包鋼重軌鋼液氫含量的變化

包鋼重軌鋼液氫含量的變化

隨著中國(guó)重車高速運(yùn)營(yíng)的蓬勃發(fā)展，對(duì)重車質(zhì)量的要求也日益提高。重軌是一種高強(qiáng)度、細(xì)珠光體鋼,它對(duì)鋼中氫有較高的敏感性。過量的氫與應(yīng)力作用會(huì)使鋼軌產(chǎn)生白點(diǎn),影響重軌鋼的質(zhì)量。在重軌鋼冶煉過程中,氣相中的水分通過反應(yīng)使氫溶解到鋼液中。沒有渣相存在時(shí),水蒸汽直接與鋼液進(jìn)行反應(yīng);而當(dāng)有渣相存在時(shí),水蒸汽首先以離子形式進(jìn)入渣中,然后再溶解到鋼液中。對(duì)于堿度較高的熔渣,水蒸汽在渣中形成氫氧根離子(O2-+H2O→2OH-),然后再進(jìn)一步溶解到鋼中。Fuwa等在這方面進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)室研究,但渣中的[O2-]和[OH-]不易確定,所以很難通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室研究,得到氫進(jìn)入到鋼液中達(dá)到平衡時(shí)的含量。有關(guān)鋼液中氫含量的現(xiàn)場(chǎng)研究工作不多,冼愛平等人對(duì)模鑄生產(chǎn)重軌鋼水中氫含量的變化進(jìn)行過現(xiàn)場(chǎng)取樣研究。本文作者研究了包鋼重軌鋼從轉(zhuǎn)爐出鋼到結(jié)晶器各工序(未經(jīng)過VD真空處理)鋼液中氫含量的變化規(guī)律,為降低冶煉過程中鋼水的氫含量和VD真空處理工藝提供必要的參數(shù)。1瀝青焦增碳試驗(yàn)在包鋼生產(chǎn)重軌鋼時(shí),測(cè)定了從轉(zhuǎn)爐出鋼到結(jié)晶器各工序鋼液中(未經(jīng)過VD真空處理)氫含量的變化。共進(jìn)行了70爐工業(yè)實(shí)驗(yàn),U74重軌鋼45爐,其中轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)采用無煙煤增碳7爐,采用瀝青焦增碳38爐;U71Mn鋼25爐,均采用瀝青焦增碳。表1給出了冶煉工藝基本參數(shù)。生產(chǎn)重軌鋼時(shí),從各工序的鋼液取樣,進(jìn)行氫含量的變化分析。用樣勺從轉(zhuǎn)爐熔池或鋼包中取出鋼水,脫氧后用d5mm的石英管吸取長(zhǎng)約120mm左右的液態(tài)鋼樣,迅速淬入冷水中,取出樣品后放入干燥的玻璃管中,置于液氮或干冰-酒精冷卻劑的保溫瓶中,即送定氫分析。將試樣依次截成15mm長(zhǎng)棒狀,對(duì)于表面或斷口上有疏松、裂紋、氣孔等的樣品均不采用,經(jīng)四氯化碳清洗并吹干。氫含量測(cè)定是在美國(guó)LECO公司生產(chǎn)的定氫儀上進(jìn)行,每個(gè)數(shù)據(jù)由2～3個(gè)平行樣測(cè)定所得。2無煙煤加量鋼的氫含量變化冶煉U74重軌鋼時(shí),各工序氫含量的分布情況如圖1所示。采用無煙煤作增碳劑,鋼中氫含量比采用瀝青焦作增碳劑普遍要偏高(除在中間包處最大值一點(diǎn)外)。加入無煙煤和瀝青焦增碳所對(duì)應(yīng)的最大氫含量非常接近,而最小氫含量相差很大,特別是在精煉后,加入無煙煤,鋼中的氫含量在各個(gè)工序都比加入瀝青焦的高出近一倍。另外,采用瀝青焦作為增碳劑時(shí),轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼中氫含量波動(dòng)范圍比采用無煙煤作增碳劑時(shí)要大。不同鋼種(U74和U71Mn)在各工序中的氫含量變化如圖2所示。兩種情況下,氫含量的最大值非常接近。氫含量的最小值在精煉前后有明顯的差別,在這個(gè)期間,添加Mn的U71Mn鋼其氫含量較U74鋼高1.5×10-6左右。但在中間包和結(jié)晶器處,兩種情況鋼中的氫含量較為接近。U71Mn鋼LF精煉后氫含量的平均值比U74鋼高1×10-6。鋼中加入Mn后,鋼中氫含量略有增加,這與Fuwa從熱力學(xué)分析的結(jié)果是一致的。從實(shí)驗(yàn)平均值來看,轉(zhuǎn)爐出鋼前熔池中鋼水氫含量為2.2×10-6～2.6×10-6左右,都小于3×10-6。從整個(gè)過程氫含量的變化看,轉(zhuǎn)爐出鋼過程(轉(zhuǎn)爐出鋼到精煉前)氫含量的平均值增加至5.4×10-6左右,這占全部增氫量的75%,所以這一階段是鋼液增氫的主要環(huán)節(jié)。精煉后,鋼中氫含量又增至6.2×10-6,占全部增氫量的25%。在中間包和結(jié)晶器中,鋼液中氫含量的平均值降至5.8×10-6左右,降低量大約為10%左右。實(shí)驗(yàn)研究了不同氣候情況,出鋼時(shí)加入不同含水量的固體材料(增碳劑和合金劑)對(duì)鋼液中增氫的影響,結(jié)果如表2所示?？梢?在加入材料的水份量相同情況下,雨天和晴天對(duì)出鋼過程鋼液中氫含量影響甚小。3分析與討論3.1出鋼過程與氫含量的關(guān)系包鋼鐵水的氫含量在2×10-6左右。正常情況下,轉(zhuǎn)爐氫含量的變化主要是由于爐料帶入了水。包鋼轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)帶入熔池總水份量為18～35kg,鋼水量為82t。如假定1/10為鋼水吸收,則氫含量要增加2.2×10-6～4.3×10-6,這個(gè)值大于圖1和圖2中轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束時(shí)鋼中氫含量的變化。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中,氧氣頂吹會(huì)產(chǎn)生大量的CO氣泡,氣泡上浮時(shí)會(huì)將鋼水中的氫帶走,鋼水的排氫速度與脫碳速度成正比。包鋼轉(zhuǎn)爐冶煉在脫碳時(shí)供氧速度為1500m3/h,噴吹時(shí)間為19～20min。鋼水脫碳速度很快,材料帶入的水份大部分被排除。轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束時(shí)鋼中氫含量的平均值大都小于3×10-6。另外,出鋼溫度對(duì)氫含量的影響不大。如前所述,鋼液中氫含量的增加主要發(fā)生在轉(zhuǎn)爐出鋼過程。增加的氫可能來自于出鋼時(shí)加入精煉包內(nèi)的增碳劑、合金材料等所攜帶的水份和出鋼時(shí)從大氣中吸收的水份。在出鋼過程中需要在精煉包內(nèi)加入一些材料(如增碳劑,脫氧劑和合金元素等),其帶入的水份引起轉(zhuǎn)爐出鋼過程中鋼液氫含量的變化如圖3所示。隨著水份含量增加,鋼液中氫含量增加。因?yàn)樵谏a(chǎn)中轉(zhuǎn)爐周圍的溫度較高,使這部分環(huán)境中水蒸汽分壓低于外界大氣中水蒸汽分壓。而且,在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入一些固體材料使得精煉包內(nèi)發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量氣體。氣體從鋼水包中排出時(shí),使鋼包內(nèi)形成正壓,這將阻礙鋼水與空氣的接觸。從表2可見,在包鋼的條件下,氣候條件變化對(duì)出鋼過程增氫的影響不大。應(yīng)該指出,這與冼愛平等人在攀鋼所得到結(jié)果不同,其原因是攀鋼在出鋼過程中氫含量增加1×10-6左右,而包鋼在出鋼過程中氫含量的變化在3×10-6左右,明顯高于攀鋼的水平。由于上述原因,在包鋼生產(chǎn)條件下,出鋼過程中氫含量的增加主要是由于添加材料所帶入的水分而直接引起的。3.2精密度與鋼液氫含量的關(guān)系精煉過程中,造渣劑和合金材料帶入的水份與鋼液中氫含量變化關(guān)系如圖4所示。同樣,隨著帶入水份的增加,鋼液中氫含量也增加。但與圖3相比,氫含量增加的程度小得多。精煉過程全程吹氬,使?fàn)t內(nèi)水蒸汽分壓變小。氬氣在鋼液中產(chǎn)生小氣泡,氣泡上浮時(shí)會(huì)帶走鋼液中的氫,使精煉過程鋼液增氫量變小。LF精煉爐吹氬速度為10～12m3/h,吹氬時(shí)間為35～40min。精煉時(shí)吹氬與轉(zhuǎn)爐冶煉吹氧脫碳對(duì)除去鋼液中的氫有類似的效果,但轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)供氧量比精煉時(shí)吹氬量多得多,脫碳的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精煉時(shí)氬氣上浮的速度。所以,在精煉過程中加入材料帶入的水分去除不多,但這一過程氫含量的增加比出鋼過程小得多。LF爐精煉時(shí)間與鋼液氫含量的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯黾訜釙r(shí)間對(duì)氫含量變化影響不大。同樣,LF爐的終點(diǎn)溫度對(duì)鋼液氫含量變化影響也不大。由此可見在包鋼的冶煉條件下,為得到高質(zhì)量的重軌鋼,采用VD真空處理是非常必要的。3.3鋼液溫度對(duì)鋼中氫含量的影響中間包、結(jié)晶器工序鋼中氫含量與精煉工序鋼中氫含量相比有少量降低。在中間包和結(jié)晶器工序中,鋼液上有保護(hù)渣,鋼液不會(huì)與空氣接觸。所以,在這兩工序中只有溫度參數(shù)變化。中間包、結(jié)晶器工序溫度對(duì)鋼液中氫含量的影響,可通過式(1)計(jì)算得到。[H]=KH2OpH2O/[O]???????√(1)[Η]=ΚΗ2ΟpΗ2Ο/[Ο](1)假設(shè)大氣中,pH2O=300Pa,鋼中[O]=0.002。鋼水澆注溫度為1808K,中間包內(nèi)鋼液溫度為1768K,則對(duì)應(yīng)于兩個(gè)溫度下鋼液中氫含量分別為12.2×10-6和10.