钢铁冶金技术脉络(二)

钢铁冶金技术脉络（二）范鼎东教授浇注铸锭连铸上注下注坑注车注相关技术开发垂直连铸机弧形连铸机立弯连铸机水平连铸机相关技术（6大支撑技术）三、浇注钢的浇注分为模铸和连续浇注。当前超过95%的钢水（包括碳钢和特殊钢）是通过连铸生产的。但是不管技术如何发展，模铸无法淘汰，因为大型锻铸体和各种类型钢的小批量生产，还需要模铸。图9模铸工艺流程图（一）模铸模铸工艺是一个古老的生产方法，最初出现在低熔点有色金属的生产上，钢的浇注就是借鉴这一方法。钢水注入钢锭模的方式分为上注法和下法注。上注法即钢水由钢锭摸的顶部注入，下注法即通过中注管和汤道砖将钢水注入到单个和多个钢锭模中，如图10所示。图10传统模铸中的上注和下注上注法存在许多质量问题，主要有三个方面：一是钢水注流对空气有过分的暴露，因而二次氧化比较严重；二是当注流冲击到钢锭模内的熔体表面时；二次氧化产物和浮渣将被带入钢锭本体中形成为宏观夹杂；三是模注过程中，钢水飞溅粘附到钢锭模壁上，在钢锭的表皮形成表面缺陷，需要后续精整。由此人们为了克服上注的确点，改成了下注。但是，对于高端用途的大型钢锭，仍然采用上浇法，不过采用了真空或惰性气体的保护。下注法的核心技术是“三位一体”的热顶技术。钢锭模的热顶技术是通过钢锭模顶面周边放置的绝热板，钢水上层覆盖保护渣，钢液进入保温帽时表面添加发热剂。热顶技术延缓了钢锭顶部的凝固，并将钢液由顶部向钢锭的核心部位填补由钢液凝固引发的缩孔和中心疏松。㈡连铸图11连铸工艺系统1.连铸的优越性在连铸还没有成熟之前，钢水普遍采用模铸法。但一旦连铸技术成熟后，发现连铸具有五大优点：i.简化生产工序，缩短周转周期。ii.提高金属收得率。iii.降低能量消耗。iv.铸坯质量好，性能稳定。v.生产过程易于自动化，劳动强度大大改善。2.连铸技术最早提出将液态金属连续浇铸成形的设想可追溯到19世纪40年代。1840年美国的塞勒斯（G.E.Sellers）、1843年莱恩（J.Lainy）以及1846年英国的贝塞麦（H.Bessemer）提出了各种连续浇铸有色金属的方法，贝塞麦获得用双辊法浇铸铁的专利（1856年），但是在上世纪30年代前连续浇铸是在有色金属中应用。现代连铸的雏形是由德国人德伦（R.M.Daelen）于1887年提出的，用敞口（上、下口敞开）结晶器，外有水冷却，结晶器下部有喷水二次冷却、引锭装置、夹持辊、切割设备等组合。由于结晶器是固定不动的，浇钢时出现坯壳与结晶器壁黏结，无法正常连铸。1933年被称为现代连铸之父的赛汉斯（S.Junghans）和罗西提出了结晶器振动技术，使连铸生产成为可能，这是一百年间钢铁冶金最重大的发明之一。1950年世界第一台工业生产用立式连续铸钢机在德国曼内斯曼公司的胡金根厂投产。由此连铸的系列技术革新就不断涌现，根本目的是改善质量。连铸坯由于冷却方式的改变，铸态组织产生了根本性的改变，内部质量、表面质量都存在问题，因此开发了相关支撑技术。i.电磁搅拌技术。在常温下钢是导磁的，当钢液的温度超过居里点760℃时变成不导磁了，而钢水的温度远远超过居里点，它之所以能被搅拌也是利用其导电而不导磁的特性。电磁搅拌技术的两大主要特点：一是通过电磁感应实现能量的无接触转换，而且不与钢水接触就可以将电磁能直接转换成钢水的动能；二是电磁搅拌器激发的磁场及其在钢水中感生的电磁力可以人为控制，驱动钢水做旋转运动或直线运动。ii.电磁制动技术。在板坯连铸过程中，由于结晶器内流股严重冲刷窄面坯壳，并引起距月弯面很深处的钢液的扰动，造成漏钢、裂纹、卷渣一系列质量问题，为了解决这一问题，人们又想到了电磁的作用。由电磁流体力学理论可知，一定构型的外加恒定磁场（或直流磁场）有阻滞电流体的流动和抑制湍流的作用。由此原理来阻滞从浸入式水口两个侧孔流出的流股使其减速。这项技术是上世纪80年代，由日本川崎制钢和瑞典的ASEA、ABB公司联合开发的，致使板坯连铸的减薄化速度加快。iii.结晶器润滑技术。为什么会漏钢？传统润滑技术：矿物油（菜籽油等）润滑技术随着对钢的质量要求的提高，人们开始研究开发连铸结晶器保护渣。其功能由润滑的单一作用扩展为五大功能：①润滑铸坯：结晶器壁与坯壳间起到润滑作用；②均匀传热：结晶器壁与坯壳间形成渣膜，均匀传热；③绝热保温：覆盖结晶器表面钢水，减少散热；④防止二次氧化：将钢液与空气隔开；⑤吸附夹杂物：吸附钢液中上浮的夹杂物。iv.保护浇铸技术。三大件：①钢包→中间包采用Al-C质或SiO2质的长水口；②中间包→结晶器的浸入式水口；③用于控制浸入式水口的钢水流量的整体塞棒。在使用三大件的同时，还采用了气体保护技术，因为钢包滑动水口与长水口的连接处和浸入式水口与中间包的连接处，吸气非常严重，为了不让空气吸收，常用Ar气来进行保护。使用保护浇注技术以后，钢中的总氧量由40—50ppm降低到20—25ppm，增N量减少10—30ppm，[Al]的衰减降至10—20ppm。v.轻压下技术连铸坯一大质量问题就是中心偏析，在钢液凝固过程中，由于选分结晶及尚未凝固富集偏析元素的钢液流动，往往造成铸坯中心C、P、S等元素的富集产生严重的中心偏析为了减轻中心偏析，研究开发了在线轻压下技术。所谓轻压下技术就是在铸坯凝固末端（固相率fs=0.6—0.8的区间）对铸坯施以2—3%的压下量，以阻止凝固末端富集偏析元素的钢液向下流动，从而减轻中心偏析的一种方法。vi.中间包冶金技术主要的功能包括：①中间包覆盖剂，保温，防吸气，吸附杂质的功能；②中间温度场均匀功能；③中间包吹气冶金功能；④中间包加热功能；⑤钢液的电磁控制功能。3.连铸的发展方向i.高效连铸技术连铸技术的进步，使得拉速、作业率、漏钢率、铸坯无缺陷率进一步提高。日本加古川厂的板坯拉速已达3.5m/min，德马克公司的方坯拉速已达4.3m/min，德国曼内斯曼厂圆坯拉速已达到了3.5m/min。目前不仅拉速提高，而且连浇炉数也不断提高。美国AK钢公司连浇时间2个月，浇钢1354炉，浇钢30万吨。ii.近终形连铸连轧技术进入20世纪80年代，近终形（接近最终成品的断面的形状）连铸技术引起人们莫大关注。其中，薄板坯连铸连轧（TSCR）工艺率先取得成功，并用于工业生产。最先投入工业生产的是德国西马克（SMS）开发用漏斗形结晶器浇铸厚度为50mm的薄板坯连铸连轧工艺CSP（CompactStripProduction），收效良好。中国已达14台。薄带连铸技术已日渐成熟。1989年英国戴维（Davy）和韩国浦项（POSCO）合作开发了双辊薄带，厚2-6mm，宽350mm，浇铸不锈钢和碳钢。目前薄带连铸已成为研究的热门课题，存在的一系列问题有待解决，一旦进入商业化推广时期，会对冶金工业产生较大的影响。四、炼铁—炼钢的“界面技术”（铁水预处理技术）“界面技术”是指主体工序之向的衔接—匹配，协调—缓冲技术，提升质量等相应的装置（装备）。“界面技术”不仅包括相应的工艺、装置，而且包括时空配置、容量匹配、品种实现等一系列工程技术。炼铁高炉—炼钢转炉流程，金属流动过程主要有三种模式：①高炉铁水—铁水包—混铁炉—铁水包—转炉②高炉铁水—鱼雷罐—铁水包—转炉③高炉铁水—铁水包—转炉1.铁水预脱硫技术铁水预脱硫技术是指铁水进入炼钢炉前的的脱硫处理，它是铁水预处理中最先发展成熟的工艺。除了易切削钢外，硫一般被认为是有害元素。主要是MnS-FeS夹杂在热轧后变成长条形，引起钢的各向异性。当S0.02%板材的横向冲击功迅速增加，S0.01%时断口延伸率急剧增加，当S0.005%时无取向电工钢磁性明显改善。由于转炉的脱硫率有限，一般在30%以下，高炉脱硫很不经济，因此铁水预脱硫技术便得到发展。图12宝钢TDS喷吹法铁水脱硫处理工艺铁水预处理方法：KR搅拌法和TDS喷吹法。KR铁水脱硫是通过机械搅拌将脱硫剂卷入铁水，深脱硫效果好（S≤0.001），脱硫渣干稠易扒除，回硫率低，消耗小，成本低，但设备复杂，需要二次扒渣，铁水温降大。如图12所示，TDS喷吹脱硫是以压缩气体为载气，通过插入铁水的喷枪将脱硫剂喷射到铁水深处。主要优点是处理能力大，时间短，自动化程度高，脱硫效率高，设备和操作费用低，但是强脱剂的价格高，深脱硫的效果不如KR。2.铁水预脱硅技术铁水预脱硅是指铁水进入炼钢炉前的降硅处理，它是分步精炼工艺发展的结果。一方面它能改善炼钢的经济技术指标，降低炼钢成本（Si↓→SO2↓→R↑→石灰↓→渣量↓→铁损↓→成本↓）；另一方面它是脱磷的前处理工序，脱磷必脱硅。按处理场所不同，铁水预脱硅分为高炉出铁过程中连续脱硅和在铁水罐（鱼雷车）中处理两种。按加入方法不同有自然落下的上置法、喷吹法。铁水单独脱硅的厂家很少，一般和脱磷脱硫联合使用，被称为“三脱”。3.铁水预脱磷技术铁水预脱磷是铁水进入炼钢炉前处理的新工艺，是炼钢分步精炼工艺的新发展，是适应低磷钢中的需求（低温用钢要求P0.008%），改进炼钢工艺技术和利用含磷较高的铁矿资源而得到发展的，如图13所示。铁水预脱磷的处理方法分为炉外法和炉内法，炉外法设备有铁水包和鱼雷罐，炉内法设备有专用炉和底吹转炉。由于炼钢产能过剩，把一座转炉改成脱磷炉，实现双联法炼钢新工艺大有发展空间。图13脱磷装置示意图1-贮料仓；2-提升罐；3-喷吹罐；4-CaO；5-CaF2；6-轧钢皮；7-斗式提升机；8-运输机；9-集尘罩；10-衬；11-N2枪；12-铁水罐五、炼钢-浇铸的“界面技术”（炉外精炼技术）炉外精炼技术发展的两个推动力：一是它与连铸生产的迅速发展紧密相关。二是它与调整产品结构、优化企业生产的专业化进程紧密结合。炉外精炼形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术。⒈合成渣精炼技术这是一项早在上世纪30年代开始应用的精炼技术，至今仍被广泛应用。由于炼铁脱S的不经济，炼钢脱S的效率低，脱S问题难以解决。人们想到了在出钢时向钢渣中加入以CaO为主配有化渣材料CaF2及以脱硫材料CaC2和苏打的合成渣脱硫，脱硫率30-50%。2．气泡冶金技术为了解决成分不均问题，人们想到了搅拌。搅拌的方法一是机械搅拌；二是电磁搅拌；三是气体搅拌。比较之下，气体搅拌有效、简单（顶吹、底吹法）。通过研究气体搅拌还有其它益处，不仅均匀成分，还能均匀温度、减轻气体、减少夹杂物一系列优点。⒊LF钢包精炼炉（LadleFurnace）LF炉开发是因连铸工艺发展引起的。当时连铸有两大难点：一是只要转炉出钢温度发生偏差，连铸就要停浇，钢水回炉；二是连铸一旦故障，转炉已经吹炼两炉在等待，生产组织被动。人们想到了如果把电炉的加热方法移植到钢包上，问题就解决了。当LF炉于20世纪70年代由日本开发成功以后，电炉钢的一切优点立即被LF炉所利用，由此不仅解决了生产问题，还使转炉钢的质量大大提高。图14LF钢包精炼炉装置图⒋喷射冶金技术喷粉是一种以惰性气体作载气，用喷枪向液态金属中喷入特定粉剂的精炼工艺。在铁水预处理技术开发之后，平炉和转炉要冶炼出S0.010%的低硫钢几乎不可能。为此，人们利用喷吹的方法把脱S剂（CaO、Mg、Ca、CaC2、苏打）吹入钢包深处，可以获得低S或超低S钢，并且还可使夹杂物变性、脱氧以及合金化，并且出现了一系列方法，如SL、TN、KTS、KIP等方法，但是目前喷射冶金脱S的方法几乎不用了，因为LF-VD（RH）脱S效果更好，有些功能可以用喂线法所替代。5.合金包芯线技术喂线是在喷粉基础上于20世纪80年代初开发出来的。喂线工艺设备轻便、操作简单、冶金效果突出、生产成本低廉，能解决一些喷粉工艺难以解决的问题。图15喂线设备布置示意图1-线卷装载机；2-辊式喂线机；3-导管系统；4包芯线；5-钢水包⒍成份温度调控技术（CAS及CAS-OB法）CAS(CompositionAdjustmentbySealedArgonBubbling，即密封吹氩合金成分调整)是一种钢包炉外处理技术。它的开发主要是解决易氧化元素的收得率问题，1975年首先由日本新日铁八幡厂提出，1976年取得了美国专利。进行CAS处理时，首先用Ar气吹开浇面，