转炉-精炼-连铸过程钢中氧的控制

转炉-精炼-连铸过程

钢中氧的控制

精选ppt目录

1.钢中的氧－钢洁净度的量度2.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4.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6.结论精选ppt1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a[O] 出钢时，进行脱氧合金化，[O]溶转变成氧化物夹杂，可用[O]夹杂表示，所以钢中氧可用总氧T[O]表示为：T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂精选ppt1钢中的氧－钢洁净度的量度 出钢时：钢水中[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；

脱氧后：根据脱氧程度的不同[O]溶→0， T[O]＝[O]夹杂。

可以用钢中总氧T[O]来表示钢的洁净度，即钢中夹杂物水平。 钢中T[O]越低，则钢就越“干净”。

精选ppt1钢中的氧－钢洁净度的量度为使钢中T[O]较低，必须控制：降低[O]溶：控制转炉终点a[O]，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（InclusionEngineering）。精选ppt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“零夹杂物”，钢材性能不断改善。 由于引入炉外精炼，对硅镇静钢，T[O]可达15-20ppm，对铝镇静钢，T[O]可达到<10ppm。图11970－2000年钢中平均T[O]水平精选ppt

轴承钢T[O]由30ppm降到5ppm，疲劳寿命提高100倍。图2钢中T[O]与轴承钢寿命关系精选ppt钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显对应关系美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现：T[O]，ppm质量指数15～208121～257226～3068>3035 T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高。

川崎Mizushima把中间包T[O]作为钢水洁净度标准，生产试验表明： 中间包钢水T[O]<30ppm冷轧薄板不检查，用户接受 T[O]＝30～55ppm冷轧薄板需检查 T[O]>55ppm冷轧薄板降级使用

精选ppt 产品质量缺陷不仅与钢中总氧T[O]有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关。精选ppt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0.2~0.3mmt飞边裂纹T[O]<20ppm,D<20μm深冲钢超低碳铝镇静钢0.2~0.6mmt超深冲，非时效性表面线状缺陷[C]<20ppm,[N]<20ppmT[O]<20ppm,D<100μm荫罩钢低碳铝镇静钢0.1~0.2mmt防止图像侵蚀D<100μm,低硫化导架结构材13%Cr0.15~0.25mmt打眼加工时的裂纹D<100μm42NiD<5μm，[N]<50ppm中厚板管线钢X52~70级低合金钢10~40mmt氢引起的裂纹夹杂物形态控制低硫化，S<10ppm低温用钢9%Ni10~40mmt低温脆化P<0.003%,S<0.001%抗层状撕裂钢结构高强钢10~40mmt层状撕裂低磷化、低硫化无缝管座圈材轴承钢50~300mmΦ转动疲劳寿命T[O]<10ppm,[Ti]<20ppm净化管不锈钢10mmΦ电解浸蚀时表面光洁度T[O]<20ppm,[N]<50ppmD<5μm棒材轴承轴承钢30~65mmΦ转动疲劳特性T[O]<10ppm,[Ti]<15ppmD<15μm渗碳钢SCM432、420疲劳特性、加工性T[O]<15ppm，P<0.005%线材轮胎钢丝SWRH72、82B0.1~0.4mmΦ冷拔断裂非塑性夹杂D<20μm弹簧钢SWRSSi-Cr钢1.6~10mmΦ0.1~0.15mmΦ疲劳特性、残余应变性非塑性夹杂D<20μm精选ppt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150μm、60μmCaO-Al2O3ERW管材UT缺陷US缺陷150μm220μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3镀锡板炉渣分层400μm、150μm深冲深拉用冷轧钢板冲压缺陷夹杂250μm400μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2OUO管材UT缺陷200μmCaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2OUOE管（厚钢板）US缺陷220μm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50～60μm

品种用途用户要求生产目标薄板DI罐防止裂纹DA<40μm超深冲板2.0≦r≦3.0，非常薄较高抗拉强度Dj<40μm防止碳化、氮化物的析出汽车轮箍防止勾形裂纹DA<100μm汽车轮盘极好的穿孔性能DM<20μm门窗框架防止冲压时产生裂纹DA<20μm护板防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹DA<5μm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DA<15μm丝抗疲劳钢丝高抗拉强度防止冲压时断裂T[O]<10ppm弹簧高强度、疲劳寿命长减少非塑性夹杂注：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精选ppt 由以上数据表明：钢中T[O]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T[O]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。精选ppt2.转炉终点钢中氧的控制

T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂出钢时：[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；生产统计表明，终点[O]溶（a[O]）决定于：(1)终点[C]从某厂转炉冶炼终点由副枪测定的C和a[O]统计关系。图3转炉冶炼终点C-O关系图Ⅰ区：[O]溶波动在C－O平衡曲线附近，[C][O]=0.0027炉龄<2500炉Ⅱ区：[O]溶远离C－O平衡曲线，[C][O]=0.0031～0.0037炉龄>2500炉当炉龄大于3000炉，达到7500炉甚至10000炉，钢水中[C][O]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。精选pptC–Fe的选择性氧化平衡点

根据式

[C]+[O]={CO}(1)lg(Pco/ac*[%O])=1149/T–2.002以及反应[Fe]+[O]=（FeO）(2)lgaFeo/[%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[C]＝0.035％， 终点[C]<0.035％时，钢水的过氧化比较严重。图1-1的统计数据也说明了这点。 由式(1)可以求出此时熔池中的平衡氧含量为740ppm。精选ppt(2)终点温度生产统计转炉终点钢水温度与a[O]关系精选ppt当终点[C]=0.025~0.04%时，随着温度的升高，终点[O]溶呈上升趋势。当T>1680℃时，终点[O]溶明显增加。1620℃～1680℃之间，氧含量总体水平较低，平均为702ppm，该范围的炉次共占总炉次的30%左右；出钢温度大于1680℃时，终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为972ppm，占总炉次的70%左右。精选ppt（3）终渣（FeO）图5渣中（FeO＋MnO）对[O]溶影响图6渣中（FeO＋MnO）与[C]关系精选ppt当终点[C]＝0.02～0.06％时，终点渣中（FeO+MnO）为14～24％，而终点[O]溶波动较大。终点[C]<0.04％，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。精选ppt（4）炉龄对终点氧含量的影响图1-3<2500炉终点C-O关系图1-42500~5000炉终点C-O关系

精选ppt(5)转炉终点[O]溶预报模型图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，得到转炉终点氧含量预报模型：[O]溶＝－3712.923+16.383[C]铁＋248.706[Si]铁－1014.045[Mn]铁－3523.575[P]铁－1.221T铁－1.254R废＋18.057/[C]终－2640.148[Mn]铁+3523.575[P]终＋3.749T终－3.55×10-2Q+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%精选ppt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<0.035%控制终点温度在1640～1680℃渣中（FeO＋MnO）在14～18％提高转炉终点碳和温度的命中率，杜绝后吹强化复吹效果（尤其是对低碳钢） [C]终＝0.02~0.05%顶吹终点[O]溶＝700ppm~900ppm [C]终＝0.02~0.05%复吹终点[O]溶＝250ppm~600ppm精选ppt采用动态控制 提高转炉[C]和温度的双命中率，减少后吹加强溅渣护炉后高炉龄的复吹效果是降低转炉终点[O]溶含量的有效措施。 可节约铁合金消耗，更重要的是从源头上减少钢中夹杂物生成，提高钢的洁净度，对生产低碳钢或超低碳钢的冷轧薄板是非常重要的。精选ppt3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成 转炉吹炼终点，钢中[O]溶很高，出钢时在钢包进行脱氧合金化，目的：脱氧合金化达到钢种所规定的成分夹杂物工程，控制合适的夹杂物组成、形态和尺寸，促进夹杂物上浮去除。精选ppt 根据脱氧程度不同，模铸时分为：沸腾钢半镇静钢镇静钢 连铸生产，基本为镇静钢，根据钢种和产品质量，脱氧分为三种模式：硅镇静钢（用Si+Mn脱氧）硅－铝镇静钢（Si+Mn+少量Al脱氧）铝镇静钢（用过剩Al脱氧[Al]s>0.01%）3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成精选ppt图9FeO-MnO-SiO2三元相图3.1硅镇静钢

用Si+Mn脱氧，形成的脱氧产物有：纯SiO2（固体）；xMnO·ySiO2(液体)；xMnO·yFeO(固溶体)。xMnO·ySiO2Al2O3精选ppt

对于硅镇静钢，与Si、Mn相平衡的[O]溶较高，为40～60ppm。 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－脱氧与夹杂物生成精选ppt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[O]<10ppmSiO2析出水口堵塞[O]>20ppm铸坯气孔增加[O]=10~20ppm最佳范围精选ppt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(MnO54.1%，SiO245.9%)，夹杂物容易上浮.精选pptMn/Si

应调整钢成分，保持Mn/Si>2.5生成液态的MnO·SiO2，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MnO·SiO2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－脱氧与夹杂物生成精选ppt3.2硅-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（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；·锰铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；·纯Al2O3。

图12MnO-SiO2-Al2O3相图精选ppt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（800～1300℃）； 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－脱氧与夹杂物生成精选ppt理论计算：钢中Si＝0.2％，Mn＝0.4％，温度为1550℃条件下，若钢中[Al]s≤0.006％，则钢中[O]<20ppm，生成锰铝榴石而无Al2O3析出，钢水可浇性好，铸坯又不产生皮下气孔。图13钢中[Al]与[O]关系精选ppt对连铸生产非常重要。高碳硬线钢，用Si+Mn脱氧控制好钢中[Al]s，得到易变形的锰铝榴石，防止脆性Al2O3夹杂析出，对于防止拉拔脆断非常重要。3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成精选ppt3.3铝镇静钢

中低碳细晶粒钢，要求钢中酸溶铝[Al]s≥0.01％； 低碳铝镇静钢，为改善薄板深冲性能，要求钢中[Al]s=0.02-0.05%。 要求用过剩铝脱氧。

需要解决两个问题：(1)加铝方法：如何把铝加到钢水中达到目标值，且铝的回收率尽可能高。(2)如何避免Al2O3夹杂的有害作用。精选ppt加铝方法将一部法加铝法改为两部法加铝：出钢时加铝量脱除钢水中超出C－O平衡的过剩氧量；精炼加铝量为脱除C相平衡的氧＋目标铝含量（喂铝线）。3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成精选pptAl2O3危害

钢水中与酸溶铝[Al]s相平衡的[O]溶很低为4~8ppm，脱氧产物全部为Al2O3,其害处：Al2O3熔点高（2050℃）,钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能，尤其是深冲薄板的表面质量3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成精选ppt图14铝脱氧后钢水中[Al]s与a[O]关系精选ppt

采用钙处理（喂Si-Ca线或Ca线），来改变Al2O3形态。(1)加铝较少，[Al]s较低，采用轻钙处理：

轻钙处理后生成钙长石CaO·Al2O3·2SiO2（CaO20~25%，Al2O337％，SiO244％）或钙黄长石2CaO·Al2O3·SiO2（CaO40%，Al2O337％，SiO222％）。希望把夹杂物成分控制在CaO-SiO2-Al2O3相图中的阴影区。 夹杂物钙长石熔点低（1200～1400℃），在钢液易上浮，可浇性好，不堵水口； 热轧时夹杂物易变形不会发生拉拔脆断现象。精选ppt图15CaO－Al2O3－SiO2相图精选ppt(2)加铝较多，[Al]s较高，采用重钙处理：溶解钙与钢水中固相Al2O3生成不同组成的铝酸钙（CaO-Al2O3）夹杂。 应控制钢中钙含量，避免生成中间相CA6、CA2、CA而生成液相的12CaO·7Al2O3，有利于夹杂物上浮，也能够防止水口堵塞。精选ppt铝酸钙化学成分，%熔点，℃显微硬度kg/mm2CaOAl2O33CaO·Al2O362381535--12CaO·7Al2O348521455--CaO·Al2O335651605930CaO·2Al2O32278～17501100CaO·6Al2O3892～18502200Al2O30100～20203000～4000表4CaO-Al2O3系的五个中间相化学成分及物性指标

精选ppt 生成的铝酸钙夹杂中富集CaO，有高的硫容量，能吸收足够的硫； 钢水凝固时，夹杂物中硫的溶解度降低，硫化物（CaS）沉淀形成中心为铝酸钙CaO-Al2O3，外壳为CaS的双相夹杂。3.钢中氧的转换－脱氧与夹杂物生成精选pptCaS夹杂

钢中加入的Ca除与Al2O3反应外，还能与硫反应生成CaS。 CaS也会引起水口堵塞。 为提高Al2O3转变为12CaO.7Al2O3的效率，应控制钢水中的硫含量小于0.01％。 若S＝0.010～0.015％，钙处理后有CaS生成；S＝0.030～0.040％时，钙处理首先生成CaS，CaS堵塞水口严重。精选pptAl2O3变性指标 钙处理铝镇静钢，判断钢水中Al2O3向球化转变的指标，文献中有不同的说法：Ca/Al>0.14Ca/T[O]=0.7~1.2 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。精选ppt3.4SiCa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。精选ppt3.5真空脱氧精选ppt4.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，T[O]＝[O]夹杂。 要得到T[O]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/渣界面夹杂物尺寸，炼钢条件下脱氧生成1～5μm夹杂物夹杂物碰撞聚合，尺寸5～200μm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、渣量精选ppt4.2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T[O]可降到30～20ppm，甚至<10ppm。精选ppt4.3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，降低钢水中T[O]量。

精选ppt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。精选ppt 钢包吹Ar后，钢水中总氧T[O]预测模型可表示为：T[O]=([O]i-[O]e)exp{-AKefft/v}+[O]e 式中：[O]i：初始氧含量，ppm；[O]e：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T[O]与搅拌强度、钢包容量、处理时间等有关。精选ppt（2）RH处理过程钢水中总氧预测模型：RH处理后，钢水中总氧T[O]可表示为：T[O]=[13.688+0.936(%FeO＋%MnO)](1-exp(-0.0514)

+[O]O×exp(-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；[O]O：处理前钢水初始氧含量，ppm。精选pptRH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精选ppt4.4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，要采取措施促进夹杂物上浮。 中间包钢水总氧T[O]可表示为： T[O]=[6.804+1.664(%FeO＋%MnO)+1.706×Δ[N]]×[1-exp(1.372×10-7)×()0.45×t]+[O]Oxexp[1.372×10-7×()0.45×t]式中：Δ[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；ρ：钢液密度，kg/cm3；t：浇注时间，min由上式可知：中间包