钢中氢的检测及控制

钢中氢的检测及控制

为了协助国家铁路的建设，武汉钢铁公司的一条车间（以下简称武钢一硝）于2008年3月完成了重轨钢线的改造。其生产的重轨钢于2008年底获得铁道部350km/h客运专用钢轨上道认可。稳定控制钢中氢含量等,是提高重轨钢质量的关键。钢中氢对于钢轨是非常有害的,它的存在可以形成白点,降低钢轨的机械性能,特别是抗疲劳性能,严重影响钢轨的质量和行车安全。研究表明,当w(H)<2×10-6时,可消除成品重轨钢中产生白点的可能性。1点火产生机理氢在钢轨上产生的主要缺陷是白点,即钢轨纵向断口轴心部位出现银亮小点,在钢轨横断面表现为肉眼能见到的发纹(或锯齿形小裂纹)。白点产生的机理为:当钢中一对氢原子形成稳定的分子时体积增大,压力增高,当其压力大于钢体屈服强度时,钢中白点产生。白点出现温度在200℃以下。要想减少白点危害,首要任务是降低钢中氢含量。氢的危害还表现为氢脆,即固溶于钢中的氢使其塑性韧性下降,在低于极限强度应力作用下服役一定时间后突然断裂。2钢液中氢含量的计算利用氮气作为载气通过探头进入钢液并吸收钢液中的氢,直到载气中的氢含量与载气中氢分压达到平衡,然后根据西华特定律,按照氢分压可以计算出钢液中氢含量。[%H]=K/fPH2−−−√(1)[%Η]=Κ/fΡΗ2(1)式中:[%H]为钢液中氢质量分数,%;K为比例常数;f为钢液中氢的活度系数;PH2为钢液中氢分压,Pa。3钢水温度变化炼钢过程影响氢含量的主要因素为:高炉铁水携带的氢,转炉冶炼过程加入炉料增氢,转炉吹氧脱氢,出钢过程加入合金材料及增碳剂增氢,LF加入炉料增氢,真空处理过程脱氢,钢包或中包不干燥增氢,钢液与大气接触吸氢,浇铸过程钢液温度降低降氢。表1为武钢一炼钢各工序钢水中氢的测定值。氢主要来源于转炉冶炼和转炉出钢过程加入钢水中的各种原材料,这些原料中的水分将在高温下发生分解反应,从而造成钢水增氢。3.1钢水气炮所导致的氢渗透转炉冶炼过程中氢的来源主要有高炉铁水和冶炼时加入的各种炉料所携带的水分。高炉铁水所带入的氢可看成一个常数。在正常情况下氢含量的变化主要是由于炉料带入的水分。转炉冶炼过程中,氧气顶吹会产生大量的CO气炮,气泡上浮时会将钢水中的氢带走。转炉出钢前w(H)=(2.0～2.8)×10-6,吹炼后期炉料加入量过大,会导致转炉钢水中氢增加。3.2钢液增氢原因分析表2为武钢一炼钢转炉钢水出钢前后钢水中氢的变化值,从3炉试验数据分析,转炉出钢过程中钢液中氢的来源主要有:钢水中携带的氢、出钢时加入钢包的增碳剂、合金材料等携带的水分、钢包耐火材料烘烤不彻底所带入的水分、出钢时从大气中所吸收的氢气。试验表明出钢过程中钢液增氢主要是由于加入材料含水分引起的,气候变化对出钢过程钢液中氢含量变化不大,这是因为在生产中转炉周围的温度较高,使这周围环境空气中水分压低于外界大气分压。而且,在转炉出钢过程中一些固体材料的加入使得钢包内发生激烈的化学反应,产生大量的气体,气体将从钢包中排出,使钢包内形成正压,这将阻碍钢水与空气中的水接触。钢液中氢的含量主要取决于钢包气氛中水的分压,而不是外界空气的水分压。3.3高温蒸发lf从表1可知钢水从吹氩站离站到LF离站,整个精炼过程增氢量很小。这是因为在LF精炼工序加入的渣料在钢渣中,其水分很快就被高温蒸发。LF精炼过程吹氩,氩在钢液中产生小气泡,当气泡上浮时,钢液中的氢会被带走。由于吹氩,钢包内处于正压,水分压变小,所以精炼过程引起的增氢量较小,精炼时吹氩与转炉冶炼吹氧脱碳对去除钢液中的氢有同样的效果。从动力学的角度看,转炉吹氧脱碳强度远远大于精炼时吹氩的强度,因此,精炼过程的脱氢远不如转炉冶炼过程。3.4工业职责两种工艺中间包不干燥会导致中包内钢液中氢含量增加,开浇第1炉尤为严重。国内重轨钢的生产大多采取开浇第1炉重轨铸坯进缓冷坑缓冷,以使铸坯中的氢扩散,武钢一炼钢因受厂区场地的限制,无缓冷坑,但对重轨提出必须堆垛缓冷24h才能送下工序的工艺要求,同时要求真空处理结束钢水中w(H)<1.5×10-6,以满足中包钢水w(H)<2.5×10-6的要求。理论分析浇铸过程是钢水温度降低过程,温度降低会对钢中氢含量产生影响。随钢液温度降低,氢的溶解度下降,钢液氢含量有降低的趋势。4脱氢法是钢溶液在炼钢过程中主要通过真空脱氢来控制钢水中的氢含量。随着真空精炼技术的发展,真空设备能将钢水中w(H)脱至1.0×10-6以下。4.1脱氢钢液目前钢液脱氢主要是在真空条件下由VD和RH来完成。真空脱氢因钢液中氢气的溶解度服从平方根(sieveits)定律,氢在气相中的分压愈低,钢中氢含量就愈低。VD和RH通过抽真空降低压力,达到降低溶解在钢液中的氢的目的。4.2vd脱氢处理工艺及设备技术参数武钢选择RH脱氢处理工艺生产60kg/m的重轨钢,60kg/m级以下的重轨钢可以选择VD脱氢处理工艺生产。RH设备技术参数如下。泵的抽气能力650kg/h工作真空度67Pa极限真空度22Pa蒸汽压力≥0.8MPa(表压)插入管内径450mm钢水循环量75t/min抽气时间(抽至67Pa)≤3.5min驱动气体流量50～90m3/h4.3生产重轨钢不同精制时间后的氢含量影响真空脱氢效果的因素主要有极限真空度、真空处理时间、真空设备、驱动气体流量等。表3是武钢生产重轨钢不同的精炼时间前后钢水中的氢含量,图1是不同真空处理时间钢水中的氢含量。从表3和图1可见,精炼结束钢液中的氢与处理前氢关系不大,这是因为在真空处理前期,脱氢效率较高,在较短的时间内,钢液中的氢均可降低至2×10-6以内。4.3.1系统的抽气真空度越低,脱氢效果越好,脱氢率越高。为保证真空结束钢液中的氢达到极低的水平,要求真空度越低越好。主要措施是要求真空泵有足够的抽气能力,做好真空室的密封,减少系统漏气。在真空度较高的情况下,必须延长真空处理时间,以使钢液中的氢进一步降低,试验数据表明真空度在2kPa以下,延长真空处理时间至20min以上,钢液中的氢可降低至1.5×10-6以下。4.3.2真空脱氢处理时间对2008年的重轨生产数据统计,真空处理时间与钢液中的氢存在图1所示的对应关系,在极限真空度下,处理前期脱氢速率最高,随真空处理时间的延长,脱氢速率呈降低趋势,钢液中的氢逐渐下降,真空处理时间对脱氢影响最大,在极限真空度下保持10min,可满足w(H)<1.5×10-6的要求,当处理时间在20min以上时,钢液中的氢含量处于极低的水平,脱氢速率降低,钢液中的氢基本处于稳定值,再单纯靠增加处理时间对于脱氢意义不大。武钢生产重轨钢时,真空处理时间要求大于15min,真空精炼结束钢液中的氢含量约为1.1×10-6。4.3.3界面扩散速度脱氢过程的限制性环节是溶解于钢中的氢穿过钢-气相界面的钢液侧的边界层,脱氢过程中增加钢液的比表面积可以使钢中氢含量降低。钢渣的界面不断更新,可起到扩大比表面积的作用,因此在真空处理时采用加强钢液搅拌的方法,增加钢液中氢向钢-气相界面的扩散速度可以增强脱气的效率。提高RH的驱动气体流量和VD吹氩量,可以增强钢液的搅动,促进氢气载体的气体携带能力,有利于提高脱氢效率。驱动气体流量过大,反而会降低循环流量,故真空处理需要一个合适的气体流量。武钢一炼钢生产重轨钢,对不同的驱动气体流量进行了循环流量测定,根据测量结果,当驱动气体流量为70m3/h时循环流量最大,去氢能力最强。武钢一炼钢通过严格内部控制标准,稳定生产工艺,重轨钢精炼结束时钢液中氢质量分数平均值为0.97×10-6,经过堆垛缓冷及轧制扩散后,由中国铁道科学研究院的检测表明,武钢生产的重轨材中w(H)=0.2×10-6,可避免重轨产生白点缺陷。武钢从2008年开始生产高速铁路用重轨,对每炉重轨均取样进行白点检验,从未检验出白点,全部符合铁道部要求。5降低重轨钢中wh-2.2真空脱氢1)重