IF钢中成分及夹杂物的过程控制研究

1、东北大学博士学位论文IF钢中成分及夹杂物的过程控制研究 姓名:任子平申请学位级别:博士专业:钢铁冶金指导教师:姜茂发;唐复平 20060301东北大学博士学位论文 摘要 IF钢中成分及夹杂物的过程控制研究摘 要近几年来,由于IF钢具有优良的深冲性和无时效性,已逐渐成为继沸腾钢和铝镇静 钢之后的新一代冲压用钢,是一个国家汽车用钢板生产水平的标志。目前,中国的IF 钢生产处于初级发展阶段,可以满足中低档轿车和卡车用钢板的质量要求,中高档轿车 用高品质钢板仍然需要大量进口,尤其是对于表面质量要求非常严格的汽车面板,与国 外同类型IF钢产品的质量差距更大。本论文首先通过工业试验及取样分析,系统研究IF

2、钢中成分及夹杂物在转炉冶炼、 RH真空精炼、连铸等各个工序的变化规律,进而对IF钢中成分及夹杂物的过程控制进 行分析评价,并提出相应的解决措簏和研究方向:然后通过数学物理模拟,系统研究IF 钢连铸结晶器内的钢液流动及卷渣行为,在此基础上对IF钢连铸工艺参数和浸入式水 口结构参数进行分析评价和优化设计,并成功应用于IF钢连铸工业生产,取得良好效 果。本论文的主要研究成果如下:(1IF钢连铸坯中的碳、氮含量分别为22X10、21×10曲,在RH脱碳结束之后的 增碳量可降低至ll×10一,在转炉冶炼终点之后的增氮量可降低至9×10。 (2在稳态浇注条件下IF钢连铸坯中的

3、全氧含量为16×10,夹杂物含量的平均值为 092mg.(10kg,达到世界先进水平。(3IF钢连铸坯中的夹杂物主要有A1203系群络状夹杂物、A1203系块状夹杂物、 A1203一CaO系或A1203一CaOSi02系兴杂物、A1203-Ti203系夹杂物等4种类型。大 型A1203系块状夹杂物和A1203一CaOSi02系夹杂物是造成鞍钢IF钢冷轧板表面 缺陷的主要原因。(4随着水口吹气量的增加,连铸结晶器内的液面波动逐渐加剧,尤其浸入式水口附 近的液面波动明显加剧,卷渣和液面裸露的几率均逐渐增大;但同时冲击深度逐 渐减小,利于钢液中夹杂物上浮和凝固坯壳形成。(5对于断面尺寸为(

4、1060mm、1280ram×230mm的连铸结晶器而言,建议均采 用15。正方形水口,当上水口吹气量为6L/min、上滑板吹气量为2L/min、水口插 入深度为290mm时为最佳。对于断面尺寸为1550mm×230mm的连铸结晶器而 言,建议采用150正方形水口,当上水口吹气量为4L/rain、上滑板吹气量为2L/rain、 拉速为1.3m/rain、水口插入深度为290mm时为最佳。l东北大学博士学位论文 摘要(6经过连铸工艺参数和浸入式水口结构参数优化设计之后,在正常浇注条件下连铸 中间包至结晶器之间的IF钢中全氧含量下降ll×10一,连铸坯上、下表层处的夹

5、 杂物含量分别下降53.1%、85.9%。(7经过连铸工艺参数和浸入式水口结构参数优化设计之后,与连铸中间包试样相比 较,在稳态浇注条件下IF钢连铸坯中夹杂物的主要变化规律如下:a A1203系群络状夹杂物的数量明显减少,尺寸也有所减小,一般为159in 40p.m。b A1203系块状夹杂物的数量和尺寸均有所增大,一般为20/am409m。 C A1203一CaO系或A1203一CaO-Si02系夹杂物基本消失。d A1203一Ti203系夹杂物的数量有所减少,尺寸稍有增大,大多数为10p.m 601xm。这表明连铸结晶器可以有效去除1F钢中的夹杂物,同时无明显的结晶器卷渣和 二次氧化。本论

6、文的研究成果对于解决IF钢冷轧汽车面板出现的表面质量问题,对于我国IF 钢生产的进一步发展均具有重要的理论价值和现实意义。关键词:IF钢;夹杂物:卷渣;钢液流场;水口吹氩;结晶器东北大学博士学位论文 ABSTRACT Control of Chemical Composition and Inclusions in IF SteelABSTRACTOwing to its excellent deep stamping and noaging performances,IF steel becomes a new generation of stamping steel following b

7、oiling steel and aluminium killed steel and represents the development 1evel of steel sheets for automobiles in a country.Now,IF steejS manufacture is in an elementary development stage in China.And ChinaS IF steel can meet the quality demands for trucks and low-grade automobiles,Large numbers of hi

8、gh quality steel sheets for the top grade automobiles must be imported.Expecially,for skin plates with very strict surface quality,there is much greater disparity between foreign and ChinaS product quality.By means of industrial test and sampling,variation regulations of chemical composition and inc

9、lusions in IF steel from BOF smelting,RH refining to continuouscasting are studied in this work.The controllevel of chemical composition and inclusions in IF steel iS analyzed Correspondingly,some measurements and study trends are put forward.By mearls of mathmatics and ph,sical modeling,steel fluid

10、S flow and slag entrapments in a mold for IF steelS are investigated,and the technological parameters for continuous casting and structural parameters of SEN are evaluated and optimized.ne optimum parameters are applied to IF steelS industrial manufacture,and the good results are acquired.Some impor

11、tant results ofthis work are as follows.(1Carbon content and nitrogen content of IF steelS slab are 22×10。and 2l×10. respectively.Carbon pickup for IF steel after RH decarburizing is 11×10一.And nitrogen pickup for IF steel after BOF smelting is 9×10.(2Total oxygen content and inc

12、lusion content of IF steelS slab are 16×10曲and O.92 mg(10kg一,respectively,being international advanced level.(3There are 4style of inclusions in IF steelS slab,which are the cluster inclusions of A1203system,block inclusions of A1203system,inclusions of A1203一CaO or A1203-CaO-Si02system,and inc

13、lusions of A1203一Ti203system.Big block inclusions of A1203system and inclusions of A1203-CaO-Si02system is the main factor causing the surfa6e defects ofIF steelS slab.(4With increasing the gas flow of SEN,the surface flunctuation in a mold is enhanced, lII东北大学博士学位论文 ABSTRACTespecially near SEN,whic

14、h increases the probability of slag entrapments and steel bareness,and the impact depth is decreased,which favors removing inclusions from steel liquid and forming solidification shell in a mold.(5For the mold of(1060nml,1280ram×230mm,SEN with 15。square exits should be adopted.When the gas flow

15、 of the upper nozzle and the sliding-panel is 6L/min and 2L/rain,respectively,the immersion depth of SEN is 290ram,the good results for continuous casting will be aRained.For the mold of 1550mm×230mm,SEN with 15。square exits should be adopted When the gas flow of theupper nozzle and thesliding-

16、panel is 4L/min and 2L/min,respectively,the immersion depth of SEN is 290mm,the good results for continuous casting will be attained.(6After optimization.total oxygen content of IF steel is decreased by 11×10。from tundish to mold,and incluslon content of the upper smface layeg the lower surface

17、 layer ofIF steel decreases 53.1%,85.9%,respectively.(7After optimization,compared with steel samples from tundish,the inclusion characteristics of IF steelS slab are as follows:曲the number and size of the cluster inclusions of A1203system are decreased,and meir size iS 151xm409m;bthe number and siz

18、e of the block inclusions of A1203system are increased,and their size is 20pm40“m;c、the inclusions ofAl203一CaO or A1203-CaOSi02system disappear;dthe number of the inclusions of A1203-Ti203system is decreased,and their size is increased,mostly being 10pm60p_m.It shows that the mold can efficiently re

19、duce the inclusions of IF steel,and slag entrapments mad steel reoxidation in the mold can be controlled.The results of this work have an important theoretical value and practice significance for preventing the surface defects of skin plates for automobiles and developing 1F steelS technology.Key wo

20、rds:IF steel;inclusion;slag entrapment;flow field;argon blowing;mold独创性声明本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示铡 意。学位论文作者签名:伍抖 日 期:200.5.文学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印

21、件和 磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师不同意网上交流,请在下方签名;否则视为同意。学位论文作者签名:签字日期: 导师签名:签字日期:东北大学博士学位论丈 第一章绪论1.1引言 第一章绪论 弟一早三百了匕采用钛、铌等强碳氮化合物形成元素,将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子完全固定 为碳氮化合物,从而得到的无间隙原子的洁净铁素体钢,即为超低碳无间隙原子钢 (Interstitial Free Steel,简称为IF钢1”。典型的IF钢成分设计如表1.1所示,其成分 特点如下:超低碳氮;研究发现,固溶碳和固溶氮严重损

22、害IF钢的塑性应变比叽一般IF钢中碳含量小 于50x 10,氮含量小于50X 10缶【”。降低钢中碳、氮等间隙原子的含量,可以明显改 善IF钢的塑性应变比,同时能够减少钛、铌等合金消耗。微合金化;IF钢生产的关键所在,就是通过钛、铌处理最终清除钢中的碳、氮等间隙原子,得 到洁净的铁索体基体,从而完全消除碳、氮等间隙原子的不利影响。研究发现,通过适 当的钛、铌处理后,IF钢的塑性应变比大大增加01。表1.1IF钢的化学成分(hi分数,%【3。6钢质纯净。除碳、氮等间隙原子的含量被严格控制外,IF钢中氧、硫等杂质元素也必须尽可能 降低。研究发现,由于锰与碳、氮等间隙原子的交互作用,其对于IF钢的塑

23、性应变比 有不利影响,当碳、氮等间隙原予被完全固定后,这种不利影响可减小。在生产高强 IF钢时,应适当增加硅、锰、磷等铁索体强化元素的含量,但是必须考虑其对于成形性东北大学博士学位论文 第一章绪论的影响作用【”J。近几年来,由于IF钢具有优良的深冲性和无时效性,在国际范围内取得飞速发展, 逐渐成为继沸腾钢(第一代冲压用钢,如08F钢和铝镇静钢(第二代冲压用钢,如 08AI钢之后的新一代冲压用钢,是一个国家汽车用钢板生产水平的标志,代表着当今 世界冲压钢板生产的最高水平和发展方向玎。1”。目前,IF钢已广泛应用于汽车、家电制造业等【16】。以IF钢为代表的汽车钢板主要 包括以下三个产品系列【l

24、7J:减重节能为目标的高强度钢板系列;以提高成形性能为目标的深冲钢板系列:以提高防腐能力为目标的镀层钢板系列。IF钢生产在国外发展迅速,以日本为例,20世纪末日本的IF钢年产量已超过1000万吨,并呈逐年上升趋势I 91。许多大型钢铁公司均积极发展IF钢生产,如日本的川崎 制钢公司、新日铁公司,德国的Thyssen钢铁公司、Hoesch钢铁公司,美国的Armco 钢铁公司、Inland钢铁公司,韩国的浦项钢铁公司等,其IF钢年产量均在100万吨以上 120-2sl。我国研制IF钢始于1989年,宝钢集团公司、鞍钢集团公司、武钢集团公司、攀钢 集团公司、本钢集团公司等先后开展IF钢的研究开发工作

25、,并大力发展IF钢生产26-30】。 目前,我国的IF钢生产已具有一定规模,但仍处于初级发展阶段。以汽车板用IF钢为 例,国产的IF钢仅可以满足中低档轿车和卡车用钢板的质量要求,中高档轿车用高品 质钢板仍然需要大量进口,尤其是对于表面质量要求非常严格的汽车面板,与国外同类 型IF钢产品的质量差距更大f3l,3m。研究发现,钢中的成分和夹杂物对于IF钢的性能影响显著【33_3蚋。如若生产表面无缺 陷的汽车面板(05板,必须严格控制IF钢中夹杂物的数量、类型、形态及其分布状 况口36】。因此,针对IF钢存在的表面质量问题,开展IF铜成分及夹杂物的过程控制研 究成为当务之急,其研究成果对于我国IF钢

26、生产的进一步发展具有重要的理论价值和 现实意义。1.2文献综述1.2.I IF钢生产工艺的发展现状分析国内外IF钢的生产工艺流程一般为铁水预处理一转炉冶炼一RH真空精炼一连铸一 热轧一冷轧一退火一平整13,37,381。每一个工序均在不同程度上影响IF钢的最终产品性 能。为保证IF钢的最终产品性能,国内外IF钢生产工艺的技术要点总结如表1.2所示。 2东北大学博士学位论文 第一章绪论表1.2国内外IF钢生产工艺的技术要点口,4,8,13,1738】Table 1.2Key technologies ofIF steels工序 技术要点炼钢(铁水预处理一转炉冶炼一RH真空精炼一连铸 热轧冷轧 I

27、.超低碳;2.微合金化;3.钢质纯净。1.均匀细小的铁索体晶粒;2粗大稀疏的第二相粒子。 1.尽可能大的冷轧压下率。退火 :囊篓鲁暴誓蓑篙芋大:要实现IF钢成分及夹杂物的严格控制 真空精炼一连铸生产工艺进行系统优化。 3必须对炼钢(铁水预处理一转炉冶炼一RH 日本新日铁公司1F钢的炼钢生产工艺及其东北大学博士学位论文 第一章绪论控制措施如表1.3所示,该公司先后采用22项控制措施对IF钢的炼钢生产工艺进行系 统优化。1,2.1.1铁水预处理工序在进行lF钢生产时,必须进行铁水预处理,其目的是:减少转炉冶炼过程中的渣量,从而减少出钢过程中的下渣量;降低转炉冶炼终点钢液和炉渣的氧化性;提高转炉冶炼

28、终点炉渣的碱度和MgO含量。采用喷吹金属镁和活性石灰对铁水进行脱硫,可使入炉铁水中的硫含量控制在 O.0030%以下。而通过喷吹含镁和CaC2,可使入炉铁水中的硫含量降至0.010%以下刚1, 421。1.2.1.2转炉冶炼工序总结国内外关于IF钢转炉冶炼的研究成果【3,43-45,可归纳为:采用顶底复吹转炉进行冶炼,降低转炉冶炼终点钢液氧含量;实现转炉冶炼动态模型控制,提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率; 提高铁水比,入炉铁水的硫含量小于0.003%;控制矿石投入量;提高氧气纯度,控制炉内保持正压;转炉冶炼后期增大底部惰性气体流量,加强溶池搅拌:转炉冶炼后期采用低枪位操作;将转炉冶炼

29、终点钢液的碳含量由O.02%O.03%提高至O.03O.04%;采用出钢挡渣技术;出钢过程中不脱氧,只进行锰合金化处理:采用钢包渣改质技术。1.2。1.3RH真空精炼工序总结国内外关于IF钢RH真空精炼的研究成果B 465。J,可归纳为:严格控制RH真空精炼之前钢液中的碳含量、氧含量和温度;采取RH真空精炼前期吹氧强制脱碳方法:增大RH真空脱碳后期的驱动气体流量,增加反应界面。减少RH真空槽冷钢;采用海绵钛替代钛铁合金;建立合理的RH真空精炼过程控制模型;进行RH炉气在线分析、动态控制;采用钙处理技术。1_2.1.4连铸工序总结国内外关于IF钢连铸生产的研究成果f3,51彤】,可归纳为:4东北

30、大学博士学位论文 第一章绪论采用钢包下渣自动检测技术;加强大包一长水口之间的密封;连铸中间包使用之前采用氩气清扫;提高大包滑动水口开启成功率:采用连铸浸入式长水口;采用大容量连铸中间包,并进行钢液流场优化;保证连铸中间包内钢液面相对稳定,且高于临界高度:采用低碳碱性连铸中间包包衬和覆盖剂:采用低碳高粘度连铸结晶器保护渣:采用连铸结晶器液面自动控制技术,确保液面波动小于±3mm。1.2.2IF钢成分及夹杂物控制的研究现状分析1.2.2.1IF钢中碳含量的控制IF钢中碳含量的控制技术主要包括以下三个方面:(1转炉冶炼终点碳的控制;在IF生产时,日本川崎制钢公司391、美国Inland钢铁

31、公司【23,56JSn宝钢烨,4叼将转 炉冶炼终点钢液中的碳含量控制为O.03%O.04%,氧含量控制为O.05%O.065%,德 国Thyssen钢铁公司【21,223认为转炉冶炼终点钢液的最佳碳含量为0.03%,最佳氧含量为 O.06%。(2RH真空脱碳;美国Inland钢铁公司盼561在IF钢生产时,采用RH.OB进行深脱碳处理。RH.OB 的真空脱碳过程主要分为以下两个阶段:强制脱碳阶段从开始至第8rain,R/-/.OB采取吹氧强制真空脱碳方法,真空度为4kPa8kPa。在 此阶段,钢液中的碳含量可从0.03%O.04%降低至8×104左右。自然脱碳阶段从第8rain至第1

32、2min,RH.OB停止吹氧,进行自然真空脱碳方法,真空度小于266 Pa。在此阶段,钢液中的碳含量可从80×104降低至20×104以下。为满足钢种和多炉连浇的要求,提高RH脱碳速度是IF钢生产的一个关键性问题, 为此宝钢55,57】采用以下两种方法:在RH脱碳初期采用硬脱碳方式,真空室压力快速下降,加速脱碳;在RH脱碳后期通过OB喷嘴的环缝吹入较大量的氩气,增加反应界面。针对武钢【3,58IRH真空设备存在的抽气能力过小的问题,该公司开发出如下的RH真 空脱碳技术:提高浸渍管的寿命,尤其是延长大直径的使用时段;加大驱动氩气流量,并实现石英浸渍管内径扩大的动态调整:真空室

33、快速减压。采用以上技术后,在RH真空脱碳过程中可在15min20min内将IF钢中碳含量降 低到0.0015%左右。(3防止RH后钢液增碳。在RH真空脱碳处理之后,必须严格控制IF钢的增碳。图1.1给出了可能导致IF钢 增碳的各种影响因素。RH脱碳结束(IF钢中碳含量为15x 1020×104RH真空室内的合金及冷钢增碳l钢包覆盖剂增碳包利、长水口、滑板等钢包耐火材料增碳l连铸中间包覆盖剂增碳包衬、塞棒、浸入式水口、滑板等中间包耐火材料增碳4连铸结晶器保护渣增碳圈1.1IF铜增碳的影响因素【58,59】Fig.1,I Factors ofcarbon pick-up in IFste

34、elsF本新同铁公司【4。,47】在IF钢生产时,采用超低碳多孔镁质钢包覆盖剂、超低碳中间 包覆盖剂和低碳空心结晶器保护渣、低碳长水口和浸入式水口、结晶器液面控制仪等措 施,控制从RH真空精炼结束到连铸成坯过程中的钢液增碳,IF钢的钢液增碳量可稳定 控制在8×10-69×10,甚至可以达到2.6x 10。宝钢144,49,581在IF钢生产时,采用低碳高碱度中间包覆盖剂和低碳高粘度结晶器保护 渣,同时减少Rtt真空槽冷钢(冷钢不仅对Rtt真空脱碳不利,而且容易引起RH脱碳 之后的钢液增碳>,控制从RH真空脱碳之后的钢液增碳,IF钢的钢液增碳量可稳定控 制在7×

35、;10。以内。1.2.2.2IF钢中氮含量的控制IF钢的降氮问题主要在转炉内解决。当IF钢中氮含量小于0.002%时,RH真空精 炼过程中降氮非常困难,若密封性能不好还可能导致钢液增氮31。因此,在IF钢生产过 程中,减少转炉冶炼终点的氮含量和避免钢液增氮是获得超低氮IF钢的主要途径。 宝钢h 44,491在IF钢生产时,采取的主要技术措施包括:高铁水比,控制矿石投入量;提高氧气纯度,控制炉内为正压;转炉冶炼后期采用低枪位操作;6提高转炉冶炼终点控制的命中率和精度,不允许再吹;钢包水口和长水口连接处采用氢气和纤维体密封:全程底吹氩气搅拌。采用以上措施后,RH真空精炼终点的IF钢中氮含量可控制在

36、20×104以下,平均 为13×10一。在浇注过程中IF钢的增氮量可控制在15×104以下。目前,宝钢可以批量 生产氨含量小于20X 10。6的超低氮IF钢n 44,491。台湾中钢公司60在IF钢生产时,采用如下技术控制钢液中的氮含量:转炉冶炼过程中,增加铁水比和溶剂量,形成较厚渣层,以增加CO气体在渣层 中的停留时间,并使钢液与大气隔离,降低钢液的吸氮几率。在转炉冶炼结束之 前,向炉内加入白云石,产生的大量CO气体形成正压层阻止钢液从大气中吸氮。 在RH真空精炼过程中,采用海绵钛替代钛铁合金,减少铁合金增氮。在连铸过程中,采用长水口、氩气密封和纤维锥体密封等技

37、术进行保护浇注。 采用以上技术后,IF钢中的氮含量可控制在30×104以下。1.2.2.3IF钢中氧含量的控制IF钢中氧含量的控制技术涉及转炉冶炼、RH真空精炼和连铸等工艺环节,武钢【3,32, “1采用了以下技术:用顶底复吹转炉进行冶炼,降低转炉冶炼终点钢液氧含量;实现转炉冶炼动态模型控制,提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率; 采用挡渣出钢;进行钢包渣改质;采用钢包下渣自动检测技术;采用大容量连铸中间包,并进行钢液流场优化;采用碱性连铸中间包包衬和覆盖剂;采用连铸结晶器液面自动控制技术,确保液面波动小于+3ram。采用以上技术后,IF钢连铸坯中的全氧含量可控制在10

38、5;10。624×10、平均为 】8×】04的先进水乎。同本川崎制钢公司【37,391在控制IF钢转炉冶炼终点氧含量方面主要采取以下措施:采用顶底复吹转炉进行冶炼;增大转炉冶炼后期底部惰性气体流量,加强溶池搅拌;将IF钢转炉冶炼终点碳含量由O.02%O.03%提高至O.030.04%;提高转炉冶炼终点控制的成功率,减少补吹率。日本川崎制钢公司37,39IF钢转炉冶炼终点炉渣的全铁含量一般为15%25%,采用 出钢挡渣技术,钢包内炉渣的厚度应控制在50ram以下,防止出钢过程中下渣量过大会 造成钢液二次氧化严重。出钢后立即向钢包内加入炉渣改质剂,炉渣改质剂由CaC03和金属铝

39、组成,可将渣中的全铁含量降低到4%左右,甚至2%以下。7东北大学博士学位论文 第一章绪论12.2.4IF钢中夹杂物的控制(1IF钢中夹杂物的主要类型钢中夹杂物的分类方法较多,按夹杂物尺寸可分为:超显微夹杂,均匀分布在钢中; 显微夹杂,其尺寸小于509m,与钢中氧含量有关;宏观夹杂(大型夹杂,尺寸大于 509m,该类型夹杂颗粒大、数量少、在钢中呈偶然性分布,对产品质量危害最大。 按变形能力夹杂物可分为塑性夹杂物、半塑性变形和脆性夹杂物的夹杂物。其中, 塑性夹杂物在轧制时,沿轧制方向伸长,如MnS、FeS、MnO.Si02、Si02含量低的硅酸 盐等;半塑性夹杂物在轧制时,呈不连续延伸成链状分布,

40、如群络状A120,、复合铝硅 酸盐等;脆性夹杂物在轧制时不发生塑性变形而成不规则分布,如A1203、Cr203、Zr02、 TiN、Ti(CN、Si02、FeOA1203、MgOA1203、CaO6A1203、Si02含量高的硅酸盐、球 状铝酸钙等62-65j。IF钢中非金属夹杂物虽然数量不多,但对钢的力学性能和使用性能的影响作用却不 可忽视。钢中非金属夹杂物的危害性在于它破坏了钢基体的均匀性,造成应力集中,促 进了裂纹的产生,并在一定条件下加速裂纹的扩展,从而对钢的塑性、韧性和疲劳性能 等产生不同程度的危害作用。(2IF钢中夹杂物的来源分析钢中夹杂物根据其来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物。连

41、铸坯中内生夹杂物包括脱氧产物、硫化物和氮化物等。脱氧产物直径小于20btm, 由于脱氧产物碰撞长大,大部分可以上浮排除,约占钢中夹杂物总量的40%。硫化物、 氮化物在钢液凝固过程中析出。文献661指出,采用锰铁进行脱氧,当钢中锰含量小于0.13%时,夹杂物中MnO的 含量约小于30%,当钢中锰含量大于O.70%时,夹杂物中WMno/wF。急剧增大,其组 成接近纯MnO,为方锰矿结构。采用硅铁进行脱氧,当钢中硅含量较低而氧含量较高时,在1600。C温度下,其脱氧 产物不是纯Si02,随着钢中硅含量的增加,脱氧产物将逐渐由铁硅酸盐转变成Si02。 采用铝进行脱氧,在钢中铝的活度小于10×

42、10。6的条件下,脱氧产物不是纯A1203, 而是铁尖晶石(FeO.A1203,或者是高FeO含量的A1203。在铝镇静钢生产过程中,虽 然铝的加入量比较高,但仍能出现铁尖晶石夹杂物,这是因为钢液中脱氧剂分布不均匀, 局部铝的活度较低,或者钢液二次氧化所致。在工业生产中,常对钢液进行复合脱氧。采用硅锰铁进行脱氧,其脱氧产物的类型 取决于wsi/wM。2值。当ws,wMn2高于一定值时,脱氧产物为固相Si02夹杂,当Wsi/Wm。2低于一定值时,脱氧产物为液态锰硅酸盐夹杂。采用铝硅锰铁进行脱氧时,根据钢液中 脱氧元素的活度不同,可生成4种不同类型的夹杂物:液态铝硅酸盐、锰铝尖晶石、刚 玉及莫来石

43、I”J。连铸坯中外来夹杂物是从转炉冶炼、炉外精炼到连铸的过程中,钢液与空气、耐火 R东北大学博士学位论文 第一章绪论材料、炉渣、中间包覆盖剂和结晶器保护渣等相互作用的产物,其主要特征如下旧:组成复杂,般为复合夹杂物;颗粒尺寸大,一般大于501.tin;形状不规则,有球形、多角形;呈偶然性分布。外来夹杂物是指从炼钢到浇铸的全过程中,钢液与空气、耐火材料、炉渣及保护渣 相互作用的产物以及机械卷入钢液的各种氧化物。连铸坯中外来夹杂物主要来源如下 旧l:二次氧化产物。钢液的二次氧化有4种方式:钢液与空气接触直接吸氧:钢液 与卷入的空气相互作用:钢液与耐火材料相互作用;钢液与卷入的渣滴相互作 用。卷渣。

44、包括旋涡卷渣和钢流冲击卷渣。旋涡卷渣是在浇注后期钢包或中间包液 面较低时出现的;钢流冲击卷渣是在浇注过程中中间包或结晶器内的钢液面受 到钢流冲击而产生的。耐火材料冲蚀。文献【67】指出:钢包衬、中间包衬、塞棒和水VI等耐火材料是 连铸坯中大型夹杂物的主要来源,约70%75%的外来大型夹杂来自耐火材 料。这些夹杂物的形成是由于钢液和耐火材料之间发生的机械冲刷和化学反应 而形成的。要提高IF钢连铸坯的洁净度就必须减少钢中的内生夹杂物和外来夹杂物,其关键就 是防止钢液在浇注过程中的二次氧化。(3IF钢中夹杂物的控制方法在IF钢生产过程中,钢中夹杂物的类型、组成、尺寸和分布等都在不断地发生变 化,其变

45、化规律受钢液成分、转炉冶炼、脱氧制度、出钢挡渣、钢包渣改质、RH精炼、 连铸机类型、中问包冶金、结晶器冶金、保护浇注及耐火材料等诸多因素的影响,必须 从整个炼钢工艺流程进行控制。宝钢【4,44,551在IF钢连铸生产过程中采用了如下4个中间包洁净化技术:中间包三重堰结构,以增加钢液的平均停留时间,增大钢液的流动轨迹,促进 钢液中夹杂物上浮:挡墙上方使用碱性过滤器,可以吸附钢液中的夹杂物,同时使流经过滤器的钢 液流动平稳:中间包内衬为碱性涂料,既不氧化钢液,又能吸附夹杂物;采用具有良好A120,夹杂吸附能力的低碳中间包覆盖剂。采用以上措施后,从钢包至中间包过程中IF钢的夹杂物含量可降低20%30

46、%。 (4IF钢中夹杂物的检测分析归纳钢中夹杂物的检测分析方法68-73】,可分为两类。9东北大学博士学位论文 第一章绪论第一类是在位检测分析。在位检测分析是在夹杂物和基体不分离的情况下进行的, 可分为宏观在位检测分析和微观在位检测分析。宏观在位检测分析主要包括低倍酸浸、硫印、x射线透射、超声波检查等,可以确 定夹杂物在钢中的位置、尺寸和分布,但是不能确定钢中夹杂物的类型和组成。微观在位检测分析主要包括光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针、能谱分 析、光谱分析等,可以确定钢中夹杂物的类型和组成,从而弥补宏观在位检测分析的不 足。第二类是移位检测分析。常用的移位检测分析方法有电解法等。移位检

47、测分析可以 避免基体对夹杂物的干扰,确定钢中夹杂物的类型、粒度和平均组成。但处理不当时, 可能损害钢中夹杂物的形貌。1.2.3IF钢连铸结晶器内钢液流动及卷渣行为的研究现状分析连铸结晶器内钢液流动行为是一个复杂的湍流流动,其主要特征是不规则性、有旋 性、三维性、扩散性和耗散性【74】。从20世纪70年代以来,国内外对连铸结晶器内的锎 液流动及卷渣行为进行了大量的研究工作,特别是随着数学物理模拟技术的发展,为连 铸工艺参数和浸入式水口结构参数的优化设计提供了更为充分的理论依据。对于板坯连铸生产而言,当采用侧孔倾角向下的双侧孔浸入式水口进行浇注时,来 自水口的钢液沿直线流向结晶器窄面,且在行进过程

48、中不断扩张,流速逐渐降低,到达 窄面后分为上升流股和下降流股,如图1.2所示。l 23巧!1k最醐 kl,r劳阕蕊 潲潲l一浸入式水口 2一上部回流区 3一下部囿流区 图1.2连铸结晶器内的钢液流场Fig.1.2Flow field in a mold上升流股沿窄面向上流动,到达弯月面后才改变方向流向水口,在液面处形成两个 回流。这两个回流对夹杂物的上浮和弯月面的波动产生直接影响,决定钢渣卷混状况, lO东北大学博士学位论文 第一章绪论同时也为保护渣的熔化提供热量,决定了熔渣层的厚度。下降流股沿窄面继续下行,达到一定穿透深度后,流向结晶器中心,形成两个与上 部回流循环方向相反、范围更大的回流区

49、,其强度向下衰减,此流股对结晶器下端及二 冷段的结晶组织产生直接影响。所谓冲击深度即钢液流股从浸入式水口侧孔流出后向连铸结晶器下部冲击到达窄 面的碰撞点至弯月面的最大距离。研究发现,冲击深度过大,则不利于初生凝固坯壳的 形成,并导致凝固坯壳不均匀,严重时会发生漏钢事故。而冲击深度过小,则会造成液 面波动剧烈,出现卷渣现象,影响连铸坯的质量。Kubma等【75】研究发现,连铸结晶器窄丽钢液面波动包括频率不同的两种波短 波和长波。短波(频率lHz2Hz是由结晶器振动引起的;长波(频率0.1Hz是上回 流流股对液面的冲击造成的,对连铸坯质量影响很大。连铸结晶器内液面波动剧烈,可导致弯月面不稳定,使保

50、护渣被卷入初生坯壳,易 出现铸坯表面夹渣,甚至发生漏钢事故;另外,液面波动不稳定会造成保护渣分布不均, 使液渣不能均匀流入初生坯壳和结晶器问的缝隙,产生不均匀的热流,导致铸坯出现纵 向裂纹。蔡开科等人【62J认为当结晶器液面波动处于±3mm±5mm时铸坯质量最好。 包燕平等I76认为在连铸结晶器内,由于上升流股的作用,渣金界面处产生驻波,在 驻波波谷处,液态保护渣受从波峰处下降钢液的剪切作用,卷入钢液形成卷渣。Nakato H等人r 7J认为连铸结晶器卷渣的发生条件可用方程f1.1表示:(1/2v2>0>(2a/月+(P一反gR (1-1式中v为钢液回流的表面速

51、度,p为钢液密度,p。为熔渣密度,g为重力加速度,月为 渣粒半径,盯为熔渣表面能,r。为熔渣速度差造成的剪切力。由方程(11分析可知,随钢液上回流表面速度的增大,被卷入的渣粒直径也增大; 对相同粘度的保护渣,钢液回流的表面速度减小,不易产生卷渣。段祟雯(73】通过受力分析阐述了连铸结晶器钢液面裸露的形成机理。当拉速较小时, 保护渣能够良好的覆盖弯月面处的钢液;随着拉速的增大,弯月面处的钢液流速增大, 摩擦力也随之增大;当增大到一定程度时,摩擦力大于浸入式水口侧壁对保护渣的反作 用力,此时保护渣将随着钢液一起向浸入式水口方向运动,于是出现液面裸露。陈永范等79】通过物理模拟发现,随水口插入深度的

52、增加,钢液射流的冲击点下移, 上、下部回流区的涡心也明显下移,这样对夹杂物上浮不利;相反,则连铸结晶器内的 液面波动加剧,卷渣机会增加。朱苗勇等【80通过数学模拟计算了不同水口插入深度条件下的连铸结晶器内钢液流 场。随着水口插入深度的增加,熔池表面附近向上运动的回流范围变得越来越大,熔池 表面的湍动减弱,这有利于降低保护渣卷入的可能性,阻止产生新的夹杂物。但向下回 流的涡心位置却下移,这将减少从中间包进入结晶器中夹杂物的上浮机会,同时因将更 11东北大学博士学位论文 第一章绪论多的高温钢水带到结晶器下部而影响了凝固坯壳的生长速度。手屿俊雄等【811通过物理模拟,利用连铸结晶器底部的水压计来控制

53、液面高度,利用 激光反射式测距仪测量液面波动,用螺旋浆式流速计测定结晶液面流速,考察了液面波 高与连铸结晶器宽度、拉坯速度、水口侧孔倾角等参数之间的关系,提出了衡量液面波 动状况的液面波动指数。F:=pQ,V,(1-sin0.14D(12户泽宏一等82-851通过物理模拟,利用螺旋桨式流速计在连铸结晶器宽面方向上测量 了液面流速及其变化规律,发现水口左右两侧钢液的流速最大值交替出现;当液面流速 超过O.197m/s时,发生卷渣现象,并提出临界流速的计算公式。塑铲4f 3成 f(1-3D.Gupta等871通过物理模拟,利用录像机和图象分析仪研究了连铸结晶器内的液 面波动状况,指出水口两侧的弯月

54、面形状在相同时刻并不是轴对称的,但它们的时均液 面形状是轴对称的;液面波动幅度与水口侧孔的钢液流速成抛物线关系,液面波动幅度 和水口侧孔直径的比值与弗鲁德准数(Fr成线性关系。在此基础上,提出了弯月面液面 波动幅度的计算公式。Al/D=0.557吃n. V 2p"砜2百若蔷 (1-4 (15M.Gebhard等【88】通过物理模拟,采用皮托管测量水口两侧的液面速度,并利用摄影 机记录漩涡的位置和行为。研究发现,漩涡在水口附近出现,当水口一侧液面流速达到 峰值时,漩涡会在另一侧出现,其深度随液面流速的增大而增大。Q.L.He【89J在此基础 上,考察了水口偏心放置对漩涡现象的影响,指出

55、漩涡的产生是由于液面偏心流造成的, 水口偏心放置会导致漩涡在结晶器和水口之间较宽的一侧出现,偏心程度越大,漩涡的 深度和发生频率越大。众多的数学物理模型研究表明【90-931,当水口侧孔倾角是向下倾斜时,随着水口侧孔 倾角的增大,钢液流股对钢液面的冲击速度减弱,从而抑制了液面波动,减少了卷渣的 几率;同时,钢液流股的冲击深度增加,不利于结晶器内非金属夹杂物的上浮,并对初 生凝固坯壳产生一定的影响作用。陈永范等通过物理模拟发现,水口侧孔向下倾角的增大可使冲击深度增大,回流 区涡心略有下移,液面波动减轻。马范军等【92通过数学模拟发现,水口侧孔向下倾角越 大,连铸结晶器内钢液面的紊动能越小,其最大

56、值仍出现在窄面附近区域。Ferrtti等1941研究了水口侧孔水平和向上倾斜条件下连铸结晶器内的钢液流动行为, 12东北大学博士学位论文 第一章绪论发现当水13侧孔水平时,结晶器内存在4个回流区;当水口侧iL向上倾斜时,随着水13侧孔倾角的增大,结晶嚣上部2个回流区消失,并在弯月面处出现2个漩涡,结晶器内 只有2个回流区。Tsukamoto等f95通过物理模拟研究了不同水口侧孔形状和水口底部形状对于连铸结 晶器内钢液流动行为的影响作用。分析表明,与圆形水口相比,采用方形水口时钢液流 股的速度较大,钢液流股的冲击深度也较大,但钢液流股对结晶器窄面的冲刷作用较小, 有利于凝固坯壳的均匀生长。而采用

57、椭圆形水口的钢液流股不稳定。当采用凸形底部结 构的水口时,钢液流股在水口下部速度大,这时会引起水口上部的回流。当使用平底形 和凹形水口,这种回流得到有效抑制。雷洪等f96】通过数学模拟研究了不同水口侧孔形状对于连铸结晶器内钢液流动及卷 渣行为的影响作用。分析表明,与圆形水口相比,采用长方形水口能有效抑制连铸结晶 器内的卷渣形成。同时还利用薄板坯连铸结晶器物理模型,研究了水口侧孔面积对结晶 器内钢液流动行为的影响。随着水口侧孔面积的增大,钢液流股的速度逐渐减小,一方 面可以降低钢液流股冲击结晶器窄面的速度,从而使液面波动得到抑制;另一方面可以 造成钢液流股冲击结晶器窄面的位置上移,从而使液面波动

58、更加严重。因此,水口侧孔 面积的增大对连铸结晶器内的液面波动有着正反两方面的影响作用97】。万晓光等【98】认为采用凹形底部结构的水口可以减少钢液流股对结晶器窄面的冲刷, 降低钢液流股在结晶器内的冲击深度,使涡心高度上升,利于夹杂物和氩气泡的上浮以 及保护渣的熔化。在连铸生产过程中,为防止水口堵塞,常采用塞棒吹氩或水口吹氩。水口吹氩可使 浸入式水口内部形成正压力环境,氩气泡在水口内和钢液充分混合,大大减少了夹杂物 与水口内壁的接触机会,有效防止了水口结瘤。氩气泡随钢液流股从浸入式水口侧孔流 出后冲向结晶器窄面,大部分气泡会上浮。在上浮过程中,氩气泡能够和钢液中央杂物 发生碰撞并互相吸附,有利于夹杂物上浮去除。但还有部分气泡随沿窄面向下的钢液流 股冲击到结晶器