船体结构钢检验须知

中国船级社船体结构钢检验须知1/42中国船级社船体结构钢检验须知目录1.船体结构钢概述2.炼铁3.炼钢4.炉外精炼5.铸造技术6.钢材轧制7.影响船体结构钢综合性能的主要非金属夹杂物及气体8.钢铁生产计算机集成系统与人工智能控制简介9.认可试验及试验大纲10.参考文献CCS工业产品部工业产品部工业产品部工业产品部版本号:XMPM01-1.0-2001生效日期:2001.06.01中国船级社船体结构钢检验须知2/421.船体结构钢概述1.1船体结构钢的基本发展过程船体钢作为结构钢的一个小分支真正的发展源于20世纪50年代它的源动力是船舶建造向大型化高速化减轻自重降低造船及运输成本方向发展逐渐由西方几个发达船级社在五十年代末提出并在伦敦会议上把船体结构钢从结构钢中分出形成现在的一般强度级和高强度级船体结构钢的雏型并根据强度与韧性确定不同等级在过去的几十年中最典型的就是在235与315MPA之间还有一个275MPA级八十年代后随着现代冶金轧制理论的发展及冶金设备过程控制手段的不断创新船体结构钢也同其它系列钢种一样有了新发展表现在强度及韧性级别的提高如F40级NK规范已列入KE46级和供货状态由早期的热轧正火到控制轧制温度形变控制轧制状态及调质处理此外采油平台问世平台用钢也由船用钢和压力容器用钢移植出海洋平台钢Z向性能已是平台用钢的重要指标随着人类进入21世纪和科技水平的不断提高必将有更多的新材料应用于船舶建造及海洋构筑物1.2船体结构钢的基本属性规范对每一钢级的船体结构钢都进行了成份与性能的描述但不等于满足规范所描述的化学成份机械性能的钢材就是某一级别船体结构钢船体钢除了满足规范的必要条件外还应有强度韧度储备合适的屈强比强度韧性和塑性的适宜性焊接的适应性和优异的工艺性能等属性要保证船体钢的这种属性从钢铁冶金来说是一个系统工程是基于成分设计生产工艺及所期望的组织结构的总体描述其结果是满足用户明确与隐含的要求2炼铁2.1炼铁基本理论与任务人类历史从铁器时代开始钢铁就是制作兵器及生产工具的重要材料这是由于地壳中铁的资源丰富约占地壳总资源的5%铁矿石中铁主要以氧化物及碳酸化合物形式存在因铁与氧亲合力不很强较容易被还原制取使高炉炼铁成为可能传统的高炉炼铁三大任务就是排除氧化铁中的氧即还原就是把氧化铁中的氧分离出来即把铁解放的化学反应高炉中中国船级社船体结构钢检验须知3/42的还原有间接还原和直接还原两种方式在高炉上部用气体的一氧化碳和氢由含水的空气在风口燃烧焦炭生成与氧化铁中的氧化合成二氧化碳而与铁分开这叫作间接还原其余的氧化铁到达高炉下部高温区氧化铁中的氧与焦炭中的碳直接化合成一氧化碳而与铁脱离这叫作直接还原直接还原时吸收大量热量所以高炉炼铁时尽量发展间接还原以减少直接还原的比例把铁与杂石分开即造渣矿石中的杂质叫作脉石脉石通常是以二氧化硅为主要成分这种脉石是酸性的有些脉石则主要由石灰组成这种脉石是碱性的为了去除脉石就需要加入一些促进脉石熔化的材料叫作熔剂或助熔剂这些物质与脉石化合成为易熔化的中性炉渣炉渣比铁水轻又互相不溶解熔化后就可以分开酸性脉石需要加入碱性熔剂而碱性脉石需要加入酸性熔剂高炉主要用石灰石作熔剂而且大部分都在烧结矿粉(炼铁的前一道工序即烧结就是将通过选矿选出的粉矿与燃料及溶剂按一定比例混合用其中燃料燃烧产生的热量使原料局部生成液相物利用生成的熔融体使散料颗粒粘结成烧结块状)时已经配好预先加入高炉装料一般只加少量补充或调整配矿料的石灰石熔剂铁吸收碳素即渗碳经过除氧和去掉脉石的铁称海绵铁吸收焦炭中的碳素就变成熔点低而含碳高的生铁至此炼铁工序结束2.2新型的炼铁工艺前沿技术随着传统炼铁焦煤资源匮缺及严重的工业有害气体CO2CONOXSO2造成全球转暖海洋扩大的温室效应人们致力于开发用烟煤或天然气作还原剂不用焦炭和高炉将铁矿石在固态条件下还原成海绵铁这种炼铁方法称为直接还原所得产品称为直接还原铁DRIDirectReductionIron直接还原是在固态温度下进行渣铁不能分离DRI中含有脉石SiO2+Al2O3含量5%8%直接用于电炉使渣量增大电耗增加迫使人们进一步探索用铁矿石和普通烟煤作原料经流化床直接生产铁水使铁与渣分离称为熔融还原SmeltingReduction炼铁目前世界各国均根据本国资源优质铁矿天然气烟煤采用直接还原生产海绵铁1995年全世界直接还原生产海绵铁达3100万吨推动直接还原生产海绵铁的另一个原因是电炉炼钢比例超过30%优质废钢资源不足使得电炉炼钢须掺入30%50%的DRI海绵铁满足电炉炼钢的要求2.3铁前系统条件确认思路中国船级社船体结构钢检验须知4/42对于传统生产工艺流程矿石炼铁炼钢轧钢的钢铁企业要生产质量稳定的钢材没有良好的铁前系统作保障很难生产高品质铁水铁前系统又以料场混匀烧结为主钢铁企业均设有原料场早年的料场规模较小仅作为一定数量原料贮存场地随着钢铁工业规模的不断增大高炉及烧结设备的大型化原料用量增加矿石来源及品种不断增多以及对原料的各种要求成分粒度日趋严格因此发达国家现代化的原料准备技术应运而生日本钢厂主副原料场岸线长分别为2000米和1000米左右宝钢原料场面积占全厂总面积的8%原料场地的大小是保证大批量贮存和混匀原料的必要条件相比之下有些钢厂原料场地很小不可能满足卸料设施一次料场整粒设施混匀料场等系统设备的集中或现代化原料场的要求原料中和混匀质量好坏直接影响烧结矿成分稳定性没有成分稳定的烧结原料就没有成分稳定的烧结矿高炉也就没有稳定炉况烧结矿硷度波动降低0.01%对炼铁成本和生产低硅生铁的影响都是巨大的这是铁前系统条件确认的思路此外现场了解企业高炉主要技术指标如高炉利用系数每立方米高炉有效容积一昼夜生产生铁的数量目前国内外先进水平在2.3以上焦比每炼一吨生铁所需要的焦炭量目前最好水平只需300公斤燃料比高炉采用喷吹煤气重油或天然气之后折合每吨生铁消耗的燃料总量目前最好水平在500kg/吨铁休风率休风率就是休风时间占全部日历时间的百分数国内外大高炉休风率低于2%生铁合格率等通过这些主要指标可综合评价企业高炉生产技术水平与状况3炼钢3.1炼钢基本原理与要求生铁中除了含有较高的碳外还含有一定量的SiMnPS等杂质炼钢就是用氧化(炼铁是还原)的方法去除生铁中的这些杂质再根据钢种的要求加入适量的合金元素使之成为钢钢中还含有NHO和非金属夹杂物它们是在冶炼过程中随原材料及炉气而进入钢液的或是冶炼过程中残留在钢中的化学反应产物这些物质对钢的性能都有重大影响必须尽量降低其含量因此炼钢的任务就是脱碳脱PS脱氧去气体和非金属夹杂物升温和合金化由于船体结构钢PS含量多少对钢材性能影响较大为此对炼钢过程的脱PS基本原理作适当介绍中国船级社船体结构钢检验须知5/42在液体铁中磷以元素P的形式也能以磷化物-Fe3P和Fe2P的形式存在由于磷化物中的磷仍具有单质的化学性质而且不论是在Fe3P或Fe2P的分子中都只有一个磷原子所以其特性对于分析脱磷过程没有实质的影响通常以[P]或P表示液体中溶解的磷的浓度2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe+Q(P2O5)+3(FeO)=(3FeO.P2O5)+Q生成的磷酸铁在高温下很不稳定它可重新分解出P2O5所以仅靠生成P2O5是不能把P去除但P2O5是酸性氧化物若用碱性氧化物与其结合成稳定的化合物则可去除所以炼钢时造碱性渣(对渣有碱度要求)使P2O5与CaO形成稳定的3CaO.P2O5或4CaP2O5存在于渣中而脱P这就是为什么炼钢需加石灰脱P的原理则脱磷总反应式为2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO.P2O5)+5[Fe]+Q硫在铁液中有无限的溶解度但其溶解度随温度的降低而减少硫总是以单原子参加反应在碱性渣中硫的存在形式为CaSFeSMnS等硫化物但最稳定的是CaS加石灰脱硫的总反应式[FeS]+(CaO)=FeO+(CaS)-Q硫在固态铁中的溶解度很低故在钢液的凝固过程中由于选分结晶的作用硫将逐渐浓聚于液相中最后冷却时析出FeS其熔点仅1190FeS将与铁形成熔点更低(988)的共晶体最后将析集凝固在原生晶界上形成连续的或不连续的网状组织它们破坏了金属基体的完整性在随后的热加工过程中只要温度1100时晶界处的低熔点硫化物将使晶界变成脆性或熔融状态而出现热脆3.2转炉炼钢的计算机控制转炉炼钢在此泛指氧气顶吹/顶底复吹转炉炼钢其基本冶炼工艺为装料吹炼造渣脱氧与合金化转炉炼钢的冶炼过程是十分复杂的需要控制和调节的参数很多随着计算机技术的发展计算机过程自动控制转炉炼钢已成现实其发展过程也是由静态控制到动态控制所谓静态控制是以转炉冶炼过程中物料平衡和热平衡为基础建立一定的数学模型按照已知的原材料条件和吹炼终点温度及碳含量的要求计算铁水废钢和造渣材料的加入量根据计算结果装料和吹炼静态控制有三种数学模型即理论模型统计模型和增量模型理论模型是应用氧气顶吹转炉炼钢过程的热化学原理根据物料平衡热平衡的理论并对过程作一些假设而建立起来的模型中国船级社船体结构钢检验须知6/42统计模型则是从炼钢过程中总体的统计规律出发采用数理统计和多元回归的方法而建立的而增量模型一般是在统计模型的基础上把氧气转炉整个炉役看作是一个连续的过程相邻炉次的原料条件炉衬变化操作状况等因素还是比较近似的因而运用前一炉数据对本炉次进行修正而建立的模型由于这种静态控制是建立在许多假设条件或统计归纳上的不能完全正确地反映复杂的实际冶炼情况误差较大动态控制则是在吹炼前与静态控制一样先作装料计算在吹炼过程中借检测仪器测出钢液温度和含碳量造渣情况等连续变化的信息对终点进行预测和判断从而调整和控制吹炼参数使之达到规定的目标与静态控制相比动态控制具有更大的适应性和准确性可以实现最佳控制动态控制的关键在于吹炼过程中快速正确连续地获得熔池的各项参数尤其是熔池的温度和碳含量这两个参数为重要一般来说动态控制分为两种即吹炼条件控制和终点控制吹炼条件控制方法的基本原理是在吹炼全过程中根据炼钢过程反应机理所确定的反应动力学方程或反应物特征调整吹炼条件使吹炼全过程保持平衡达到所要求的目的这是因为氧气顶吹转炉吹炼过程中钢液温升速度和脱碳速度有着密切的关系温度模型以脱碳模型为基础分析吹炼三个阶段温度和含碳量的关系而确定而终点控制是吹炼末期对熔池的成分和温度迅速进行直接检测提供信息修正静态模型中碳和温度的轨迹使二者同时命中要实现动态控制目前国内外大型转炉均采用副枪在吹炼过程中测温定碳来实现如宝钢300吨和武钢三炼钢厂250吨氧气顶吹转炉均采用副枪检测并通过三级计算机实现动态终点控制一般来说副枪的功能是测定钢液温度含碳量含氧量及熔池液面高度并且可以取样分析其它化学成分对于象300吨这样的大型转炉熔池中的成分和温度总是不均匀的采用普通副枪测量也难免影响动态控制的精确度国外已采用了可以同时测定上下两点温度的副枪和同时能在上中下三点取样的副枪3.3电弧炉炼钢基本要求电弧炉炼钢的主要原材料是废钢铁返回钢铁合金造渣材料氧化剂和增碳剂等在装完炉料后则进行熔化熔化期的主要任务是将固态炉料迅速熔化为钢液并将钢液迅速加热到所需温度尽早造好熔渣以去除钢液中的磷并减少和防止钢液吸气和金属挥发熔化期过后进入氧化期氧化期的任务则是根据化清钢液的情况和还原期的要求要进一步降低钢液中国船级社船体结构钢检验须知7/42的磷含量考虑到冶炼后期可能回磷应使其低于成品规格要控制钢中的碳含量并考虑还原期中脱氧和电极增碳利用降碳过程中的强烈沸腾充分去除钢中的气体和夹杂同时升高和均匀钢液温度氧化期过后是还原期有还原期是电弧炉炼钢的重要特点之一在进入还原期前钢液温度已经高于出钢温度碳和磷都已进入或低于成品要求但是由于进行了长时间的氧化过程钢液中的氧含量很高另外在氧化性气氛下由于渣中(FeO)含量较高钢液中大部分的硫尚未去除因此还原期的主要任务是使钢液脱氧和去除氧化物夹杂充分脱硫调整钢液的化学成份和温度当钢液的化学成分全部达到出钢要求脱氧良好温度合乎要求且熔渣流动性良好时即可出钢3.4电炉炼钢的前沿技术在冶金行业普通功率电炉基本淘汰高功率和超高功率电炉将成为电炉炼钢的主体国外电炉