转炉-精炼-连铸过程

转炉-精炼-连铸过程钢中氧的控制目录1.钢中的氧2.转炉冶炼终点钢中氧的控制3.钢中溶解氧的转换－脱氧与夹杂物生成4.钢水中氧的降低－脱氧夹杂物排除5.连铸过程钢中氧的控制－防止钢水再污染6.结论1钢中的氧1.1氧在钢中的存在形式炼铁是一个还原过程：高炉内加入还原剂（C、CO）把铁矿石中的氧（Fe3O4、Fe2O3）脱除，使其成为含有C、Si、Mn、P、S的生铁。炼钢是一个氧化过程：把纯O2吹入铁水溶池，使C、Si、Mn、P氧化变成不同含碳量的钢液，当吹炼到终点时，钢水中溶解了过多的氧，称为[O]溶（或a[O]，但不相等，a[O]=fO[%O]）1钢中的氧出钢时，在钢包内必须进行脱氧合金化，把[O]溶转变成氧化物夹杂，可用[O]夹杂表示，所以钢中氧可用总氧T[O]表示为：T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂出钢时：钢水中[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；脱氧后：根据脱氧程度的不同[O]溶→0，T[O]＝[O]夹杂。1钢中的氧1.2T[O]表示钢的洁净度可以用钢中总氧T[O]来表示钢的洁净度，也就是钢中夹杂物水平。钢中T[O]越低，钢越“干净”。为使钢中T[O]较低，必须控制：•降低[O]溶：控制转炉终点a[O]，它主要决定于冶炼过程；•降低夹杂物的[O]夹杂：控制脱氧、夹杂物形成及夹杂物上浮去除－夹杂物工程概念（InclusionEngineering）。•随着炉外精炼技术的发展，钢中的总氧含量不断降低，夹杂物越来越少，钢水越来越“干净”，甚至追求“零夹杂物”，钢材性能不断改善。•由于引入炉外精炼，对硅镇静钢，T[O]可达15-20ppm，对铝镇静钢，T[O]可达到10ppm。图11970－2000年钢中平均T[O]水平轴承钢T[O]由30ppm降到5ppm，疲劳寿命提高100倍如图2所示。图2钢中T[O]与轴承钢寿命关系钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显对应关系•美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现：T[O]，ppm质量指数15～208121～257226～30683035T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高。川崎Mizushima把中间包T[O]作为钢水洁净度标准，生产试验表明：中间包钢水T[O]30ppm冷轧薄板不检查，用户接受T[O]＝30～55ppm冷轧薄板需检查T[O]55ppm冷轧薄板降级使用产品质量缺陷不仅与钢中总氧T[O]有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关，如表1、表2、表3所示。表1典型纯净钢对清洁度的要求产品分类钢种代表规格产品材质特性要求清洁度要求薄板DI罐低碳铝镇静钢0.2~0.3mmt飞边裂纹T[O]20ppm,D20μm深冲钢超低碳铝镇静钢0.2~0.6mmt超深冲，非时效性表面线状缺陷[C]20ppm,[N]20ppmT[O]20ppm,D100μm荫罩钢低碳铝镇静钢0.1~0.2mmt防止图像侵蚀D100μm,低硫化导架结构材13%Cr0.15~0.25mmt打眼加工时的裂纹D100μm42NiD5μm，[N]50ppm中厚板管线钢X52~70级低合金钢10~40mmt氢引起的裂纹夹杂物形态控制低硫化，S10ppm低温用钢9%Ni10~40mmt低温脆化P0.003%,S0.001%抗层状撕裂钢结构高强钢10~40mmt层状撕裂低磷化、低硫化无缝管座圈材轴承钢50~300mmΦ转动疲劳寿命T[O]10ppm,[Ti]20ppm净化管不锈钢10mmΦ电解浸蚀时表面光洁度T[O]20ppm,[N]50ppmD5μm棒材轴承轴承钢30~65mmΦ转动疲劳特性T[O]10ppm,[Ti]15ppmD15μm渗碳钢SCM432、420疲劳特性、加工性T[O]15ppm，P0.005%线材轮胎钢丝SWRH72、82B0.1~0.4mmΦ冷拔断裂非塑性夹杂D20μm弹簧钢SWRSSi-Cr钢1.6~10mmΦ0.1~0.15mmΦ疲劳特性、残余应变性非塑性夹杂D20μm表2某些高纯度钢发生缺陷的原因调查钢种产品缺陷引起缺陷夹杂物最小直径缺陷部位夹杂成分DI罐用镀锡板飞边裂纹150μm、60μmCaO-Al2O3ERW管材UT缺陷US缺陷150μm220μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3镀锡板炉渣分层400μm、150μm深冲深拉用冷轧钢板冲压缺陷夹杂250μm400μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2OUO管材UT缺陷200μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2OUOE管（厚钢板）US缺陷220μm注：表中夹杂物尺寸为板材加工后的夹杂尺寸，推算至铸坯中，约为50～60μm品种用途用户要求生产目标薄板DI罐防止裂纹DA40μm超深冲板2.0≦r≦3.0，非常薄较高抗拉强度Dj40μm防止碳化、氮化物的析出汽车轮箍防止勾形裂纹DA100μm汽车轮盘极好的穿孔性能DM20μm门窗框架防止冲压时产生裂纹DA20μm护板防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹DA5μm管材无缝管防止因氢产生的裂纹全部为球形夹杂棒材轴承滚动接触寿命长DA15μm丝抗疲劳钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂T[O]10ppm弹簧高强度、疲劳寿命长减少非塑性夹杂注：DA为Al2O3直径，DM为MnS直径，Di为所有夹杂物直径表3各种钢材夹杂物含量和尺寸的要求由以上数据表明：•钢中T[O]低，说明钢中夹杂物数量少，钢水较“干净”；•洁净钢是一个相对概念，钢中T[O]控制到什么水平，决定于钢种和产品用途；•产品质量不仅要控制夹杂物数量，而且夹杂物的形态、尺寸和分布也要得到控制。2.转炉终点钢中氧的控制T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂出钢时：[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；生产统计表明，终点[O]溶（a[O]）决定于：(1)终点[C]从某厂转炉冶炼终点由副枪测定的C和a[O]统计关系如图3所示，由图可知：图3转炉冶炼终点C-O关系图Ⅰ区：[O]溶波动在C－O平衡曲线附近，[C][O]=0.0027炉龄2500炉Ⅱ区：[O]溶远离C－O平衡曲线，[C][O]=0.0031～0.0037炉龄2500炉当炉龄大于3000炉，达到7500炉甚至10000炉，钢水中[C][O]积远离平衡线，且波动较大，这可能与采用溅渣护炉操作，降低了复吹冶金效果有关。(2)终点温度20040060080010001200140016001800160016201640166016801700172017401760终点温度（℃）终点氧含量（ppm）终点[0]生产统计转炉终点钢水温度与a[O]关系如上图所示。当终点[C]=0.025~0.04%时，随着温度的升高，终点[O]溶呈上升趋势。当T1680℃时，终点[O]溶明显增加。（3）终渣（FeO）当终点[C]＝0.02～0.06％时，终点渣中（FeO+MnO）为14～24％，而终点[O]溶波动较大。0200400600800100012001400160018001214161820222426炉渣中（FeO+MnO）的含量（%）终点氧含量（ppm）终点[0]1416182022242600.020.040.060.080.10.12终点碳含量（%）渣中（FeO+MnO）含量%MnO+FeO图5渣中（FeO＋MnO）对[O]溶影响图6渣中（FeO＋MnO）与[C]关系(4)氧耗量46.0048.0050.0052.0054.0056.0058.0060.0000.020.040.060.080.1终点碳含量（%）吨钢氧耗量,Nm3/t吨钢氧耗图7氧耗量与终点[C]关系图终点[C]＝0.02～0.06％，氧耗量在48～58Nm3/t之间，而终点[O]溶波动在400～1400ppm（图5）。说明终点[C]越低（或后吹），吹入氧主要用来氧化铁，使渣中FeO大增（图6），同时增加了终点[O]溶。(5)转炉终点[O]溶预报模型0200400600800100012001400160002004006008001000120014001600实际氧含量，ppm模型计算氧含量，ppm预报值图8氧含量模型一预报结果根据确定的控制变量，采用多元回归分析，得到转炉终点氧含量预报模型：[O]溶＝－3712.923+16.383[C]铁＋248.706[Si]铁－1014.045[Mn]铁－3523.575[P]铁－1.221T铁－1.254R废＋18.057/[C]终－2640.148[Mn]铁+3523.575[P]终＋3.749T终－3.55×10-2Q+8.917(FeO)预报结果如图8所示，预报值与实测值相对误差在±13.8%11.3%由统计方程可知，在铁水成分和吹炼制度一定的条件下，要降低转炉终点[O]溶，必须准确控制终点钢水碳和温度：•控制[C]终不要0.035%•控制终点温度在1640～1680℃•渣中（FeO＋MnO）在14～18％•提高转炉终点碳和温度的命中率，杜绝后吹•强化复吹效果（尤其是对低碳钢）[C]终＝0.02~0.05%顶吹终点[O]溶＝700ppm~900ppm[C]终＝0.02~0.05%复吹终点[O]溶＝250ppm~600ppm采用动态控制，提高转炉[C]和温度的双命中率，减少后吹，加强溅渣护炉后高炉龄的复吹效果是降低转炉终点[O]溶含量的有效措施。既可节约铁合金消耗，更重要的是从源头上减少钢中夹杂物生成，提高钢的洁净度，这对生产低碳钢或超低碳钢的冷轧薄板是非常重要的。3.脱氧与夹杂物生成－钢中氧的转换转炉吹炼终点，钢中[O]溶很高，出钢时在钢包进行脱氧合金化，其目的：•脱氧•合金化达到钢种所规定的成分•夹杂物工程，控制合适的夹杂物组成、形态和尺寸，促进夹杂物上浮去除。根据脱氧程度不同，模铸时分为：•沸腾钢•半镇静钢•镇静钢连铸生产，基本为镇静钢，根据钢种和产品质量，脱氧分为三种模式：•硅镇静钢（用Si+Mn脱氧）•硅－铝镇静钢（Si+Mn+少量Al脱氧）•铝镇静钢（用过剩Al脱氧[Al]s0.01%）图9FeO-MnO-SiO2三元相图图10采用Si+Mn脱氧后，Si、Mn与钢水[O]溶关系3.1硅镇静钢用Si+Mn脱氧，如图9所示，形成的脱氧产物有：·纯SiO2（固体）；·MnO·SiO2(液体)；·MnO·FeO(固溶体)。对于硅镇静钢，与Si、Mn相平衡的[O]溶较高，为40～60ppm（图10所示），在结晶器内钢水凝固时易生成皮下针孔或气泡（图11）。采用Si+Mn脱氧后，与脱氧产物相平衡的钢水[O]溶与铸坯质量关系如图11所示。图11铸坯针孔与[O]关系[O]10ppmSiO2析出水口堵塞[O]20ppm铸坯气孔增加[O]=10~20ppm最佳范围硅镇静钢，严格控制加入铝脱氧，钢中酸溶铝[Al]s几乎为零（0.002%）。水口堵塞不是Al2O3而是SiO2夹杂所致。为此应生成MnO.SiO2液态夹杂（图9），应控制Mn/Si：Mn/Si低时形成SiO2夹杂，增加了水口堵塞可能性Mn/Si高时生成典型的液态MnO.SiO2(MnO54.1%，SiO245.9%)，夹杂物容易上浮应调整钢成分，保持Mn/Si2.5生成液态的MnO·SiO2，有利于夹杂物上浮。但在一定温度下与Si、Mn相平衡的[O]溶较高（图10），当钢水浇入结晶器会产生C-O反应使坯壳生成皮下针孔，同时生成MnO·SiO2浮渣也污染了钢水。在LF炉精炼采用白渣操作+Ar搅拌，钢渣精炼扩散脱氧既能把钢水中[O]溶降到20ppm，也能有效的脱硫，把[S]降到0.01％。3.2硅-铝镇静钢仅用Si+Mn脱氧，铸坯易形成皮下针孔，为此用Si+Mn+少量铝脱氧，形成的脱氧产物可能有：·蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；·锰铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；·纯Al2O3。要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区，可达到：·夹杂物熔点低（1400℃