lf精煉過(guò)程鋼液氫含量的測(cè)定

lf精煉過(guò)程鋼液氫含量的測(cè)定

通過(guò)埋弧加熱、呼吸攪拌和白渣精煉，lf精煉通過(guò)加熱和氧化以改變混合物的形狀。然而LF精煉過(guò)程中時(shí)常伴隨著增氫現(xiàn)象,氫的殘留嚴(yán)重影響鋼的質(zhì)量和性能。鋼中氫的存在會(huì)引起白點(diǎn)、層狀斷裂等缺陷,對(duì)鋼鐵的機(jī)械特性產(chǎn)生非常嚴(yán)重的損壞效果,特別是它可形成孔隙,使裂縫更加敏感,嚴(yán)重降低鋼的強(qiáng)度、塑性、疲勞壽命和沖擊韌性等力學(xué)性能。其中氫含量過(guò)高的最大危害是容易產(chǎn)生白點(diǎn)。研究表明,只要鋼中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.0×10-6就不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)。但是隨著鋼中硫含量的急劇降低,鋼材產(chǎn)生白點(diǎn)的敏感性急劇升高。為了探索LF精煉過(guò)程中氫含量的變化規(guī)律,對(duì)LF精煉過(guò)程氫含量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定,并分析其變化的原因。1初始?xì)滟|(zhì)量分?jǐn)?shù)為了測(cè)定某鋼廠LF精煉過(guò)程中氫的變化規(guī)律,利用上海賀利氏定氫儀HYDRIS直接測(cè)定鋼包中鋼液的氫含量。它是以氮?dú)庾鳛檩d氣通過(guò)探頭進(jìn)入鋼液并吸收鋼液中的氫,直到載氣中氫含量與鋼液中氫含量達(dá)到平衡為止,利用鋼液中的氫和載流氣體的氣泡氫分壓的關(guān)系,采用熱導(dǎo)率檢測(cè)器(TCD)來(lái)監(jiān)控氮載氣體離開(kāi)熱導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)速度率,通過(guò)內(nèi)置微處理器完成數(shù)據(jù)計(jì)算,確定鋼液中的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。HYDRIS系統(tǒng)測(cè)量范圍是(0.5～14.0)×10-6,測(cè)量時(shí)間為30～120s,測(cè)量誤差小于0.15×10-6。LF精煉過(guò)程鋼包容量為50t,鋼液初始?xì)滟|(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為3.34×10-6,最大4.9×10-6,最小2.5×10-6。16MnR(AR)鋼冶煉的工藝流程為高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐復(fù)吹→出鋼→LF精煉→連鑄→中板廠。2lf精制過(guò)程鋼水增氫量分析模型利用賀利氏定氫儀對(duì)LF精煉的升溫、脫硫及合金化、鈣處理及軟吹氬3個(gè)階段的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定,隨爐測(cè)定30爐。表1為16MnR(AR)鋼LF精煉過(guò)程氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的原始數(shù)據(jù)。由表1可知,LF升溫、脫硫及合金化、鈣處理及軟吹氬階段均存在增氫現(xiàn)象。LF精煉過(guò)程鋼水總增氫量為1.32×10-6,LF升溫階段增氫量為(0.5～0.8)×10-6,平均為0.64×10-6,占LF精煉增氫量的48.48%;LF脫硫及合金化階段增氫量為(0.2～0.3)×10-6,平均為0.22×10-6,占LF精煉增氫量的16.67%;LF鈣處理及軟吹氬階段增氫量為(0.4～0.6)×10-6,平均為0.46×10-6,占LF精煉過(guò)程增氫量的34.85%。2.1lf精制增氫機(jī)理LF升溫階段是在還原性氣氛下利用電弧加熱提高鋼水溫度,補(bǔ)償處理過(guò)程鋼水溫降及造渣、合金化的吸熱。表2為L(zhǎng)F精煉輔料每爐加入量及水分。由表1可知,LF升溫過(guò)程氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均增加0.64×10-6。假設(shè)在升溫過(guò)程中10%的水分進(jìn)入鋼液中,根據(jù)表2中輔料加入量及水含量可計(jì)算出每爐埋弧渣和精煉渣帶入鋼液的水分質(zhì)量為9kg,鋼液為50t,理論上升溫階段增氫量為1.79×10-6,比實(shí)際的增氫量高1.15×10-6。這是由于LF精煉過(guò)程鋼水進(jìn)入鋼包后,氬氣通過(guò)鋼包底部的透氣磚不斷吹入鋼液中,形成大量的氬氣泡,對(duì)氫氣來(lái)說(shuō),相當(dāng)于一個(gè)小“真空室”,氫分壓幾乎為零,于是溶解在鋼液中的氫氣不斷向氬氣泡中擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程中,氫在氬氣泡中的分壓隨著氣泡上升而增加,但氣泡在鋼液中受熱膨脹,因而氫的分壓仍能保持較低的水平,故上浮過(guò)程中繼續(xù)吸收氫,最后隨著氬氣泡上浮而逸出鋼液。西華特表達(dá)式為:lgw([H])pH2√=?1670T?1.68(1)lgw([Η])pΗ2=-1670Τ-1.68(1)式中:w([H])為鋼液中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù);pH2為爐內(nèi)氫分壓。由式(1)可知,鋼液溫度一定時(shí),鋼液中的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫分壓成正比。不斷吹氬的過(guò)程中,氫分壓幾乎為零,氫氣逐漸逸出,鋼液氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。另外,氬氣上浮時(shí)引起的鋼液攪動(dòng),有利于氣相成核及氣體的排除。因此吹氬有利于排氫。但是排氫不能完全將渣料水分帶入的氫完全去除,因此升溫過(guò)程仍增氫0.64×10-6。LF升溫過(guò)程電極加熱時(shí),電弧最高溫度可達(dá)到6273K。電弧作用到鋼液的溫度高達(dá)2400～2600K。根據(jù)式(1)可知,氫分壓一定時(shí),溫度升高,鋼液中氫的溶解度增加?？梢?jiàn),LF精煉升溫時(shí),電弧高溫使H2O產(chǎn)生電離是鋼液增氫的一個(gè)重要因素。為防止電弧區(qū)鋼液裸露,采用泡沫渣埋弧精煉可保證鋼液面不裸露,避免氫氣被電離后直接進(jìn)入鋼液。LF精煉升溫階段增氫主要是埋弧渣和精煉渣水分進(jìn)入鋼液引起的。應(yīng)盡量減少精煉渣和埋弧渣的水分,保證長(zhǎng)期埋弧作業(yè)。2.2大吹時(shí)間及底吹強(qiáng)度對(duì)增氫量的影響為了改善脫硫的動(dòng)力學(xué)條件,提高反應(yīng)速率,使各區(qū)域鋼水溫度均勻,脫硫及合金化階段應(yīng)在大吹氬條件下進(jìn)行。圖1為脫硫階段大吹氬時(shí)間與增氫量的關(guān)系。由表1可知,脫硫及合金化階段增氫量平均為0.22×10-6。由圖1可知,隨著大吹氬時(shí)間增加,增氫量持續(xù)上升。這是由于脫硫階段采用大吹氬方式攪拌,雖然吹氬有利于排氫,但是大吹氬過(guò)程中,隨著氬氣流量的增大,氬氣的壓力增大,會(huì)引起卷渣,同時(shí)伴有鋼液裸露,導(dǎo)致氫含量的上升。而在LF過(guò)程中,由于鐵合金經(jīng)過(guò)烘烤,含水量非常少(小于0.1%),故忽略不計(jì)。因此,為了控制脫硫及合金化階段的增氫,應(yīng)選擇合適的吹氬強(qiáng)度。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐,底吹氬強(qiáng)度不宜過(guò)大,一般控制在2.7～4.2L/(t·min);大吹氬時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),一般控制在2～4min,是避免脫硫階段增氫的重要手段。2.3軟吹有利于al2o3鋼液的跨壓鑄造鈣處理及軟吹氬階段喂Si-Ca線使鈣與Al2O3顆粒作用生成鈣鋁酸鹽。這種鈣鋁酸鹽夾雜物大部分浮出鋼液,進(jìn)入渣層,起到對(duì)Al2O3夾雜物變性處理的作用,可防止水口結(jié)瘤,確保澆鑄順利進(jìn)行,提高鋼材性能。軟吹氬一方面有利于均勻溫度和均勻成分;另一方面有利于夾雜物的聚集、上浮。2.3.1喂線速度對(duì)氫脆質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響圖2為Si-Ca線喂線量與增氫量關(guān)系。由圖2可知,鈣處理階段增氫量和喂線量有關(guān)。由表1可知,鈣處理及軟吹氬階段增氫0.36×10-6。鈣處理階段采用含水量為0.133%左右的Si-Ca線,喂Si-Ca線前后增氫量隨著喂線量的增加有上升趨勢(shì)。假設(shè)鈣處理階段Si-Ca線中的水分全部進(jìn)入鋼液中,有如下公式:w([H])=LSiCa×ρSiCa×χH2O×2AHAH2Omsteel(2)w([Η])=LSiCa×ρSiCa×χΗ2Ο×2AΗAΗ2Οmsteel(2)式中:LSiCa為Si-Ca線長(zhǎng)度;ρSiCa為SiCa線密度;AH2O為水的相對(duì)分子質(zhì)量;AH為氫的相對(duì)原子質(zhì)量;χH2O為Si-Ca線中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù);msteel為鋼液質(zhì)量。可計(jì)算出線密度為115g/m,長(zhǎng)度為289m的Si-Ca線水分全部進(jìn)入鋼液時(shí)的增氫量?jī)H為0.1×10-6。因此鈣處理階段增氫并非硅鈣線帶入水分所致,而是喂線速度過(guò)快導(dǎo)致渣眼過(guò)大,甚至鋼液大面積的裸露,鋼水吸收空氣中水分所致?？梢?jiàn),喂線速度對(duì)喂線效果影響很大,直接影響到合金收得率的數(shù)值和鋼液氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。根據(jù)公式:vCa?Si=0.20msteel0.334/[δ×(1?δ/DCaSi)](3)vCa-Si=0.20msteel0.334/[δ×(1-δ/DCaSi)](3)式中:vCa-Si為Ca-Si線的喂線速度,m/s;δ為鐵皮的厚度,mm;DCa-Si為Ca-Si線的直徑,mm。用式(3)可確定直徑為10mm、鐵皮厚0.3mm的Si-Ca線的喂線速度為2.39m/s。這一結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中的喂線速度基本吻合。實(shí)際生產(chǎn)中確定喂線速度,不僅要保證鋼液裸露面積小,同時(shí)需要考慮脫硫效率、夾雜物等因素。2.3.2軟吹時(shí)間的確定軟吹氬階段有利于夾雜物的上浮和氣相成核。因此軟吹氬有利于排氫,并非增氫環(huán)節(jié),應(yīng)保證合適的軟吹氬時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)中軟吹氬時(shí)間一般保證在8min以上,有利于脫硫效率的提高和夾雜物的去除。2.3.3包覆劑的影響表3為30爐試驗(yàn)鋼LF精煉過(guò)程中從加大包覆蓋劑到LF精煉結(jié)束(20min)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。由表3可知,加大包覆蓋劑增氫量平均僅為0.15×10-6。考慮到儀器的誤差,加大包覆蓋劑對(duì)LF精煉過(guò)程增氫基本上沒(méi)有影響。因此只要控制好大包覆蓋劑水分,加大包覆蓋劑不會(huì)導(dǎo)致增氫。2.4關(guān)于鋼板探傷成功率的分析表4是LF精煉結(jié)束氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及對(duì)應(yīng)鋼板探傷合格率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由表4可知,隨著LF精煉結(jié)束氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,探傷合格率逐漸降低。氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于(5～6)×10-6時(shí),鋼板探傷合格率急劇下降。而氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于(3～4)×10-6時(shí),鋼板探傷合格率為100%。研究表明,氫對(duì)鋼沒(méi)有潛在的好處。氫在鋼中不可能形成穩(wěn)定的氫化物。由于具有高的流動(dòng)性,氫很容易通過(guò)晶格擴(kuò)散,導(dǎo)致氫脆。當(dāng)溶解的氫超過(guò)其溶解度時(shí),被固態(tài)鋼“拒絕”溶解的氫會(huì)富集在針孔處,并隨之產(chǎn)生高的氣體壓力。在熱加工及后續(xù)的冷卻過(guò)程中,熱加工應(yīng)力和高的氣體壓力會(huì)在表面附近的針孔處累積,從而產(chǎn)生發(fā)紋(或白點(diǎn)),造成鋼材過(guò)早失效,最終造成鋼板在探傷時(shí)無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)。可見(jiàn),為了保證LF精煉結(jié)束氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4×10-6,保證探傷合格率,一方面,升溫過(guò)程要嚴(yán)格控制埋弧渣和精煉渣水分,鈣處理及軟吹氬階段要選擇合適的喂線速度;另一方面,脫硫及合金化階段要選擇適當(dāng)吹氬強(qiáng)度和大吹氬時(shí)間避免鋼液裸露;對(duì)于未達(dá)到質(zhì)量要求的爐次可考慮LF精煉后采用RH或VD真空處理。3檢查階段和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)增氫鋼板探傷成功率的影響1)LF精煉升溫是LF精煉過(guò)程增氫的主要環(huán)節(jié),增氫量為0.64×10-6。升溫階段增氫主要是精煉渣和埋弧渣水分所致。2