炼钢过程中钢液氢含量的变化及分析

1、j o ur nal of iro n a nd steel resea rchap ril 2011炼钢过程中钢液氢含量的变化及分析巨建涛1 ,2 ,吕振林1 ,张敏娟2(1 . 西安理工大学材料科学与工程学院 , 陕西 西安 710048 ; 2 . 西安建筑科技大学冶金工程学院 , 陕西 西安 710055)摘 要 :为了进一步降低钢中氢含量 ,保证探伤合格率 ,利用 g8 gal il eo2on/ h 分析仪对铸坯进行定氢 ,结果表明 ,随着铸坯氢含量的增大 ,钢板探伤合格率逐渐降低 ,其氢含量 (质量分数 ,余同) 小于 (23) 10 - 6 时探伤合 格率为 100 % ;用贺

2、利式定氢仪测定炼钢过程中氢含量的变化并对其进行了分析 ,结果表明 ,转炉复吹和 l f 精炼是主要的增氢工序 ,增氢量分别为 11 73 10 - 6 和 11 32 10 - 6 ,转炉复吹增氢主要是由辅料水分和废钢铁锈所致 ,l f 精炼增氢是由于精炼渣水分和喂线速度过快所致 ; 浇注过程是增氢的另一重要原因 ,增氢量为 01 76 10 - 6 ,其原因是长水口套管密封不好和中间包烘烤不够所致 。关键词 :氢含量 ;转炉复吹 ;l f 精炼 ;探伤文献标志码 : a 文章编号 :100120963 (2011) 0420023205analysis on the hydrogen con

3、tent variation ofmolten steel in steel ma king processj u j ia n2t ao1 ,2 ,l zhe n2li n1 ,z ha n g mi n2j ua n2(1 . school of material s science and engineering , xia n u niver sit y of technolo gy , xia n 710048 , shaa nxi , china ;2. school of metallurgical engineering , xian universit y of archit

4、ect ure and technology , xian 710055 , shaanxi , china)abstract :in o r der to reduce t he hydro gen co nt ent in molten steel a nd ensure t he f law detectio n qualificatio n rat e ,t he hydro gen co nt ent of ca sting slab wa s mea sured by g8 gal il eo2on/ h a nalyzer . the re sult sho w t hat t

5、he f law detectio n qualificatio n rate decrea se s gradually a s t he hydro gen co ntent increa se s in sla bs , a nd t he f law detec2 tio n qualificatio n rate ca n reach to 100 % w hen hydro gen co ntent i s le ss t ha n (2 - 3) 10 - 6 . then , t he hydro genco nt ent variatio n in steel making

6、p rocess wa s te sted by h yd r is hydro gen a nalyzer , t he analysi s sho w s t hat co n2verter co mbined blo wing and ladle f ur nace refining a re t he main hydro gen increa sing p roce ss , a s t he increa si ng co n2 t ent a re 11 73 10 - 6 a nd 11 32 10 - 6 re spectively. the water in adj unc

7、t material a nd r ust o n t he surf ace of scrap leads to hydro gen co ntent increa sing in co nverter co mbined blo wing p roce ss , while t he water in refining slag a ndtoo f a st wire2f eeding speed leads to hydro gen co ntent increa sing i n l f refini ng p rocess. in additio n , t he ca sting

8、p roce ss i s a no t her impo rta nt rea so n fo r hydro gen increa sing a s t he increa sing co ntent wa s 01 76 10 - 6 , and t he in2ducement s fo r t hi s a re t he bad lo ng nozzle sealing a nd insufficient t undi sh ba king.key words :hydro gen co ntent ;co nvert er co mbined blo wing ;ladle f

9、ur nace refini ng ; f law detectio n敏感性急剧升高 1 。为了降低钢中氢的残留 ,对炼钢过程氢含量进行准确测定 ,并分析氢含量变化的 原因 ,进而严格控制钢液氢含量 ,保证探伤合格率 。炼钢过程中 ,由于氢的残留严重影响钢的质量和性能 。钢中氢的存在会引起白点 、层状断裂等缺 陷 ,对钢铁的力学特性产生非常不好的影响 ,特别是 它可形成孔 隙 , 使 裂 缝更 加 敏 感 , 严 重 降 低 钢 的 强 度 、塑性 、疲劳寿命和冲击韧性等力学性能 。研究表 明 ,只要钢中氢含量低于 21 0 10 - 6 就不出现白点 , 但是随着钢中硫含量的急剧降低 ,钢

10、材产生白点的试验方法为了测定某钢厂在冶炼低合金钢 16 m n r ( a r)过程 中 氢 的 变 化 规 律 , 利 用 上 海 贺 利 氏 定 氢 仪1作者简介 :巨建涛 ( 1973 ) ,男 ,高级工程师 ;e2ma il :j ujia nt ao_0033 163 . co m ;收稿日期 :2010207205h yd r is 直接测 定钢 包 、中间 包 中 钢 液 的 氢 含 量 。它以氮气作为载气通过探头进入钢液并吸收钢液中 的氢 ,当载气与钢液中氢含量达到平衡时 ,利用钢液 中的氢和载气中气泡氢分压的关系 2 ,采用热导率 检测器 ( tcd) 监控载气氮的热传导速率

11、 ,通过内置微处理 器 完 成 数 据 计 算 , 确 定 钢 液 中 的 氢 含 量 。 h yd r is 系统测量范围是 (01 514) 10 - 6 ,测量时 间为 30120 s ,测量误差小于 01 15 10 - 6 。对于铸 坯中的 氢采 用 德国 g8 gal il eo2o n/ h 分 析 仪 , 对铸坯及时线切割并用液氮保存 ,样品在惰性气流下加热熔融 ,用热导检测器对 h2 进行检测 。2结果与分析冶炼 16m n r ( a r) 钢的原料为高炉铁水 , 加入量为 50 t ,铁水的原始氢含量平均为 21 0 10 - 6 。废钢比为 10 % ,废钢氢含量用 g

12、8 分析仪进行测定 ,分 析最大氢含量为 31 60 10 - 6 ,最小为 11 80 10 - 6 ,平均 31 05 10 - 6 。利用贺氏定氢仪对转炉复吹 、l f精炼 、浇注过程进行氢含量的测定 ,其中转炉复吹 、l f精炼和浇注过程分别随炉测定 50 炉 、68 炉和 75 炉 。21 1转炉复吹过程表 1 是转炉连续出钢 10 炉的钢液氢含量和转炉表 1 转炉辅料用量与氢含量的关系relationship bet ween hydrogen content and the content of adjunct material af ter ta ppingta ble 1转炉

13、复吹过程中辅料用量/ kg出钢过程中辅料用量/ kg出钢后 h 含量/10 - 6炉数轻烧白云石石灰化渣剂铁合金合成渣41 751 611050080060016520051 231 231 911201421 560080040020031 5531 231 721301131 560075030020031 4421 931 231405008004001501 020031 0831 131 641505008004001341 520031 37注 :分子为最大值和最小值 ,分母为平均值 。辅料加入量的关系 ,表 2 是转炉辅料含水量 。由表 1 可知复吹和出钢过程实际增氢量平均为11

14、 73 10 - 6 。假设转炉复吹和出钢过程辅料 10 %的 水分进入钢液中 3 ,钢水为 50 t ,计算得到转炉复吹 过程增氢 量 为 71 50 10 - 6 , 出 钢 过 程 增 氢 01 45 10 - 6 ,另外废钢增氢量为 01 30 10 - 6 。因此 ,理论上转炉复吹和出钢过程总的增氢量为 81 25 10 - 6 ,这 个值明显高于实际测得的增氢量 11 73 10 - 6 。这是 由于转炉复吹过程碳氧反应期 ,氢向 co 气泡扩散 , 气泡上浮过程体积不断增大 ,使氢分压不断降低 ,气 泡中氢分压几乎为零 。西华特定律表达式为 :式中 w h 为钢液中氢的质量分数

15、; ph 为炉内氢气分压 。2由式 (1) 可知 ,钢液中氢的质量分数和氢气分压的平方根成正比 425 ,因此吹氧有利于氢的析出 。另 外 ,在实际冶炼中 ,随着脱碳速度的增大 , 排氢速度加快 ,脱碳速度和排氢速度的关系如下 :w2 h v c(2)v h =26 pco kh式中 v h 为排氢速度 ; v c 为脱碳速度 ; pco 为 co 分压 ; kh 为氢溶解平衡常数 。由式 ( 2) 可知 , pco 和 kh 在实际冶炼过程中变 化不大 ,因此钢水的沸腾排氢速度和钢水的脱碳速度成正比 ,所以转炉复吹冶炼工艺本质上是一种低 氢冶炼的方法 6 。由表 1 和表 2 可知 ,转炉辅

16、料水分是转炉复吹过程氢含量增加的主要原因 ,其中水含量为 41 52 %的 化渣剂的加入直接影响出钢后的氢含量 ,最高达到51 6 10 - 6 。在出钢过程中由于铁合金经过烘烤 ,含水 量非常少 ,故忽略不计 ,出钢过程中增氢主要是合成渣水分带入钢液所致 。因此转炉复吹过程是增氢主w h = - 1 670 - 11 68(1)l gtp h2表 2 转炉辅料中水的质量分数water content in converter adjunct materialtable 2%轻烧白云石石灰化渣剂合成渣铁合金11 8911 1841 5211 01 01 1要环节 ,增氢主要是化渣剂水分带入钢液

17、所致 ,同时废钢表面的铁锈 ( x feo rfe3 o4 2 h2 o) 也是增氢的 原因 7 。在转炉吹炼过程应该严格控制合成渣 、化渣 剂等辅料的水分 ,必要时对其进行烘烤 ,尽量使用新 鲜石灰 ,对废钢进行除锈除湿作业 。21 2 lf 精炼过程表 3 是 l f 精炼过程各个时期钢水氢含量的变 化 。由表 3 可知 ,在精炼过程中不同阶段钢水氢含量 都有不同程度的增加 。精炼过程总的增氢量平均为11 32 10 - 6 ,与转炉复吹过程增氢量相当 。其中 l f升温过程平均增氢量为 01 64 10 - 6 ,l f 深脱硫期及 合金化阶段钢水的增氢量平均为 01 22 10 - 6

18、 ,钙处理 和软吹氩阶段增氢量平均为 01 46 10 - 6 。因此 ,l f 升温阶段和钙处理阶段是精炼的主要增氢过程 。图 2 sica 线喂线长度与增氢量的关系fig1 2 relationship bet ween the amount of f eedingsica and increase of hydrogen content线喂线长度与增氢量的关系 。由图 1 可知 ,随着大吹氩时间增大增氢量有所 上升 ,因此选择适当的大吹氩强度 ,保证大吹氩时间在 24 mi n ,是避免增氢的重要方法 。虽然和碳氧反应期排氢原理相似 ,吹氩是有利于排氢 。但是由 于大吹氩过程中 ,随着氩

19、气压力的增大 ,易于造成钢 液表面裸露与空气接触 ,导致氢含量的上升 。表 3 l f 精炼过程氢的质量分数的变化table 3variation of hydrogen content inl f ref in ing process10 - 6钢水进l f 站前l f 升温结束后l f 钙处理前l f 精炼结束炉数由图 2 可知 ,钙处理阶段增氢量和喂线量有关 。41 921 551 731 1061 031 3061 6031 86831 3431 9841 2041 66钙处理阶段采用水的质量分数为 01 133 %左右的 sica线 ,喂 si ca 线前后增氢量随着喂线量的增加有上

20、升 趋势 。若 sica 线中的水分全部溶于钢水中 ,根据 :注 :分子为最大和最小值 ,分母为平均值 。l f 精炼升温阶段埋弧渣和精炼渣水的质量分数分别 为 11 2 %和 11 0 % , 加 入 量 分 别 为 600 k g 和140 k g ,尤其是精炼渣加入量较多 ,是引起氢含量增 加的主要原因 。同时由于弧流不稳定导致炉气中的 氢气被电离后直接进入钢水是氢含量增加的另外一 个原因 。所以应严格控制埋弧渣和精炼渣的水分 , 避免增氢 。图 1 是大吹氩时间与增氢量的关系 ,图 2 是 sica2 a hl sica sica h o 2a h2 o(3)w h =w steel式

21、中 l sica 为 si ca 线长度 ; a h o 为水的分子量 ; a h 为2氢的原子量 ;sica 为 si ca 线密度 ;h o 为 si ca 线中水2的质量分数 ; w steel 为钢液的质量 。可计算出最大喂289 m 的 sica 线 ,钢水的增氢量仅为 01 1 10 - 6 ,因 此 ,喂线过程中增氢主要是喂线速度过快造成钢液 大面积裸露 ,高温钢水同空气中的水分接触发生吸氢 反应 8 。为降低钙处理过程中钢水增氢量 ,必须选择 适当的喂线速度 ,防止喂线速度过快使钢水翻卷 。21 3 浇注过程表 4 是浇 注 过 程 中 间 包 钢 水 氢 含 量 的 统 计

22、数 据 ,图 3 是不同中间包炉次增氢量的统计数据 。由表 4 可知 ,对浇注过程氢含量进行连续测定 , 前 18 炉从大包到中间包氢含量变化不大 ;中间 30 炉 氢含量明显增加 ,经过检查发现大包长水口套管密封 不好 ,钢液流入长水口时同空气接触发生吸氢反应导 致增氢 9 ,于是重新更换长水口 ;最后 27 炉氢含量无明显增加 ,基本保持不变 。随炉测定的 75 炉中间包 钢水氢含量 ,大包到中间包平均增氢 01 76 10 - 6 ,因图 1 l f 精炼大吹氩时间与增氢量的关系fig1 1 relationship bet ween large blo wing argon time

23、and the increase of hydrogen content in l f ref ining process表 4 浇注过程中间包钢液的氢的质量分数table 4 hydrogen content in tundish in此要确保长水口套管密封良好 ,避免增氢 。由图 3 可知 , 中间 包 第 1 3 炉 钢液 增 氢量 最 大 ,达 11 86 10 - 6 ,以后的炉次增氢量相对稳定 ,这 是由于浇注过程前 3 炉的炉衬中含水量较多 ,即使 中间包进行烘烤 ,炉衬仍含一定水分 。所以对于新包 ,应保证足够的烘烤时间和烘烤温度 ,尤其是新砌 的钢包 。21 4 铸坯氢含量由

24、表 5 可知 ,在钢水条件和其它工艺相同的情 况下 ,铸坯中氢含量小于 ( 2 3) 10 - 6 时钢板探伤合格率为 100 % ,随着铸坯氢含量的增大 ,探伤合格 率逐渐降低 ,铸坯中氢含量大于 ( 4 5) 10 - 6 时钢 板探伤合格率急剧下降 。这是由于氢在固态钢中溶10 - 6casting process炉数大包开浇 10 mi n大包开浇 25 mi n61 631 561 531 21851 1681 841 041 9191 161 83061 0971 341 071 9551 741 92751 6651 3注 : 分子为最大和最小值 ,分母为平均值 。解度很小 ,在

25、 钢水 凝 固 和 冷 却 过 程 中 , 氢 会 和 co 、n2 等气体一起析出 ,板坯中心偏析产生马氏体或粒状贝氏体时 ,在中心偏析区的非金属夹杂物等处析 出 h2 ,并且与该区域中形成的马氏体或粒状贝氏体 内的组织应力共同作用 ,导致钢板中心偏析部位产 生发纹 ,最终造成钢板在探伤时无法通过检验 10 。 可见 ,为了保证铸坯氢含量小于 3 10 - 6 ,保证图 3 不同中间包炉次的增氢量fig1 3 the increase of hydrogen content in tundish of diff erent f urnace表 5 铸坯氢含量与钢板探伤合格率的关系relati

26、onship bet ween hydrogen content and f la w detection el igibil ity rate in tundishta ble 5铸坯氢的质量分数/ 10 - 6探伤综合合格量/ t探块数探伤量/ t整合块数整合块率/ %综合量率/ %炉数 7 76 3631 541 45 2991 299 591 21 821 33 3 01 76 10 - 6 ,长水口套管密封不好和中间包炉衬烘烤不够是增氢的主要因素 。3) 随着铸坯氢含量的增大 ,探伤合格率逐渐降 低 ,当铸坯中氢含量大于 ( 4 5) 10 - 6 时钢板探伤合格率急剧下降 , 铸坯

27、中氢含量小于 ( 2 3) 10 - 6时钢板探伤合格率为 100 % 。探伤合格率 ,一方面 ,转炉复吹和 l f 精炼过程应该严格控制原 、辅料和渣料的水分 ,中间包要保证足够 的烘烤时间和烘烤温度 ; 另一方面 ,l f 精炼过程要 选择适当的吹氩强度 、合适的喂线速度以及确保长 水口套管密封良好防止钢水裸露 ; 对于难以达到要 求的炉次可考虑 r h 或 vd 真空处理 。结论1) 转炉复吹和 l f 精炼是增氢的主要环节 ,分别 增氢 11 73 10 - 6 和 11 32 10 - 6 。转 炉 复吹 过程 辅 料水分和废钢铁锈是导致氢含量增加的主要因素 , l f 精炼增氢主要

28、是精炼渣和埋弧渣水分和喂线速 度过快所致 。2) 浇注过程是增氢的另一重要环节 ,增氢量为3参考文献 : 1 任学冲 , 褚武扬 , 李金许 , 等. 原子氢和白点对车轮钢力学性能的影响j . 金属学报 ,2006 ,42 ( 2) :153 .侯文瑾. vd 真空处理及钢液中氢含量的测定j . 安徽冶金科 技职业学院学报 ,2007 ,17 :37 .吴铿 , 梁志刚. vd 脱氢前重轨钢液中氢含量变化 j . 钢铁 ,2000 ,35 ( 11) :19 . 2 3 4 wu y c , j ea n y c. hydro gen da mage i n a isi 304 st ai n

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