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炼钢 - 精炼 - 连铸流程 连铸坯质量 “ 零缺陷 ” 控制

炼钢 - 精炼 - 连铸流程 连铸坯质量 “ 零缺陷 ” 控制. 北京科技大学冶金与生态工程学院 蔡开科 孙彦辉 2013.9. 1 连铸坯质量概论 2 连铸坯非金属夹杂物 3 连铸坯裂纹缺陷 4 连铸坯内部缺陷 5 结语. 目 录. 可见的缺陷,在轧制板、管、带材上有可见或可探测到缺陷,如裂纹、夹杂、起皮等直接会影响成材率和成本; 检验标准所容许的残存缺陷,在制造过程中不可能完全消除,把残存在钢中的缺陷危害性减到最小; 隐藏的不可避免且不易检测的缺陷,如钢中夹杂物是不可能完全消除的,是影响产品质量的潜在危险 。.

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炼钢 - 精炼 - 连铸流程 连铸坯质量 “ 零缺陷 ” 控制

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  1. 炼钢-精炼-连铸流程连铸坯质量“零缺陷”控制炼钢-精炼-连铸流程连铸坯质量“零缺陷”控制 北京科技大学冶金与生态工程学院 蔡开科 孙彦辉 2013.9

  2. 1 连铸坯质量概论 2 连铸坯非金属夹杂物 3 连铸坯裂纹缺陷 4 连铸坯内部缺陷 5 结语 目 录

  3. 可见的缺陷,在轧制板、管、带材上有可见或可探测到缺陷,如裂纹、夹杂、起皮等直接会影响成材率和成本;可见的缺陷,在轧制板、管、带材上有可见或可探测到缺陷,如裂纹、夹杂、起皮等直接会影响成材率和成本; 检验标准所容许的残存缺陷,在制造过程中不可能完全消除,把残存在钢中的缺陷危害性减到最小; 隐藏的不可避免且不易检测的缺陷,如钢中夹杂物是不可能完全消除的,是影响产品质量的潜在危险。 1.连铸坯质量概论 连铸坯缺陷的存在决定于生产流程原料、工艺、设备、控制管理、检验等。所谓产品缺陷原则上可分为:

  4. 钢铁生产流程中实行零缺陷产品战略是一个系统工程,它决定于钢水的初炼、精炼、钢的凝固铸造(连铸)和钢的热加工(轧制)。从炼钢生产流程来看,生产零缺陷连铸坯,不仅为轧钢提供轧制高品质的成品(板、棒、管……),而且是实现炼钢生产流程连续化和热装、热送和直接轧制的前提条件。

  5. 铸坯的洁净度:主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。铸坯的洁净度:主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。 铸坯表面缺陷:主要是指铸坯表面纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、夹渣、气泡等。缺陷严重者会造成废品,甚至会遗传到轧制产品。 铸坯内部缺陷:主要是指铸坯内部裂纹,中心疏松、缩孔、偏析等。缺陷严重者会影响轧制产品的力学性能和使用性能。 铸坯的形状缺陷。如鼓肚、脱方等。 高质量的连铸坯包含以下几个方面:

  6. 从工艺流程来看: 铸坯洁净度水平主要决定于钢水进入结晶器以前各工序。铸坯表面缺陷主要决定于钢水在结晶器凝固过程。铸坯内部缺陷主要决定于带液芯铸坯在二冷区扇形段的凝固过程。

  7. 从冶金传输观点,控制铸坯质量 : 传输现象与应力应变行为对铸坯质量的影响

  8. 高品质钢对连铸坯洁净度基本要求: 钢中夹杂物数量要少,钢中总氧要低,有的甚至要求<10ppm; 钢中夹杂物尺寸要细小,尤其是大于50μm夹杂物要少; 夹杂物类型要求塑性夹杂; 在钢中夹杂物呈弥散分布而避免成链状串簇状分布。 2.连铸坯非金属夹杂物 2.1 连铸坯夹杂物与产品缺陷

  9. 夹杂物对产品缺陷影响

  10. 2.2 连铸坯夹杂物来源 铸坯中夹杂物的来源分为内生夹杂和外来夹 杂物。铸坯中内生夹杂物(主要是脱氧产物)的特点: 溶解[O]增加,脱氧产物增多 夹杂物尺寸细小,一般是小于5μm 钢包精炼搅拌大部分夹杂物上浮到渣相(>80%) 钢水温度降低有新的夹杂物析出(<5μm)

  11. 铝镇静钢(Al-K):Al2O3,CaO·Al2O3·SiO2 硅镇静钢(Si-K):MnO·SiO2,MnO·SiO2·Al2O3 钙处理Al-K钢:铝酸钙(xCaO·yAl2O3) 钛处理Al-K钢:Al2O3,TiO2,TiN 镁处理Al-K钢:铝酸镁(MgO·Al2O3) 连铸坯常见的内生夹杂物: 除氧化物夹杂外,还CaS和MnS夹杂及以CaO·Al2O3 为核心外围包有MnS(CaS)的双相复合夹杂物等。

  12. 夹杂物粒径大(>50μm)甚至几百μm 组成复杂的氧化物系 来源广泛 在铸坯中成偶然性分布 对产品质量危害最大 铸坯中外来夹杂物主要是钢水与环境(空气、 包衬、炉渣、水口等)作用下的二次氧化产物,其特点:

  13. 钢中夹杂物按来源分为: 1)没有上浮的脱氧产物; 如Al-K钢,为Al2O3、Al2O3·MgO,  Si-K钢为MnO·SiO2, 钙处理钢CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X,钛处理钢为Al2O3、TiO2、TiN。 2)浇注过程中生成的二次氧化产物; 夹杂物中含弱脱氧元素(Mn、Si) 较多,Al2O3较少。 3)凝固过程中形成夹杂物。 4)外来的复合的氧化物夹杂。

  14. 2.3 连铸坯夹杂物分布特征 减少夹杂物积聚的措施: 加大弧形半径R,减小捕捉面,但加大投资; 采用精炼减少钢水中的夹杂物; 采用带有2.5~3m直立段所谓立弯式铸机,避免夹杂物集聚。此类铸机有了很大的发展。 (1)铸坯厚度1/4处有夹杂物集聚

  15. (2)铸坯表层2~20mm夹杂物集聚 铸坯表层2mm和10mm夹杂物较高,这是与结晶器SEN的流场运动有关 。

  16. 1 结晶器 2 保护渣 3 结壳 4 注流 5 凝固壳 结晶器卷渣机构示意图

  17. 1:Fe 100% 2:CaO 14.76%,Al2O3 77.04,Na2O 0.97,MgO 4.01%,CaS 1.06%,MnS 1.08% (b)皮下7mm CSP薄板坯皮下夹杂物组成 CSP薄板坯中夹杂物与冷轧板表面缺陷的关系

  18. (3)铸坯中偶然性分布夹杂物 浇注过程中冲棒操作把堵塞物冲入液相穴 在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果 堵塞物与夹杂物成分比较(%)

  19. 浇注过程中下渣、卷渣现象 浇注过程中钢包渣、中包渣、结晶器渣会以渣滴形式卷入钢水中,卷入渣滴氧势高(FeO、MnO、SiO2)。一方面与钢水中合金元素发生二次氧化生成夹杂物;另外渣滴也会在钢中生成大颗粒夹杂物。 在某厂BOF-LF-CC生产流程中,为了跟踪铸坯中夹杂物来源,进行了示踪试验。 见右图。 • 非稳态浇注时钢包下渣、中间包和结晶器卷渣

  20. 结晶器渣中Ce2O和SrO含量变化

  21. 铸坯中统计100个夹杂物,70%夹杂物含有示踪元素,夹杂物示踪元素平均含量:Ce2O:0.14% SrO:0.156%ZrO2:0.25% La2O3:0.41%Na2O+K2O:1.64%。 为什么铸坯中夹杂含有示踪元素?主要是由于: (1)钢包下渣 钢包停浇时钢渣重量变化在12~22.5t之间,可能会造成钢包下渣

  22. 中间包液面波动在15~28% (2)中间包恒重操作

  23. 铸坯中大型夹杂物含K、Na的比例越高,大型夹杂物的数量越高,说明结晶器卷渣越严重。 (3)结晶器卷渣

  24. 粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献: 外来夹杂物(下渣+卷渣): 41% 二次氧化: 39% 脱氧产物: 20% 由此可知钢包→中间包→结晶器过程中防止下渣 卷渣是生产洁净钢非常重要的操作。

  25. (4)铸坯中Ar气泡+夹杂物 伴随着大Ar气泡的小气泡和夹杂物 冷轧板表面的气泡缺陷

  26. 连铸坯中夹杂物来源 : 脱氧产物(20%) 浇注过程二次氧化产物(30%) 非稳态浇注的下渣卷渣所形成的外来夹杂物(50%) 2.4 减少连铸坯夹杂物措施

  27. 降低转炉终点溶解氧含量,这是产生夹杂物的源头。降低转炉终点溶解氧含量,这是产生夹杂物的源头。 控制脱氧产物生成,促进钢水中原生夹杂物的去除(精炼、搅拌等)。 防止浇注过程钢水二次氧化以免产生新的夹杂物(保护浇注、碱性包衬等); 防止非稳态浇注对钢水的再污染,杜绝外来夹杂物形成。 在钢水传递过程中(钢包→中间包→结晶器)控制钢水流动形态促进夹杂物去除,进一步净化钢水(中间包冶金、电磁搅拌、流动控制技术等)。 炼钢-精炼-连铸生产流程中夹杂物控制技术:

  28. (1)转炉终点钢中氧控制 炼铁是一个还原过程,高炉内加入还原剂(C、CO)把铁矿石中的氧(Fe3O4、Fe2O3)脱除,使其成为含有C、Si、Mn、S、P的生铁。 炼钢是一个氧化过程:把纯氧吹入转炉熔池,使C、Si、Mn、P氧化变成不同碳含量的钢液。

  29. 当转炉吹炼到终点,钢水中溶解了过多氧(溶解氧[O]或氧活度a[o]),出钢时在钢包内必须进行脱氧合金化,把[O]溶转变为氧化物夹杂( [O]夹杂)从钢液中排除。所以钢中总氧T[O]可表示为: T[O]= [O]溶+ [O]夹杂 出钢时钢水中 [O]溶很高,[O]夹杂→0,T[O]= [O]溶。脱氧合金化后[O]夹杂很高,而[O]溶很低,故T[O]= [O]夹杂。 一般用钢中总氧含量表示钢的洁净度(夹杂物量)水平。

  30. 因此,可以用钢中T[O]表示钢的洁净度,也就是夹杂物的水平。T[O]越低则钢越“干净”。不同用途的钢,钢中T[O]所示要求的水平如下:因此,可以用钢中T[O]表示钢的洁净度,也就是夹杂物的水平。T[O]越低则钢越“干净”。不同用途的钢,钢中T[O]所示要求的水平如下: 因此,对高质量的钢要把T[O]降低到小于20ppm的水平,这是炼钢生产全流程要解决的问题。

  31. 转炉冶炼是一个氧化过程。当吹炼到终点时,钢水[O]与[C]关系如图所示:转炉冶炼是一个氧化过程。当吹炼到终点时,钢水[O]与[C]关系如图所示: 转炉冶炼终点C-O关系

  32. 由图可知,当终点[C]<0.08%时 I区:[C][O]=0.0027(炉龄<2500),接近于平衡; II区:[C][O]=0.0031~0.0037(炉龄>2500),远离C-O平衡。 当[C]=0.02~0.05%时: 顶吹氧气转炉终点[O]=700~900ppm 转炉采用复吹终点[O]=250~600ppm 转炉采用溅渣护炉,当炉龄大于2500炉以后,终点[O]=600~1400ppm。 因此,转炉采用动态控制提高终点双命中率,减少后吹,强化复吹,尤其是处理溅渣护炉高炉龄与复吹的矛盾,是降低转炉终点氧含量的有效措施。这样可以节约铁合金消耗,更重要的是减少了钢中夹杂物生成量,提高了钢的洁净度,对于生产低碳或超低碳的冷轧产品是非常重要的。

  33. 转炉冶炼中高碳钢应该执行高拉碳操作,以降低转炉终点的氧含量,既可以少加脱氧剂,减少钢种夹杂物,也可以降低成本。转炉冶炼中高碳钢应该执行高拉碳操作,以降低转炉终点的氧含量,既可以少加脱氧剂,减少钢种夹杂物,也可以降低成本。 转炉冶炼终点碳氧关系图

  34. 钢的碳含量与钢水平均总氧含量关系如下: 由以上可知,钢中C含量越高,T[O]含量越低,钢越干净,这与转炉终点氧含量有密切关系。

  35. (2)脱氧控制 • 转炉吹炼终点溶解氧[O]溶很高,出钢时在钢包进行脱氧化合金化。脱氧就是把钢中的[O]溶转变为脱氧产物夹杂。要控制好所生成的脱氧产物组成形态和熔点,夹杂物易上浮、可浇性好,根据钢种,有以下几种脱氧模式:

  36. 控制合适的Mn/Si比(2.5~3.0)得到液相MnO•SiO2夹杂呈球形液态易上浮。控制合适的Mn/Si比(2.5~3.0)得到液相MnO•SiO2夹杂呈球形液态易上浮。 (A)硅镇静钢(Si+Mn脱氧) FeO-MnO-SiO2三元相图

  37. Mn/Si比与夹渣的关系 Mn/Si小于2.5,铸坯表面夹杂缺陷增加;大于2.5,铸坯表面夹杂缺陷降低。

  38. 在一定温度下,与[Si]相平衡的[O]为50~60ppm。在结晶器钢水凝固时易生成CO气泡,产生铸坯的皮下气空缺陷。解决方法:在一定温度下,与[Si]相平衡的[O]为50~60ppm。在结晶器钢水凝固时易生成CO气泡,产生铸坯的皮下气空缺陷。解决方法: • 在LF炉造还原渣,扩散脱氧降低钢水的[O]含量。 • 加少量的AL脱氧。 Al2O3饱和的脱氧产物的Si/Mn 脱氧平衡

  39. (B)硅锰+少量铝脱氧(Si+Mn+Al) 控制钢中酸溶铝Als<0.006%使其生成液相锰铝榴石(3MnO•Al2O3•2SiO2)呈液态,易上浮不堵水口。 MnO-SiO2- Al2O3相图

  40. [Al]s<0.002%,钢水脱氧不良,铸坯形成针孔;[Al]s>0.005%,有单独Al2O3析出,可浇性差易堵水口;[Al]s=0.002-0.005%,生成锰铝榴石,既不堵水口,铸坯又不产生皮下针孔,而夹杂物有良好的塑性。 钢中[Al]与[O]关系

  41. (C)铝镇静钢 对于低碳低硅铝镇静钢,Als=0.02~0.05%,脱氧产物全部为Al2O3,熔点高(2050℃),可浇性差,易堵水口。Al2O3可塑性差,影响钢材性能和表面质量。为此采用重钙处理(CaAl线、CaFe线),使其生成12CaO•7Al2O3有利于夹杂物上浮,改善钢水可浇性。 CaO- Al2O3-SiO2相图

  42. 对于低碳低硅铝镇静钢,钢中[Al]s=0.02-0.04%,则脱氧产物全部为Al2O3。 • Al2O3熔点高(2050 ℃),钢水中呈固态; • 钢水可浇性差,堵水口; • Al2O3可塑性差,不变形,影响钢材性能, 钙处理(喂Al-Ca线或Ca-Fe线)改变Al2O3形态; • 解决了可浇性,不堵水口; • 夹杂物易上浮去除。

  43. 钙处理 时为使Al2O3转变为液态的钙铝酸盐夹杂(12CaO · 7Al2O3)以防止水口堵塞,必须控制好: • 钢液中合适的钙铝比(Ca/Al=0.1~0.14) • 也可用TCa/TO来监控Al2O3夹杂物的变形程度。试验指出: TCa/TO>0.6生成C·A和12C·7A;TCa/TO=0.7~1.2,基本生成12C·7A,钢水可浇性好。 • 必须控制较低的硫含量(S<0.01%)以免生成硫化钙。

  44. 低碳低硅铝镇静钢钙处理前后钢中夹杂物类型变化如图所示:低碳低硅铝镇静钢钙处理前后钢中夹杂物类型变化如图所示: 钙处理前后夹杂物CaO-Al2O3-MgO相图

  45. 钙处理后钢水中夹杂物CaO/ Al2O3比接近于1,说明Al2O3转变为液态的12CaO · 7 Al2O3,故CSP连浇18炉水口不堵塞。 钙处理前后夹杂物中CaO、 Al2O3平均含量

  46. (D)细晶粒钢 C-Mn钢为细化晶粒用Al脱氧钢(Als=0.01~0.02%),主要为Al2O3夹杂。采用轻钙处理使其形成钙长石CaO• Al2O3•2SiO2(CaO -20~25%, Al2O3 -37%,SiO2-44%)或钙黄长石2CaO• Al2O3•2SiO2(CaO -40%,Al2O3 -37%,SiO2 -22%),夹杂物熔点低呈液态易上浮,可浇性好(如上图)。 对于管线钢钙处理除改变Al2O3成液态铝酸钙防止水口堵塞外,钙还可作为硫化物抑制剂,形成Ca-Mn-S和CaS夹杂物。实验指出:对于超低硫钢(S<10ppm),为防止管线钢HIC裂纹,控制有效的硫化物形状使MnS→CaS和改变Al2O3的形态,应使Ca/S大于2.2。

  47. (3)炉外精炼钢水氧控制 钢水脱氧生成夹杂物,炉外精炼目的是: (A)把夹杂物传输到渣/钢界面 钢水中夹杂物上浮主要决定熔池搅拌,促进夹杂物碰撞聚合长大(5~200μm)。采用办法是吹Ar搅拌,真空循环。 (B)渣相吸附夹杂物 它决定于渣/钢界面能和夹杂物溶解于渣相的能力。液相夹杂物完全溶解于渣相,而固体夹杂物在渣中有限溶解。这与渣相成分、温度和渣量有关。随着炉外精炼技术的发展,钢水中T[O]含量不断降低,夹杂物越来越少,钢水越来越干净,钢材性能不断改善。

  48. 1970~2000年钢中T[O]演变如图,由于引入炉外精炼,对于硅镇静钢T[O]可达15~20ppm,对于铝镇静钢可达<10ppm[7]。 1970~2000年钢中平均T[O]水平

  49. RH精炼过程中钢水中总氧T[O]演变如图所示。RH处理结束钢水T[O]可达11pppm。RH精炼过程中钢水中总氧T[O]演变如图所示。RH处理结束钢水T[O]可达11pppm。

  50. RH处理过程钢水中总氧预测模型: 由上式可知,RH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。

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