纯洁钢-多媒体

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1、洁净钢及其生产技术,重庆大学 文光华,2,洁净钢及其生产技术,纯净钢或洁净钢的概念 钢中夹杂物控制原理 连铸坯中夹杂物来源与分布 洁净钢生产的控制对策 结语,3,一、洁净钢和纯净钢的概念,关于洁净钢(clean steel)或纯净钢(purity steel) 的概念,目前国内外尚无统一的定义,但一般都认为洁净钢是指对钢中非金属夹杂物(主要是氧化物、硫化物)进行严格控制的钢种,这主要包括:钢中总氧含量低,非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。而纯净钢则是指除对钢中非金属夹杂物进行严格控制以外,钢中其它杂质元素含量也少的钢种。,4,纯净钢（purity stee

2、l） S+P+N+O+H总合水平： 60年代 900ppm 70年代 800ppm 80年代 600ppm 90年代 100ppm 2000年 50ppm,5,纯净钢（purity steel）,高纯净钢对炼钢工艺要求： （1）去除杂质元素 超低C： 如汽车板； 超低S： 如输气管线； 超低N： 如铁素体不锈钢管，冷锻线棒材； 超低P： 如高压容器钢板。 （2）去除夹杂物 超低O： 如滚珠钢，汽车板； 形态控制：如拉拔钢丝，管线钢。 （3）成分控制 化学成分控制在窄的范围，性能均一性。,6,纯净钢（purity steel）,国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表1,7,纯净钢（purity ste

3、el）,2000年后杂质元素含量预测水平如表2：,纯净钢除S+P+N+H+O五大元素外，随电炉短流程的发展，废钢用量的增加，还包Cu、Zn、Sn、Bi、Pb等伴生元素。,8,理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高,其性能越好,使用寿命也越长。钢中杂质含量降低到一定水平,钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从4010-6降低到2010-6,深冲钢的伸长率可增加7%。提高钢的纯净度还可以赋予钢新的性能(如提高耐磨腐蚀性等),因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下高附加值产品的基础,其生产具有巨大的社会经济效益。需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的,如硫在一般钢中都视为杂质元素,但在易

4、切削钢中其为有益元素;IF钢中氮是杂质元素,但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素,其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。,纯净钢（purity steel）,9,洁净钢（clean steel）,钢中非金属夹杂物总量、形态和尺寸。它决定于钢种和产品用途。不同用途的产品对钢中洁净度要求表3 。,10,洁净钢（clean steel）,钢的洁净度与产品制造和使用过程中所出现的众多缺陷密切相关，一些厂家对某些高纯度钢发生缺陷所作的调查如表4所示，可以看出钢中的夹杂物尤其是大颗粒夹杂物是引起产品缺陷的主要原因。,11,洁净钢（clean steel）,日本一向对钢材质量有着严格的要求，最

5、近日本夹杂物委员会提出的不同成品对钢中夹杂物含量及尺寸的要求如表5 所示。,12,高附加值产品洁净度：,高附加值产品对洁净度要求是： TO要低20ppm; 夹杂物数量要少； 夹杂物尺寸要小50m； 夹杂物形态要合适。,13,由上述讨论，可得出以下认识： 纯净钢或洁净钢是一个相对概念； 某一夹杂含量降低到什么水平决定于钢种和产品用途； 有害元素的降低程度决定于装备和工艺现代化水平； 不管生产什么用途得钢，总是要求钢中夹杂物数量尺寸、 形态得到控制。,14,2 钢中夹杂物控制原理,钢中夹杂物评价： 评价钢中夹杂物方法： 金相法； 电解法； 硫印法； 总氧TO法。 TO=O夹+O溶 转炉吹炼终点：

6、O夹 0，TO O溶=700-900ppm O溶决定于： 钢中C，转炉吹炼终点钢中C与aO 关系； 渣中（FeO）； 钢水温度。,15,钢中夹杂物评价：,钢包脱氧合金化+精练后： O溶=0 TO= O夹 对于AlK钢： AlS=0.02-0.05%，O溶=4-8ppm，如在连铸坯中测定TO=20ppm ，则说明除O溶外，氧化物夹杂O夹为12-18ppm，这说明钢中很干净了。 对于SiK钢： 用Si、Mn脱氧平衡O溶含量较高。仅用Si、Mn 脱氧钢中O溶为40-60ppm。在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。,16,钢中夹杂物评价：,人们预测2000年后生产超洁净钢，钢中O要达到5ppm水平，

7、TO= O溶+ O夹 解决途径： 生产“零夹杂物”钢； O夹 0，即钢中夹杂物完全去除； 进一步降低O溶 对于AlK钢，炉外精炼改变AlO 热力学平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度达到0.001，与 AlS相平衡得O溶小小于1ppm。 对于SiK钢，炉外精炼控制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2，可使钢中O溶降到与AlK钢水平。,17,钢中夹杂物控制原理,由以上分析可知，要降低钢中TO，就是要减少钢中夹杂物，降低O夹，降低O夹其方法是： （1）去除脱氧产物。 它决定于： 夹杂物形成 夹杂物传输到钢/渣界面 渣相吸附夹杂物 方法：控制脱氧产物+炉外精炼+搅拌TO=2

8、0-40ppm,18,钢中夹杂物控制原理,就脱氧而言，分三种情况： 1）用Si+Mn脱氧 形成的脱氧产物有： 纯SiO2（固体）： MnO SiO2（液体）； MnO FeO（固溶体）。 控制合适的Mn/Si比，得到液相MnO SiO2 容易上浮排除。但往往由于脱氧不良，铸坯会产生皮下气孔。,19,钢中夹杂物控制原理,2）用Si+Mn+Al脱氧 形成的脱氧产物可能有： 蔷薇辉石（2MnO 2Al2O3 5SiO2）； 硅铝榴石（3MnO Al2O3 3SiO2）； 纯Al2O3（Al2O3 30%）。 要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中AlS=0.006% ，钢中O溶可达20ppm

9、而无Al2O3沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯不产生皮下气孔。,20,钢中夹杂物控制原理,3）用过剩铝脱氧 对于低CAl镇静钢，钢中AlS =0.02-0.04%，则脱氧产物全部为Al2O3： Al2O3熔点高，钢水中呈固态； 可浇性差，堵水口； 可塑性差，不变形，影响钢材性能； 钙处理（喂SiCa线或Ca线，改变Al2O3 形态）： AlS较低钙处理生成低熔点2CaO Al2O3 SiO2 ； AlS较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO 7Al2O3 对于Al-K钢，钙处理后： 解决了可浇性，不堵水口； 夹杂物易上浮除去。,21,就夹杂物传输到钢/渣界面而言，它决定于：,夹

10、杂物尺寸，夹杂物的形核，长大速度。形核约15nm(纳米)在炼钢条件下很快长大到1-5m（微米）； 液体流动，搅拌，夹杂物碰撞、聚合，尺寸5-200 m； 夹杂物性质：液态或固态； 夹杂物上浮：静止溶池，还是搅拌溶池。 对Al-K钢，钢水夹杂物上浮后，钢中总氧TO可表示为： TO=（Oi-Oe）exp-Akefft/v+Oe 式中：Oi：初始氧量； Oe：平衡氧量； keff ：有效质量传质系数； A： 溶池表面积； V： 溶池体积； t： 时间。,22,就渣相吸附夹杂物而言，它决定于：,钢/渣界面能； 夹杂物溶于渣相。 液体夹杂完全溶解于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解，决定于渣成分、温度和渣

11、量。,23,防止浇注过程钢水再污染，它决定于：,钢水二次氧化； 钢水与环境（渣、包衬、水口）相互作用； 渣相乳化（紊流、涡流）； 非稳定态浇注。,24,浇注过程中，创造条件，使夹杂物一步上浮,中间包冶金技术； 结晶器钢水流动合理化； 因此，应根据钢种和产品用途，把炼钢精炼连铸的操作处于严格控制之下才能生产洁净钢。,25,3 连铸坯夹杂物来源与分布,产品缺陷形态 当钢水浇入结晶器，最终凝固成连铸坯后，在后续的热加工过程中，铸坯中夹杂物尺寸会给最终产品留下不同产品缺陷。如 Al-K 钢连铸坯轧成薄板坯后，钢中夹杂物会带来以下表面缺陷： 微细裂纹（sliver）：是由Al2O3类脆性夹杂物造成的；

12、表面起皮：由铸坯表层存在CaOSiO2 Al2O3等夹杂所致； 表面鼓包：铸坯表层下Ar 气泡+夹杂物结合在一起所致。,26,连铸坯夹杂物分布特征,铸坯厚度1/4处夹杂物集聚； 铸坯表层2-20mm夹杂物集聚； 铸坯表层夹杂物分布。铸坯表层夹杂物集聚是与结晶器卷渣有关。结晶器渣卷入凝固壳可能有以下机构： 水口周围的涡流（B） 水口周围上升的气泡（C） 注流向上回流的剪切力（A） 未熔融的保护渣 铸坯中偶然性夹杂物，如水口堵塞物，冲入液相穴而留在铸坯中； 铸坯表层下Ar气泡+ Al2O3夹杂。,27,连铸坯夹杂物分布特征,为防止水口堵塞，在伸入式水口吹入氩气，当注流冲击液相穴深处，在上浮过程中气

13、泡会被内弧侧凝固捕捉。 利用X 衍射技术探查气泡在铸坯厚度方向上的分布 。 气泡上浮过程中与夹杂物聚合。,28,连铸坯中夹杂物来源,(1)内生夹杂物：主要是脱氧产物，其特点是： O溶升高，脱氧产物增加； 夹杂物尺寸细小，小于20 m； 在钢包精炼搅拌，大部分 85%夹杂物上浮； 一般来说，对产品质量不构成大的危害； 钢成分和温度变化时有新的夹杂物沉淀（小于5 m）。 在连铸坯中常见的 内生夹杂（micro-inclusions）： 铝镇静钢（Al-K）：Al2O3 硅镇静钢（Si-K）：硅酸锰（MnOSiO2）或MnO SiO2 Al2O3 钙处理Al-K钢：硅酸钙 钛处理Al-K钢：Al2O

14、3，TiO2，TiN 镁处理Al-K钢：铝酸镁 所有钢： MnS（凝固时形成，以氧化物夹杂形核）,29,连铸坯中夹杂物来源,（2）外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）二次氧化产物，其特点是： 夹杂物粒径大50 m，甚至几百 m； 组成复杂； 来源广泛； 偶然性分布； 对产品性能危害最大。,30,连铸坯中夹杂物来源,生产洁净钢，就是要减少钢中夹杂物，尤其是减少大颗粒夹杂而奋斗。在连铸过程中夹杂来源于图19。 炉渣卷入: 炼钢炉渣 外来夹杂物: 中间包覆盖剂 结晶器保护渣 耐火材料内衬 耐火材料 钢包耐火材料: 引流砂和滑板 熔损卷入 水口砖 氧化物夹杂物: 中间包内衬材料 中间包耐火

15、材料 塞棒和滑板 中间包水口 浸入式水口 一次脱氧产物 内生夹杂物: 二次脱氧产物 图 19 连铸过程中氧化物夹杂的来源,31,4 洁净钢生产的控制对策,从炼钢精炼连铸生产洁净钢，主要控制对策是： （1）控制炼钢炉下渣量 挡渣法：（偏心炉底出钢、气动法、挡渣球）； 扒渣法：目标是钢包渣层厚50mm，下渣2Kg/t。,32,4 洁净钢生产的控制对策,（2）钢包渣氧化性控制 出钢渣中高（FeO+MnO）是渣子氧势量度。 （FeO+MnO）上升，板坯 TO 上升 （FeO+MnO）上升， 冷轧板卷缺陷增大 渣成分控制方法： 渣稀释法：钢包加石灰、萤石或铝矾土造低熔点渣； 渣还原改质处理：出钢时加CaO+Al粉，可把渣中FeO小于5%，铸坯中有TO小于15ppm，冷轧板缺陷大大降低。,33,4 洁净钢生产的控制对策,（3）钢包精炼渣成分控制 不管采用何种精炼方法（如RH、LF、VD），合理搅拌强度和合理精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。 合适的钢包渣成分： CaO/ Al2O3 =1.51.8，CaO/SiO2=813，（FeO+MnO）小于5% ，高碱度，低熔点、低氧化铁、富 CaO 钙铝酸盐的精炼渣，能有效吸收大颗粒夹杂物，降低总氧。,34,4 洁净钢生产