潔凈鋼生產(chǎn)工藝及技術(shù)

1、 W W H W W H 什么是潔凈鋼？ 鋼為什么不潔凈？ 如何生產(chǎn)潔凈鋼？2潔凈鋼潔凈鋼 用來標(biāo)志近來鋼鐵冶煉發(fā)展及其應(yīng)用特別是針對與氧化物夾雜相關(guān)的潔凈度問題。 在鋼中要盡可能地去除有害組元，在冶金熔體、鑄坯和鋼材中要求有非常均勻的分布。 潔凈度因鋼種和用途不同而不同。3潔凈鋼潔凈鋼 當(dāng)鋼中的非金屬夾雜物直接或間接地影響產(chǎn)品的生產(chǎn)性能或使用性能時(shí)，該鋼就不是潔凈鋼。 如果非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸或分布對產(chǎn)品的性能都沒有影響，那么這種鋼就可以被認(rèn)為是潔凈鋼。4鋼中的夾雜物鋼中的夾雜物-分類分類 內(nèi)生夾雜物：與鋼液成分處于平衡狀態(tài)，自然生成，只能減少，無法完全去除。 外來夾雜物：與冶煉過程相關(guān)

2、，采用合適的冶煉工藝可以減少或避免。5鋼中的夾雜物鋼中的夾雜物-來源來源 加入脫氧劑后生成的脫氧產(chǎn)物、裸露的鋼液被大氣氧化和被耐火材料氧化生成的二次氧化產(chǎn)物。 煉鋼過程中，由于鋼液或渣對耐火材料的化學(xué)或熱侵蝕作用以及固態(tài)耐火材料顆粒脫落進(jìn)入鋼液。 卷渣產(chǎn)生的夾雜物，渣鋼界面上鋼水流速較大以及渣的乳化使液態(tài)渣滴卷入鋼液。6 鋼中的夾雜物鋼中的夾雜物-控制控制/ /去除去除 避免生產(chǎn)過程中夾雜物的生成。 促使夾雜物向渣/氣、鋼/渣或鋼液/耐火材料界面移動(dòng)，使其進(jìn)一步脫離鋼液進(jìn)入界面并從界面分離。深度脫氧，出鋼時(shí)確保穩(wěn)定的、低的氧化性保護(hù)性氣氛，防止二次氧化改良覆蓋劑、保護(hù)渣和耐材，防止卷渣和大顆粒

3、夾雜氬氣或電磁攪拌促進(jìn)及雜物的上浮合理改進(jìn)、選取生產(chǎn)設(shè)備7潔凈鋼生產(chǎn)工藝及技術(shù)潔凈鋼生產(chǎn)工藝及技術(shù)圖1.鋼鐵生產(chǎn)工藝流程圖8鋼包操作鋼包操作 氣體攪拌圖2.頂吹氧氣攪拌 真空脫氣 RH、RD、REDA、鋼包脫氣、V-KIP圖3.REDA裝置圖4.鋼包脫氣9鋼包操作鋼包操作 鋼包加熱 不提高出鋼溫度，可獲得更多的精煉時(shí)間。 降低鑄坯由于溫度導(dǎo)致的降級處理率，有利于夾雜物去除。 增加對鋼水潔凈度和成分的控制。 更容易生產(chǎn)低磷、碳、硫、氧、氮和氫含量的鋼種。10鋼包操作鋼包操作 鋼包爐圖5.鋼包爐 合適的頂渣成分。 需大吹氣量攪拌鋼液，增加了卷渣和二次氧化。 長時(shí)間小氣量吹氬促進(jìn)夾雜物上浮。 能精確

4、控制鋼液成分、鋼液潔凈度和溫度。11鋼包操作鋼包操作 真空電弧加熱脫氣圖6.真空電弧加熱(VAD) 真空、攪拌、加熱和合成渣利于脫氫、脫硫、去除夾雜物。 真空加合金調(diào)節(jié)鋼液成分，提高收得率。 喂鈣變性夾雜。 連鑄前精確控制鋼水溫度。 促進(jìn)渣鋼間的反應(yīng)，利于去除夾雜物。12鋼包操作鋼包操作 CAS-OB圖7.CAS(-OB)裝置 化學(xué)方式加熱鋼水。 底吹氬、脫氧、加入合金。 吹氧加鋁加熱鋼水5min攪拌20min左右靜置。13鋼包操作鋼包操作 鋼液成分 出鋼條件 耐火材料 脫氧劑和合金的加入 鋼包襯與鋼包殘留物 鋼包渣 夾雜物變性 精煉時(shí)間14爐渣乳化爐渣乳化 乳化渣產(chǎn)生機(jī)制 出鋼鑄流沖擊渣層

5、渣鋼界面氣泡引起的攪動(dòng) 鋼流速度和方向變化引起渣鋼界面之間的漩渦和剪切力u彌散在連鑄結(jié)晶器鋼液表面的渣滴最容易引起鑄坯缺陷15爐渣乳化爐渣乳化 連鑄結(jié)晶器內(nèi)的卷渣機(jī)理 通過連鑄結(jié)晶器窄邊的上升回流流股。 不穩(wěn)定的回流產(chǎn)生的高剪切應(yīng)力。 定期在SEN后方卡門漩渦區(qū)產(chǎn)生的下排流。 從SEN出口到表面的大的氬氣泡。 SEN出口布流不均勻引起 在較高鋼通量的情況下，鋼水和保護(hù)渣之間聚集的泡沫。與過大的氬氣流量有關(guān)，塞棒系統(tǒng)1.9L/min，滑板系統(tǒng)最大6L/min。16爐渣乳化爐渣乳化 影響卷渣的參數(shù) Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)（不同層流之間相對運(yùn)動(dòng)波動(dòng)性） Taylor-Saffm

6、an不穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)（不同黏度與密度） 產(chǎn)生剪切應(yīng)力，同時(shí)由于表面張力的作用產(chǎn)生頸縮。 流體不穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn) 與脈動(dòng)流有關(guān)，從結(jié)晶器流入的不同流股會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而發(fā)生卷渣。v約為42cm/s，適于高拉速17爐渣乳化爐渣乳化 量綱分析法離界面之間相互作用的距黏度表面張力；兩相之間的密度差；式中，-L-; 臨界速度隨著黏度的增大和渣層厚度的減小而增加。 增大保護(hù)渣黏度可減少保護(hù)渣卷入，減少缺陷。 保護(hù)渣密度和表面張力等亦對卷渣行為有所影響，不能僅僅靠改變保護(hù)渣成分實(shí)現(xiàn)。18爐渣乳化爐渣乳化渣鋼的物理化學(xué)性能流動(dòng)行為系統(tǒng)的幾何尺寸浸入式水口的浸入深度拉速氬氣流量結(jié)晶器尺寸水口外形流動(dòng)控制機(jī)制堵塞程度19爐渣

7、乳化爐渣乳化漩渦下排(漩渦型漏斗)和匯流下排(非漩渦型漏斗)穩(wěn)態(tài)漩渦和非穩(wěn)態(tài)漩渦表面微凹、表面漩渦、全面發(fā)展卷吸空氣的漩渦p 低流速下，漩渦隨著流出速度的增加而達(dá)到最大p 穩(wěn)定的高流速下，隨著流出速率的增加，熔池臨界深度減小 漩渦卷渣20爐渣乳化爐渣乳化 K-流動(dòng)能量損失 隨著渣鋼比率的增加，臨界熔池深度增大 漩渦卷渣21爐渣乳化爐渣乳化 限制渦流的方法 在水口附近設(shè)置流體障礙物 吹氣可延緩渦流產(chǎn)生 改變水口形狀或暫時(shí)關(guān)閉水口效果不明顯22二次氧化二次氧化圖8.表面缺陷與結(jié)晶器中TO之間的關(guān)系圖9.宏觀夾雜物數(shù)量與TO之間的關(guān)系 鋼液二次氧化的原因 被合金中的氧化物污染 在鋼包和中間包中與渣的

8、反應(yīng) 上一爐附著在鋼包內(nèi)壁或者RH浸漬管內(nèi)的渣瘤污染鋼液 鋼液與空氣之間的反應(yīng)（出鋼、精煉、中間包內(nèi)） 鋼液與不同容器或長水口耐火材料內(nèi)襯之間的反應(yīng)23二次氧化二次氧化 渣中FeO含量和厚度的檢測Mo/Cr+Cr2O3/ZrO2/aO渣/Fe(鋼液)圖10.Quick-Slag原電池示意圖圖11.化學(xué)分析檢測渣中FeO含量與原電池檢測值的比較24二次氧化二次氧化 渣脫氧減少二次氧化圖12.渣脫氧后ULC鋼板表面指數(shù)降低圖13.渣脫氧后表面缺陷率降低uRH操作中最普遍的方法25二次氧化二次氧化 減少中間包覆蓋劑引起的二次氧化圖14.中間包覆蓋劑采用鋁酸鈣代替碳化稻殼后，缺陷率減低圖15.內(nèi)陸鋼鐵

9、公司使用堿性中間包覆蓋劑后，IF鋼表面裂紋缺陷指數(shù)降低p產(chǎn)生的液態(tài)爐渣會(huì)增加對中間包耐火材料的侵蝕BC26二次氧化二次氧化 防止連鑄過程中的下渣（鋼包中間包、結(jié)晶器） 留鋼操作 電磁下渣檢測系統(tǒng)(改進(jìn)激活下滑板) 增加耐材擋壩，抑制旋轉(zhuǎn)力和漩渦圖16.鋼包與中間包底部建耐材擋壩防止下渣(POSCO)27二次氧化二次氧化 減少中間包到結(jié)晶器的下渣 鋼液高度低于形成漩渦的臨界高度 大容量中間包換包時(shí)間過長 小容量中間包u塞棒控制 奧鋼聯(lián)旋轉(zhuǎn)閥塞棒 ARVA開發(fā)PCV(精確控制閥)，配合具有水平偏心出口的SEN 中間包增加側(cè)擋墻(如圖16所示)28二次氧化二次氧化 減少中間包卷渣雙澆鋼槽操作長水口完

10、全浸入中間包 分岔、鐘形、喇叭形長水口底部使用金屬錐圖17.為防止鋼包開澆時(shí)產(chǎn)生的乳化行為開發(fā)的雙澆鋼槽操作29二次氧化二次氧化 中間包加蓋與密封 注入惰性氣體后中間包預(yù)密封，防止開澆時(shí)的二次氧化 利于對中間包進(jìn)行預(yù)熱，降低耐材含水量 防止使用非氧化性堿性中間包覆蓋劑時(shí)自由表面的熱損失 增加安全性圖18.NSC Kimitsu使用的密封中間包圖圖19.Sanyo Steel使用的密封中間包30二次氧化二次氧化圖20.DH鋼包和結(jié)晶器吸氮(德-迪令根)圖21.DH結(jié)晶器中測量的鋼液總氧量(德-迪令根)31二次氧化二次氧化 控制耐火材料引起的二次氧化 鋼包耐火材料脫落至鋼液造成污染與爐渣發(fā)生間接反

11、應(yīng) 中間包氧化鎂耐火材料 無碳MgO耐火材料造成鋼液二次氧化，主要為耐材中不穩(wěn)定的氧化物被金屬脫氧劑還原，如氧化鐵、二氧化硅、水分等。32二次氧化二次氧化 控制耐火材料引起的二次氧化-中間包耐火材料 鋼液與中間包襯的反應(yīng)導(dǎo)致二次氧化產(chǎn)物產(chǎn)生圖23.1h后鋼液中氧化鋁固定的氧含量與耐材中FeO含量之間的關(guān)系p 二次氧化隨MgO含量減少而增加。p 主反應(yīng)為氧化鐵的還原，該反應(yīng)隨著耐材中SiO2含量增加而增加。p 水含量的影響。u MgO含量高于75%，尖晶石夾雜物較多。33水口堵塞水口堵塞 水口堵塞機(jī)理 非金屬夾雜物在水口內(nèi)壁沉積造成水口內(nèi)徑減小圖24.鋁鎮(zhèn)靜低碳鋼水口沉積物結(jié)構(gòu)碳的氧化及耐材內(nèi)部

12、反應(yīng)沉積物的起源；耐材內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生氧化氣體與脫氧劑反應(yīng)u鋼包內(nèi)脫氧(氮)產(chǎn)物；中間包鋼水二次氧化產(chǎn)物；34水口堵塞水口堵塞 水口堵塞控制 控制初生夾雜物的數(shù)量 控制連鑄工位鋼水純凈度 減少一次脫氧產(chǎn)物； 去除鋼包冶金過程中的雜物； 減少二次氧化生成的夾雜物； 鈣處理 解決鋁鎮(zhèn)靜鋼水口堵塞，簇狀三氧化二鋁轉(zhuǎn)化為液態(tài)鋁酸鈣35水口堵塞水口堵塞 鈣處理 鈣加入量太低，形成CA6和CA2，堵塞加重。 發(fā)生二次氧化，改變夾雜物的組成與成分，形成富氧化鋁型夾雜。 鈣處理強(qiáng)度過大，鋼液表面翻騰產(chǎn)生二次氧化。 對不同硫含量的鋼種，易發(fā)生夾雜物種類的轉(zhuǎn)變36水口堵塞水口堵塞 吹氬密封 增加水口內(nèi)的壓力，防止二次

13、氧化，減少夾雜物聚集。 降低氧化性氣體分壓，減緩鋼液與耐材之間的反應(yīng)。 在水口壁上形成氬氣薄膜，降低接觸時(shí)間，機(jī)械清理，降低吸附力。 氬氣泡吸附夾雜物，將其從水口內(nèi)壁分離。u氣泡流動(dòng)、環(huán)形流動(dòng)37水口堵塞水口堵塞 改良耐材 配合緊密，防止二次氧化 無碳耐材內(nèi)襯，減少第一層反應(yīng)的厚度 降低來自耐材內(nèi)部的氧化性氣體 增加絕熱性能 降低表面粗糙度 通過鋼液與耐材之間的反應(yīng)對夾雜物進(jìn)行變性圖25.內(nèi)襯為低碳質(zhì)耐火材料的設(shè)計(jì)方案38水口堵塞水口堵塞 合理選用與改良水口 小斷面鑄坯采用小的定徑水口，大尺寸鑄坯采用浸入式水口 通鋼量一定，增加水口內(nèi)部截面，降低鋼水流速 水口內(nèi)部安裝環(huán)形階梯穩(wěn)定鋼液流動(dòng)圖28

14、.Shinagawa耐火材料廠開發(fā)的具有雙層環(huán)形階梯的SEN39水口堵塞水口堵塞 漩渦流圖30.PCV-旋流水口圖31.裝有旋流器的旋流水口40中間包冶金中間包冶金41中間包冶金中間包冶金 中間包容量與設(shè)計(jì)表1.歐洲中間包容量及鋼液平均最大深度(2000年前)u促進(jìn)夾雜物上浮去除u有效避免頂渣漩渦卷入42中間包冶金中間包冶金 中間包形狀設(shè)計(jì)圖33.兩流板坯鑄機(jī)中間包形狀圖圖34.不同形狀中間包內(nèi)夾雜物去除的數(shù)學(xué)模擬43中間包冶金中間包冶金 開澆前惰性氣體保護(hù)(應(yīng)用，中間包覆蓋劑) 減少鋼包下渣(下渣檢測，擋墻，壩，拉速控制) 中間包材料(氧化鎂、硅酸鎂)，優(yōu)化使用 浸入式水口圖35.澆鑄過程的

15、短暫污染（a-小方坯；b-板坯） 防止鋼液氧化和耐火材料的污染44中間包冶金中間包冶金 中間包鋼水加熱 換包時(shí)鋼包溫度波動(dòng)，中間包鋼水溫度降低，缺少熱浮力，將渣卷入結(jié)晶器。 中間包鋼水加熱(日本、亞洲)圖38.通過中間包鋼水加熱控制鋼水溫度45中間包冶金中間包冶金 促進(jìn)夾雜物的分離 優(yōu)化中間包鋼水流動(dòng) 中間包吹氬 合理選擇覆蓋劑圖41.非氧化性中間包覆蓋劑對鋼中總氧量的影響46結(jié)晶器內(nèi)流場控制結(jié)晶器內(nèi)流場控制 彎月面處液面波動(dòng)鋼液流速、拉速(宏觀)；鋼液流速、流場變化(微觀) 湍動(dòng)的注流引起結(jié)晶器內(nèi)鋼液流速、流場得變化； 澆注速度波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生湍流； 夾輥對鑄坯的壓力引起的鑄坯中未凝固的鋼液流動(dòng)。

16、鋼液碰撞結(jié)晶器窄面凝固坯殼，產(chǎn)生向上分流和窄面附近彎月面向上涌動(dòng)，還產(chǎn)生了從結(jié)晶器邊緣向中心的表面流。47結(jié)晶器內(nèi)流場控制結(jié)晶器內(nèi)流場控制 彎月面液面控制 20世紀(jì)80年代中期-彎月面液面?zhèn)鞲衅?20世紀(jì)80年代中期至1990年-改善注流機(jī)械設(shè)備操作準(zhǔn)確性 1990年后-解決設(shè)備反應(yīng)速度、湍流問題，引入現(xiàn)代控制理論48結(jié)晶器內(nèi)流場控制結(jié)晶器內(nèi)流場控制 結(jié)晶器內(nèi)卷渣1. 鋼液回流導(dǎo)致鋼液與保護(hù)渣之間產(chǎn)生剪切流導(dǎo)致靜態(tài)下渣。2. 流場快速變化導(dǎo)致動(dòng)態(tài)卷渣。3. 由偏流引起的SEN附近的卡門漩渦導(dǎo)致卷渣。4. 由SEN出來的氬氣泡上升到液面處破裂導(dǎo)致渣帶入鋼液。5. 鋼流以固定速度流經(jīng)SEN時(shí)，由于回壓降低引起卷渣。圖42.保護(hù)渣卷渣的圖示49結(jié)晶器內(nèi)流場控制結(jié)晶器內(nèi)流場控制 保護(hù)渣卷渣