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1经济洁净钢生产技术平台的建设报告人:王谦重庆大学材料学院冶金系2主要内容1.钢洁净度概念2.夹杂物主要来源及洁净度评价方法3.提高钢水和铸坯洁净度的意义4.提高洁净度的冶金理论基础5.提高洁净度的主要工艺设备措施6.重庆大学提高钢水洁净度方面的部分研究工作3炼钢生产控制要点提供成分、温度合格的铸坯/钢锭安全、环保及资源优化配置满足钢种洁净度要求获得凝固组织优良的铸坯/钢锭41.钢洁净度概念洁净度：危害钢材使用性能的有害(气体、金属、非金属)夹杂物在钢中的含量、形貌尺寸及分布。洁净度是一相对概念。夹杂物种类：金属夹杂、非金属元素及气体，C,P,As,S,O,N,H,Ar;非金属化合(物氧化物、硫化物、氮化物);脆性/塑性夹杂。夹杂物含量：C、S、P、N、H、T[O]等含量，大样电解夹杂总量及分量(mg/10Kg钢)、金相测得的夹杂指数/个数。夹杂物形貌及尺寸：点状、簇状、条带状、球形、棱角形；宏观/显微夹杂；大型(≥50μm),小型(5～30μm),微小(＜5μm)夹杂。夹杂物在铸坯或钢材中的分布位置：表面/皮下/内部夹杂，晶间/晶粒内部夹杂。5•夹杂物对钢材性能的危害造成危害的原因：夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性，钢材在加工和使用中受力时在夹杂－金属界面出现应力集中，造成钢材基体的破坏。主要危害的钢材性能：塑性、韧性；疲劳性能；加工性能；抗腐蚀性能；高温性能；电磁性能。对于不同性能，各夹杂物危害作用机理不尽相同，夹杂物有益和有害作用可能相对转化。6不同用途钢种所允许的若干杂质含量的上限（％）[蒋国昌.纯净钢及二次精炼,上海:上海科学技术出版社,1996]钢种航空级核能级石油特级电渣重熔特级轴承马氏体时效钢特殊深冲钢高强度钢细钢丝、特殊合金罐头镀锡板深冲钢、冷拉钢变形钢、顶锻钢不锈钢、合金钢无缝管、连铸园坯锻棒、汽车零件穿孔带钢热处理用合金钢压力容器CuSnNiCrMoSP0.0050.0010.0050.0200.0020.0020.0050.0100.0100.0100.0500.0100.0100.0100.100.0100.100.0500.0200.0150.0150.150.0150.100.050.0200.0200.0307洁净钢对T[O]和夹杂物尺寸的要求[蔡开科.连铸技术的进展.炼钢,2001,17(1):7-12]产品洁净度备注汽车板T[O]20ppmD≤100μm防薄板表面线状缺陷深冲击钢T[O]20ppmD≤20μm防飞边裂纹防罩屏D5μm防止图象浸蚀轮胎钢芯线冷拔0.15-0.25mm，D10μm防冷拔断裂滚珠T[O]10ppmD≤15μm增加疲劳寿命管线D100μm，氧化物形态控制酸气腐蚀钢轨T[O]20ppm，单个D13μm，链状D200μm断裂备注：D指夹杂物直径8钢种性能和对洁净度的要求[K.marukawa,H.kasima.TheRefiningLimitofImpurityElements.ISIJ,1996:1-4]钢种性能要求洁净度（ppm）海洋结构钢石油管线钢化工用容器钢高纯度、高的低温韧性，抗氢诱导裂纹的性能[S]＜10;[P]＜50;[N]＜30;T[O]＜25;[H]＜2深冲钢板提高深冲性、延展性和抗时效性能[S]＜10;[P]＜50;[N]＜30;[C]＜10中、高碳钢线材具备良好的冷拔拉伸性能[S]＜70;T[O]＜20电工硅钢提高软磁材料的导磁性[S]＜10;[N]＜20;[C]≤30汽车用冷轧薄板涂层钢板镀锡锌钢板提高表面质量、外观平整光洁T[O]＜25;非金属夹杂物5～10个/cm29高质量钢所容许的夹杂物形态[翁宇庆.提高铸坯质量,推进洁净钢生产报告.连铸坯质量研讨会,昆明,2004]产品形态产品名称钢种代表尺寸要求质量特征容许夹杂物薄钢板DI罐材料超深冲钢板彩色显像管荫罩深冲框架低碳铝镇静钢极低碳钢低碳铝镇静(股钢)13%Cr，4%Ni钢0.2～0.3mm0.2～0.6mm0.1～0.2mm0.15～0.25mm加工时防止裂纹r＞1.8光刻时蚀刻不良加工时防止裂纹100μm洁净化5μm5μm厚钢板耐用湿地煤气管线钢结构钢低合金钢10～40mm氢致裂纹，均匀，各向异性，焊接性能防止生成MnS,超声探伤（减少氧化铝系夹杂物）无缝钢管座圈材料轴承钢Φ50～300mm疲劳寿命减少ASTMB、D系夹杂物棒材轴承表面淬火钢结构钢轴承钢SCMSCR,SCΦ30～65mm改善疲劳寿命和切削性能同上，减少氧化铝系夹杂物线材轮胎帘线弹簧钢不锈钢SWRH72,82SWRSΦ0.1～0.4mmΦ1.6～10mmΦ0.1～0.15mm加工时防止断线提高疲劳特性拉丝时防止断线10μm减少非延展性夹杂物10钢种对[H]、[N]的控制要求品种要求钢质特性[H][N]T[O]车轮轮箍禁止白点，防疲劳断裂≤230~40≤15重轨防止白点，防疲劳断裂≤230~40＜20耐蚀结构钢对大气、海水耐蚀性≤1.610~40≤30超低碳薄板超深冲性≤5010~30D≤40μm优硬线材拉拔性、拉断裂性40~6020~30D≤20μm汽车钢板防表面线状缺陷≤25≤20中厚钢板耐腐蚀性能好＜1.5≤40合金钢棒材疲劳寿命高＜210~20≤10管线钢耐酸气腐蚀、抗断裂≤40≤30冷墩钢1/3冷墩时不开裂≤40国外进口钢材水平11零下20℃时磷含量与钢板冲击功的关系应力腐蚀破裂时间与磷含量的关系GBT699-1999规定的磷含量要求(wt%)优质钢高级优质钢特级优质钢≤0.035≤0.030≤0.025纯净钢磷含量水平(wt%)高级别管线钢超低碳钢IF钢汽车车体轴承钢低温储罐钢＜0.003＜0.01＜0.0045＜0.01＜0.004＜0.003122.夹杂物主要来源及洁净度评价方法钢中夹杂物主要来源：可以分为内生夹杂物和外来夹杂物。内生夹杂物主要是钢脱氧时产生的脱氧产物和钢水冷却凝固过程中的析出物。外来夹杂物主要是钢水和外界之间偶然的化学和机械作用产物，包括卷渣和耐火材料侵蚀产生的夹杂物，以及钢水二次氧化所产生的夹杂物。脱氧产物炉内[O]含量钢水温度脱气处理脱氧方式气体搅拌渣子混入中包容量、形状液面高度转炉渣中包渣中包水口材质[Mn]铸速形状铸速变动铸机种类铸坯形状耐火砖衬熔损[Mn][Al]S钢水包材质中间包钢水温度墙容量形状材质二次氧化产物钢包与中包间气体密封钢包与结晶器间气体密封结晶器渣水口形状液面波动渣粉材质浇注温度13•钢洁净度的评价方法直接分析方法有：成分分析、金相显微镜、图像分析仪、硫印、电解、电子束熔化、电子探针、激光衍射分析仪、超声波扫描仪、X光透射法间接分析法有：钢中总氧法T[O]、钢中吸氮增量法、钢中酸溶铝损失法、氧化物夹杂示踪法14钢中夹杂主要分析测试方法及特点序号方法分析时间优点缺点1成分分析：化学分析/仪器分析较快把握钢成分和S、P、N、H、T[O]等总体水平无法获得夹杂物分布、类型、尺寸等信息2硫印法较快了解坯、材上大型夹杂和其它宏观缺陷分布无法显示显微夹杂3金相/图像分析/图谱评价较慢分析显微夹杂和对夹杂评价，技术成熟易受尘埃干扰,细小夹杂可能从摩面脱落，易漏掉大型夹杂，对钢水中夹杂分析代表性差4定量金相(QM)/扫描电镜＋能谱1～10h自动化程度高,可获得体积分数,粒度分布直方图，夹杂成分及形貌等定量信息易受尘埃干扰,细小夹杂可能从摩面脱落，易漏掉大型夹杂，对钢水中夹杂分析代表性差5电解抽取+电解/能谱(EE+SEM/EDS)8～10天取样量及信息量大,适合考察聚合的或外来的大型夹杂费时,不稳定夹杂被破坏，小型夹杂易漏掉6电解抽取+化学分析(EE+CA)8～10天取样量大,对大小颗粒都有代表性,含量和组成分析精度较好费时,要求试剂及环境纯度高,不稳定夹杂物被溶解而测不到7抽取+激光衍设和散设(PSM)2～3天(抽取),3～5min(测定)粒度范围宽0.1～1000μm抽取(电解或酸溶)及除去碳化物均费时且可能损失目的物8电子束重溶+电解/能谱(EBR+SEM/EDS)30min+5天快速富集夹杂部分夹杂可能因聚合而改变其原来形状和化学组成9高频超声探测(HE-US)3～4h不分解试样,联合SEM/EDS可作原位分析仅能探测到30μm以上的颗粒10差热抽取(DTE)3～5min快速给出几类氧化夹杂含量,适合探讨工艺过程对某类夹杂的影响无形态粒度信息;加热过程可能导致某些夹杂物发生变化15•常用洁净度指标①一般杂质元素含量：[S]、[P]、[As]等一般杂质元素含量；②钢中气体含量：包括钢中T[O]、[N]、[H]；③钢中大型夹杂(50μm)含量：可由大样电解夹杂分析来确定；④夹杂尺寸及分布：大样电解分析处理大型夹杂，显微分析处理细小夹杂（进行评级、统计计算夹杂指数等）。⑤夹杂类型（成分及形貌）：以大样电解、小样电解和金相显微/扫描电镜夹杂分析为主。⑥通过示踪或典型冶金材料成分与夹杂成分的关系分析炼钢连铸过程中夹杂的衍化，作为优化工艺的依据。163.提高钢水和铸坯洁净度的意义保证连铸工艺顺行：钢水洁净度提高，铸坯缺陷减少，有利于高产顺产，提高生产率；举例如下：[O]过高引起厚板、棒材中心偏析导致钢板分层，[H]高引起棒材、中厚板探伤报警率高，甚至白点白斑缺陷；[S]、[P]、[Mn]/[S]影响铸坯表面和内部裂纹；Al2O3、CaS、CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3、MgO·Al2O3、SiO2引起水口堵塞，为避免堵塞提高过热度、加大吹Ar、冲棒等引起铸坯缺陷；少量钢水夹杂进入亚包晶钢、高碳钢的保护渣就可引起渣性能变化，加剧裂纹和漏钢；[N]过高引起TiN,TiCN,NbCN,VN,AlN,BN高温过早析出，晶粒粗大，易诱发铸坯微裂纹，增加昂贵微合金元素用量及成本。17洁净度提高，有利于稳定和提升现有产品质量及综合竞争能力。产品质量稳定甚至比其它厂家质量好，市场竞争力自然增强；优化炼钢－精炼－连铸工艺配置和材料使用，在增加质量的同时可能降低成本，例如：在RH用C脱氧，减少脱氧合金用量，用渣洗工艺代替纯粹外购精炼渣，提前造白渣和优化吹Ar等动力学条件缩短精炼设备占用时间，…。将洁净度指标纳入生产控制过程，可减少非稳定因素对产品质量的干扰，提高钢厂整体质量水平。18提高钢水和铸坯洁净度是实现企业产品战略的基本平台之一。什么订单能够承接←质量能否保证←对洁净度及其保障能力了解吗？与同行相比我的优势如何发挥←洁净度是重要保障；企业及其产品的发展，需要企业自己的质量控制队伍，规划工艺、选择设备、优化操作等，通过研究和提高钢洁净度的工作可培养大批炼钢专业人才队伍。经济洁净钢用途功能+市场+价格+洁净度+盈利分析技术掌握水平质量、产量、盈利的协调装备条件19经济洁净钢生产控制要素204.提高洁净度的冶金理论基础冶金理论发展与提高钢洁净度生产技术进步基础理论发展动态冶金技术及其效果冶金热力学脱硫、脱磷、复合脱氧真空冶金理论界面现象熔渣理论铁水三脱、转炉脱磷、钢水脱硫、夹杂变性，促进夹杂排除，脱碳脱气，降低N、H等气体含量，相关耐材开发，夹杂吸附与去除，熔渣精炼技术，去除S、P及夹杂等传输原理及冶金动力学传热传质理论流体流动多相流动吹氩搅拌及喷粉冶金，提高反应速率和冶金效果，夹杂物运动行为及排除方式，提高洁净度夹杂物分离与排除，净化钢液冶金反应工程学单元操作与反应速率解析流体流动模式理论冶金过程数理模拟优化操作工艺冶金容器的优化设计数字化冶金及工艺优化5提高钢洁净度的主要工艺设备措施215.1脱磷热力学、动力学条件：合适温度、高碱度、高氧化性、高搅拌强度。222[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]2[P]+5(Fe2+)+8(O2-)=2(PO43-)+5[Fe]★脱磷方式传统铁水预处理脱磷出铁沟(槽)脱磷铁水包、鱼雷罐车、混铁炉脱磷专用转炉脱磷神户制钢H炉脱磷（De-P、De-S与De-C分开）住友金属SRP工艺（De-P、De-C分开）新日铁