(國(guó)際低合金會(huì)議論文30)高強(qiáng)度低合金鋼中非金屬夾雜物—來(lái)源、檢測(cè)和提高潔凈度的耐火系統(tǒng)

1、高強(qiáng)度低合金鋼中非金屬夾雜物來(lái)源、檢測(cè)和提高潔凈度的耐火系統(tǒng)摘要：高強(qiáng)度低合金鋼需要極低水平的P、S、H 和 Ot這樣的殘余元素。出鋼過(guò)程中，用鋁對(duì)鋼進(jìn)行脫氧，在二次冶金過(guò)程中抽取出硫(< 10 ppm)和氫(< 1 ppm)。罐脫氣之后，通過(guò)喂線形成CaS代替MnS，對(duì)鋼進(jìn)行強(qiáng)鈣處理。鋼中的非金屬夾雜物和MnS中心偏析是導(dǎo)致HIC（氫致開(kāi)裂）氫阱。因此這些鋼要求優(yōu)良的氧化物潔凈度和< 10 ppm的硫含量。> 50 m的的大型夾雜物對(duì)產(chǎn)品有害。很難檢測(cè)到這些大型夾雜物。< 15 m的夾雜物對(duì)產(chǎn)品無(wú)害。非金屬夾雜物的來(lái)源，簡(jiǎn)單地說(shuō)，脫氧產(chǎn)物、再氧化產(chǎn)物與耐火材料和

2、保護(hù)渣各占三分之一。主要通過(guò)敏感電子儀器避免鋼包下渣。金屬在鋼包、中間包、結(jié)晶器之間傳輸?shù)倪^(guò)程中，渣蓋和鋼水護(hù)板系統(tǒng)能有效避免再氧化。中包中控制鋼水流動(dòng)的系統(tǒng)和結(jié)晶器有利于鋼流中夾雜物漂浮和均勻分布。關(guān)鍵詞：超低含量P、S、H；提取冶金；Ca處理；大包下渣控制；夾雜物的去除；檢測(cè)系統(tǒng)Non-metallic Inclusions in HSLA Steel Origin, Detection and Refractory Systems to Improve CleannessAbstract: HSLA steels need extremely low levels of tramp el

3、ements like P, S, H and Ot. During tapping the steel is de-oxidized with aluminum and in the secondary metallurgy sulphur (< 10 ppm) and hydrogen (< 1 ppm) are extracted. After tank degassing the steel is strongly Ca-treated by wire feeding to form CaS instead of MnS. Non-metallic inclusions i

4、n the steel and centre segregation with MnS are sinks for hydrogen which result in HIC (Hydrogen Induced Cracking). Therefore these steels ask for excellent oxide cleanness and S-contents of < 10 ppm. Macro inclusions of > 50 m are harmful for the product. These large inclusions are seldom and

5、 difficult to be detected. Small inclusions of < 15 m do no harm to the product. The origin of non-metallic inclusions is, roughly spoken, one third each of de-oxidation- / re-oxidation products, refractory and casting powder. Slag carry-over is mainly avoided by sensitive electronic devices. Sla

6、g covers and shrouding systems of the steel stream during the transfer of metal between ladle, tundish and mold are effective to avoid reoxidation. Systems to control the flow of steel in tundish and mold favor the floatation of inclusions and their even distribution in the strand.Key words: Extra l

7、ow contents of P, S and H. Extraction metallurgy, Ca-treatment, control of slag carry-over, shrouding, flow control, separation of inclusions, inspection systems.高強(qiáng)度低合金鋼主要用于大直徑管線、近海設(shè)備和重型機(jī)械。它們對(duì)非金屬夾雜物和中心偏析這樣的內(nèi)部缺陷非常敏感。如果要求酸性氣體服務(wù)，可能會(huì)出現(xiàn)氫致裂紋(HIC)。 鋼廠的生產(chǎn)線必須實(shí)現(xiàn)將殘余元素降低至最小值、在狹窄的范圍內(nèi)精確合金化、連鑄期間溫度接近液態(tài)。1 化學(xué)成分要求 圖1的

8、餅圖示出為了保證鋼的潔凈度對(duì)各種元素的限制。圖1 描述鋼潔凈度的標(biāo)準(zhǔn)在高強(qiáng)度低合金鋼中，為了提高焊接性能，碳含量應(yīng)小于50 ppm，為了保證有效的鈣處理，硫含量不得超過(guò)10 ppm，磷含量目標(biāo)值小于120 ppm。由于超過(guò)50µm的大型夾雜物是氫阱，還是萌生裂紋的缺口，氧化物清潔非常重要。圖2 鋼廠工藝線圖2示出這樣的鋼的生產(chǎn)線。對(duì)鐵水進(jìn)行預(yù)處理，以降低硫含量。吹進(jìn)碳化鈣。在日本，鐵水被脫硅脫磷。采用所謂的小渣量工藝，磷含量可被降低到極低水平。.在出鋼重量大約250 t的大型轉(zhuǎn)爐上生產(chǎn)出超過(guò)80 %的鋼。通過(guò)多孔磚，從底部吹氬或吹氮。圖3顯示，通過(guò)大量注入氬氣，不增加渣中Fe含量，可

9、降低終點(diǎn)磷含量。出鋼時(shí)必須無(wú)渣，使用浮塞、陶瓷球或滑動(dòng)門系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)爐中阻擋渣。在出鋼過(guò)程中，添加主要合金和脫氧成分，以促進(jìn)小非金屬顆粒的凝固，并有利于去除這些顆粒。一些鋼廠使用鋼包爐（LF）。磷含量較低（圖4），可通過(guò)電力加熱熔體。然后在鋼包爐添加合金元素并脫硫。脫硫渣應(yīng)完全覆蓋鋼水，以免周圍空氣使其氧化還原。圖3 底部供氣對(duì)終點(diǎn)磷含量的影響圖4 出鋼溫度對(duì)終點(diǎn)磷含量的影響 氫被減至小于1 ppm，硫被減至小于10 ppm。除氣器允許取樣、測(cè)量溫度并添加合金。添加的鋁和其它添加物的氧化被限制為接近零的水平。 處理后，通過(guò)喂絲添加硅鈣合金(CaSi)。這種強(qiáng)處理允許MnS變形進(jìn)入軋制期間不變形的

10、CaS，并提高HIC性能。添加絕緣粉，在鋼包上加蓋。然后將鋼包送至板坯連鑄機(jī)。2 連續(xù)澆注來(lái)自二次冶金的鋼是潔凈的。在出脫氧產(chǎn)品時(shí)，由于出鋼鋼水流和重氬（氮）攪拌，氧化鋁在湍流中被混凝。它們上浮，與添加的石灰、脫硫渣積聚在一起。必須在整個(gè)澆注過(guò)程中保持這種良好的潔凈狀態(tài)。因此保護(hù)系統(tǒng)、惰性氣體和鋼水流動(dòng)控制是非常必要的。2.1 鋼包和中間包之間的防護(hù)主要采用兩種系統(tǒng)。防護(hù)幕是一個(gè)陶瓷管，用與纖維密封將其鋼包噴嘴相連，用氬沖洗。該管深入到中間包中。圖5示出一個(gè)雙壓力盒系統(tǒng)。在這樣的情況下，旋轉(zhuǎn)滑門有一個(gè)降低進(jìn)入砂中的圓環(huán)。以一定的超壓，將氬氣吹入容器中，以避免卷入周圍的空氣中。在中報(bào)澆注期間，鋼

11、水流和液面的表面未受到保護(hù)。鋼可能被氧化還原，總氧和氮量增加。圖5 雙盒防護(hù)系統(tǒng)圖6顯示，通過(guò)與來(lái)自鋼包的潔凈鋼重新混合，總氧和氮量大幅度下降。實(shí)現(xiàn)大約15 ppm的全氧量并處于穩(wěn)定狀態(tài)，大約需20分鐘時(shí)間。然后將鋼包運(yùn)送到右邊的澆注箱，打開(kāi)電渣檢測(cè)系統(tǒng)。大部分下渣可得以避免。圖6 氧和氮的時(shí)間剖面渣量被限制為幾kg，保留在箱內(nèi)。主澆注箱很潔凈。圖7 來(lái)自渣檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)圖7示出AMEPA系統(tǒng)的典型信號(hào)。報(bào)警聲是尖利的，鋼包水口自動(dòng)關(guān)閉。流入中包的渣被乳化，氧化物夾雜被送進(jìn)連鑄流中。渣檢測(cè)系統(tǒng)得到了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以降低下渣重量。但是，必須牢記，留在鋼包中的鋼隨渣量的降低而增加。圖8示出結(jié)果。通過(guò)

12、顯微鏡掃描，進(jìn)行了大約100 cm2的的大面積研究。每cm2的夾雜物數(shù)量隨直徑的增加而下降。大型夾雜物很少。上面的曲線示出乳化渣的數(shù)值，下面的曲線示出脫氧和氧化還原產(chǎn)物，粒子尺寸為3364 m。圖8 作為尺寸一個(gè)函數(shù)的有下渣和無(wú)下渣的夾雜物數(shù)量當(dāng)然，還會(huì)出現(xiàn)較小的夾雜物，但在研磨而未拋光的試樣上，很難檢測(cè)到這些夾雜物。對(duì)于如果對(duì)鋼產(chǎn)生影響的渣，尺寸增加到150 m。即使這些夾雜物尺寸更大，在冶金研究的大面積平行面上也是很少被發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)氧化鋁也是同樣的情況。圖9表明，單壓力盒改為雙壓力盒以及最后但并非不重要的是渣檢測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致潔凈度改善。連續(xù)澆注過(guò)程中鋼坯過(guò)渡段的截留率被降低，鋼坯尾部降低得更

13、多。像預(yù)期的一樣，開(kāi)始狀態(tài)保持不變。 中包對(duì)去除夾雜物非常重要。這與流型有很大關(guān)系。湍流塞使鋼流速度降低，導(dǎo)致向上流動(dòng)。鋼向彎月面移動(dòng)，到達(dá)中包側(cè)壁。與彎月面的距離較小有助于去除夾雜物。撇渣器小壩應(yīng)安裝在靠近鋼包流的地方，以有足夠的脈沖影響流動(dòng)方向。這尤其適用于對(duì)于低拉速連鑄機(jī)。 圖10中的清洗塊可與中包底板合并在一起。一個(gè)必須打開(kāi)渣蓋的氬氣幕有助于非金屬夾雜顆粒漂浮出去，在中包渣中溶解。氣體通過(guò)耐火材料的孔，將氣體釋放出去。圖11表明，在2.3 m/min的澆鑄速度下，這種清洗技術(shù)得到了改進(jìn)。很多試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)這種系統(tǒng)的益處。澆注速度從2.3 降至1.0 m/min使夾雜物數(shù)量進(jìn)一步減少。圖1

14、1 中包中氬氣清洗和澆注速度對(duì)夾雜物數(shù)量的影響2.2 中包和結(jié)晶器之間的護(hù)板用一個(gè)浸入式噴管保護(hù)中包和結(jié)晶器之間的鋼流。通常分叉噴管使熔體均勻分布。必須避免非金屬夾雜物的沉淀物干擾鋼水流動(dòng)。為此，必須保持精確的鋼包冶金、良好的防護(hù)和隔離狀態(tài)。圖12表明，如果發(fā)生堵塞，結(jié)晶器中的鋼流是不勻稱的。下面的圖中有著強(qiáng)鋼流的側(cè)面的夾雜物比有弱鋼流的那面的夾雜物多得多。這意味著，鋼水多夾雜物多，鋼水少顆粒少。這些結(jié)果已用一個(gè)單端口潛入噴管進(jìn)行了檢驗(yàn)。圖12 板坯結(jié)晶器中的流動(dòng)模式和夾雜物分布夾雜物陷在凝固前沿。噴管未顯示出堵塞的跡象，即使鋼流并不是總是穩(wěn)定的。鋼流從右向左流動(dòng)，即使在穩(wěn)定狀態(tài)下。圖13 使

15、用MIDAS連續(xù)板坯中夾雜物的分布圖13示出采用MIDAS試驗(yàn)方法，管線鋼連續(xù)板坯中的結(jié)果。帶一個(gè)較窄的傳動(dòng)軸的潛入噴管較為合適，但更難處理。 通常通過(guò)栓塞桿喂氬氣。這支持一個(gè)合適的護(hù)板，幫助噴管免于堵塞，改善結(jié)晶器中的流型，尤其是在澆鑄寬板坯時(shí)。這種氬氣技術(shù)能導(dǎo)致氣泡分散，這種氣泡不能上升到彎月面。它們是導(dǎo)致氫致裂紋的氫阱，因此氬氣不應(yīng)被用于酸性氣體服務(wù)的管線鋼。3 夾雜物的尺寸和分布大多數(shù)高強(qiáng)度低合金鋼板坯連鑄機(jī)是彎曲機(jī)。非金屬夾雜物在鋼流中自由移動(dòng)，并由于密度低而上升。已討論了需要板坯結(jié)晶器中的對(duì)稱流型的問(wèn)題。下面將討論粒子尺寸、夾雜物重新分布和從液態(tài)鋼中去除夾雜物等問(wèn)題。圖14示出夾雜

16、物的分布情況。根據(jù)微觀研究的大面積試樣闡述了這些研究的結(jié)果。使用評(píng)定量表測(cè)得夾雜物直徑。圖顯示出不同夾雜物尺寸曲線。圖14 夾雜物尺寸分布很少見(jiàn)大型夾雜物，小夾雜物出現(xiàn)得頻繁得多。上下表面夾雜物的數(shù)量相同。這代表來(lái)自中包的鋼的潔凈度。夾雜物在初始凝固過(guò)程中直接凝結(jié)。在液態(tài)熔體中，由于夾雜物的密度比鋼的密度低，夾雜物上升。在結(jié)晶器中，上下側(cè)面的鋼水變得較為潔凈。隨著凝固的進(jìn)展，內(nèi)半徑的坯殼阻止夾雜物上升并使其困在其中。在上側(cè)面形成一個(gè)夾雜物帶。能達(dá)30 -40 mm的最大殼厚。下側(cè)面一直保持潔凈。不同夾雜物尺寸的峰值不同。大型夾雜物與小夾雜物更接近表面。這將見(jiàn)解引入粒子的上升速率。大型夾雜物比小

17、夾雜物分離得快。它們到達(dá)離彎月面較近的地方，在這里殼厚較小。小型夾雜物上升較慢，到達(dá)的區(qū)域的殼已經(jīng)增長(zhǎng)至40 mm厚。夾雜物帶是夾雜物從底部向上部移動(dòng)的結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了平衡。下側(cè)面的潔凈與夾上側(cè)面夾雜物的增加正好對(duì)應(yīng)。4 夾雜物的起源非金屬夾雜物主要有三種來(lái)源，如圖15中條形圖所示：脫氧產(chǎn)物品、氧化還原產(chǎn)物、耐火材料造成的夾雜物。涉及到保護(hù)渣。很少發(fā)現(xiàn)來(lái)自耐火材料或設(shè)備的顆粒。它們通常比較大，很容易在中包澆注開(kāi)始時(shí)去除。.通過(guò)氧化鋁對(duì)脫氧和氧化還原產(chǎn)物進(jìn)行表征。保護(hù)渣含有夾雜物中發(fā)現(xiàn)的氟化物。結(jié)晶器的流型必須是一種不讓保護(hù)渣乳化的形式。圖15 有害夾雜物的來(lái)源如描述所述，鋼在不同容器的傳輸過(guò)程中的

18、防護(hù)和粒子分離適宜的條件是必須控制的最重要的技術(shù)。這從出鋼過(guò)程中的熔化單元開(kāi)始，在澆注過(guò)程結(jié)束。什么是潔凈鋼？鋼產(chǎn)品中出現(xiàn)缺陷的原因通常是必須在煉鋼過(guò)程避免的大型夾雜物。夾雜物級(jí)別低是對(duì)潔凈鋼的要求之一，但不是唯一的要求?！皾崈翡摗敝攸c(diǎn)在于鋼產(chǎn)品及其應(yīng)用。從這些角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于車體來(lái)說(shuō)，軸承鋼、近海設(shè)備和管線或冷拔鋼絲的高強(qiáng)度應(yīng)用，必要的潔凈度可能差別很大。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，應(yīng)用產(chǎn)品厚度降低時(shí)，這些要求可能更苛刻。 在這種背景下，夾雜物的位置和形變能力非常重要。二次冶金過(guò)程中的夾雜物工程技術(shù)是控制夾雜物形變能力的一種非常常用的措施。鑄坯中夾雜物的位置可能受機(jī)器設(shè)計(jì)、澆注速度和結(jié)晶器的流動(dòng)控制的影響。5 檢測(cè)系統(tǒng) 主要缺陷是超過(guò)40 m的大型夾雜物。這種夾雜物很少，很難發(fā)現(xiàn)，像大海撈針一樣?！皾崈翡摰臏y(cè)量比生產(chǎn)更難?！毙枰?0 kg重的大試樣和MIDAS系統(tǒng)。圖16 MIDAS或硫印比較氧化物潔凈度的結(jié)果 硫印是另一種有價(jià)值的含硫鋼檢驗(yàn)系統(tǒng)。微觀研究適合微觀清潔度，但由于檢驗(yàn)體積太小，不能發(fā)現(xiàn)大型夾雜物。 對(duì)夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)判。圖16示出一種高強(qiáng)度低合金管線鋼試樣，該試樣用于MIDAS 檢驗(yàn)。左側(cè)面顯示出的窄面附近的MIDAS試樣有大型