最新转炉精炼连铸过程

1、转炉转炉-精炼精炼-连铸过程连铸过程钢中氧的控制钢中氧的控制刘建华刘建华北京科技大学钢冶系北京科技大学钢冶系目目 录录1.钢中的氧钢洁净度的量度钢中的氧钢洁净度的量度2.转炉冶炼终点钢中氧的控制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连铸过程钢中氧的控制防止钢水再污染6.结论结论1 钢中的氧钢洁净度的量度钢中的氧钢洁净度的量度 炼钢是一个氧化过程，吹炼到终点时，钢水中溶解了过多的氧，称为o溶或ao出钢时，进行脱氧合金化，o溶转变成氧化物夹杂，可用

2、o夹杂表示，所以钢中氧可用总氧to表示为： too溶o夹杂1 钢中的氧钢洁净度的量度钢中的氧钢洁净度的量度出钢时：钢水中o夹杂0，too溶；脱氧后：根据脱氧程度的不同o溶0，too夹杂。可以用钢中总氧to来表示钢的洁净度，即钢中夹杂物水平。钢中to越低，则钢就越“干净”。1 钢中的氧钢洁净度的量度钢中的氧钢洁净度的量度为使钢中to较低，必须控制：降低o溶：控制转炉终点ao，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（inclusion engineering）。 氧控制水平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

3、夹杂物”，钢材性能不断改善。由于引入炉外精炼，对硅镇静钢，to可达15-20ppm，对铝镇静钢，to可达到30 35 to越低，冷轧板质量越好，to在40100ppm时废品率非常高。 川崎mizushima把中间包to作为钢水洁净度标准，生产试验表明：中间包钢水to55ppm 冷轧薄板降级使用 产品质量缺陷不仅与钢中总氧to有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关。 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0.20.3mmt飞边裂纹to20ppm,d20m深冲钢超低碳铝镇静钢0.20.6mmt超深冲，非时效性表面线状缺陷c20ppm

4、, n20ppm to20ppm,d100m荫罩钢低碳铝镇静钢0.10.2mmt防止图像侵蚀d100m,低硫化导架结构材13%cr0.150.25mmt打眼加工时的裂纹d100m42nid5m， n50ppm中厚板管线钢x5270级低合金钢1040mmt氢引起的裂纹夹杂物形态控制低硫化，s10ppm低温用钢9%ni1040mmt低温脆化p0.003%,s0.001%抗层状撕裂钢结构高强钢1040mmt层状撕裂低磷化、低硫化无缝管座圈材轴承钢50300mm转动疲劳寿命to10ppm, ti20ppm净化管不锈钢10 mm电解浸蚀时表面光洁度to20ppm, n50ppm d5m棒材轴承轴承钢30

5、65 mm转动疲劳特性to10ppm, ti15ppmd15m渗碳钢scm432、420疲劳特性、加工性to15ppm，p0.005%线材轮胎钢丝swrh72、82b0.10.4 mm冷拔断裂非塑性夹杂d20mswrssi-cr钢1.610 mm0.10.15 mm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150m、60mcao-al2o3erw管材ut缺陷us缺陷150m220mcao-al2o3、群落状al2o3镀锡板炉渣分层400m、150m深冲深拉用冷轧钢板冲压缺陷夹杂250m400mcao-al2o3、群落状al2o3、

6、cao-sio2-al2o3-na2ouo管材ut缺陷200mcao-al2o3、群落状al2o3、cao-sio2-al2o3-na2ouoe管（厚钢板）us缺陷220m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5060m 品种用途用户要求生产目标薄板di罐防止裂纹da40m超深冲板2.0r3.0，非常薄较高抗拉强度dj40m防止碳化、氮化物的析出汽车轮箍防止勾形裂纹da100m汽车轮盘极好的穿孔性能dm20m门窗框架防止冲压时产生裂纹da20m护板防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹da5m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da15m丝抗疲劳

7、钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂to10ppm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to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to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转炉终点钢中氧的控制 too溶o夹杂 出钢时：o夹杂0，too溶； 生产统计表明，终点o溶（ao）决定于：(1) 终点终点c 从某厂转炉冶炼终点由副枪测定的c和ao统计关系。图3 转炉冶炼终点c-o关系图 区：o溶波动在

8、co平衡曲线附近， co=0.0027 炉龄2500炉当炉龄大于3000炉，达到7500炉甚至10000炉，钢水中co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。cfe的选择性氧化平衡点的选择性氧化平衡点 根据式 c + o = co (1) lg (pco/ac* %o)= 1149/t2.002 以及反应 fe + o = （feo） (2) lg afeo/%o = 6317/t 2.739 得到反应 （feo）+ c = fe + co (3) lg (pco/ac* afeo)= 5170/t+4.736结论： 钢液中c-fe的选择性氧化平衡点为c0.

9、035， 终点c 1680时，终点o溶明显增加。 16201680之间，氧含量总体水平较低，平之间，氧含量总体水平较低，平均为均为702ppm，该范围的炉次共占总炉次的，该范围的炉次共占总炉次的30%左右；左右； 出钢温度大于出钢温度大于1680时，终点钢水氧含量有明显时，终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为的升高趋势，平均为972ppm，占总炉次的，占总炉次的70%左右。左右。（3）终渣（feo）0200400600800100012001400160018001214161820222426炉渣中（feo+mno）的含量（%）终点氧含量（ppm）终点01416182022242600.0

10、2 0.040.06 0.080.10.12终点碳含量（%）渣中（feo+mno）含量 %mno+feo图5渣中（feomno）对o溶影响 图6渣中（feomno）与c关系 当终点c0.020.06时，终点渣中（feo+mno）为1424，而终点o溶波动较大。 终点c0.04，渣中（feo+mno）增加且波动较大，说明此时吹氧脱碳是比较困难的，而铁则被大量氧化。 （4）炉龄对终点氧含量的影响图1-32500炉终点c-o关系 图1-4 25005000炉终点c-o关系 y = 25x-1400600800100012001400160018000.020.030.040.05转炉终点碳含量（%）

11、转炉终点氧含量（ppm）终点0乘幂 (平衡o)y = 25.054x-0.99960200400600800100012001400160000.020.040.060.080.1终点碳含量（%）终点氧含量（ppm）终点0乘幂 (平衡o)(5) 转炉终点o溶预报模型02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0实 际 氧 含 量 ， p p m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

12、终点氧含量预报模型：o溶3712.923+16.383c铁248.706si铁1014.045mn铁3523.575p铁 1.221t铁1.254r废18.057/c终2640.148mn铁+3523.575p终3.749t终3.5510-2q+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0.01%）3.钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成图9 feo-mno-sio2三元相图 3.1 硅镇静钢硅镇静钢用si+mn脱氧

13、，形成的脱氧产物有：纯sio2（固体）；xmnoysio2(液体)；xmnoyfeo(固溶体)。xmnoysio2al2o3对于硅镇静钢，与si、mn相平衡的o溶较高，为4060 ppm。在结晶器内钢水凝固时易生成皮下针孔或气泡。 图10 采用si+mn脱氧后，si、mn与钢水o溶关系3.钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成 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 o20ppm 铸坯气孔增加o=1020ppm 最佳范围 水口堵塞水口堵塞不是al2o3而是sio2夹杂所致。为此应生成mno.sio2液态夹杂，应控制

14、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(mno 54.1%，sio2 45.9%)，夹杂物容易上浮. mn/si应调整钢成分，保持mn/si2.5生成液态的mnosio2，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mnosio2浮渣也污染了钢水。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.钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成3.2 硅

15、-铝镇静钢仅用si+mn脱氧，铸坯易形成皮下针孔；用si+mn+少量铝脱氧，脱氧产物可能有：蔷薇辉石（2mno2al2o35sio2）；锰铝榴石（3mnoal2o33sio2）；纯al2o3。 图12 mno-sio2- al2o3相图夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区： 夹杂物熔点低（1400），球形易上浮； 热轧时夹杂物可塑性好（8001300）； 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3.钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成钢中氧的转换脱氧与夹杂物生成 理论计算：钢中si0. 2，mn0.4，温度为1550

16、条件下，若钢中als0.006，则钢中o 0.14ca/to = 0.71.2对于铝镇静钢钢，钙处理后： 解决了可浇性，不堵水口； 夹杂物易上浮去除； 消除了al2o3不变形夹杂物对钢性能的有害作用。3.4 sica脱氧。脱氧量与ca线喂入量之间的关系见图和式（2）。to = -22.7 +0.223l + 0.00175l2 0.000007l3 (s=13.52; r=4.8%)式中：to脱氧量，ppm；l喂ca线量，m图2 脱氧量（ppm）与ca线喂入量（m）之间的关系使用ca脱氧，在同样条件下终点的氧含量散差很大，难以达到稳定的目标值；随加入量的增加，脱氧效率明显下降。另一方面，ca脱

17、氧的成本较高，尽管没有堵水口问题，ca仍然不是一个好的深脱氧元素。c c a a s s i i 线线 , , m m脱脱氧氧量量 o o , ,p pp pm m300250200150100706050403020100s13.5198r-sq15.4%r-sq(adj)4.8%3.5 真空脱氧4.钢水中氧的降低脱氧夹杂物排除 4.1 钢水夹杂物的去除步骤脱氧合金化后，o溶几乎全部转变夹杂物，此时，o溶0，too夹杂。要得到to低，则要降低o夹杂，去除脱氧产物。它决定于三个过程：(1) 夹杂物形成 脱氧元素的溶解，化学反应 脱氧产物的形核长大。(2) 钢水中夹杂物传输到钢/渣界面 夹杂物尺

18、寸，炼钢条件下脱氧生成15m夹杂物 夹杂物碰撞聚合，尺寸5200m 夹杂物性质：液态或固态 夹杂物上浮：溶池静止还是流动(3) 渣相吸收 钢/渣界面能 夹杂物溶解于渣相能力 渣相的成分、温度、渣量4.2 夹杂物排除方法： 钢包精炼钢水中夹杂物去除条件： 控制脱氧产物合适的组成 控制钢包合适的顶渣成分（碱度、al2o3、mno、mgo） 溶池的搅拌能力 钢包精炼方法有：钢包吹ar、lf、vd、rh等。经过钢包精炼后，钢水中to可降到3020ppm，甚至10ppm。4.3 钢水总氧预测模型(1) 钢包精炼钢水中总氧预测模型：钢包精炼吹ar搅拌时，增加钢水的搅拌强度，可促进钢水中夹杂物聚合上浮，降低

19、钢水中to量。图16 钢水搅拌强度与夹杂物去除率的关系图 搅拌强度增加，夹杂物上浮率增加，但搅拌强度过大则会有渣子卷入，反而会增加钢中夹杂物，所以应控制好合适吹ar流量和压力。钢包吹ar后，钢水中总氧to预测模型可表示为： to=(oi-oe)exp-akeff t/v+oe式中： oi：初始氧含量，ppm ； oe：与脱氧产物相平衡的氧含量，ppm；a：溶池表面积，m2；v：溶池体积，m3；t：处理时间，min； keff：有效质量传质系数，m/min（决定于搅拌能）由上式可知，钢包精炼钢水中to与搅拌强度、钢包容量、处理时间等有关。（2）rh处理过程钢水中总氧预测模型： rh处理后，钢水中

20、总氧to可表示为： to=13.688+0.936(%feo%mno)(1-exp(-0.0514 ) +ooexp(-0.0514 )式中：d：浸渍管直径 ，cm；w：钢包钢水重量，t；g：吹ar流量， l/min；t：钢液处理时间，min；oo：处理前钢水初始氧含量，ppm 。twgd42.04158.021.0twgd42.04158.021.0rh处理过程中钢水中总氧量与钢包内衬材质、钢包渣氧化性、rh处理时间、rh浸渍管直径、吹氩流量、钢水循环流量以及处理钢水量有关。图17钢中氧实测值和预测值的对比 4.4 中间包钢水钢水中总氧预测模型： 中间包是一个连续冶金反应器，钢水在流动过程中

21、，要采取措施促进夹杂物上浮。中间包钢水总氧to可表示为：to=6.804+1.664(%feo%mno)+1.706n1-exp(1.37210-7)( )0.45t+ oox exp1.37210-7( )0.45t式中：n：钢包中间包吸氮量， ppm；as：铸坯断面积，mm2；vc：拉速，m/min；d1：中间包水口直径，mm；w：中间包钢水重量，t；：钢液密度，kg/cm3；t：浇注时间，min由上式可知：中间包钢水中to与渣的氧化性、钢水吸氮量、钢水流量和钢水在中间包的停留时间有关。 4133dwvcas4133dwvcas18中间包钢水中to预测计算值与实测值比较 5.连铸过程钢中氧控制防止钢水再污染连铸过程钢中氧控制防止钢水再污染 经炉外精炼处理后，钢水中to可以达到3010ppm，甚至更低一些。钢水中脱氧产生的夹杂物大部分（85以上）都上浮排除，可以说钢水很“干净”。在连铸过程中的任务是： 防止钢水再污染 设法进一步排除夹杂物在连铸过程中采用的技术措施包括：(1) 防止二次氧化 保护浇注（n：35 ppm） 碱性包衬 碱性覆盖剂 中间包密封充ar(2) 防止浇注过程下渣示踪试验追踪铸坯中夹杂物来源是：外来夹杂占