lf精炼过程钢液氢含量的测定

lf精炼过程钢液氢含量的测定

通过埋弧加热、呼吸搅拌和白渣精炼，lf精炼通过加热和氧化以改变混合物的形状。然而LF精炼过程中时常伴随着增氢现象,氢的残留严重影响钢的质量和性能。钢中氢的存在会引起白点、层状断裂等缺陷,对钢铁的机械特性产生非常严重的损坏效果,特别是它可形成孔隙,使裂缝更加敏感,严重降低钢的强度、塑性、疲劳寿命和冲击韧性等力学性能。其中氢含量过高的最大危害是容易产生白点。研究表明,只要钢中氢的质量分数低于2.0×10-6就不会出现白点。但是随着钢中硫含量的急剧降低,钢材产生白点的敏感性急剧升高。为了探索LF精炼过程中氢含量的变化规律,对LF精炼过程氢含量进行准确测定,并分析其变化的原因。1初始氢质量分数为了测定某钢厂LF精炼过程中氢的变化规律,利用上海贺利氏定氢仪HYDRIS直接测定钢包中钢液的氢含量。它是以氮气作为载气通过探头进入钢液并吸收钢液中的氢,直到载气中氢含量与钢液中氢含量达到平衡为止,利用钢液中的氢和载流气体的气泡氢分压的关系,采用热导率检测器(TCD)来监控氮载气体离开热导线的热传导速度率,通过内置微处理器完成数据计算,确定钢液中的氢质量分数。HYDRIS系统测量范围是(0.5～14.0)×10-6,测量时间为30～120s,测量误差小于0.15×10-6。LF精炼过程钢包容量为50t,钢液初始氢质量分数平均为3.34×10-6,最大4.9×10-6,最小2.5×10-6。16MnR(AR)钢冶炼的工艺流程为高炉铁水→转炉复吹→出钢→LF精炼→连铸→中板厂。2lf精制过程钢水增氢量分析模型利用贺利氏定氢仪对LF精炼的升温、脱硫及合金化、钙处理及软吹氩3个阶段的氢质量分数进行测定,随炉测定30炉。表1为16MnR(AR)钢LF精炼过程氢质量分数变化的原始数据。由表1可知,LF升温、脱硫及合金化、钙处理及软吹氩阶段均存在增氢现象。LF精炼过程钢水总增氢量为1.32×10-6,LF升温阶段增氢量为(0.5～0.8)×10-6,平均为0.64×10-6,占LF精炼增氢量的48.48%;LF脱硫及合金化阶段增氢量为(0.2～0.3)×10-6,平均为0.22×10-6,占LF精炼增氢量的16.67%;LF钙处理及软吹氩阶段增氢量为(0.4～0.6)×10-6,平均为0.46×10-6,占LF精炼过程增氢量的34.85%。2.1lf精制增氢机理LF升温阶段是在还原性气氛下利用电弧加热提高钢水温度,补偿处理过程钢水温降及造渣、合金化的吸热。表2为LF精炼辅料每炉加入量及水分。由表1可知,LF升温过程氢质量分数平均增加0.64×10-6。假设在升温过程中10%的水分进入钢液中,根据表2中辅料加入量及水含量可计算出每炉埋弧渣和精炼渣带入钢液的水分质量为9kg,钢液为50t,理论上升温阶段增氢量为1.79×10-6,比实际的增氢量高1.15×10-6。这是由于LF精炼过程钢水进入钢包后,氩气通过钢包底部的透气砖不断吹入钢液中,形成大量的氩气泡,对氢气来说,相当于一个小“真空室”,氢分压几乎为零,于是溶解在钢液中的氢气不断向氩气泡中扩散。扩散过程中,氢在氩气泡中的分压随着气泡上升而增加,但气泡在钢液中受热膨胀,因而氢的分压仍能保持较低的水平,故上浮过程中继续吸收氢,最后随着氩气泡上浮而逸出钢液。西华特表达式为:lgw([H])pH2√=−1670T−1.68(1)lgw([Η])pΗ2=-1670Τ-1.68(1)式中:w([H])为钢液中氢质量分数;pH2为炉内氢分压。由式(1)可知,钢液温度一定时,钢液中的氢质量分数和氢分压成正比。不断吹氩的过程中,氢分压几乎为零,氢气逐渐逸出,钢液氢质量分数减少。另外,氩气上浮时引起的钢液搅动,有利于气相成核及气体的排除。因此吹氩有利于排氢。但是排氢不能完全将渣料水分带入的氢完全去除,因此升温过程仍增氢0.64×10-6。LF升温过程电极加热时,电弧最高温度可达到6273K。电弧作用到钢液的温度高达2400～2600K。根据式(1)可知,氢分压一定时,温度升高,钢液中氢的溶解度增加。可见,LF精炼升温时,电弧高温使H2O产生电离是钢液增氢的一个重要因素。为防止电弧区钢液裸露,采用泡沫渣埋弧精炼可保证钢液面不裸露,避免氢气被电离后直接进入钢液。LF精炼升温阶段增氢主要是埋弧渣和精炼渣水分进入钢液引起的。应尽量减少精炼渣和埋弧渣的水分,保证长期埋弧作业。2.2大吹时间及底吹强度对增氢量的影响为了改善脱硫的动力学条件,提高反应速率,使各区域钢水温度均匀,脱硫及合金化阶段应在大吹氩条件下进行。图1为脱硫阶段大吹氩时间与增氢量的关系。由表1可知,脱硫及合金化阶段增氢量平均为0.22×10-6。由图1可知,随着大吹氩时间增加,增氢量持续上升。这是由于脱硫阶段采用大吹氩方式搅拌,虽然吹氩有利于排氢,但是大吹氩过程中,随着氩气流量的增大,氩气的压力增大,会引起卷渣,同时伴有钢液裸露,导致氢含量的上升。而在LF过程中,由于铁合金经过烘烤,含水量非常少(小于0.1%),故忽略不计。因此,为了控制脱硫及合金化阶段的增氢,应选择合适的吹氩强度。根据生产实践,底吹氩强度不宜过大,一般控制在2.7～4.2L/(t·min);大吹氩时间不宜过长,一般控制在2～4min,是避免脱硫阶段增氢的重要手段。2.3软吹有利于al2o3钢液的跨压铸造钙处理及软吹氩阶段喂Si-Ca线使钙与Al2O3颗粒作用生成钙铝酸盐。这种钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液,进入渣层,起到对Al2O3夹杂物变性处理的作用,可防止水口结瘤,确保浇铸顺利进行,提高钢材性能。软吹氩一方面有利于均匀温度和均匀成分;另一方面有利于夹杂物的聚集、上浮。2.3.1喂线速度对氢脆质量分数的影响图2为Si-Ca线喂线量与增氢量关系。由图2可知,钙处理阶段增氢量和喂线量有关。由表1可知,钙处理及软吹氩阶段增氢0.36×10-6。钙处理阶段采用含水量为0.133%左右的Si-Ca线,喂Si-Ca线前后增氢量随着喂线量的增加有上升趋势。假设钙处理阶段Si-Ca线中的水分全部进入钢液中,有如下公式:w([H])=LSiCa×ρSiCa×χH2O×2AHAH2Omsteel(2)w([Η])=LSiCa×ρSiCa×χΗ2Ο×2AΗAΗ2Οmsteel(2)式中:LSiCa为Si-Ca线长度;ρSiCa为SiCa线密度;AH2O为水的相对分子质量;AH为氢的相对原子质量;χH2O为Si-Ca线中水的质量分数;msteel为钢液质量。可计算出线密度为115g/m,长度为289m的Si-Ca线水分全部进入钢液时的增氢量仅为0.1×10-6。因此钙处理阶段增氢并非硅钙线带入水分所致,而是喂线速度过快导致渣眼过大,甚至钢液大面积的裸露,钢水吸收空气中水分所致。可见,喂线速度对喂线效果影响很大,直接影响到合金收得率的数值和钢液氢质量分数的变化。根据公式:vCa−Si=0.20msteel0.334/[δ×(1−δ/DCaSi)](3)vCa-Si=0.20msteel0.334/[δ×(1-δ/DCaSi)](3)式中:vCa-Si为Ca-Si线的喂线速度,m/s;δ为铁皮的厚度,mm;DCa-Si为Ca-Si线的直径,mm。用式(3)可确定直径为10mm、铁皮厚0.3mm的Si-Ca线的喂线速度为2.39m/s。这一结果和实际生产中的喂线速度基本吻合。实际生产中确定喂线速度,不仅要保证钢液裸露面积小,同时需要考虑脱硫效率、夹杂物等因素。2.3.2软吹时间的确定软吹氩阶段有利于夹杂物的上浮和气相成核。因此软吹氩有利于排氢,并非增氢环节,应保证合适的软吹氩时间。实际生产中软吹氩时间一般保证在8min以上,有利于脱硫效率的提高和夹杂物的去除。2.3.3包覆剂的影响表3为30炉试验钢LF精炼过程中从加大包覆盖剂到LF精炼结束(20min)氢质量分数的变化。由表3可知,加大包覆盖剂增氢量平均仅为0.15×10-6。考虑到仪器的误差,加大包覆盖剂对LF精炼过程增氢基本上没有影响。因此只要控制好大包覆盖剂水分,加大包覆盖剂不会导致增氢。2.4关于钢板探伤成功率的分析表4是LF精炼结束氢质量分数以及对应钢板探伤合格率的统计数据。由表4可知,随着LF精炼结束氢质量分数的增大,探伤合格率逐渐降低。氢质量分数大于(5～6)×10-6时,钢板探伤合格率急剧下降。而氢质量分数小于(3～4)×10-6时,钢板探伤合格率为100%。研究表明,氢对钢没有潜在的好处。氢在钢中不可能形成稳定的氢化物。由于具有高的流动性,氢很容易通过晶格扩散,导致氢脆。当溶解的氢超过其溶解度时,被固态钢“拒绝”溶解的氢会富集在针孔处,并随之产生高的气体压力。在热加工及后续的冷却过程中,热加工应力和高的气体压力会在表面附近的针孔处累积,从而产生发纹(或白点),造成钢材过早失效,最终造成钢板在探伤时无法通过检验。可见,为了保证LF精炼结束氢质量分数小于4×10-6,保证探伤合格率,一方面,升温过程要严格控制埋弧渣和精炼渣水分,钙处理及软吹氩阶段要选择合适的喂线速度;另一方面,脱硫及合金化阶段要选择适当吹氩强度和大吹氩时间避免钢液裸露;对于未达到质量要求的炉次可考虑LF精炼后采用RH或VD真空处理。3检查阶段和质量分数对增氢钢板探伤成功率的影响1)LF精炼升温是LF精炼过程增氢的主要环节,增氢量为0.64×10-6。升温阶段增氢主要是精炼渣和埋弧渣水分所致。2