鋼鐵冶金技術(shù)脈絡(luò)

鋼鐵冶金技術(shù)脈絡(luò)〔二〕范鼎東教授澆注鑄錠連鑄上注下注坑注車注相關(guān)技術(shù)開發(fā)垂直連鑄機(jī)弧形連鑄機(jī)立彎連鑄機(jī)程度連鑄機(jī)相關(guān)技術(shù)〔6大支撐技術(shù)〕三、澆注

鋼的澆注分為模鑄和延續(xù)澆注。當(dāng)前超越95%的鋼水〔包括碳鋼和特殊鋼〕是經(jīng)過連鑄消費(fèi)的。但是不論技術(shù)如何開展，模鑄無法淘汰，由于大型鍛鑄體和各種類型鋼的小批量消費(fèi)，還需求模鑄。圖9模鑄工藝流程圖〔一〕模鑄模鑄工藝是一個(gè)古老的消費(fèi)方法，最初出如今低熔點(diǎn)有色金屬的消費(fèi)上，鋼的澆注就是自創(chuàng)這一方法。鋼水注入鋼錠模的方式分為上注法和下法注。上注法即鋼水由鋼錠摸的頂部注入，下注法即經(jīng)過中注管和湯道磚將鋼水注入到單個(gè)和多個(gè)鋼錠模中，如圖10所示。圖10傳統(tǒng)模鑄中的上注和下注上注法存在許多質(zhì)量問題，主要有三個(gè)方面：一是鋼水注流對空氣有過分的暴露，因此二次氧化比較嚴(yán)重；二是當(dāng)注流沖擊到鋼錠模內(nèi)的熔體外表時(shí)；二次氧化產(chǎn)物和浮渣將被帶入鋼錠本體中構(gòu)成為宏觀夾雜；三是模注過程中，鋼水飛濺粘附到鋼錠模壁上，在鋼錠的表皮構(gòu)成外表缺陷，需求后續(xù)精整。由此人們?yōu)榱艘种粕献⒋_實(shí)點(diǎn)，改成了下注。但是，對于高端用途的大型鋼錠，依然采用上澆法，不過采用了真空或惰性氣體的維護(hù)。下注法的中心技術(shù)是“三位一體〞的熱頂技術(shù)。鋼錠模的熱頂技術(shù)是經(jīng)過鋼錠模頂面周邊放置的絕熱板，鋼水上層覆蓋維護(hù)渣，鋼液進(jìn)入保溫帽時(shí)外表添加發(fā)熱劑。熱頂技術(shù)延緩了鋼錠頂部的凝固，并將鋼液由頂部向鋼錠的中心部位填補(bǔ)由鋼液凝固引發(fā)的縮孔和中心疏松。㈡連鑄圖11連鑄工藝系統(tǒng)

1.連鑄的優(yōu)越性在連鑄還沒有成熟之前，鋼水普遍采用模鑄法。但一旦連鑄技術(shù)成熟后，發(fā)現(xiàn)連鑄具有五大優(yōu)點(diǎn)：i.簡化消費(fèi)工序，縮短周轉(zhuǎn)周期。ii.提高金屬收得率。iii.降低能量耗費(fèi)。iv.鑄坯質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。v.消費(fèi)過程易于自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度大大改善。2.連鑄技術(shù)最早提出將液態(tài)金屬延續(xù)澆鑄成形的想象可追溯到19世紀(jì)40年代。1840年美國的塞勒斯〔G.E.Sellers〕、1843年萊恩〔J.Lainy〕以及1846年英國的貝塞麥〔H.Bessemer〕提出了各種延續(xù)澆鑄有色金屬的方法，貝塞麥獲得用雙輥法澆鑄鐵的專利〔1856年〕，但是在上世紀(jì)30年代前延續(xù)澆鑄是在有色金屬中運(yùn)用?，F(xiàn)代連鑄的雛形是由德國人德倫〔R.M.Daelen〕于1887年提出的，用敞口〔上、下口敞開〕結(jié)晶器，外有水冷卻，結(jié)晶器下部有噴水二次冷卻、引錠安裝、夾持輥、切割設(shè)備等組合。由于結(jié)晶器是固定不動(dòng)的，澆鋼時(shí)出現(xiàn)坯殼與結(jié)晶器壁黏結(jié)，無法正常連鑄。

1933年被稱為現(xiàn)代連鑄之父的賽漢斯〔S.Junghans〕和羅西提出了結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)，使連鑄消費(fèi)成為能夠，這是一百年間鋼鐵冶金最艱苦的發(fā)明之一。1950年世界第一臺工業(yè)消費(fèi)用立式延續(xù)鑄鋼機(jī)在德國曼內(nèi)斯曼公司的胡金根廠投產(chǎn)。由此連鑄的系列技術(shù)革新就不斷涌現(xiàn)，根本目的是改善質(zhì)量。連鑄坯由于冷卻方式的改動(dòng)，鑄態(tài)組織產(chǎn)生了根本性的改動(dòng)，內(nèi)部質(zhì)量、外表質(zhì)量都存在問題，因此開發(fā)了相關(guān)支撐技術(shù)。i.電磁攪拌技術(shù)。在常溫下鋼是導(dǎo)磁的，當(dāng)鋼液的溫度超越居里點(diǎn)760℃時(shí)變成不導(dǎo)磁了，而鋼水的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越居里點(diǎn)，它之所以能被攪拌也是利用其導(dǎo)電而不導(dǎo)磁的特性。

電磁攪拌技術(shù)的兩大主要特點(diǎn)：一是經(jīng)過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的無接觸轉(zhuǎn)換，而且不與鋼水接觸就可以將電磁能直接轉(zhuǎn)換成鋼水的動(dòng)能；二是電磁攪拌器激發(fā)的磁場及其在鋼水中感生的電磁力可以人為控制，驅(qū)動(dòng)鋼水做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。

ii.電磁制動(dòng)技術(shù)。在板坯連鑄過程中，由于結(jié)晶器內(nèi)流股嚴(yán)重沖刷窄面坯殼，并引起距月彎面很深處的鋼液的擾動(dòng)，呵斥漏鋼、裂紋、卷渣一系列質(zhì)量問題，為理處理這一問題，人們又想到了電磁的作用。由電磁流膂力學(xué)實(shí)際可知，一定構(gòu)型的外加恒定磁場〔或直流磁場〕有阻滯電流體的流動(dòng)和抑制湍流的作用。由此原理來阻滯從浸入式水口兩個(gè)側(cè)孔流出的流股使其減速。這項(xiàng)技術(shù)是上世紀(jì)80年代，由日本川崎制鋼和瑞典的ASEA、ABB公司結(jié)合開發(fā)的，致使板坯連鑄的減薄化速度加快。iii.結(jié)晶器光滑技術(shù)。為什么會漏鋼？傳統(tǒng)光滑技術(shù)：礦物油〔菜籽油等〕光滑技術(shù)隨著對鋼的質(zhì)量要求的提高，人們開場研討開發(fā)連鑄結(jié)晶器維護(hù)渣。其功能由光滑的單一作用擴(kuò)展為五大功能：①光滑鑄坯：結(jié)晶器壁與坯殼間起到光滑作用；②均勻傳熱：結(jié)晶器壁與坯殼間構(gòu)成渣膜，均勻傳熱；③絕熱保溫：覆蓋結(jié)晶器外表鋼水，減少散熱；④防止二次氧化：將鋼液與空氣隔開；⑤吸附夾雜物：吸附鋼液中上浮的夾雜物。iv.維護(hù)澆鑄技術(shù)。三大件：①鋼包→中間包采用Al-C質(zhì)或SiO2質(zhì)的長水口；②中間包→結(jié)晶器的浸入式水口；③用于控制浸入式水口的鋼水流量的整體塞棒。在運(yùn)用三大件的同時(shí)，還采用了氣體維護(hù)技術(shù)，由于鋼包滑動(dòng)水口與長水口的銜接處和浸入式水口與中間包的銜接處，吸氣非常嚴(yán)重，為了不讓空氣吸收，常用Ar氣來進(jìn)展維護(hù)。運(yùn)用維護(hù)澆注技術(shù)以后，鋼中的總氧量由40—50ppm降低到20—25ppm，增N量減少10—30ppm，[Al]的衰減降至10—20ppm。v.輕壓下技術(shù)連鑄坯一大質(zhì)量問題就是中心偏析，在鋼液凝固過程中，由于選分結(jié)晶及尚未凝固富集偏析元素的鋼液流動(dòng)，往往呵斥鑄坯中心C、P、S等元素的富集產(chǎn)生嚴(yán)重的中心偏析為了減輕中心偏析，研討開發(fā)了在線輕壓下技術(shù)。所謂輕壓下技術(shù)就是在鑄坯凝固末端〔固相率fs=0.6—0.8的區(qū)間〕對鑄坯施以2—3%的壓下量，以阻止凝固末端富集偏析元素的鋼液向下流動(dòng)，從而減輕中心偏析的一種方法。vi.中間包冶金技術(shù)主要的功能包括：①中間包覆蓋劑，保溫，防吸氣，吸附雜質(zhì)的功能；②中間溫度場均勻功能；③中間包吹氣冶金功能；④中間包加熱功能；⑤鋼液的電磁控制功能。3.連鑄的開展方向i.高效連鑄技術(shù)連鑄技術(shù)的提高，使得拉速、作業(yè)率、漏鋼率、鑄坯無缺陷率進(jìn)一步提高。日本加古川廠的板坯拉速已達(dá)3.5m/min，德馬克公司的方坯拉速已達(dá)4.3m/min，德國曼內(nèi)斯曼廠圓坯拉速已到達(dá)了3.5m/min。目前不僅拉速提高，而且連澆爐數(shù)也不斷提高。美國AK鋼公司連澆時(shí)間2個(gè)月，澆鋼4爐，澆鋼30萬噸。ii.近終形連鑄連軋技術(shù)進(jìn)入20世紀(jì)80年代，近終形〔接近最終廢品的斷面的外形〕連鑄技術(shù)引起人們莫大關(guān)注。其中，薄板坯連鑄連軋〔TSCR〕工藝率先獲得勝利，并用于工業(yè)消費(fèi)。最先投入工業(yè)消費(fèi)的是德國西馬克〔SMS〕開發(fā)用漏斗形結(jié)晶器澆鑄厚度為50mm的薄板坯連鑄連軋工藝CSP〔CompactStripProduction〕，收效良好。中國已達(dá)14臺。薄帶連鑄技術(shù)已日漸成熟。1989年英國戴維〔Davy〕和韓國浦項(xiàng)〔POSCO〕協(xié)作開發(fā)了雙輥薄帶，厚2-6mm，寬350mm，澆鑄不銹鋼和碳鋼。目前薄帶連鑄已成為研討的搶手課題，存在的一系列問題有待處理，一旦進(jìn)入商業(yè)化推行時(shí)期，會對冶金工業(yè)產(chǎn)生較大的影響。

四、煉鐵—煉鋼的“界面技術(shù)〞〔鐵水預(yù)處置技術(shù)〕“界面技術(shù)〞是指主體工序之向的銜接—匹配，協(xié)調(diào)—緩沖技術(shù)，提升質(zhì)量等相應(yīng)的安裝〔配備〕。“界面技術(shù)〞不僅包括相應(yīng)的工藝、安裝，而且包括時(shí)空配置、容量匹配、種類實(shí)現(xiàn)等一系列工程技術(shù)。煉鐵高爐—煉鋼轉(zhuǎn)爐流程，金屬流動(dòng)過程主要有三種方式：①高爐鐵水—鐵水包—混鐵爐—鐵水包—轉(zhuǎn)爐②高爐鐵水—魚雷罐—鐵水包—轉(zhuǎn)爐③高爐鐵水—鐵水包—轉(zhuǎn)爐1.鐵水預(yù)脫硫技術(shù)鐵水預(yù)脫硫技術(shù)是指鐵水進(jìn)入煉鋼爐前的的脫硫處置，它是鐵水預(yù)處置中最先開展成熟的工藝。除了易切削鋼外，硫普通被以為是有害元素。主要是MnS-FeS夾雜在熱軋后變生長條形，引起鋼的各向異性。當(dāng)S<0.02%板材的橫向沖擊功迅速添加，S<0.01%時(shí)斷口延伸率急劇添加，當(dāng)S<0.005%時(shí)無取向電工鋼磁性明顯改善。由于轉(zhuǎn)爐的脫硫率有限，普通在30%以下，高爐脫硫很不經(jīng)濟(jì)，因此鐵水預(yù)脫硫技術(shù)便得到開展。

圖12寶鋼TDS噴吹法鐵水脫硫處置工藝鐵水預(yù)處置方法：KR攪拌法和TDS噴吹法。KR鐵水脫硫是經(jīng)過機(jī)械攪拌將脫硫劑卷入鐵水，深脫硫效果好〔S≤0.001〕，脫硫渣干稠易扒除，回硫率低，耗費(fèi)小，本錢低，但設(shè)備復(fù)雜，需求二次扒渣，鐵水溫降大。如圖12所示，TDS噴吹脫硫是以緊縮氣體為載氣，經(jīng)過插入鐵水的噴槍將脫硫劑放射到鐵水深處。主要優(yōu)點(diǎn)是處置才干大，時(shí)間短，自動(dòng)化程度高，脫硫效率高，設(shè)備和操作費(fèi)用低，但是強(qiáng)脫劑的價(jià)錢高，深脫硫的效果不如KR。2.鐵水預(yù)脫硅技術(shù)鐵水預(yù)脫硅是指鐵水進(jìn)入煉鋼爐前的降硅處置，它是分步精煉工藝開展的結(jié)果。一方面它能改善煉鋼的經(jīng)濟(jì)技術(shù)目的，降低煉鋼本錢〔Si↓→SO2↓→R↑→石灰↓→渣量↓→鐵損↓→本錢↓〕；另一方面它是脫磷的前處置工序，脫磷必脫硅。按處置場所不同，鐵水預(yù)脫硅分為高爐出鐵過程中延續(xù)脫硅和在鐵水罐〔魚雷車〕中處置兩種。按參與方法不同有自然落下的上置法、噴吹法。鐵水單獨(dú)脫硅的廠家很少，普通和脫磷脫硫結(jié)合運(yùn)用，被稱為“三脫〞。3.鐵水預(yù)脫磷技術(shù)鐵水預(yù)脫磷是鐵水進(jìn)入煉鋼爐前處置的新工藝，是煉鋼分步精煉工藝的新開展，是順應(yīng)低磷鋼中的需求〔低溫用鋼要求P<0.008%〕，改良煉鋼工藝技術(shù)和利用含磷較高的鐵礦資源而得到開展的，如圖13所示。鐵水預(yù)脫磷的處置方法分為爐外法和爐內(nèi)法，爐外法設(shè)備有鐵水包和魚雷罐，爐內(nèi)法設(shè)備有公用爐和底吹轉(zhuǎn)爐。由于煉鋼產(chǎn)能過剩，把一座轉(zhuǎn)爐改成脫磷爐，實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)法煉鋼新工藝大有開展空間。圖13脫磷安裝表示圖1-貯料倉；2-提升罐；3-噴吹罐；4-CaO；5-CaF2；6-軋鋼皮；7-斗式提升機(jī)；8-運(yùn)輸機(jī)；9-集塵罩；10-襯；11-N2槍；12-鐵水罐

五、煉鋼-澆鑄的“界面技術(shù)〞〔爐外精煉技術(shù)〕爐外精煉技術(shù)開展的兩個(gè)推進(jìn)力：一是它與連鑄消費(fèi)的迅速開展嚴(yán)密相關(guān)。二是它與調(diào)整產(chǎn)品構(gòu)造、優(yōu)化企業(yè)消費(fèi)的專業(yè)化進(jìn)程嚴(yán)密結(jié)合。爐外精煉構(gòu)成了真空和非真空兩大系列不同功能的系統(tǒng)技術(shù)。⒈合成渣精煉技術(shù)這是一項(xiàng)早在上世紀(jì)30年代開場運(yùn)用的精煉技術(shù)，至今仍被廣泛運(yùn)用。由于煉鐵脫S的不經(jīng)濟(jì)，煉鋼脫S的效率低，脫S問題難以處理。人們想到了在出鋼時(shí)向鋼渣中參與以CaO為主配有化渣資料CaF2及以脫硫資料CaC2和蘇打的合成渣脫硫，脫硫率30-50%。

2．氣泡冶金技術(shù)為理處理成分不均問題，人們想到了攪拌。攪拌的方法一是機(jī)械攪拌；二是電磁攪拌；三是氣體攪拌。比較之下，氣體攪拌有效、簡單〔頂吹、底吹法〕。經(jīng)過研討氣體攪拌還有其它益處，不僅均勻成分，還能均勻溫度、減輕氣體、減少夾雜物一系列優(yōu)點(diǎn)。⒊LF鋼包精煉爐〔LadleFurnace〕LF爐開發(fā)是因連鑄工藝開展引起的。當(dāng)時(shí)連鑄有兩大難點(diǎn)：一是只需轉(zhuǎn)爐出鋼溫度發(fā)生偏向，連鑄就要停澆，鋼水回爐；二是連鑄一旦缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)爐曾經(jīng)吹煉兩爐在等待，消費(fèi)組織被動(dòng)。人們想到了假設(shè)把電爐的加熱方法移植到鋼包上，問題就處理了。當(dāng)LF爐于20世紀(jì)70年代由日本開發(fā)勝利以后，電爐鋼的一切優(yōu)點(diǎn)立刻被LF爐所利用，由此不僅處理了消費(fèi)問題，還使轉(zhuǎn)爐鋼的質(zhì)量大大提高。圖14LF鋼包精煉爐安裝圖⒋放射冶金技術(shù)噴粉是一種以惰性氣體作載氣，用噴槍向液態(tài)金屬中噴入特定粉劑的精煉工藝。在鐵水預(yù)處置技術(shù)開發(fā)之后，平爐和轉(zhuǎn)爐要冶煉出S<0.010%的低硫鋼幾乎不能夠。為此，人們利用噴吹的方法把脫S劑〔CaO、Mg、Ca、CaC2、蘇打〕吹入鋼包深處，可以獲得低S或超低S鋼，并且還可使夾雜物變性、脫氧以及合金化，并且出現(xiàn)了一系列方法，如SL、TN、KTS、KIP等方法，但是目前放射冶金脫S的方法幾乎不用了，由于LF-VD〔RH〕脫S效果更好，有些功能可以用喂線法所替代。5.合金包芯線技術(shù)喂線是在噴粉根底上于20世紀(jì)80年代初開發(fā)出來的。喂線工藝設(shè)備輕便、操作簡單、冶金效果突出、消費(fèi)本錢低廉，能處理一些噴粉工藝難以處理的問題。圖15喂線設(shè)備布置表示圖1-線卷裝載機(jī)；2-輥式喂線機(jī)；3-導(dǎo)管系統(tǒng)；4包芯線；5-鋼水包⒍成份溫度調(diào)控技術(shù)〔CAS及CAS-OB法〕

CAS(CompositionAdjustmentbySealedArgonBubbling，即密封吹氬合金成分調(diào)整)是一種鋼包爐外處置技術(shù)。它的開發(fā)主要是處理易氧化元素的收得率問題，1975年首先由日本新日鐵八幡廠提出，1976年獲得了美國專利。進(jìn)展CAS處置時(shí)，首先用Ar氣吹開澆面，使鋼水面構(gòu)成了無渣區(qū)域，然后將隔離罩插入鋼水，以使參與的合金與爐渣隔離，也使鋼液與大氣隔離，從而減少合金損失，穩(wěn)定合金收得率。

圖16CAS安裝表示圖CAS-OB技術(shù)是從CAS法的根底上開展起來的。其出發(fā)點(diǎn)和LF爐是一致的，就是為理處理非正常形狀連鑄鋼水的處置問題。它在隔離罩內(nèi)增設(shè)了氧槍吹氧，利用參與鋁、硅和氧反響所放出的熱量直接對鋼水加熱，使得鋼水快速升溫，補(bǔ)償CAS法工序的溫降，為中間包的鋼水提供準(zhǔn)確目的溫度，保證轉(zhuǎn)爐與連鑄間的協(xié)調(diào)配合，其設(shè)備如圖。但是隨著LF爐和喂線技術(shù)的成熟，CAS和CAS-OB等技術(shù)已遭到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，新建鋼廠已很少運(yùn)用這一技術(shù)。圖17CAS-OB安裝表示圖圖18AOD爐及風(fēng)槍1-爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)；2-爐本體；3-活動(dòng)煙罩；4-供氣系統(tǒng)；5-出渣車⒎氬氧精煉技術(shù)〔AOD〕①渣滓堆里撿出的不銹鋼。②AOD精煉法是氬氧脫碳法〔argonoxygendecarburization〕的簡稱，安裝圖如圖18所示。這種工藝是把電爐粗煉好的鋼水倒入AOD爐，用一定比例的O—Ar的混合氣體從爐下部側(cè)壁吹入爐內(nèi)，在O2—Ar氣泡外表進(jìn)展脫碳反響，經(jīng)過降低CO分壓到達(dá)假真空的效果，從而脫碳到很低的程度，并且抑制鋼中鉻的氧化。

⒏RH真空精煉技術(shù)RH真空循環(huán)脫氣法是1957年由德國人發(fā)明，1959年世界上第一臺工業(yè)消費(fèi)用RH設(shè)備在德國蒂森公司恒尾西鋼廠建成投產(chǎn)。后來把RH的功能進(jìn)一步擴(kuò)展，變成了脫氣，吹氧升溫，噴粉脫P(yáng)、S等多項(xiàng)功能為一體的精煉方法。目前的冶金效果可達(dá)[H]﹤1.5ppm，[N]﹤20ppm，[C]﹤15ppm，[S]﹤5ppm。RH真空法以其突出的特點(diǎn)，很快開展成為真空精煉技術(shù)的主流，其安裝圖如圖16所示。圖19RH安裝原理1-合金添加孔；2-察看孔；3-排氣孔；4-真空室；5-氣體；6-上升管；7-下降管；8-鋼包；9-鋼液⒐VOD真空精煉技術(shù)VOD是Vacuum〔真空〕、Oxygen〔吹氧〕、Decarburization〔脫碳〕三個(gè)詞的大寫第一個(gè)字母的