17、氧的成本較高，盡管沒有堵水口問題，ca仍然不是一個(gè)好的深脫氧元素。c c a a s s i i 線線 , , m m脫脫氧氧量量 o o , ,p pp pm m300250200150100706050403020100s13.5198r-sq15.4%r-sq(adj)4.8%3.5 真空脫氧4.鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除 4.1 鋼水夾雜物的去除步驟脫氧合金化后，o溶幾乎全部轉(zhuǎn)變夾雜物，此時(shí)，o溶0，too夾雜。要得到to低，則要降低o夾雜，去除脫氧產(chǎn)物。它決定于三個(gè)過程：(1) 夾雜物形成 脫氧元素的溶解，化學(xué)反應(yīng) 脫氧產(chǎn)物的形核長大。(2) 鋼水中夾雜物傳輸?shù)戒?渣界面 夾雜物尺

18、寸，煉鋼條件下脫氧生成15m夾雜物 夾雜物碰撞聚合，尺寸5200m 夾雜物性質(zhì)：液態(tài)或固態(tài) 夾雜物上?。喝艹仂o止還是流動(dòng)(3) 渣相吸收 鋼/渣界面能 夾雜物溶解于渣相能力 渣相的成分、溫度、渣量4.2 夾雜物排除方法： 鋼包精煉鋼水中夾雜物去除條件： 控制脫氧產(chǎn)物合適的組成 控制鋼包合適的頂渣成分（堿度、al2o3、mno、mgo） 溶池的攪拌能力 鋼包精煉方法有：鋼包吹ar、lf、vd、rh等。經(jīng)過鋼包精煉后，鋼水中to可降到3020ppm，甚至10ppm。4.3 鋼水總氧預(yù)測模型(1) 鋼包精煉鋼水中總氧預(yù)測模型：鋼包精煉吹ar攪拌時(shí)，增加鋼水的攪拌強(qiáng)度，可促進(jìn)鋼水中夾雜物聚合上浮，降低

19、鋼水中to量。圖16 鋼水?dāng)嚢鑿?qiáng)度與夾雜物去除率的關(guān)系圖 攪拌強(qiáng)度增加，夾雜物上浮率增加，但攪拌強(qiáng)度過大則會(huì)有渣子卷入，反而會(huì)增加鋼中夾雜物，所以應(yīng)控制好合適吹ar流量和壓力。鋼包吹ar后，鋼水中總氧to預(yù)測模型可表示為： to=(oi-oe)exp-akeff t/v+oe式中： oi：初始氧含量，ppm ； oe：與脫氧產(chǎn)物相平衡的氧含量，ppm；a：溶池表面積，m2；v：溶池體積，m3；t：處理時(shí)間，min； keff：有效質(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)，m/min（決定于攪拌能）由上式可知，鋼包精煉鋼水中to與攪拌強(qiáng)度、鋼包容量、處理時(shí)間等有關(guān)。（2）rh處理過程鋼水中總氧預(yù)測模型： rh處理后，鋼水中

20、總氧to可表示為： to=13.688+0.936(%feo%mno)(1-exp(-0.0514 ) +ooexp(-0.0514 )式中：d：浸漬管直徑 ，cm；w：鋼包鋼水重量，t；g：吹ar流量， l/min；t：鋼液處理時(shí)間，min；oo：處理前鋼水初始氧含量，ppm 。twgd42.04158.021.0twgd42.04158.021.0rh處理過程中鋼水中總氧量與鋼包內(nèi)襯材質(zhì)、鋼包渣氧化性、rh處理時(shí)間、rh浸漬管直徑、吹氬流量、鋼水循環(huán)流量以及處理鋼水量有關(guān)。圖17鋼中氧實(shí)測值和預(yù)測值的對比 4.4 中間包鋼水鋼水中總氧預(yù)測模型： 中間包是一個(gè)連續(xù)冶金反應(yīng)器，鋼水在流動(dòng)過程中

21、，要采取措施促進(jìn)夾雜物上浮。中間包鋼水總氧to可表示為：to=6.804+1.664(%feo%mno)+1.706n1-exp(1.37210-7)( )0.45t+ oox exp1.37210-7( )0.45t式中：n：鋼包中間包吸氮量， ppm；as：鑄坯斷面積，mm2；vc：拉速，m/min；d1：中間包水口直徑，mm；w：中間包鋼水重量，t；：鋼液密度，kg/cm3；t：澆注時(shí)間，min由上式可知：中間包鋼水中to與渣的氧化性、鋼水吸氮量、鋼水流量和鋼水在中間包的停留時(shí)間有關(guān)。 4133dwvcas4133dwvcas18中間包鋼水中to預(yù)測計(jì)算值與實(shí)測值比較 5.連鑄過程鋼中氧控制防止鋼水再污染連鑄過程鋼中氧控制防止鋼水再污染 經(jīng)爐外精煉處理后，鋼水中to可以達(dá)到3010ppm，甚至更低一些。鋼水中脫氧產(chǎn)生的夾雜物大部分（85以上）都上浮排除，可以說鋼水很“干凈”。在連鑄過程中的任務(wù)是： 防止鋼水再污染 設(shè)法進(jìn)一步排除夾雜物在連鑄過程中采用的技術(shù)措施包括：(1) 防止二次氧化 保護(hù)澆注（n：35 ppm） 堿性包襯 堿性覆蓋劑 中間包密封充ar(2) 防止?jié)沧⑦^程下渣示蹤試驗(yàn)追蹤鑄坯中夾雜物來源是：外來夾雜占