1、轉爐轉爐-精煉精煉-連鑄過程連鑄過程鋼中氧的控制鋼中氧的控制劉建華劉建華北京科技大學鋼冶系北京科技大學鋼冶系目目 錄錄1.鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度2.轉爐冶煉終點鋼中氧的控制轉爐冶煉終點鋼中氧的控制3.鋼中溶解氧的轉換脫氧與夾雜物生成鋼中溶解氧的轉換脫氧與夾雜物生成4.鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除5.連鑄過程鋼中氧的控制防止鋼水再污染連鑄過程鋼中氧的控制防止鋼水再污染6.結論結論1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度 煉鋼是一個氧化過程，吹煉到終點時，鋼水中溶解了過多的氧，稱為o溶或ao出鋼時，進行脫氧合金化，o溶轉變成氧化物夾雜，可用

2、o夾雜表示，所以鋼中氧可用總氧to表示為： too溶o夾雜1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度出鋼時：鋼水中o夾雜0，too溶；脫氧后：根據(jù)脫氧程度的不同o溶0，too夾雜。可以用鋼中總氧to來表示鋼的潔凈度，即鋼中夾雜物水平。鋼中to越低，則鋼就越“干凈”。1 鋼中的氧鋼潔凈度的量度鋼中的氧鋼潔凈度的量度為使鋼中to較低，必須控制：降低o溶：控制轉爐終點ao，它主要決定于冶煉過程；降低夾雜物的o夾雜：控制脫氧、夾雜物形成及夾雜物上浮去除夾雜物工程概念（inclusion engineering）。 氧控制水平鋼中的總氧含量不斷降低，夾雜物越來越少，鋼水越來越“干凈”，甚至追求“零

3、夾雜物”，鋼材性能不斷改善。由于引入爐外精煉，對硅鎮(zhèn)靜鋼，to可達15-20ppm，對鋁鎮(zhèn)靜鋼，to可達到30 35 to越低，冷軋板質量越好，to在40100ppm時廢品率非常高。 川崎mizushima把中間包to作為鋼水潔凈度標準，生產(chǎn)試驗表明：中間包鋼水to55ppm 冷軋薄板降級使用 產(chǎn)品質量缺陷不僅與鋼中總氧to有關，還與夾雜物種類、尺寸、形態(tài)和分布有關。 表1 典型純凈鋼對清潔度的要求 產(chǎn)品分類鋼種代表規(guī)格產(chǎn)品材質特性要求清潔度要求薄板di罐低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.20.3mmt飛邊裂紋to20ppm,d20m深沖鋼超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.20.6mmt超深沖，非時效性表面線狀缺陷c20ppm

4、, n20ppm to20ppm,d100m蔭罩鋼低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼0.10.2mmt防止圖像侵蝕d100m,低硫化導架結構材13%cr0.150.25mmt打眼加工時的裂紋d100m42nid5m， n50ppm中厚板管線鋼x5270級低合金鋼1040mmt氫引起的裂紋夾雜物形態(tài)控制低硫化，s10ppm低溫用鋼9%ni1040mmt低溫脆化p0.003%,s0.001%抗層狀撕裂鋼結構高強鋼1040mmt層狀撕裂低磷化、低硫化無縫管座圈材軸承鋼50300mm轉動疲勞壽命to10ppm, ti20ppm凈化管不銹鋼10 mm電解浸蝕時表面光潔度to20ppm, n50ppm d5m棒材軸承軸承鋼30

5、65 mm轉動疲勞特性to10ppm, ti15ppmd15m滲碳鋼scm432、420疲勞特性、加工性to15ppm，p0.005%線材輪胎鋼絲swrh72、82b0.10.4 mm冷拔斷裂非塑性夾雜d20mswrssi-cr鋼1.610 mm0.10.15 mm表2某些高純度鋼發(fā)生缺陷的原因調查鋼種產(chǎn)品缺陷引起缺陷夾雜物最小直徑缺陷部位夾雜成分di罐用鍍錫板飛邊裂紋150m、60mcao-al2o3erw管材ut缺陷us缺陷150m220mcao-al2o3、群落狀al2o3鍍錫板爐渣分層400m、150m深沖深拉用冷軋鋼板沖壓缺陷夾雜250m400mcao-al2o3、群落狀al2o3、

6、cao-sio2-al2o3-na2ouo管材ut缺陷200mcao-al2o3、群落狀al2o3、cao-sio2-al2o3-na2ouoe管（厚鋼板）us缺陷220m注：表中夾雜物尺寸為板材加工后的夾雜 尺寸，推算至鑄坯中，約為5060m 品種用途用戶要求生產(chǎn)目標薄板di罐防止裂紋da40m超深沖板2.0r3.0，非常薄較高抗拉強度dj40m防止碳化、氮化物的析出汽車輪箍防止勾形裂紋da100m汽車輪盤極好的穿孔性能dm20m門窗框架防止沖壓時產(chǎn)生裂紋da20m護板防止酸浸顏色不同防止加工時產(chǎn)生裂紋da5m管材無縫管防止因氫產(chǎn)生的裂紋全部為球形夾雜棒材軸承滾動接觸壽命長da15m絲抗疲勞

7、鋼絲高抗拉強度防止沖壓時斷裂to10ppm注：da為al2o3直徑，dm為mns直徑，di為所 有夾雜物直徑表3各種鋼材夾雜物含量和尺寸的要求由以上數(shù)據(jù)表明： 鋼中to低，說明鋼中夾雜物數(shù)量少，鋼水較“干凈”； 潔凈鋼是一個相對概念，鋼中to控制到什么水平，決定于鋼種和產(chǎn)品用途； 產(chǎn)品質量不僅要控制夾雜物數(shù)量，而且夾雜物的形態(tài)、尺寸和分布也要得到控制。2. 轉爐終點鋼中氧的控制轉爐終點鋼中氧的控制 too溶o夾雜 出鋼時：o夾雜0，too溶； 生產(chǎn)統(tǒng)計表明，終點o溶（ao）決定于：(1) 終點終點c 從某廠轉爐冶煉終點由副槍測定的c和ao統(tǒng)計關系。圖3 轉爐冶煉終點c-o關系圖 區(qū)：o溶波動在

8、co平衡曲線附近， co=0.0027 爐齡2500爐當爐齡大于3000爐，達到7500爐甚至10000爐，鋼水中co積遠離平衡線，且波動較大，這可能與采用濺渣護爐操作，降低了復吹冶金效果有關。cfe的選擇性氧化平衡點的選擇性氧化平衡點 根據(jù)式 c + o = co (1) lg (pco/ac* %o)= 1149/t2.002 以及反應 fe + o = （feo） (2) lg afeo/%o = 6317/t 2.739 得到反應 （feo）+ c = fe + co (3) lg (pco/ac* afeo)= 5170/t+4.736結論： 鋼液中c-fe的選擇性氧化平衡點為c0.

9、035， 終點c 1680時，終點o溶明顯增加。 16201680之間，氧含量總體水平較低，平之間，氧含量總體水平較低，平均為均為702ppm，該范圍的爐次共占總爐次的，該范圍的爐次共占總爐次的30%左右；左右； 出鋼溫度大于出鋼溫度大于1680時，終點鋼水氧含量有明顯時，終點鋼水氧含量有明顯的升高趨勢，平均為的升高趨勢，平均為972ppm，占總爐次的，占總爐次的70%左右。左右。（3）終渣（feo）0200400600800100012001400160018001214161820222426爐渣中（feo+mno）的含量（%）終點氧含量（ppm）終點01416182022242600.0

10、2 0.040.06 0.080.10.12終點碳含量（%）渣中（feo+mno）含量 %mno+feo圖5渣中（feomno）對o溶影響 圖6渣中（feomno）與c關系 當終點c0.020.06時，終點渣中（feo+mno）為1424，而終點o溶波動較大。 終點c0.04，渣中（feo+mno）增加且波動較大，說明此時吹氧脫碳是比較困難的，而鐵則被大量氧化。 （4）爐齡對終點氧含量的影響圖1-32500爐終點c-o關系 圖1-4 25005000爐終點c-o關系 y = 25x-1400600800100012001400160018000.020.030.040.05轉爐終點碳含量（%）

11、轉爐終點氧含量（ppm）終點0乘冪 (平衡o)y = 25.054x-0.99960200400600800100012001400160000.020.040.060.080.1終點碳含量（%）終點氧含量（ppm）終點0乘冪 (平衡o)(5) 轉爐終點o溶預報模型02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0實 際 氧 含 量 ， p p m模型計算氧含量，ppm預 報 值圖8 氧含量模型一預報結果根據(jù)確定的控制變量，采用多元回歸分析，得到轉爐

12、終點氧含量預報模型：o溶3712.923+16.383c鐵248.706si鐵1014.045mn鐵3523.575p鐵 1.221t鐵1.254r廢18.057/c終2640.148mn鐵+3523.575p終3.749t終3.5510-2q+8.917(feo)預報結果如圖8所示，預報值與實測值相對誤差在 13.8%11.3% 由統(tǒng)計方程可知，在鐵水成分和吹煉制度一定的條件下，要降低轉爐終點o溶，必須準確控制終點鋼水碳和溫度： 控制c終不要0.01%）3.鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成圖9 feo-mno-sio2三元相圖 3.1 硅鎮(zhèn)靜鋼硅鎮(zhèn)靜鋼用si+mn脫氧

13、，形成的脫氧產(chǎn)物有：純sio2（固體）；xmnoysio2(液體)；xmnoyfeo(固溶體)。xmnoysio2al2o3對于硅鎮(zhèn)靜鋼，與si、mn相平衡的o溶較高，為4060 ppm。在結晶器內鋼水凝固時易生成皮下針孔或氣泡。 圖10 采用si+mn脫氧后，si、mn與鋼水o溶關系3.鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成 采用si+mn脫氧后，與脫氧產(chǎn)物相平衡的鋼水o溶與鑄坯質量關系如圖11所示。圖11 鑄坯針孔與o關系 o20ppm 鑄坯氣孔增加o=1020ppm 最佳范圍 水口堵塞水口堵塞不是al2o3而是sio2夾雜所致。為此應生成mno.sio2液態(tài)夾雜，應控制

14、mn/si： mn/si低時形成sio2夾雜，增加了水口堵塞可能性 mn/si高時生成典型的液態(tài)mno. sio2(mno 54.1%，sio2 45.9%)，夾雜物容易上浮. mn/si應調整鋼成分，保持mn/si2.5生成液態(tài)的mnosio2，有利于夾雜物上浮。但在一定溫度下與si、mn相平衡的o溶較高（圖10），當鋼水澆入結晶器會產(chǎn)生c-o反應使坯殼生成皮下針孔，同時生成mnosio2浮渣也污染了鋼水。lf爐精煉，采用白渣操作+ar攪拌，鋼渣精煉擴散脫氧既能把鋼水中o溶降到20ppm，也能有效的脫硫，把s降到0.01。3.鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成3.2 硅

15、-鋁鎮(zhèn)靜鋼僅用si+mn脫氧，鑄坯易形成皮下針孔；用si+mn+少量鋁脫氧，脫氧產(chǎn)物可能有：薔薇輝石（2mno2al2o35sio2）；錳鋁榴石（3mnoal2o33sio2）；純al2o3。 圖12 mno-sio2- al2o3相圖夾雜物成分控制在相圖中錳鋁榴石的陰影區(qū)： 夾雜物熔點低（1400），球形易上浮； 熱軋時夾雜物可塑性好（8001300）； 錳鋁榴石夾雜物中al2o3接近20左右，變形性最好； 無單獨al2o3的析出，鋼水可澆性好，不堵水口； 脫氧良好，不生成氣孔3.鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成鋼中氧的轉換脫氧與夾雜物生成 理論計算：鋼中si0. 2，mn0.4，溫度為1550

16、條件下，若鋼中als0.006，則鋼中o 0.14ca/to = 0.71.2對于鋁鎮(zhèn)靜鋼鋼，鈣處理后： 解決了可澆性，不堵水口； 夾雜物易上浮去除； 消除了al2o3不變形夾雜物對鋼性能的有害作用。3.4 sica脫氧。脫氧量與ca線喂入量之間的關系見圖和式（2）。to = -22.7 +0.223l + 0.00175l2 0.000007l3 (s=13.52; r=4.8%)式中：to脫氧量，ppm；l喂ca線量，m圖2 脫氧量（ppm）與ca線喂入量（m）之間的關系使用ca脫氧，在同樣條件下終點的氧含量散差很大，難以達到穩(wěn)定的目標值；隨加入量的增加，脫氧效率明顯下降。另一方面，ca脫

17、氧的成本較高，盡管沒有堵水口問題，ca仍然不是一個好的深脫氧元素。c c a a s s i i 線線 , , m m脫脫氧氧量量 o o , ,p pp pm m300250200150100706050403020100s13.5198r-sq15.4%r-sq(adj)4.8%3.5 真空脫氧4.鋼水中氧的降低脫氧夾雜物排除 4.1 鋼水夾雜物的去除步驟脫氧合金化后，o溶幾乎全部轉變夾雜物，此時，o溶0，too夾雜。要得到to低，則要降低o夾雜，去除脫氧產(chǎn)物。它決定于三個過程：(1) 夾雜物形成 脫氧元素的溶解，化學反應 脫氧產(chǎn)物的形核長大。(2) 鋼水中夾雜物傳輸?shù)戒?渣界面 夾雜物尺

18、寸，煉鋼條件下脫氧生成15m夾雜物 夾雜物碰撞聚合，尺寸5200m 夾雜物性質：液態(tài)或固態(tài) 夾雜物上浮：溶池靜止還是流動(3) 渣相吸收 鋼/渣界面能 夾雜物溶解于渣相能力 渣相的成分、溫度、渣量4.2 夾雜物排除方法： 鋼包精煉鋼水中夾雜物去除條件： 控制脫氧產(chǎn)物合適的組成 控制鋼包合適的頂渣成分（堿度、al2o3、mno、mgo） 溶池的攪拌能力 鋼包精煉方法有：鋼包吹ar、lf、vd、rh等。經(jīng)過鋼包精煉后，鋼水中to可降到3020ppm，甚至10ppm。4.3 鋼水總氧預測模型(1) 鋼包精煉鋼水中總氧預測模型：鋼包精煉吹ar攪拌時，增加鋼水的攪拌強度，可促進鋼水中夾雜物聚合上浮，降低

19、鋼水中to量。圖16 鋼水攪拌強度與夾雜物去除率的關系圖 攪拌強度增加，夾雜物上浮率增加，但攪拌強度過大則會有渣子卷入，反而會增加鋼中夾雜物，所以應控制好合適吹ar流量和壓力。鋼包吹ar后，鋼水中總氧to預測模型可表示為： to=(oi-oe)exp-akeff t/v+oe式中： oi：初始氧含量，ppm ； oe：與脫氧產(chǎn)物相平衡的氧含量，ppm；a：溶池表面積，m2；v：溶池體積，m3；t：處理時間，min； keff：有效質量傳質系數(shù)，m/min（決定于攪拌能）由上式可知，鋼包精煉鋼水中to與攪拌強度、鋼包容量、處理時間等有關。（2）rh處理過程鋼水中總氧預測模型： rh處理后，鋼水中

20、總氧to可表示為： to=13.688+0.936(%feo%mno)(1-exp(-0.0514 ) +ooexp(-0.0514 )式中：d：浸漬管直徑 ，cm；w：鋼包鋼水重量，t；g：吹ar流量， l/min；t：鋼液處理時間，min；oo：處理前鋼水初始氧含量，ppm 。twgd42.04158.021.0twgd42.04158.021.0rh處理過程中鋼水中總氧量與鋼包內襯材質、鋼包渣氧化性、rh處理時間、rh浸漬管直徑、吹氬流量、鋼水循環(huán)流量以及處理鋼水量有關。圖17鋼中氧實測值和預測值的對比 4.4 中間包鋼水鋼水中總氧預測模型： 中間包是一個連續(xù)冶金反應器，鋼水在流動過程中

21、，要采取措施促進夾雜物上浮。中間包鋼水總氧to可表示為：to=6.804+1.664(%feo%mno)+1.706n1-exp(1.37210-7)( )0.45t+ oox exp1.37210-7( )0.45t式中：n：鋼包中間包吸氮量， ppm；as：鑄坯斷面積，mm2；vc：拉速，m/min；d1：中間包水口直徑，mm；w：中間包鋼水重量，t；：鋼液密度，kg/cm3；t：澆注時間，min由上式可知：中間包鋼水中to與渣的氧化性、鋼水吸氮量、鋼水流量和鋼水在中間包的停留時間有關。 4133dwvcas4133dwvcas18中間包鋼水中to預測計算值與實測值比較 5.連鑄過程鋼中氧控制防止鋼水再污染連鑄過程鋼中氧控制防止鋼水再污染 經(jīng)爐外精煉處理后，鋼水中to可以達到3010ppm，甚至更低一些。鋼水中脫氧產(chǎn)生的夾雜物大部分（85以上）都上浮排除，可以說鋼水很“干凈”。在連鑄過程中的任務是： 防止鋼水再污染 設法進一步排除夾雜物在連鑄過程中采用的技術措施包括：(1) 防止二次氧化 保護澆注（n：35 ppm） 堿性包襯 堿性覆蓋劑 中間包密封充ar(2) 防止?jié)沧⑦^程下渣示蹤試驗追蹤鑄坯中夾雜物來源是：外來夾雜占