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浅析洁净钢生产技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-02-03  作者:李小云1, 李超2  浏览次数:9206
 
核心提示:摘要:夹杂物对钢材韧性、塑性、裂纹、疲劳性能均有所影响,通过有效措施可以减少夹杂物,从而降低其危害。洁净钢控制应从铁水预处理工艺源头抓起,冶炼铝镇静钢转炉一次倒炉命中率和一次脱氧的好坏是控制钢中[Als]含量和去除钢中Al2O3夹杂最关键的一步。无特殊成分要求的铝镇静钢中的[Al]含量为0.015%--0.2%时最佳,钙处理时W[Ca]/ W[Al]控制在0.09—0.11就可以大量减少水口结瘤的几率,夹杂物的形态也能得到很好的控制。通过钢包精炼渣、顶渣改质剂处理一般情况下渣中W(TMnO+TFeO)≤5
 浅析洁净钢生产技术

李小云1, 李超2

摘要:夹杂物对钢材韧性、塑性、裂纹、疲劳性能均有所影响,通过有效措施可以减少夹杂物,从而降低其危害。洁净钢控制应从铁水预处理工艺源头抓起,冶炼铝镇静钢转炉一次倒炉命中率和一次脱氧的好坏是控制钢中[Als]含量和去除钢中Al2O3夹杂最关键的一步。无特殊成分要求的铝镇静钢中的[Al]含量为0.015%--0.2%时最佳,钙处理时W[Ca]/ W[Al]控制在0.09—0.11就可以大量减少水口结瘤的几率,夹杂物的形态也能得到很好的控制。通过钢包精炼渣、顶渣改质剂处理一般情况下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%,最低时钢渣中W(TMnO+TFeO)≤1%对于普通钢种(热轧板低于或等于SPHC级别的)钢种,可通过软吹氩不经LF炉处理直接送去连铸。LF炉应用缓释脱氧剂对比传统扩散脱氧剂效果显著。连铸坯表面缺陷的产品中有1/3是因为结晶器卷渣造成的,做好结晶器卷渣预防措施对于提高连铸坯表面质量意义重大。连铸可采用电磁驱动离心流动中间包、通道感应加热中间包、组合式电磁搅拌等技术,有利于夹杂物的上浮和分离,精准控制温度,减少中心疏松,提高铸坯质量。

关键词:夹杂物;预处理;高效;低成本;洁净钢;

所谓洁净钢,通常是指非金属夹杂物含量少的钢。洁净钢是为了在不增加合金成本的前提下,能够高效率、低成本、成批的满足用户要求的优质商品钢材。在今后较长时间内,洁净钢是钢铁企业科技创新中的关键技术,本文对洁净钢生产工艺技术进行简要分析。

1  夹杂物分类、危害、来源和控制措施

1.1夹杂物的分类

夹杂物可按照⑴化学成分分类:氧化物夹杂、硫化物夹杂、氮化物夹杂。⑵变形能力分类:脆性夹杂物、塑性夹杂物、点状不变形夹杂。⑶尺寸分类:超显微夹杂物(≤1μm)、显微夹杂物(1--100μm)和宏观夹杂物(>100μm)。⑷标准分类:A类夹杂物(硫化物类)B类夹杂物(氧化铝类)C类夹杂物(硅酸盐类)D类夹杂物(球状氧化物类)DS类夹杂物(单颗粒球状类)⑸来源分类:按照来源分类可分为外来夹杂物和内生夹杂物。

1.2夹杂物的危害

⑴夹杂物与裂纹的形成。均质材料在承受单向拉伸时,在与拉伸方向相垂直的横截面上,应力的分布是均匀的。如果在材料中有非金属夹杂物,则应力分布不再是均匀的,会出现应力集中现象,破坏了金属材料的连续性。由于基体金属与夹杂物的线性膨胀系数不同,在某些夹杂物周围形成复杂的应力场或无负荷应力场,所以夹杂物常被视为显微裂纹的发源地。

⑵夹杂物对钢材塑性和韧性影响。金属基体材料受力时,内部的塑性变形和断裂这两个基本过程决定着钢材的多种力学性能。钢材受热加工时夹杂物要发生形变(如成为条带),钢材的断面收缩率明显下降,增大了材料力学的各向异性。夹杂物对韧性的影响则表现为降低钢材的抗冲击破坏能力,在金属的变形过程中,夹杂物不能随金属基体相应的发生变形,在其周围产生应力集中,使夹杂物破碎或使夹杂物同基体的联结遭到破坏,二者脱离产生裂纹进而发展为空洞不断扩大最终导致断裂。

⑶夹杂物对疲劳性能的影响。材料承受一定的重复或者交变应力,经过多次循环后发生破裂的现象称为疲劳。夹杂物对其影响可分为三类:发生在夹杂物周围的疲劳裂纹、夹杂物本身断裂导致的裂纹和夹杂物与基体边界剥离引起的疲劳裂纹,一般来说第三种较为常见。夹杂物影响疲劳寿命降低的程度由强到弱的顺序是:大尺寸点状不变形夹杂物、刚玉(Al2O3)、点状不变形夹杂物、半塑性硅酸盐夹杂物、塑性硅酸盐夹杂物和硫化物。夹杂物对疲劳寿命的影响差别原因在于夹杂物在钢的热变形加工温度下的塑性影响、基体与夹杂物的变形影响、线膨胀系数差值影响、夹杂物的大小和分布影响。

⑷除夹杂物外硫、磷、氮、氢等对钢材都有影响,本文不做讨论。

1.3夹杂物的来源

外来夹杂物是冶炼到浇注生产过程中由外部进入钢液的耐火材料或熔渣等留在钢中造成的。一般外来夹杂物的特征是外形不规则、尺寸比较大和分布不均匀。外来夹杂物多对应钢包顶渣、耐火材料、保护渣等的成分。内生夹杂是在液态或固态钢内,由于脱氧或凝固过程中进行的物理化学反应而生成的,主要是一次氧化产物和二次氧化产物。内生夹杂物的颗粒一般比较细小,分布相对均匀,尺寸和数量呈正比。

1.3.1炼钢转炉出钢过程中夹杂物增加的原因

⑴炼钢炉渣进入钢包。⑵加入炉料时带入的夹杂。⑶脱氧产物。⑷出钢脱氧过程中钢包顶渣P2O5还原。⑸钢包耐火材料熔损。⑹钢包吹氩量过大造成卷渣。

1.3.2 LF炉精炼过程中夹杂物增加

⑴LF炉精炼过程中喂铝线会使钢中Al2O3夹杂物增加。⑵二次或三次脱氧产物增加了钢中脱氧产物。⑶钢包耐火材料的熔损增加了钢中的夹杂物。⑷LF炉大量增碳操作。

1.3.3连铸工序夹杂物增加

⑴系统的密封程度不严。⑵中包覆盖剂选型不符合钢种要求。⑶中间包流场不顺和中间包液面高度不足。⑷结瘤物进入结晶器。⑸保护渣卷入。⑹浸入式水口插入深度过浅。

1.4减少钢中夹杂物的有效措施

⑴选用优质铁水。⑵选择合适的冷料。⑶选择合适的造渣料。⑷强化合金管理。⑸保持系统设备运行正常。⑹降低初炼钢水含氧量。⑺减少二次氧化。⑻促进钢中非金属夹杂物上浮。⑼改善夹杂物上浮的动力学条件。⑽提高顶渣吸附夹杂物的能力。⑾强化夹杂物上浮的工艺措施。⑿防止卷渣。⒀提高钢包、中间包等耐火材料质量。

2  铁水预处理工艺技术

2.1  铁水预处理脱硫

冶金工作者从20世纪70年代开始研发并广泛应用了铁水预处理工艺脱磷、脱硅、脱硫。有资料表明,在高炉、预处理、转炉、炉外精炼装置中脱除1KG硫,其费用比值为2.6:1:16:6.1,可见铁水预处理脱硫与另外三种工序脱硫成本最低。铁水预处理脱硫工艺很多,按其脱硫剂的投入方式可分为铺撒法、转鼓法、摇包法、沉降法、搅拌法和喷射冶金法。目前主流的是机械搅拌法和喷吹法,分别应用于铁水包和鱼雷罐脱硫。

2.1.1KR机械搅拌法

机械搅拌法是将搅拌器(也称搅拌桨)沉入铁水中旋转,在铁水包中央形成锥形漩涡,使投入的脱硫剂与铁水充分混合,促进脱硫反应的进行。KR脱硫法优点:投资少;对铁水温度要求高(1350℃);搅拌力大脱硫反应的动力学条件好;脱硫效果好,可以将铁水[S]脱到0.001%;脱硫期间几乎没有喷溅;搅拌时间短(15—20min);脱硫渣易扒出。KR脱硫法缺点:脱硫剂消耗大(4—10kg/t),渣量大,扒渣铁耗多(0.5--4kg/t),降温大(30—40度);搅拌头费用高(2—3元/t)脱硫剂成本(10—25元/t)。

表1 无碳脱硫剂技术指标

充分混匀

理化指标(%)

石灰粉

萤石粉

CaO

Caf2

S

P

SiO2

粒度

含水

灼减

90

10

≥80

≥70

≤0.05

≤0.05

≤5

1—2mm小于1mm和大于2mm各不大于5%

≤0.05

≤2

KR法脱硫使用含碳脱硫剂的成分是:石灰粉90%,萤石粉5%,含碳量5%。

Caf2没有脱硫作用,但能改变渣的黏度,改善脱硫反应的动力性条件。石灰粉必须进行钝化处理。脱硫剂的加入量、加入时间、加入方向、搅拌深度均影响脱硫效果,应在生产实践中根据本厂条件确定。

2.1.2喷吹法铁水预处理

喷吹法脱硫的基本原理是以一定压力和流量的干燥空气或惰性气体如氮气为载体与脱硫剂混合后经喷枪吹入铁水中,同时载气和脱硫剂的冲击与上浮能够带动铁水流动,起到搅拌作用。喷吹法分为单喷法和复合喷吹法。

2.1.2.1单喷法

单喷法是将粒度为0.5—1.5mm的颗粒金属镁经钝化处理后储存到密封的喷粉罐,预处理脱硫时由喷粉罐将镁粉经带有汽化室的喷枪由铁水罐下部(距罐底200—300mm)喷入铁水中。镁在铁水中溶解度很小,其沸点是1088℃,故在铁水温度下以气态存在,为防止镁在铁水中瞬间汽化而引起铁水喷溅,在喷枪出口处设计了汽化室。

2.1.2.2复合喷吹法

复合喷吹法在单喷法的基础上增加一套石灰粉喷吹系统,按CaO和Mg之比为2—4进行复合喷吹。当CaO/Mg值大于9时,大量的石灰粉参与了脱硫反应,就会出现喷吹时间长、粉剂消耗量大、温降大、铁耗增加现象,很难实现深脱硫。

表2 三种脱硫方法特点对比

脱硫方式

KR法

单喷法

复合喷吹法

脱硫剂

CaO+Caf2

球状钝化颗粒镁

钝化石灰+钝化颗粒镁

喷枪

搅拌桨

带汽化室喷枪

直筒式喷枪

终点[S]%

0.002—0.005

0.002—0.005

0.002—0.005

脱硫渣量kg/t

20

1.1

5.8

铁损kg/t

4.04

0.48

2.66

喷溅

扒渣

较易

铁水温降/℃

28

12

15

脱硫剂消耗kg/t

4.05

0.55

石灰粉2.3镁粉0.67

脱硫成本元/t

17

20

23

2.2铁水预处理脱磷

铁水预处理脱磷喷粉法类似于脱硫喷吹法,脱磷剂主要成分为CaO和Fe2O3,由于铁水[Si]先于[P]与脱硫剂中的Fe2O3反应,造成铁水温降大,脱磷后渣量大、铁耗增加有时发生喷溅,鉴于以上原因,铁水预处理脱磷应用不广。

3   转炉高效低成本生产

3.1  转炉高效低成本造渣技术

转炉开吹后大量冷态石灰加入,石灰表面立即生成一层渣壳,石灰表面FeO会与石灰原有组成部分(CaO、SiO2)等形成远低于CaO熔点(2600℃)的固溶体或共晶体并向石灰块孔隙内扩散,置换结点上的Ca并形成低熔点相。所以石灰熔解不是因为高温熔化,而是石灰中的CaO与渣中FeO、SiO2等形成新相低熔点化合物而熔解。吹炼中期如果枪位过低,渣相中的MnO、FeO的浓度降低,石灰块表层附近渣相中钙镁橄榄石中FeO和MnO被CaO置换,形成2CaO· SiO2,其熔点达2130℃而且结构致密,严重阻碍石灰熔解。继续吹炼熔渣碱度上升至2.8—3.2时,渣中2CaO·SiO2达到过饱和状态成弥散固相析出。快速的脱碳反应消耗了炉渣中FeO,若处理失当,渣中FeO锐减,熔渣熔点上升,弥散析出的2CaO· SiO2和渣中原有未熔颗粒共同作用下,熔渣黏度剧增,这就是反干现象。如果采用高枪位吹炼,石灰表面橄榄石含CaO较高,不会形成纯2CaO·SiO2而且质地疏松,无碍于石灰继续熔解,这实际是处理炉渣反干时提枪向渣中补充FeO的吊吹方法。

炼钢就是炼渣,只有在熔池中迅速的形成熔点、黏度、成分合适的熔渣才能使转炉顺利的完成脱磷、脱硫、脱碳及去除夹杂任务。

3.1.1加速石灰熔化措施

3.1.1.1采用活性石灰造渣

活性石灰与普通石灰相比,有更高的反应能力,表面沉积的C2S外壳不致密、易剥落,可加速石灰熔解。粒度越细小,石灰的活性度越高;质地越疏松孔隙率越高;比表面积越大,反应能力也越强,吹炼中成渣速度越快。

表3 国内外石灰标准

普通石灰

级别

W(CaO)(≥)/%

W(SiO2)(≤)/%

W(P)

(≤)/%

W(S)

(≤)/%

生过烧率(≤)/%

活性度

(≥)/%

粒度/mm

合格品

75

5.5

0.05

0.15

10

240

10--50

优质品

85

3.5

0.04

0.1

8

280

10--50

活性石灰

二级品

89

1.2

0.04

0.04

6

330

10--50

一级品

92

1.0

0.03

0.03

4

360

10--50

精炼石灰

 

90

1.0

0.04

 

0.05

6

330

5--10

美国

 

96

1.0

0.035

0.035

 

 

7—30

日本

 

92

2.0

0.02

0.02

 

 

4—30

⑴终渣碱度按3计算,石灰每含一个单位的SiO2,则需要3个单位CaO与之中和。⑵石灰硫含量在0.05%--0.1%时,钢水硫含量增加不大于0.001%,而石灰硫含量超过0.1%时,钢水硫含量增加在0.002%--0.005%之间。⑶一般情况下,铁水硅含量超过0.6%每增加0.1%,石灰消耗增加10kg/t。

3.1.1.2复合造渣剂的使用

转炉开始吹炼时,先是Si、Mn、P氧化,随后才是Fe氧化,只有炉渣中生成足够量的(FeO),才能促使石灰熔化,这一时间约3分钟,不仅成渣时间长、铁耗多而且低碱度的炉渣对炉衬侵蚀严重。因此许多炼钢厂采用复合造渣剂,缩短成渣时间,降低铁耗和石灰消耗。复合造渣剂没有严格技术指标要求,根据各厂的工艺及废弃物现状来确定。组成物质有含铁废料、氧化锰粉、石灰和轻烧白云石、萤石粉等筛下物。

表4 复合造渣剂指标

 

化学成分(质量分数)%

名称

CaO+MgO

SiO2

TFe

S

P

水分

粒度

造渣剂

≥45

<4

≥40

<0.06

<0.07

<1

4—6cm

复合造渣剂加入20kg/t时可缩短转炉冶炼时间约30—35s/炉,降低钢铁料消耗1—2kg/t,降低石灰消耗3—5kg/t,提高转炉炉衬寿命,促进冶炼前期脱磷,促进循环经济。

3.1.2石灰石造渣工艺效果

石灰石造渣可节约能源2000kJ/kg,每烧成1kg石灰减排0.41kg二氧化碳,节约氧气约8%。但石灰石冷却效应高,每加入1t石灰石减少1.5t废钢。加入时机50%石灰石随第一批料加入,剩余50%随第二批料多次加入效果最好。石灰石代替石灰比例一般以20%--60%为宜。

3.1.3 SGRS留渣+双渣工艺

SGRS工艺特点:一是将倒渣时间由原来溅渣护炉后改为吹炼开始后4--5分钟;二是将石灰加入时间由原来开吹后改为新工艺的倒渣后。其目的是充分利用上一炉冶炼后期的高碱度、高氧化性、P2O5含量比较低的炉渣在下一炉开吹后的低温状态下进行脱磷。运行几炉或十几炉后终渣P2O5含量积累越来越高,脱磷能力变差出钢后需彻底出渣开始下一个循环。应用SGRS工艺应做到炉渣固化及确认,保证安全。出钢时尽量不要剩钢;快速溅渣加大氮气流量延长吹氮时间,强化炉渣冷却。溅渣护炉后立即向炉内加入轻烧白云石、镁球或石灰固化炉渣,来回反复摇炉确认炉渣已经固化,方可加废钢、兑铁。开吹后采用低枪位(降低100—200mm)、高供氧强度3.0m3/(min·t)以上,脱磷结束时,提高枪位增加渣中表面活性组元(FeO)含量,加强炉渣泡沫化程度有利于快速倒渣。

表5 SGRS留渣+双渣工艺与原始工艺效果对比(%)

厂别

石灰消耗

轻烧消耗

总渣量

前期脱磷率

终点脱磷率

时间

成本元/t

一厂

-42

-45

-35

70

 

+4min

-8.3

二厂

-35

-45

-30

50

70---80

+5min

-7.6

采用SGRS留渣+双渣工艺中间有一次倒渣影响煤气回收,对于干式除尘的工厂严防泄爆。

3.2转炉顶底复吹技术

转炉底吹供气元件多采用环缝式供气原件,气源多采用氮气、氩气。透气元件通常布置在0.4D(D为炉膛直径)的同心圆上。底部供气元件要加强维护,如出钢后透气元件位置在1—2min很快变黑边缘清晰,证明透气元件透气性良好。如透气元件位置变黑速度很慢≥5分钟,黑色教浅面积较大边界不清则证明透气元件透气性不良。如长时间不变黑,证明透气元件已经不透气了。因此炉底高度波动要控制在±200mm内。

表6 某厂冶炼碳钢底吹供气强度

供气模式

终点W[C]/%

前期供N2强度(标态)/ m3/(min·t)-1

后期供Ar强度(标态)/ m3/(min·t)-1

钢种

A

<0.1

0.03—0.04

0.12

低碳镇静钢

B

0.1—0.25

0.03—0.04

0.07

中碳镇静钢

C

≥0.25

0.03—0.04

0.04

高碳镇静钢

表7 某厂120t转炉顶吹和复吹转炉炼钢工艺效果对比

项目

渣(TfeO)

钢中[O](x10-6)

石灰消耗

时间

氧耗(标态)

钢铁料

炉龄

碳氧积

残锰

单位

%

 

Kg/t

min/炉

m3/t

Kg/t

 

%

纯顶吹

17.78

553

53

15.9

62

1089

9003

0.0027

0.1

复吹

13.45

465

50

15.1

57

1085

9982

0.0023

0.11

比较

-4.23

-88

-3

-0.8

-5

-4

+979

-0.0004

+0.01

现场数据统计复吹转炉煤气回收增加10 m3/t,蒸汽回收增加3 m3/t。

3.3脱氧合金化技术

目前常见的脱氧剂,脱氧能力由强到弱依次为钛、铝、钡、硅、碳、锰、钒、铬,大部分优质钢采用铝作为脱氧剂使用,个别建筑材料及高硅、高锰钢还沿用硅、锰脱氧。

3.3.1铝质脱氧剂

当钢液中的铝化学当量超过氧时,产物为Al2O3,铝可以起到降低失效倾向和细化粒作用,提高钢的屈服强度和冲击韧性,但纯铝密度小易上浮与空气中氧燃烧,利用率低。

复合脱氧剂种类很多有硅铝铁、硅铝钡、铝锰铁、铝镁钙等,其中最佳元素组合是Ca和Al,Ca提高了Al的脱氧能力,达到同样脱氧效果时减少铝的消耗量,同时Al减少了Ca的挥发损失(单质挥发,复合不挥发)。加入适量Mg,其原子半径大,在铁液中溶解度低,熔解速度慢,但与氧反应速度快,易先生核,促进Ca和Al的脱氧,降低[Ca]和[Al]的溶解度。

3.3.2碳质脱氧剂

电石CaC2和铝质脱氧剂一起使用时,其纯度不小于80%情况下,可顶替本身重量50%金属铝。电石脱氧产物是CaO和CO2对钢水没有污染。生成的CaO有可能和铝的脱氧产物Al2O3生成低熔点的铝酸钙,有利于夹杂物上浮。生成的CO2可以对钢液起到搅拌作用,促进夹杂物上浮。对钢水有脱硫作用,脱硫率达17%--40%。电石运输存储有严格要求,一般情况下,电石与钢包合成精炼渣配合使用。

3.3.3扩散脱氧

扩散脱氧优点是脱氧产物不是在钢液中生成而是在渣相中生成,对钢水没有污染。缺点是脱氧过程依靠氧化铁自钢液向渣相扩散,过程及其缓慢、耗时、耗能。

3.3.4喂线脱氧

喂线机将铝线等高速插入钢水中,铝线插入钢液1m深以内已经全部熔化,分布极不均匀,脱氧速度较慢,部分铝液可能上浮到渣面,甚至被空气氧化。脱氧产物不易絮凝、长大、上浮和去除。实践证明对于脱氧来说不是一个好方法,但作为微调钢中铝含量是可行的。

3.3.5脱氧产物排除

由铝反应式可知,每加1kg/t脱氧剂,将产生脱氧产物Al2O31.89kg/t,浓度为0.189%,熔点2050℃密度3.6g/cm3尺寸小于50μm的固相颗粒物。为促进其上浮可采用以下办法⑴脱氧剂集中并一次性加入。⑵配加钢包精炼渣。⑶对顶渣进行渣洗。

4  炉外精炼工艺

4.1钢包精炼渣

钢包精炼渣必须有较低的熔点、合适的黏度、良好的流动性,如果强调脱氧脱硫采用高碱度精炼渣严格控制SiO2的含量提高CaO含量;为了降低高碱度精炼渣的熔点,适当增加Al2O3和CaF2的含量;如果进一步强化脱氧和脱硫效果,还可以配加一定量的金属铝、电石等;如果为减少精炼渣对钢包耐火材料的侵蚀可添加轻烧镁粉。大量实践证明生产铝镇静钢时加入精炼渣可以促进钢中一次脱氧产物(Al2O3)去除,解决连铸水口结瘤问题效果显著。

表8 铝脱氧镇静钢精炼渣理化指标

成分

CaO

Al2O3

MgO

SiO2

CaF2

烧减

金属Al

含量/%

40--60

5--15

5--8

1--5

4--6

6--8

1--10

如果生产帘线钢对DS类夹杂夹杂要求极为苛刻的硅脱氧钢种,要严格控制钢中[Als]和渣中(Al2O3)的含量(不大于8%),碱度在0.6—1.1之间不能含金属铝。

表9 帘线钢精炼渣理化指标

成分

CaO

Al2O3

MgO

SiO2

CaF2

烧减

含量/%

30--40

≤7

5--8

30--40

4--6

6--8

4.2顶渣改质剂

转炉在出钢过程中出钢下渣、耐火材料冲刷或脱氧反应生成的脱氧产物在钢包内形成大量熔融状态的炉渣,随时可能重新返回钢水而成为钢水中的夹杂物,如回磷、回硫、回硅、增氧等对钢材质量产生不良影响。而出钢后向钢包加入顶渣改质剂,可以对顶渣进行深脱氧,改变顶渣的组成,强化顶渣吸附Al2O3等夹杂物能力,减轻LF炉精炼负担,提高钢包寿命。

表10 稀释性顶渣改质剂成分理化指标

成分

CaO

Al2O3

MgO

SiO2

CaF2

P、S

水分

含量/%

30--40

20--30

6--9

5--8

4--6

≤0.05

≤0.5

表11  脱氧、脱硫型顶渣改质剂成分

成分

CaO

Al2O3

MgO

SiO2

CaF2

烧减

金属Al

水分

含量/%

30--60

15--20

5--8

≤5

4--6

8--10

15--50

<0.5

经顶渣改质后处理后顶渣氧化性很低,一般情况下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%,最低时钢渣中W(TMnO+TFeO)≤1%,钢中的氧和夹杂物大量被去除。对于普通钢种(热轧板低于或等于SPHC级别的)钢种,可通过软吹氩不经LF炉处理直接送去连铸。对于一些必须精炼钢种也可以缩短精炼时间,减少电耗,降低生产成本,提高生产效率。

表12 应用精炼渣及顶渣改质剂后顶渣成分变化(平均值)

渣样

成分(质量分数)/%

CaO

Al2O3

MgO

SiO2

TFeO

MnO

使用前

49

1.2

10

15

20

2.1

使用后

43

32

8.5

9.6

1.5

1.1

应用精炼渣及顶渣改质剂后几乎成为白渣,达到精炼效果,某厂100t转炉生产轴承钢使用此工艺各项夹杂物均有所降低,效果明显。日本JFE公司生产汽车板时顶渣改质剂的成分CaO20%、CaCO330%、金属铝50%。

4.3 LF炉缓释脱氧剂

LF炉扩散脱氧剂多为粉状利用率低下,原因一是部分粉剂被除尘抽走;二是部分粉剂在电弧的高温区与进入LF系统的空气中的氧发生氧化反应;三是粉状脱氧剂落到渣面不均匀、成块成堆,反应不彻底、不均衡。为此有人将铝粉改为铝粒(段),硅铁粉改为小硅铁块,但块状脱氧剂反应不均衡,与钢液直接接触,甚至会增硅,满足不了扩散脱氧需求。

马春生等研究认为将贵重的脱氧材料包裹在球形渣料之中,既不能被除尘系统抽走,也不能在电极高温区氧化燃烧,只有进入熔渣熔化脱氧剂才缓慢释放出来。

表13 缓释脱氧剂的理化性能指标(质量分数%)堆密度1.0g/cm3粒度1—3cm

种类

金属Al

CaO

Al2O3

SiO2

CaF2

MgO

C

烧减

强缓

20—30

25—30

12—18

≤6

3--5

6--8

1--5

6--10

弱缓

5--10

18--25

20--25

≤6

3--5

6--8

1--15

6--10

强缓释脱氧剂主要功能是深脱氧、脱硫、净化钢液。弱缓释脱氧剂主要功能造渣埋弧、满足升温同时对炉渣有一定的脱氧作用,提高其它合金收得率。

表十四 不同造渣方法终渣主要成分变化比较(质量分数%)

造渣方法

CaO

SiO2

Al2O3

MnO+FeO

脱硫率

埋弧率

增氮率

成本元/t

预熔渣、埋弧渣、铝屑

49.3

12.5

26.1

3.02

43.4

72

4.4

60

活性石灰、缓释脱氧剂

51.5

8.9

25.8

2.23

48

49

3.5

48

5  钢中铝含量的控制及钙处理技术

5.1钢中铝含量的控制

铝在钢中除深度脱氧和细化晶粒改善钢的性能外铝还是定氮剂,降低低温脆性转变温度,提高钢在低温下的韧性。不同钢种对铝的含量要求不同,如帘线钢要求不变形点状夹杂(D类)都要小于0.5级,不希望出现B类(Al2O3)和铝酸钙不变形夹杂,要求夹杂物硬性度很低,钢中[Al]含量在0.001%以下,最好在0.0005%以下。低碳或超低碳铝镇静钢用铝脱氧,但铝质脱氧剂加入量过多,生成Al2O3夹杂增多,增加钢中不变形点状夹杂物数量,严重影响钢的质量。一般认为钢中的[Al]含量为0.015%--0.2%时,[O]含量已达到0.0005%。特殊钢如38CrMoAl成品铝含量为0.7—1.1%,应该在精炼后采用沉降工艺加入。

5.2钙处理对非金属夹杂物变性的技术

铝脱氧产物的数量和形状是连铸中间包水口堵塞的主要原因,钙处理是向钢水中加入钙从而对钢水进一步脱氧、脱硫、控制钢中夹杂物形态的技术。在钢水中加入钙元素使钢中高熔点固相Al2O3转变为低熔点液相的铝酸钙夹杂,容易絮凝、长大、上浮和去除。但在钙处理时如果加入钙量不足,将会生成高熔点的铝酸盐夹杂物,反而会会造成坏的影响。若果钙处理强度太大,钢液表面翻腾,钢液与渣之间反应形成富氧化铝的铝酸钙夹杂或MgO--Al2O3尖晶石。如果含硫量要求比较高的钢种,当钢中[S]含量超过0.02%、[Al]含量在0.02—0.04%,喂钙量多会生成CaS,同样会增加水口结瘤几率。综上所述,喂钙量必须依据钢中[Al]、[S]含量进行调整,一般认为如果W[Ca]/ W[Al]控制在0.09—0.11就可以大量减少水口结瘤的几率,夹杂物的形态也能得到很好的控制。对于含硼钢和稀土钢,LF炉精炼后尽量不要进入VD炉进行脱气处理,因为在VD炉处理过程中由于底吹氩气的强烈搅拌,顶渣进入钢液增加钢中稀土氧化物或含硼的夹杂,容易造成水口结瘤。

6  洁净钢连铸技术

6.1中间包覆盖剂的优化

中间包覆盖剂要有保温和隔绝空气功能、吸附夹杂功能、对中间包耐火材料侵蚀较小。因此对于采用不同脱氧剂的钢种,应根据吸附不同的脱氧产物使用不同的中包覆盖剂。

6.1.1酸性覆盖剂

酸性覆盖剂(R≈0.7)和中性(R≈0.9—1.2)覆盖剂的特点是碱度低、熔点低、不结壳隔绝空气好但在钢液表面成熔融状态,辐射散热大,影响保温效果。酸、中性覆盖剂含有较多的SiO2 和CaF2对中间包和塞棒侵蚀严重,其SiO2可能被铝还原,使钢中增硅增氧W(SiO2)≥10%最大增硅量可达0.012%,没有吸附Al2O3能力,不适用于生产铝镇静钢,适用生产如高速铁轨钢、帘线钢等。

6.1.2碱性覆盖剂

碱性覆盖剂虽然解决了吸附夹杂、钢水增硅的问题但熔点高,易结壳,开裂后减弱了覆盖剂保温和隔绝空气功能。因此适当加入CaF2调整熔点,推荐以预熔的7 Al2O3·12 CaO为基体配加8%左右MgO造空心球。

表15 推荐中包覆盖剂成分

组成

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

CaF2

FeO+ MnO

H2O

烧减

含量%

40--50

≤8

20--30

6--9

4--6

≤1

≤0.5

6--8

6.2防止结晶器卷渣技术

连铸坯表面缺陷的产品中有1/3是因为结晶器卷渣造成的。结晶器卷渣的形式可能是,浸入式水口流出的注流向上回流过强,穿透渣层面把渣子卷入液体中;靠近水口周围的涡流把渣子卷入;沿水口周围上浮的气泡过强,搅动钢渣界面把渣子卷入;钢水温度低,保护渣结壳或未熔融渣卷入;中间包液位太浅(≤600mm)中间包内的浮渣或夹渣被水口涡流抽引进入结晶器,未来得及上浮而留在坯中;浸入式水口插入深度太浅时从浸入式水口出来的上升钢流距离保护渣太近,搅动保护渣层而造成的卷渣。

结晶器卷渣预防措施⑴确定合理的浸入式水口倾角,以出口流股不搅动弯月面渣层为原则。⑵确定最佳插入深度,根据不同的坯型和钢种浸入式水口插入深度选择120—150mm,可减少表面卷渣,但纵裂纹指数有所增加。⑶选择灵敏可靠的液面控制系统,要求结晶器液面波动不超过±3--5mm。⑷中间包水口、塞棒吹入氩气的流量合适。⑸选择合适的保护渣,液渣层8—12mm,可避免未熔化渣卷入。⑹换包时候保证中间包液面深度不低于600mm。⑺利用电磁搅拌技术可以强制弯月面处钢液以水平方向运动阻碍卷渣。⑻减少水口结瘤,防止水口结瘤物脱落后进入结晶器改变流场。

6.3国内外中间包先进技术

⑴电磁驱动离心流动中间包,简称“CF中间包”,由圆筒旋转室和矩形分配室组成,容积比1:4.浇注时由长水口进入旋转室,钢水受电磁力驱动做离心流动,然后从旋转室底部进入矩形分配室浇注。其钢水混合能量是普通中间包100倍。旋转搅拌产生的二次流动阻碍了原料重力方向上的流动,有效抑制流动短路发生,有利于夹杂物的上浮和分离。日本川崎钢铁公司使用此工艺与传统工艺相比钢中总氧含量由(20--40)×10-6降低至10×10-6,大小颗粒夹杂物都有明显减少。⑵通道感应加热中间包,分为注入室和分配室,两室之间通过埋有通电线圈磁铁芯的通道相连,线圈通电后铁芯产生交变磁场,由注入室向分配室的钢水通过通道时产生感应电流,感应电流在钢水中组成回路,将钢水加热。中间包加热能够将过热度控制在理想状态0--15℃范围内,实现等温、低过热度浇注,适当降低转炉出钢温度,提高转炉寿命,降低成本。日本川崎钢厂采用此技术温控精度为目标温度±2.5℃,SUS304(0—20mm)大型夹杂物减少25%--50%。

6.4电磁搅拌技术

电磁搅拌技术借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢水的运动,强化钢水对流、传热和传质过程,控制铸坯的凝固过程,在改善铸坯表面、皮下和内部质量、解决中心疏松、中心缩孔和减少偏析有显著工艺效果。根据安装位置不同分为结晶器电磁搅拌M-EMS(作用是减少表面和皮下夹杂物、气孔,扩大等轴区但对减少中心偏析作用不充分)、二冷区电磁搅拌S-EMS(作用是消除“亮带”、减少中心偏析和疏松)、凝固末端电磁搅拌F-EMS(作用是打断柱状晶搭桥、细化等轴晶,有效改进铸坯内部结构)。根据不同钢种可采用不同的组合选择。电磁搅拌主要参数:⑴电磁搅拌电流强度增大,等轴晶率增加,搅拌强度超过某个值时,等轴晶率效果饱和。⑵搅拌频率越大等轴晶比例越小但频率影响程度和电流强度影响相比较为平缓。⑶M-EMS间歇变相搅拌教正向搅拌在减少中心疏松、光亮带和缩孔方面效果显著。

7  结论

⑴、夹杂物对钢材韧性、塑性、裂纹、疲劳性能均有所影响,通过有效措施可以减少夹杂物,从而降低其危害。

⑵、在高炉、预处理、转炉、炉外精炼装置中脱除1KG硫,其费用比值为2.6:1:16:6.1,铁水预处理脱硫与另外三种工序脱硫成本最低。由于铁水[Si]先于[P]与脱硫剂中的Fe2O3反应,造成铁水温降大,脱磷后渣量大、铁耗增加有时发生喷溅,鉴于以上原因,铁水预处理脱磷应用不广。

⑶、石灰粒度越细小,质地越疏松吹炼中成渣速度越快。石灰硫含量超过0.1%时,钢水硫含量增加在0.002%--0.005%之间。石灰石造渣加入时机50%石灰石随第一批料加入,剩余50%随第二批料多次加入效果最好。石灰石代替石灰比例一般以20%--60%为宜。

⑷、转炉脱磷可采用复合造渣剂和SGRS留渣+双渣工艺。转炉顶底复吹技术各项指标优于顶吹转炉,底吹供气元件使用重在维护。

⑸、纯铝密度小易上浮与空气中氧燃烧,利用率低。喂线脱氧对于脱氧来说不是一个好方法,但作为微调钢中铝含量是可行的。复合脱氧剂中铝镁钙是最佳元素组合,电石CaC2和铝质脱氧剂一起使用时,其纯度不小于80%情况下,可顶替本身重量50%金属铝。

⑹、无特殊成分要求的铝镇静钢中的[Al]含量为0.015%--0.2%时最佳,钙处理时如果W[Ca]/ W[Al]控制在0.09—0.11就可以大量减少水口结瘤的几率,夹杂物的形态也能得到很好的控制。

⑺、经钢包精炼渣和顶渣改质后处理后顶渣氧化性很低,一般情况下渣中W(TMnO+TFeO)≤5%,最低时钢渣中W(TMnO+TFeO)≤1%。对于普通钢种(热轧板低于或等于SPHC级别的)钢种,可通过软吹氩不经LF炉处理直接送去连铸。LF炉应用缓释脱氧剂对比传统扩散脱氧剂既不能被除尘系统抽走,也不能在电极高温区氧化燃烧效果显著。

⑻、对于采用不同脱氧剂的钢种,应根据吸附不同的脱氧产物使用不同的中包覆盖剂。

⑼、连铸坯表面缺陷的产品中有1/3是因为结晶器卷渣造成的,做好结晶器卷渣预防措施对于提高连铸坯表面质量意义重大。

⑽、电磁驱动离心流动中间包其钢水混合能量是普通中间包100倍,有利于夹杂物的上浮和分离。通道感应加热中间包够将过热度控制在理想状态0--15℃范围内,减少大型夹杂物。⑾、电磁搅拌M-EMS间歇变相搅拌教正向搅拌效果好,电磁搅拌组合式应用教单一式应用效果较好。                    

参考文献

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[2]殷瑞钰.合理选择二次精炼技术,推进高效低成本“洁净钢平台建设”[J].炼钢,2010,2:1~9

[3]马春生.低成本生产洁净钢的实践[M].北京:冶金工业出版社,2016,2

[4]李自权,李宏,郭洛方,等.石灰石加入转炉造渣的行为探讨[J].炼钢,2011,2:33~35.

[5]姜敏,陈斌,王新华,等.耐火材料对超低氧特殊钢中低熔点夹杂物生成的影响[C].炼钢年会,2014

[6]李阳,姜周华,姜茂发,等.精炼渣对钢水脱氧效果影响的实验研究[C].十二届全国炼钢学术会议论文集:267~271

[7]于艳,刘俊江.结晶器电磁搅拌对连铸坯质量的影响[J].钢铁,2005,2.

[8]蔡开科. 连铸坯质量控制[M].北京:冶金工业出版社,2010

 
 
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