包钢重轨钢液氢含量的变化

包钢重轨钢液氢含量的变化

随着中国重车高速运营的蓬勃发展，对重车质量的要求也日益提高。重轨是一种高强度、细珠光体钢,它对钢中氢有较高的敏感性。过量的氢与应力作用会使钢轨产生白点,影响重轨钢的质量。在重轨钢冶炼过程中,气相中的水分通过反应使氢溶解到钢液中。没有渣相存在时,水蒸汽直接与钢液进行反应;而当有渣相存在时,水蒸汽首先以离子形式进入渣中,然后再溶解到钢液中。对于碱度较高的熔渣,水蒸汽在渣中形成氢氧根离子(O2-+H2O→2OH-),然后再进一步溶解到钢中。Fuwa等在这方面进行了许多实验室研究,但渣中的[O2-]和[OH-]不易确定,所以很难通过理论计算和实验室研究,得到氢进入到钢液中达到平衡时的含量。有关钢液中氢含量的现场研究工作不多,冼爱平等人对模铸生产重轨钢水中氢含量的变化进行过现场取样研究。本文作者研究了包钢重轨钢从转炉出钢到结晶器各工序(未经过VD真空处理)钢液中氢含量的变化规律,为降低冶炼过程中钢水的氢含量和VD真空处理工艺提供必要的参数。1沥青焦增碳试验在包钢生产重轨钢时,测定了从转炉出钢到结晶器各工序钢液中(未经过VD真空处理)氢含量的变化。共进行了70炉工业实验,U74重轨钢45炉,其中转炉出钢时采用无烟煤增碳7炉,采用沥青焦增碳38炉;U71Mn钢25炉,均采用沥青焦增碳。表1给出了冶炼工艺基本参数。生产重轨钢时,从各工序的钢液取样,进行氢含量的变化分析。用样勺从转炉熔池或钢包中取出钢水,脱氧后用d5mm的石英管吸取长约120mm左右的液态钢样,迅速淬入冷水中,取出样品后放入干燥的玻璃管中,置于液氮或干冰-酒精冷却剂的保温瓶中,即送定氢分析。将试样依次截成15mm长棒状,对于表面或断口上有疏松、裂纹、气孔等的样品均不采用,经四氯化碳清洗并吹干。氢含量测定是在美国LECO公司生产的定氢仪上进行,每个数据由2～3个平行样测定所得。2无烟煤加量钢的氢含量变化冶炼U74重轨钢时,各工序氢含量的分布情况如图1所示。采用无烟煤作增碳剂,钢中氢含量比采用沥青焦作增碳剂普遍要偏高(除在中间包处最大值一点外)。加入无烟煤和沥青焦增碳所对应的最大氢含量非常接近,而最小氢含量相差很大,特别是在精炼后,加入无烟煤,钢中的氢含量在各个工序都比加入沥青焦的高出近一倍。另外,采用沥青焦作为增碳剂时,转炉出钢后钢中氢含量波动范围比采用无烟煤作增碳剂时要大。不同钢种(U74和U71Mn)在各工序中的氢含量变化如图2所示。两种情况下,氢含量的最大值非常接近。氢含量的最小值在精炼前后有明显的差别,在这个期间,添加Mn的U71Mn钢其氢含量较U74钢高1.5×10-6左右。但在中间包和结晶器处,两种情况钢中的氢含量较为接近。U71Mn钢LF精炼后氢含量的平均值比U74钢高1×10-6。钢中加入Mn后,钢中氢含量略有增加,这与Fuwa从热力学分析的结果是一致的。从实验平均值来看,转炉出钢前熔池中钢水氢含量为2.2×10-6～2.6×10-6左右,都小于3×10-6。从整个过程氢含量的变化看,转炉出钢过程(转炉出钢到精炼前)氢含量的平均值增加至5.4×10-6左右,这占全部增氢量的75%,所以这一阶段是钢液增氢的主要环节。精炼后,钢中氢含量又增至6.2×10-6,占全部增氢量的25%。在中间包和结晶器中,钢液中氢含量的平均值降至5.8×10-6左右,降低量大约为10%左右。实验研究了不同气候情况,出钢时加入不同含水量的固体材料(增碳剂和合金剂)对钢液中增氢的影响,结果如表2所示。可见,在加入材料的水份量相同情况下,雨天和晴天对出钢过程钢液中氢含量影响甚小。3分析与讨论3.1出钢过程与氢含量的关系包钢铁水的氢含量在2×10-6左右。正常情况下,转炉氢含量的变化主要是由于炉料带入了水。包钢转炉冶炼时带入熔池总水份量为18～35kg,钢水量为82t。如假定1/10为钢水吸收,则氢含量要增加2.2×10-6～4.3×10-6,这个值大于图1和图2中转炉冶炼结束时钢中氢含量的变化。转炉冶炼过程中,氧气顶吹会产生大量的CO气泡,气泡上浮时会将钢水中的氢带走,钢水的排氢速度与脱碳速度成正比。包钢转炉冶炼在脱碳时供氧速度为1500m3/h,喷吹时间为19～20min。钢水脱碳速度很快,材料带入的水份大部分被排除。转炉冶炼结束时钢中氢含量的平均值大都小于3×10-6。另外,出钢温度对氢含量的影响不大。如前所述,钢液中氢含量的增加主要发生在转炉出钢过程。增加的氢可能来自于出钢时加入精炼包内的增碳剂、合金材料等所携带的水份和出钢时从大气中吸收的水份。在出钢过程中需要在精炼包内加入一些材料(如增碳剂,脱氧剂和合金元素等),其带入的水份引起转炉出钢过程中钢液氢含量的变化如图3所示。随着水份含量增加,钢液中氢含量增加。因为在生产中转炉周围的温度较高,使这部分环境中水蒸汽分压低于外界大气中水蒸汽分压。而且,在转炉出钢过程中加入一些固体材料使得精炼包内发生激烈的化学反应,产生大量气体。气体从钢水包中排出时,使钢包内形成正压,这将阻碍钢水与空气的接触。从表2可见,在包钢的条件下,气候条件变化对出钢过程增氢的影响不大。应该指出,这与冼爱平等人在攀钢所得到结果不同,其原因是攀钢在出钢过程中氢含量增加1×10-6左右,而包钢在出钢过程中氢含量的变化在3×10-6左右,明显高于攀钢的水平。由于上述原因,在包钢生产条件下,出钢过程中氢含量的增加主要是由于添加材料所带入的水分而直接引起的。3.2精密度与钢液氢含量的关系精炼过程中,造渣剂和合金材料带入的水份与钢液中氢含量变化关系如图4所示。同样,随着带入水份的增加,钢液中氢含量也增加。但与图3相比,氢含量增加的程度小得多。精炼过程全程吹氩,使炉内水蒸汽分压变小。氩气在钢液中产生小气泡,气泡上浮时会带走钢液中的氢,使精炼过程钢液增氢量变小。LF精炼炉吹氩速度为10～12m3/h,吹氩时间为35～40min。精炼时吹氩与转炉冶炼吹氧脱碳对除去钢液中的氢有类似的效果,但转炉冶炼时供氧量比精炼时吹氩量多得多,脱碳的速度要远远大于精炼时氩气上浮的速度。所以,在精炼过程中加入材料带入的水分去除不多,但这一过程氢含量的增加比出钢过程小得多。LF炉精炼时间与钢液氢含量的关系如图5所示。可以看出加热时间对氢含量变化影响不大。同样,LF炉的终点温度对钢液氢含量变化影响也不大。由此可见在包钢的冶炼条件下,为得到高质量的重轨钢,采用VD真空处理是非常必要的。3.3钢液温度对钢中氢含量的影响中间包、结晶器工序钢中氢含量与精炼工序钢中氢含量相比有少量降低。在中间包和结晶器工序中,钢液上有保护渣,钢液不会与空气接触。所以,在这两工序中只有温度参数变化。中间包、结晶器工序温度对钢液中氢含量的影响,可通过式(1)计算得到。[H]=KH2OpH2O/[O]−−−−−−−√(1)[Η]=ΚΗ2ΟpΗ2Ο/[Ο](1)假设大气中,pH2O=300Pa,钢中[O]=0.002。钢水浇注温度为1808K,中间包内钢液温度为1768K,则对应于两个温度下钢液中氢含量分别为12.2×10-6和10.