BOF-LF-CC生产特殊钢连铸坯的质量控制-蔡开科

BOF-LF-CC生产特殊钢连铸坯的质量控制蔡开科秦哲孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院2009年12月目录前言1.转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳？2.脱氧：用铝还是不用铝？3.钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是脆性状态？4.精炼渣成分控制：是控制高碱度还是低碱度？5.中高碳硅镇静钢还会堵水口吗？6.连铸工艺优化是解决铸坯中心缺陷的基础7.M-EMS+F-EMS是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段8.M-EMS+凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的有效手段结语前言特殊钢的特点：l特殊用途。轴承、齿轮、弹簧、硬线、结构件、重轨等l中高碳的碳锰钢l大部分为棒线材的长材产品（小方坯、大方坯）l生产流程：BOF(EAF)—精炼（吹Ar、LF、LF+VD）—CC。•我国采用BOF(EAF)—LF（VD）—CC流程。下面仅就生产中几个问题进行讨论。1.转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳？（1）低拉碳增碳法特点：•渣中（FeO）高，有利于脱P，一吹到底，生产低P钢，控制方便。•钢中a[o]高，脱氧剂消耗增加，夹杂物增加。•增[C]剂消耗大，成分控制不稳定。（2）高拉碳补吹法特点：•吹炼时间短，O2耗少。•吹损少，金属收得率高。•钢中a[o]低，铁合金加入少，夹杂物少。•增C量少，C粉加入少。•钢中H、N含量低。此法的难点是：•高拉碳条件下（C=0.4~0.6%），钢水[P]要控制在0.01%左右。•转炉冶炼前期脱磷。•终点温度和成分控制较难。•日本、韩国的钢厂早就采用高拉碳法。目前国内不少厂家也开始由低拉碳走向高拉碳。如某厂冶炼45钢生产统计表明终点拉碳大于0.2%比低拉碳生产成本降低20.45元/吨钢。冶炼82B，拉碳[C]=0.4%左右，吨钢成本节约13元。终点钢水中a[o]降低（图1），铁合金回收率高了，生成夹杂物少了。0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450100200300400500600700800900[%C][%O]=0.0025终点氧含量（ppm）终点碳含量(%)图1转炉冶炼终点碳氧关系图表1低拉碳增碳法和高拉碳补吹法的过程工艺参数比较操作方法碳粉加入量/袋终点碳/w%终点氧/ppm成品C波动/w%出钢温度/℃终渣FeO/％低拉碳增碳法高拉碳补吹法比较值300.291300.04251.89363736～39.040.038.0～328348309～05.006.004.0～165316601647～4.994.986.8～684～68.070.066.0～198203193～01.001.001.0～162816351622～51.754.747.7～2.脱氧：用铝还是不用铝？用Al脱氧的好处：•细化晶粒，生产细晶粒钢。•把钢中溶解氧降到很低，有利于降低T[O]含量。用铝脱氧坏处：•生成的Al2O3夹杂物使钢水可浇性变差，易堵水口•Al2O3脆性夹杂物产生拉拔脆断，降低疲劳寿命等。图21970－2000年钢中平均T[O]水平图3钢中T[O]与轴承钢寿命关系图4断丝率与夹杂物指数关系对于中高碳钢一般不用铝脱氧，目的是避免钢中生成有害的Al2O3夹杂。根据钢种和产品用途，脱氧方式可分为：•仅用Si+Mn脱氧（Als→0）。•Si+Mn+少量Al脱氧（Als＜0.006％）•Si+Mn+Al脱氧（细晶粒钢）（Als=0.01～0.02%）。3.钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是脆性状态？3.1硅镇静钢用Si+Mn脱氧，如图5所示，形成的脱氧产物有：•纯SiO2（固体）；•MnO·SiO2(液体)；•MnO·FeO(固溶体)。图5FeO-MnO-SiO2三元相图对于硅镇静钢，与Si、Mn相平衡的[O]溶较高，为40～60ppm（图6所示），在结晶器内钢水凝固时易生成皮下针孔或气泡（图7）。图6Si、Mn与钢水[O]溶关系由图可知：•[O]10ppmSiO2析出水口堵塞•[O]20ppm铸坯气孔增加•[O]=10~20ppm最佳范围图7铸坯针孔与[O]关系硅镇静钢，不加铝脱氧，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5），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%)，夹杂物容易上浮因此操作者应调整钢成分，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6），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。为此在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％。用Si+Mn+少量铝脱氧，如图8所示，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(Al2O325%)。图8MnO-SiO2-Al2O3相图3.2硅-铝镇静钢要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区，这样就可达到：•夹杂物熔点低（1400℃），球形易上浮；•热轧时夹杂物可塑性好（800～1300℃）；•锰铝榴石夹杂物中Al2O3接近20％左右，变形性最好；•无单独Al2O3的析出，钢水可浇性好，不堵水口；•脱氧良好，不生成气孔理论计算指出，钢中Si=0.2％，Mn=0.4％，温度为1550℃条件下若钢中[Al]s≤0.006％，则钢中[O]20ppm，生成锰铝榴石而无Al2O3析出（图9），钢水可浇性好，铸坯又不产生皮下气孔。图9钢中[Al]与[O]关系3.3铝镇静钢对于中高碳细晶粒钢，要求[Al]s≥0.01％；对于低碳铝镇静钢，为改善薄板深冲性能，要求[Al]s=0.03-0.05%，为此要求用过剩铝脱氧。这样，需要解决两个问题：(1)加铝方法：如何把铝加到钢水中达到目标值，且铝的回收率尽可能高。(2)如何避免Al2O3夹杂的有害作用。钢水中与[Al]s平衡的[O]溶很低，为4~8ppm（图10所示），脱氧产物全部为Al2O3，其害处：•Al2O3熔点高（2050℃），钢水中呈固态；•可浇性差，堵水口；•Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能，尤其是深冲薄板的表面质量。图10钢中酸溶铝[Al]s与[O]溶的关系为此，采用钙处理（喂Si-Ca线或Ca线），来改变Al2O3形态。对于中高碳钢，加铝较少、Als较低（0.01%左右），宜采用轻钙处理。•轻钙处理后生成钙长石CaO·Al2O3·2SiO2（CaO20~25%，Al2O337％，SiO244％）或钙黄长石2CaO·Al2O3·SiO2（CaO40%，Al2O337％，SiO222％）。希望把夹杂物成分控制在CaO-SiO2-Al2O3相图中的阴影区（图11）。图11CaO－Al2O3－SiO2相图4.精炼渣成分控制：是控制高碱度还是低碱度？众所周知，渣子碱度高（3~6）、FeO＜1%，脱硫效率高，对降低钢中总氧T[O]有利（图12），但是过高碱度不利于夹杂物可塑性化。图12碱度和钢中T[O]关系•对于高碳钢应采用低碱度（1~2）低氧化性（FeO=1~2%）渣子来控制夹杂物可塑性。把夹杂物成分控制在相图锰铝榴石范围内（图8）。当渣碱度为0.9~1.1，钢中酸溶铝Als＜3ppm夹杂物组成为：••=0.15~0.23•≥1.7•此时可冷拔到0.15~0.23mm，断面收缩率达99.9%，解决了拉拔断丝问题。如采用高碱度（R=3)精炼渣，虽然钢中总氧T[O]较低，但钢中Al2O3不变形夹杂较多，造成拉拔脆断。同时渣中（Al2O3）应控制合适。32232OAlMnOSiOOAl][][SiMn在渣中相同Al2O3时，随碱度升高，钢中Als增加，不利于塑性夹杂物形成（图13）。图13渣中（Al2O3）与钢中Als关系渣中（FeO+MnO）＜2%，钢中T[O]可＜20ppm（图14）。图14渣中（FeO+MnO）与T[O]关系5.中高碳硅镇静钢还会堵水口吗？浇注Si-K钢，钢中Als很低，为什么还会发生水口堵塞呢？其原因是：(1)铁合金尤其是SiFe中含有残余Al、Ca等元素(一般硅铁Si：78%，Ca：1.07%，Al：1.3%，Mg：0.033%)，生成了高熔点的铝酸钙夹杂(CaO·2Al2O3、CaO·6Al2O3)和Al2O3·MgO尖晶石，导致水口堵塞。图15CaO·xAl2O3对水口堵塞影响(2)硅酸锰夹杂形成对Si-K钢，保持合适的Mn/Si比(2.5～3.5)使其生成液态MnO·SiO2，可浇性好；如Mn/Si低，生成SiO2为主的固态夹杂物，则产生水口堵塞。所以要得到液态的MnO·SiO2，关键决定于Mn/Si比和温度(图16)。调高Mn/Si使其生成液态MnO·SiO2防止水口堵塞，这是操作者要注意的问题。图16Mn与Si平衡关系(3)控制Al2O3夹杂形成如图17所示，增加[Si]会形成液态MnO·SiO2夹杂。但对于高碳Si-K钢，如Si=0.2%则钢中[Al]s0.003%，可能有固态Al2O3析出堵水口。为保持[Al]s＝0.003%水平，则可提高Si含量以得到液态夹杂。然而增加[Si]加入SiFe也多，带入的残余Al也多，成本增加，也降低了Mn/Si比，促进了固态SiO2夹杂形成。图171600℃下Fe-Al-Si中的平衡夹杂物(4)镁铝尖晶石形成对高碳Si-K钢水口堵塞的另一个主要因素是形成MgO·Al2O3。对于高碳Si-K钢，不用Al脱氧，靠LF炉造白渣脱氧以得到T[O]20ppm。在LF炉还原精炼气氛和低[O]条件下([O]15ppm)，钢包渣或MgO-C砖中释放出Mg形成MgO·Al2O3，堵塞水口。LF炉白渣精炼时间越长，MgO·Al2O3形成的多，堵水口严重。为此操作上应注意：白渣精炼时间不应太长；LF顶渣加脱氧剂(CaC2、SiFe粉、Si-Ca粉)不应过量；石灰加入不要过量，保持合适碱度，吸收MgO。6.连铸工艺优化是控制铸坯中心缺陷的基础•中高碳的特殊钢连铸主要解决两个问题，一是精炼后获得的干净钢水如何防止再污染。二是如何获得中心结构致密偏析小的连铸坯。•对于中高碳钢连铸坯中心缺陷，主要是中心的疏松、缩孔、偏析和裂纹（图18），这是影响产品性能的主要因素。图18连铸坯中心缺陷示意图6.1铸坯中心缺陷形貌•沿铸坯横向或纵向轴线剖开经硫印或酸浸后，可显示出低倍结构，沿铸坯纵剖面中心轴线可发现：中心疏松中心缩孔中心偏析（宏观偏析，它与疏松缩孔伴生）点状或V形偏析（半宏观偏析）沿铸坯横剖面，则中心区有点状疏松或缩孔。铸坯低倍形貌6.连铸工艺优化是控制铸坯中心缺陷的基础6.2铸坯中心缺陷评价•（1）宏观评级•零级相当于中心结构致密，5级为中心疏松尺寸大且连续。在高过热度浇铸时，约80%铸坯相当于1、2、3级，而20%铸坯相当于4、5级。•（2）中心疏松率•如图解所示，用SA值表示铸坯中心区疏松严重性。SA值高，则中心疏松严重些。•SA=×100％DLldii•（3）化学元素分布•从铸坯横断面从内弧到外弧隔•一定距离钻样，分析C、Si、Mn、•S、P元素以表征铸坯表面至中心•的成分差异（图1-3）。铸坯横断面成分分布•从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征铸坯中心线区域成分差异。铸坯中心成分分布•（4）偏析比•式中：—某一元素的偏析比•—某一元素当地含量％•—某一元素在试样上某一区域的平均值％•—某一元素在钢包或中间包钢水中含量•连铸坯宏观偏析主要表现为铸坯中心偏析＝1，说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。CCRi0CCRiiRCC0CiR•（5）微观元素分布•元素在微观范围内（μm级）分布不均匀（也就是显微偏析）对钢的组织与性能有重