讲座稿-高品质超深冲钢的冶金技术

高品质超深冲钢的冶金技术包燕平北京科技大学•IF钢生产过程的冶金特点•IF钢生产过程的发展及现状分析•国内钢厂目前生产状况•IF钢生产的几个关键技术•夹杂物的控制1IF钢生产过程的冶金特点•化学成分；•纯净度；•连铸坯质量。超深冲钢化学成分要求极低的碳含量(≤30ppm)；非常低的氮含量(≤30ppm)；含一定量的钛或钛和铌；铝脱氧钢([Al]s：0.02～0.06％)。无间隙原子钢－InterstitialFreeSteel优异的深冲性能；非时效性能；强度要求；非常高的钢板表面质量。1.1超低碳、氮•研究发现，固溶碳和固溶氮严重损害IF钢的塑性应变比。一般IF钢中碳含量小于50×10-6，氮含量小于20×10-6。•降低钢中的碳、氮等间隙原子的含量，可以明显改善IF钢的塑性应变比，同时能够减少钛、铌等合金消耗。超低碳钢冶炼工艺技术进展•主要钢种：–IF钢([C]≤10ppm）；–电工钢(([C]≤20ppm)。•RH精炼快速脱碳：–强大真空抽气能力；–加大钢水循环速率：•增大浸渍管直径；•增加提升气体流量；–“双工位”RH。RH快速高效脱碳真空度钢水循环流量提升气体流量RH快速深度脱碳JFE福山厂RH脱碳实绩新日铁君津2＃RH脱碳实绩K.Tanabe,etal.,ImproveddecarburizationefficiencyofNo.2RHatKimitsuWorks,ICS2005,May9-12,Charlotte,p.285IF钢的化学成分(质量分数，％)0.020~0.0700.020~0.0700.003~0.012－WAl0.001~0.0040.001~0.0040.004~0.008≤0.0030WN0.004~0.0100.005~0.0150.060~0.250－WNb0.020~0.0400.010~0.0600.080~0.3100.035~0.060WTi0.007~0.0100.002~0.0130.008~0.0200.012~0.022Ws0.003~0.0150.005~0.0150.001~0.0100.015~0.025WP0.10~0.200.10~0.200.25~0.500.20~0.30WMn0.010~0.0300.010~0.0200.007~0.025≤0.03WSi0.002~0.0080.002~0.0060.002~0.012≤0.0025Wc宝钢集团公司浦项钢铁公司美Armco钢铁公司新日铁公司成分1.2微合金化•IF钢生产的关键所在，就是通过钛、铌处理昀终清除钢中的碳、氮等间隙原子，得到洁净的铁素体基体，从而完全消除碳、氮等间隙原子的不利影响。•研究发现，通过适当的钛、铌处理后，IF钢的塑性应变比大大增加。1.3钢质纯净化•除碳、氮等间隙原子的含量被严格控制外，IF钢中氧、硫等杂质元素也必须尽可降低。研究发现，由于锰与碳等间隙原子的交互作用，其对于IF钢的塑性应变能比有不利的影响，当碳、氮等等间隙原子被完全固定后，这种不利的影响可减少。在生产高强IF钢时，应适当增加硅锰磷等铁素体强化元素的含量，但是必须考虑其对于成形性的影响作用。•提高钢的纯净度，生产更高质量的钢材是近二十年来炼钢技术发展的趋势；•钢中碳、磷、硫、氮、氢、氧杂质总量已能够去除至40ppm以下；•纯净钢生产仍然是当前炼钢科研的“热点”。典型钢种的纯净度要求元素IF钢中厚板无取向硅钢CSP热镀锌板轴承钢(100Cr6)C(%)0.00300.06～0.080.00300.02～0.040.90～1.00Si(%)0.020.30～0.353.2～3.40.030.20～0.30Mn(%)0.10～0.151.5～1.60.150.20～0.250.30～0.40P(%)0.0150.0100.0400.0120.020S(%)0.0100.00100.00200.0050.005～0.010Al(%)0.02～0.040.02～0.051.40～1.600.02～0.040.002Ti(%)0.06～0.080.002N(ppm)3050204570H(ppm)2.52.0纯净度要求高高高夹杂物改性要求要求要求超低碳钢：[C]≤10ppm超低硫、磷钢：[S]≤5ppm，[P]≤40ppm超低碳、硫、氮钢:≤20~30ppm超低氧钢:T[O]≤5ppmN.Bannenberg,etal.,“ProcessroutesfortheproductionofIFsteelsandsomeotherhighqualitysteelgradeswithregardtosteelcleanliness”,CSM-VDEhSteelmakingTechnologySeminar,Beijing,Sept.3,2001为了保证钢材的成形性能对钢水纯净度有极严格的要求：•要求严格控制碳含量，目前国际昀好水平可以生产[C]10×10-6；•要求严格控制钢水氮含量，要求钢水[N]25×10-6；•要求钢水纯净度高：[P]0.001%，[S]0.005%，T.O20×10-6。2、IF钢生产工序的发展及技术特点•国内外IF钢的生产工艺流程一般为：铁水预处理－转炉冶炼一RH真空精炼一连铸－热轧一冷轧一退火一平整。•每一个工序均在不同程度上影响IF钢的昀终产品性能。2.1铁水预处理工序•在进行IF钢生产时，必须进行铁水预处理，其目的是：①减少转炉冶炼过程中的渣量，从而减少出钢过程中的下渣量；②降低转炉冶炼终点钢液和炉渣的氧化性；③提高转炉冶炼终点炉渣的碱度和MgO含量。•采用喷吹金属镁和活性石灰对铁水进行脱硫，可使入炉铁水中的硫含量控制在0.003％以下。而通过喷吹含镁和CaC2，可使入炉铁水中的硫含量降至0.010％以下。2.2转炉冶炼工序总结国内外关于IF钢转炉冶炼的研究成果，可归纳为：①采用顶底复吹转炉进行冶炼，降低转炉冶炼终点钢液氧含量；②实现转炉冶炼动态模型控制，提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率；③提高铁水比，入炉铁水的硫含量小于0.003％；④控制矿石投入量；⑤提高氧气纯度，控制炉内保持正压；⑥转炉冶炼后期增大底部惰性气体流量，加强溶池搅拌；⑦转炉冶炼后期采用低枪位操作；⑧将转炉冶炼终点钢液的碳含量由0.02％～0.03％提高至0.03—0.04％；⑨采用出钢挡渣技术；⑩出钢过程中不脱氧，只进行锰合金化处理；⑾采用钢包渣改质技术。2.3RH真空精炼工序总结国内外关于IF钢真空精炼的研究成果归纳如下：①严格控制RH真空精炼之前钢液中的碳含量、氧含量和温度；②采取RH真空精炼前期吹氧强制脱碳方法：③增大RH真空脱碳后期的驱动气体流量，增加反应界面。④采用海绵钛替代钛铁合金；⑤建立合理的RH真空精炼过程控制模型；⑥进行RH炉气在线分析、动态控制；2.4连铸工序总结国内外关于IF钢连铸生产的研究成果，可归纳为：①采用钢包下渣自动检测技术；②加强大包一长水口之间的密封；③连铸中间包使用之前采用氩气清扫；④提高大包滑动水口开启成功率；⑤采用连铸浸入式长水口；⑥采用大容量连铸中间包，并进行钢液流场优化；⑦保证连铸中间包内钢液面相对稳定，且高于临界高度；⑧采用低碳碱性连铸中间包包衬和覆盖剂；⑨采用低碳高粘度连铸结晶器保护渣：⑩采用连铸结晶器液面自动控制技术，确保液面波动小于±3mm。2.5IF钢中碳含量的控制IF钢中碳含量的控制技术主要包括以下三个方面：（1）转炉冶炼终点碳的控制：•在IF钢生产时，日本川崎制钢公司、美国Inland钢铁公司和宝钢将转炉炼终点钢液中的碳含量控制为0.03％～0.04％，氧含量控制为0.05～0.065％；•德国Thyssen钢铁公司认为转炉冶炼终点钢液的昀佳碳含量为0.03％，昀佳氧含量为0.06％。（2）RH真空脱碳•美国Inland钢铁公司采用RH-OB进行深脱碳处理。RH-OB的真空脱碳过程主要分为以下两个阶段：①强制脱碳阶段从开始到第8min，RH-OB采取吹氧强制真空脱碳方法，真空度为4kPa～8kPa。在此阶段，钢液中的碳含量可从0.03％～0.04％降低至8×10-6左右。②自然脱碳阶段从第8min至第12min，RH-OB停止吹氧，进行自然真空脱碳方法，真空度小于266Pa。在此阶段，钢液中的碳含量可从80×10－6降低至20×10-6以下。•宝钢为了满足钢种和多炉连浇的要求，采取提高脱碳速度的方法：①在RH脱碳初期采用硬脱碳方式，真空室压力快速下降，加速脱碳；②在RH脱碳后期通过OB喷嘴的环缝吹入较大量的氩气，增加反应界面。•武钢针对RH真空设备存在的抽气能力过小的问题，开发出如下的RH真空脱碳技术：①提高浸渍管的寿命，尤其是延长大直径的使用时段；②加大驱动氩气流量，并实现石英浸渍管内径扩大的动态调整；③真空室快速减压。采用以上技术后，在RH真空脱碳过程中，可在15～20分钟内将IF钢中碳含量降低到0.0015%左右。（3）防止RH处理后钢液增碳在RH真空处理后，必须严格控制IF钢的增碳，可能导致IF钢增碳的因素如下：•RH真空室内的合金及冷钢增碳；•钢包覆盖剂增碳；•包衬、长水口、滑板等钢包耐火材料增碳；•连铸中间包覆盖剂增碳；•包衬、塞棒、浸入式水口、滑板等中间包耐火材料增碳；•连铸结晶器保护渣增碳。•日本新日铁在生产IF钢时，采用超低碳多孔镁质钢包覆盖剂。超低碳中间包覆盖剂和低碳空心结晶器保护渣、低碳长水口和浸入式水口、结晶器液面控制仪等措施，IF增碳量可稳定控制在8～9ppm，甚至达到2.6ppm。•宝钢在IF钢生产中，采用低碳高碱度中间包覆盖剂和低碳高粘度结晶器保护渣，同时减少RH真空槽冷钢，控制从RH真空脱碳后的钢液增碳，增碳量可稳定控制在7ppm。2.6IF钢中氮含量的控制IF钢的降氮问题主要在转炉内解决，当IF钢中氮含量小于20ppm时，RH真空精炼过程中降氮非常困难，有时若密封不好还导致增氮。因此在IF钢生产过程中，减少转炉冶炼终点的氮含量和避免钢液增氮是获得超低氮IF钢的主要途经。宝钢采用的主要技术措施为：•高铁水比，控制矿石投入量；•提高氧气纯度，控制炉内为正压；•转炉冶炼后期采用低枪位操作；•提高转炉冶炼终点控制的命中率和精度，不允许再吹；•钢包水口和长水口连接处采用氩气和纤维体密封。采用以上措施后，RH精炼终点氮含量控制在20ppm以下，平均13ppm。台湾中钢公司采用以下技术：•转炉冶炼过程增加铁水比和溶剂量，形成较后的渣层，增加CO在渣层中停留时间，隔离大气。转炉冶炼结束前，向炉内加白云石，产生大量的CO气体形成正压层，阻止钢液从大气中吸氮；•RH精炼过程中，采用海绵钛代替钛铁合金，减少铁合金增氮；•连铸过程采用长水口、氩气密封和纤维体密封等技术进行保护浇注。采用以上技术后，IF钢中氮含量可以控制在30ppm以下。2.7IF钢中氧含量的控制IF钢中氧含量的控制技术涉及转炉冶炼、RH真空精炼和连铸等工艺环节。武钢采用了以下技术：①用顶底复吹转炉进行冶炼，降低转炉冶炼终点钢液氧含量；②实现转炉冶炼动态模型控制，提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率；③采用挡渣出钢；④进行钢包渣改质；⑤采用钢包下渣自动检测技术；⑥采用大容量连铸中间包，并进行钢液流场优化；⑦采用碱性连铸中间包包衬和覆盖剂；⑧采用连铸结晶器液面自动控制技术，确保液面波动小于±3mm。采用以上技术后，IF钢连铸坯中的全氧含量可控制在10×10-6～24×10-6、平均为18×10-6的先进水平。•日本川崎制钢公司在控制IF钢转炉冶炼终点氧含量方面主要采取以下措施：①采用顶底复吹转炉进行冶炼；②增大转炉冶炼后期底部惰性气体流量，加强溶池搅拌；③将IF钢转炉冶炼终点碳含量由0.02％～0.03％提高至0.03～0.04％；④提高转炉冶炼终点控制的成功率，减少补吹率。日本川崎制钢公司在控制IF钢转炉冶炼终点炉渣的全铁含量一般为15％～25％，采用出钢挡渣技术，钢包内炉渣的厚度应控制在50mm以下，防止出钢过程中下渣