钢水中氧化铝的脱除：毕业论文

1、摘 要 非金属夹杂物是钢铁产品出现缺陷的主要诱因，尤其是以铝作为主要脱氧剂的钢种，其脱氧产物al2o3容易聚集成簇状夹杂不易上浮去除，残留在钢中的al2o3夹杂物在轧制过程中沿轧制方向碎裂为链状夹杂物带，其尖锐的棱角易引发形成空穴和成为应力源，破坏了钢基体的连续性，使钢组织不均匀，对钢材的冲击韧性和疲劳寿命产生危害，而且在铝镇静钢的浇铸过程中al2o3夹杂物也是造成水口堵塞的主要因素之一。由此看来al2o3的去除至关重要。引 言随着社会的发展，市场对洁净钢的需求增加，生产价廉质优的洁净钢是钢铁企业永恒追求的目标！宏观夹杂对我们来讲是一个很困惑的问题，大型宏观夹杂对钢的机械性能危害最大，其尺寸分

2、布非常重要。据报道，1kg典型的低碳铝镇静钢含107109个夹杂物(其中，仅含80130lm夹杂物100个，130200lm夹杂物10个，200270lm夹杂物少于1个)。显然，检测少量大型夹杂物是非常困难的。尽管大型夹杂物在数量上比小型夹杂物少得多，但其总体积分数可能较大，有时一个大型夹杂物能引起整个一炉钢的灾难性缺陷。因此，纯净度要求高的钢不仅要控制钢中夹杂物平均含量，而且还要避免夹杂物尺寸超过对产品有害的临界尺寸。al2o3作为最常见的杂质存在于钢水中，对钢材的性能有很大的影响。本文就al2o3产生的原因及处理措施做简单介绍。关键词：al2o3、夹杂物、形态特征、产生原因、处理措施al2

3、o3的熔点高达2050，因此，炼钢温度下铝的脱氧产物是细小的固体颗粒。按照低熔点理论，它们从钢中排除将会很困难。al2o3有简单氧化物和复杂氧化物两类。其中feo·al2o3、 mno·al2o3等铝尖晶石类夹杂物，不仅熔点高而且在钢液中呈固态并具有形成外形良好的坚硬八面体晶体的倾向，热轧时不易变形；冷轧时，特别是轧制规格较薄的产品是易造成表面损伤。另外，al2o3的存在破坏了钢基体的连续性，造成钢组织的不均匀，对钢的各种性能都会产生一定的影响。氧化铝夹杂物在高氧浓度条件下呈树枝状，见下图。纯铁脱氧期间形成的枝晶状和点簇状al2o3夹杂（左）及珊瑚状al2o3夹杂（右） 一

4、al2o3的来源主要有以下几个方面：（1）原材料带入的杂物 炼钢所用的原材料如钢铁料和铁合金中的杂质、铁矿石中的脉石，以及固体料表面的泥沙等都可能被带入钢液而形成夹杂物。（2）冶炼和浇注过程中的反应产物 钢液在转炉内冶炼、包内镇静及浇注过程中生成而未能排除的反应产物，残留在钢中便形成了夹杂物。例如低碳铝镇静钢内的主要夹杂物是al2o3，该夹杂物因钢中溶解氧与加入的脱氧剂(如al)化学反应而产生，al2o3夹杂在富氧环境下生成，形状呈树枝状，其中可能也包括一些较小的al2o3颗粒碰撞聚集物。这是非金属夹杂物的主要来源。（3）出钢和浇注过程中，炉体、钢包和浇注系统吹扫不干净，各种灰尘微粒的机械混入

5、将成为钢中大颗粒夹杂物。（4）二次氧化物 钢水中残留的al被渣中feo氧化或暴露在大气中氧化生成al2o3。（5）其它来源的外来夹杂物 外来夹杂物主要是钢水和外界（卷渣及耐火材料侵蚀）之间偶然的化学和机械作用产物。在产品机械加工时，钢中的这类夹杂物可产生噪音，在机加工表面形成凹坑和划痕，容易引起断裂，以及造成工具磨损。钢中外来夹杂物的含量可通过大样电解的方法测定，如图1所示。图1 连铸板坯中大型夹杂物的尺寸分布 外来夹杂物有以下共同特性：  a.尺寸大：来自耐火材料侵蚀的夹杂物通常比卷渣造成的夹杂物要大。b.复合成分及多相结构，此点由下列现象造成：由于钢水和渣中的sio2, feo和

6、mno以及炉衬耐火材料之间的多元反应造成夹杂物成分复杂，产生的al2o3可以覆在这些夹杂物表面；由于外来夹杂尺寸较大，它们在运动时，容易吸收捕获脱氧产物，如al2o3夹杂（图2右与图3右）；外来夹杂作为异相形核核心，在钢水中运动的新夹杂物以此核心沉淀析出（图3左）；渣或者二次氧化产物与炉衬耐火材料或其脱落物之间的反应。    c.形状不规则，但卷渣或者脱氧产物氧化硅类夹杂物为球形。球形外来夹杂物通常尺寸较大（大于50m）并且大多数为多相，但球形脱氧产物夹杂通常较小并且单相；d.相比小夹杂物而言数量较少；e.与小夹杂物均匀弥散分布不同，外来夹杂物在钢中零星分布。由于

7、此类夹杂通常是在浇铸和凝固时被捕捉，因此具有偶然性，呈零星分布状态。另一方面，由于此类夹杂容易上浮去除，所以它们只集中在凝固速度最快的区域或者在某些方面上浮受阻的区域。因此，此类夹杂经常出现在表层附近。f.由于此类夹杂尺寸大，相比小夹杂物而言，它们对钢性能危害更大。图2 深冲钢中的典型外来夹杂物左：玻璃质夹杂物（铝硅酸盐或钙铝硅酸盐）中：不透明夹杂物（铝硅酸盐或复合的外来氧化物相）右：球状渣夹杂物表面为氧化铝的结晶体图3 低碳铝镇静钢中的点簇状夹杂物    卷渣带来的夹杂物任何冶炼上或钢水传递上的操作，尤其是在钢水从一种容器到另一种容器时，会引起渣钢间的剧烈混合，

8、造成渣颗粒悬浮在钢液中。卷渣形成的夹杂物尺寸在10300m之间，含有大量的cao和mgo成分，在钢水温度下通常为液态，因此在外形上为球形（图4、图5）。使用h型中间包并且通过两个钢包注入可以在换钢包期间减少卷渣夹杂物。    对于连铸工艺，下列因素可能造成钢水卷渣： 钢水从钢包到中间包和从中间包到结晶器时，尤其是敞开浇铸时；    钢水上表面出现漩涡时。钢水液位过低造成的漩涡可以采取多种方式加以避免，如在漩涡开始时关闭钢流；    钢水上表面乳化作用造成卷渣，尤其当搅拌气体超过临界气体流量时；结

9、晶器弯月面扰动；    渣的特性尤其是界面张力和粘度。例如，结晶器保护渣卷入钢液由以下原因造成：弯月面扰动（图5（1）；漩涡（图5（3）；气泡从钢水中进入渣产生乳化作用（图5（2）和（4）；沿水口壁由于压力差引起的吸入（图5（5）；较高流速将渣切入（图5（1）；液面波动（图5（2）。图4 slime大样电解分离出的钢包钢水试样中的渣夹杂物图5 结晶器卷渣示意图（左）和圆柱体附近界面变形钢水与熔融保护渣之间的界面张力决定了弯月面的高度和卷渣的难易 。caosio2al2o3系保护渣与纯铁之间的界面张力为1.4n/m时产生的弯月面高度约8mm。表面活性物质如硫，或者如

10、钢中的al被渣中feo氧化这样的界面交换反应均可降低表面张力。极低表面张力下化学反应能够通过marangoni 效应在界面产生自发扰动，使界面发生乳化，在钢水中产生不期望的渣的颗粒。包衬耐火材料侵蚀/腐蚀造成的外来夹杂物 耐火材料的侵蚀物包括砖块上的砂粒、松散的脏物、破损的砖块以及陶瓷类的内衬颗粒，是一类极为常见的典型固态的大型外来夹杂物的来源，与钢包和中间包本身材料有关。它们通常尺寸较大，外形不规则，见图6。外来夹杂物可以作为氧化铝的异相形核核心，可以包含中心颗粒，或者聚集其他内生夹杂物。耐火材料侵蚀产物或机械作用产生的夹杂物的出现完全损害了原本非常纯净的钢的质量。图6 来自内衬耐火材料的典

11、型外来夹杂物（6）脱氧剂、合金剂加入的时间和加入量不适宜。二针对al2o3产生的原因，做出了以下几点去除措施1.按照来源可采取的措施有：最大限度的减少外来夹杂物 在生产中减少夹杂物的方式有，a.加强原材料的管理，对废钢、生铁、合金、石灰、萤石、矿石等力求做到清洁、干燥、分类保存；b.出钢前调整好炉渣的流动性、出钢后保证钢液在钢包中的镇静时间以利于炉渣的充分上浮；有效的控制内生夹杂 a.根据钢的质量要求选择合适的冶炼方法和工艺。如转炉冶炼、电炉冶炼、配加炉外精炼等；b依据所炼钢种制定合理的脱氧制度并正确地组织脱氧操作，包括综合脱氧、使用复合脱氧剂并加强搅拌，促进脱氧产物的上浮。c对于优质钢和特殊

12、要求的钢，采用添加变质剂、热加工和热处理等方法，改善残留夹杂物的形态及分布，减轻夹杂物的危害。防止或减少钢液的二次氧化 实验发现，含碳0.550.65的镇静钢，铝氧化了0.043.二次氧化产物的颗粒比脱氧产物大得多，而且二次氧化产物的多少，往往与出钢温度高低、钢液与大气接触面积大小、接触时间长短等因素有关，因此在出钢过程中，一定要做好以下三方面工作：a.控制好出钢温度 其他条件相同时，温度越高，钢液在出钢和浇注过程中二次氧化越严重。因此，实际操作中应控制好出钢温度，尽量避免高温钢。b.掌握正确的出钢操作 出钢时，要开大钢口并维持好出钢口的形状，保证钢流不散流或过细，减少钢液与大气的接触面积和缩

13、短出钢时间。对夹杂要求严格的钢种，最好采用气体保护出钢。c.保护浇注 模铸时，注速与注温要配合好，使钢液流股处于正常的流动状态，减少空气的卷入和钢液的裸露；同时，采用保护渣如固体石墨渣、固体发热渣和各种液体渣等保护浇注，对于特殊要求的钢可采用惰性气体保护或真空浇注。连铸时则采用伸入式长水口与固体保护渣组合的无氧化浇注技术。由于在钢水注入处强烈的湍流造成中间包钢水表面吸入空气，流动的钢液表面形成的氧化薄膜重新卷入钢液后形成很薄的氧化物颗粒带；钢水从钢包进入中间包以及从中间包进入结晶器的水口连接处吸入空气；在浇铸过程中，钢包、中间包和结晶器钢水表面的空气渗透。 在这类二次氧化过程中，脱氧元素如al

14、、ca和si等优先氧化，氧化产物发展成为非金属夹杂物，通常比脱氧夹杂物大12个数量级。防止此类二次氧化的方法是在浇铸过程中防止钢液暴露于空气中：在钢包长水口和中间包浸入式水口连接处采用钢环或透气砖环吹入惰性气体形成气幕保护；浇铸前在中间包内充入保护气体以及浇铸过程中中间包钢液表面采用气体保护；控制钢包内的气体吹入避免形成气眼。二次氧化产物另一来源是渣中以及包衬耐火材料中的sio2，feo和mno。通过此类二次氧化产物形成的机理，靠近渣或包衬界面时钢水中的夹杂物通过反应sio2/feo/mno+alsi/fe/mn+al2o3而长大，由此生成的氧化铝夹杂尺寸较大且含有各种成分。这种现象以下列方式

15、进一步影响外来夹杂物的形成：上述反应能够侵蚀包衬耐火材料表面并可使其表面凹凸不平，从而改变包衬壁附近的钢水流场，并且引起包衬的破损加速；包衬破损产生的大型外来夹杂物以及卷入的渣可以捕捉小夹杂物如脱氧产物，也可以作为异相形核核心产生新的析出物，这就使得外来夹杂物的成分变得比较复杂。因此因尽量避免或减少二次氧化的出现。2.在冶炼过程中可采取的措施; 钢中夹杂物与转炉终点过氧化、出钢下渣、lf的“白渣”精炼能力及钙处理效果有关，为此降低夹杂物措施为：1、为减少钢水过氧化，以早化渣早成渣为目标，采用石灰-废钢-铁水的加料模式，达到了快速形成含有一定量的feo、cao和一定碱度的熔渣，使金属液中p、s在

16、最短的时间里降低至规定的范围内，减少了点吹的次数，确保了终点w(c)0.05%，减少钢水的过氧化。2、为减少出钢下渣量、提高挡渣命中率在转炉增设了挡渣小车。在应用挡渣小车后，挡渣命中率得到提高，平均钢包渣层厚度得到下降。3、为提高lf的“白渣”精炼能力，将精炼造渣工艺前移至转炉出钢时段及氩站工序，在转炉出钢过程中向钢包内加入造渣材料，利用钢流冲击功及吹氩动能，使造渣材料充分熔化，同时在吹氩站进行造渣，使钢水在氩站就形成精炼初渣，为lf“白渣”精炼去除钢中夹杂创造条件；钢水到lf后，以先化渣后升温为操作原则，使熔渣速形成r=5.0±0.5，w(feo)1%,w(mno)1%的精炼白渣。

17、4、钙处理工艺是在对钢液中少量、未排出的al2o3脱氧产物进行变性处理，使其形成低熔点、低密度的钙铝化合物，在钢液中集聚上浮排入熔渣，从而保证连铸顺利进行，改善钢的纯净度。钙处理工艺的核心是保持合适的钙铝比，确保als控制不稳定，从而使水口“结瘤”概率大大降低。3.根据的al2o3特点和造成的危害可采取的措施钢中尺寸较小的夹杂物颗粒不足以上浮去除，必须通过碰撞聚合成大颗粒，较大的夹杂物陆续上浮到渣层，离开钢液。1、 钢中夹杂物的长大、上浮与分离al2o3的熔点高达2050，因此，炼钢温度下铝的脱氧产物是细小的固体颗粒。按照低熔点理论，它们从钢中排除将会很困难。但事实并非如此，某厂在30t氧气转

18、炉上试制了08铝冷轧汽车钢板时，用铝量高达1.6/t,却获得了很纯洁的钢材，夹杂物总量只有0.0055.这说明铝的脱氧产物的上浮速度很快，在出钢和浇注过程中绝大部分被排除掉了。在强湍流下，夹杂物碰撞聚合非常迅速，例如在0.1m2/s的强湍流条件下，夹杂物半径长大到100m只要2min。直径为100m的al2o3夹杂物从钢液表面下2.5m上浮到钢液表面需要4.8min，直径为20m的夹杂物，上浮时间增加到119min。关于al2o3夹杂物上浮速度快的原因，许多研究者都进行了探讨，目前比较一致的观点是，由于al2o3与钢液间的界面张力较大的缘故。由表面现象的基本理论可知，钢液与夹杂物间界面张力愈大

19、，钢液对夹杂物是我润湿性愈差，而夹杂物自发聚合的趋势也愈大。2.钢包吹氩吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一，钢包吹氩条件下，钢中固相夹杂物的去除主要依靠小气泡的浮选作用，即夹杂物与小气泡碰撞并粘附在气泡壁上，然后随气泡上浮而去除。夹杂物被气泡俘获的概率p等于夹杂物与气泡碰撞的概率pc和碰撞发生后夹杂物吸附于气泡上的概率pa的乘积。国外一项研究表明，当固体颗粒与溶液的接触角大于90度时，几乎所有到达气泡表面的颗粒都能粘附在气泡上，而且与接触角大小无关。当接触角小于90度时，粘附率随接触角减少而锐减。al2o3与sio2和钢液的接触角分别为144度和115度，表明它们不被钢液润湿。因此，很容易粘附

20、在钢中的气泡上。因而钢中夹杂物的去除效率主要决定于它们与气泡的碰撞概率，且大颗粒夹杂与气泡碰撞的概率远大于小颗粒与气泡的碰撞概率2。另外，夹杂物被气泡俘获的概率还决定于吹入钢液中的气泡数量和尺寸。吹入的气泡数量越多，尺寸越小，夹杂物去除的数量也就越多3。而吹氩产生的气泡尺寸主要决定于吹氩流量或吹氩强度。吹氩流量越大，气泡脱离吹气元件时的尺寸越大，因此采用低强度吹氩（即软吹氩）并适当延长吹氩时间有利于夹杂物的去除，或采用多个吹气元件同时吹氩，可在有限的净化吹氩时间内向钢液吹入更多小气泡。钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸。钢包底吹氩用透气砖平均孔径一般为24mm，在

21、常用的吹氩流量范围产生的气泡直径为1020mm。而有效去除夹杂物的最佳气泡直径为215mm，并且气泡在上浮过程会迅速膨胀。因此，底吹氩产生的气泡捕获小颗粒夹杂物概率很小，对细小夹杂物去除效果不理想。在钢包底吹氩过程中，过强的搅拌功会导致钢水的二次氧化及卷渣。为了去除钢中的细小夹杂物颗粒，必须钢液中制造直径更小的气泡。将氩气引入到足够湍流强度的钢液中，依靠湍流波动速度梯度产生的剪切力将气泡击碎，可将大气泡击碎成小气泡。钢包与中间包之间的长水口具有高的湍流强度，在此区域钢水流速达到13m/s。在长水口吹氩水模型研究表明，可获得0.51mm的细小气泡。细小的气泡捕获夹杂物的概率很高。这种方法可显著提

22、高氩气泡去除夹杂物的效率。3.中间包气幕挡墙中间包气幕挡墙是随着中间包冶金技术发展并借鉴钢包吹氩搅拌技术而发明的一种全新技术。通过埋设于中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹入的气泡，与流经此处的钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的。气幕使中间包内死区体积显著减少，使活塞流体积显著增大。利用微小气泡去除非金属夹杂物，还可以全部或部分代替原有的中间包挡墙（坝），从而减少由挡墙（坝）侵蚀带入钢水中的夹杂物，有效地提高钢水的洁净度。研究人员将实际生产中使用的气幕挡墙和原有渣堰的使用效果进行对比分析得出，使用气幕挡墙可使大颗粒非金属夹杂物的数量明显

23、减少。该技术要求向包内吹氩的透气砖具有耐高温和良好的抗钢水冲刷能力。德国nmsg公司的应用结果表明，与不吹气相比，50200m大尺寸夹杂物全部去除，小尺寸夹杂物的去除效率增加50。为了获取细小气泡，新日铁研制了一种旋转喷嘴，借助耐火材料制的旋转叶轮，使吹入中间包的气泡分裂成微细气泡，与传统的中间包设置挡墙法相比，小于50m的夹杂明显减少。本溪钢厂中间包底吹氩试验证实：底吹氩形成的气幕挡墙对夹杂物去除效果明显，同不吹氩相比，铸坯中夹杂物数量下降50，而且未观察到3050m的夹杂物。4.加压减压法加压减压法（nk-perm）是日本钢管公司开发的精炼法，采用顶吹喷枪和包底透气砖吹氮和氢强制性的溶解在

24、钢水中，使钢中的氮或氢增到（150400）×10-6，然后在rh真空循环脱气装置中脱气去夹杂。钢中过饱和的氮或氢在迅速减压过程中析出，形成微小气泡促使夹杂物上浮。与传统的钢包吹氩相比，钢中夹杂物平均尺寸明显减小，且直径在10m以上的夹杂颗粒全部去除。5.钢包电磁搅拌瑞典asea公司与skf公司，于1965年建成了第1座采用电磁感应搅拌的钢包精炼炉asea-skf。用此方法生产钢的总氧量可小于20×10-6，夹杂物显著减少。国内冶金工作者在对90tlf-vd钢包精炼电磁搅拌的试验表明，电磁搅拌在降低尺寸在20m以下的非金属夹杂物与吹氩搅拌相比有显著的优越性，非金属夹杂物不论颗

25、粒大小，都能以较快速度从钢液中排除。此外，电磁搅拌能量分布均匀，流场基本无死角。一般来说，电磁搅拌比气体搅拌更容易准确掌握，和气体搅拌相比，对钢渣界面的搅动强度还不够大。电磁搅拌使钢液的流动比较稳定、均衡，避免钢水流速过大导致的卷渣。但电磁搅拌不能提供促使夹杂物上浮的气泡。6.中间包离心分离利用夹杂物与钢液的密度差，可以用离心场中分离夹杂物。在旋转的钢液中，由于夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，在钢液中心聚集长大、上浮。钢液的旋转可以通过旋转磁场产生。20世纪90年代，日本中间包中进行旋转磁场离心分离夹杂物的试验，离心流动中间包分为圆筒形旋转室和矩形室，钢水由钢包长水口进入旋转室，在旋转区

26、受电磁力驱动进行离心流动，然后从旋转区底部出口进入矩形室进行浇铸。离心搅拌后全氧由（2040）×10-6降到（815）×10-6，夹杂物总量约减少一半。实践证明：使用离心流动中间包与传统的浇注相比，铸坯气孔消除（换包期的铸坯，也未发现气孔），条状裂纹减少50%以上。换包期间，进行电磁离心搅拌后，铸坯全氧含量由20×10-640×10-6降到8×10-615×10-6，夹杂物总量减少约一半，使冷轧和热轧卷板的表面缺陷指数降低到常规中间包的60%。离心流动中间包对减少夹杂物效果明显，与其他二次精炼技术相比，有明显的优势。离心流动中间包可有

27、效地提高热轧和冷轧板卷的表面质量。7.结晶器电磁制动电磁制动是利用向上的电磁力阻止从浸入式水口流出的钢液并改变其方向，借此减小钢液的穿透尝试，促使夹杂物上浮分离，同时，抑制弯月面的波动，防止卷渣。20世纪80年代，瑞典asea公司与日本川崎公司联合开发的板坯结晶器电磁制动技术，取得较好效果。90年代，成功开发出两段电磁制动技术，上段用于抑制弯月面的波动，下段用于制动高速流股。近年来又开发出了全幅三段电磁制动技术，将下段磁场用于二次制动，日本川崎钢铁公司在采用电磁制动后，即使在2.5m/min以上高速连铸时，结晶器内的保护渣也不会卷入钢液中。国内梅钢2号连铸机采用全幅两段电磁制动技术，使用效果表明：采用电磁制动后，结晶器液面波动幅度明显降低，铸坯夹杂物数量较少且尺寸20m。8.渣洗渣洗通过控