浇注过程钢水二次氧化与水口堵塞剖析

《浇注过程钢水二次氧化与水口堵塞剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浇注过程钢水二次氧化与水口堵塞剖析（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,浇注过程钢水二次氧化 与水口堵塞,蔡开科 北京科技大学 冶金与生态工程学院 2006.12,2,目 录,1.前言 2.炼钢过程钢水氧含量控制 3.浇注过程钢水二次氧化现象 4.浇注过程水口堵塞现象 5.结语,3,1.前言,钢中氧钢洁净度的度量 钢中的总氧TOO溶+O夹杂 钢中TO越低，钢越“干净”,4,典型纯净钢对洁净度的要求,5,2.炼钢过程氧含量控制,TOO溶O夹杂 出钢时：O夹杂0，TOO溶； 生产统计表明，终点O溶（aO）决定于： (1)终点C (2)终点温度； (3)终渣(FeO)含量,6,(1)终点C含量影响,区：O溶波动在C-O平衡曲线附近 (C2500炉,7,(2)终点温度

2、影响,当终点C=0.0250.04%时，随着温度的升高，终点O溶呈上升趋势 当T1680时，终点O溶明显增加,8,(3)终渣(FeO)含量,终点C越低(或后吹)，吹入氧主要用来生成氧化铁，使渣中(FeO)大增，同时增加了终点O溶。,9,在铁水成分和吹炼制度一定的条件下，要降低转炉终点O溶，必须准确控制终点钢水碳和温度： (1)控制C终不要0.035%； (2)控制终点温度在16401680； (3)渣中(FeOMnO)在1418%； (4)动态控制，提高转炉终点碳和温度的命中率，杜绝后吹； (5)强化复吹效果(尤其是对低碳钢)。 C终0.020.05% 顶吹终点O溶700ppm900ppm C

3、终0.020.05% 复吹终点O溶250ppm600ppm,10,应该指出，转炉终点O溶高，RH脱碳结束后，O溶也高 BOF-RH-CC工艺生产超低碳钢比较如下： C初始/% O初始/ppm C目标/ppm O目标/ppm 国外某厂 0.020.04 400500 2015 150250 国内某厂 0.020.04 700900 3010 400600,对生产低碳、超低碳钢用于深冲用途的薄板，应强调复吹效果降低终点O，保证产品质量。而不是强调溅渣护炉，提高炉龄。,11,3.浇注过程中钢水的二次氧化现象,3.1 二次氧化的定义,二次氧化：广义来说，二次氧化是指钢水中的合金元素与空气中的氧、炉渣、

4、耐火材料中的氧化物发生化学反应，生成新的氧化物相而污染钢水。,生产洁净钢，通过脱氧和精炼操作最大限度去除脱氧夹杂物外，更重要的是防止在浇注过程中二次氧化所产生的外来的大颗粒夹杂物。从提高钢洁净度上讲，提高产品质量就是减少大颗粒夹杂物而努力,12,脱氧产物与二次氧化产物的比较,13,3.2浇注过程中的二次氧化源,钢水/空气 钢水/炉渣、顶渣、中间包覆盖剂 钢水/耐火材料 浇注过程中下渣、卷渣现象 浇注过程中不稳态浇注的二次氧化,14,3.2.1钢水/空气的二次氧化,注流与空气接触吸O2 注流卷入空气吸氧： 从钢包水口流出到中间包路程中注流卷入空气的四种机理： 光滑层注流(层流)； 脉动注流(层流

5、紊流过渡区)，表面锯齿状； 紊流注流(注流表面粗糙)； 注流变为液滴(吸氧速率比光滑注流大60倍),15,钢水裸露吸氧： 如中包表面积15m2，熔池深度0.7m，由注流冲击引起中包液面裸露1.15s就更新一次，则一分钟内更新52次，裸露于空气中钢水表面积为260m2，可见由液面更新造成的二次氧化是非常严重的。 二次氧化模式 (1)硅镇静钢(Als0.01%),硅镇静钢夹杂物形成示意图,Al镇静钢夹杂物形成模式,16,钢包中包，钢水经空气中吸O2后，表现为： 钢水中酸溶铝Als降低，Al-K钢Als=0.01%左右 钢水TO增加，夹杂物增加； 钢水中N增加。,式中：氧气吸收速率常数，为0.256

6、610-5cm/spa； 氮气吸收速率常数，为1.010-2cm/spa； 钢液饱和氮含量，ppm，为440ppm； 钢包中N含量，ppm； 铸坯中N含量，ppm； 钢液密度，取7.0kg/cm3; 气体分子量，为32； 气体中氧的分压，0.21atm。,17,以某厂生产IF钢 为例，采用长水口保护浇注各工序的吸氮来计算O； 钢包中间包钢水吸N增加，钢水中TO也是增加(左下图)，说明二次氧化使夹杂物增多。,18,保护浇注,仅用长水口： N=1117ppm 长水口+Ar封 ：N0(零吸氮) 钢包中间包保护效果好坏主要集中在钢包下水口与长水口连接上，利用密封垫圈和Ar封来防止空气渗入。 中包结晶器

7、 N1ppm(0.5ppm) 中间包结晶器的注流保护不好发生二次氧化形成夹杂物，很难上浮而留在铸坯中，同时也会造成水口结瘤。同样SEN的连接+Ar封也是非常重要的。,19,3.2.2钢水/炉渣、顶渣、中间包覆盖剂二次氧化,渣中(FeO+MnO)增加，板坯中TO含量增加，冷轧板缺陷率增加 ； 必须控制转炉出钢下渣量和成分： (1)出钢挡渣：目标钢包渣层厚度50mm，甚至20mm，2kg/t； (2)渣稀释法：钢包加石灰、萤石、铝矾土造低熔点渣以降低渣中 (FeO+MnO)含量； (3)渣还原处理：石灰+Al粉，合成渣(CaO +Al2O3)+Al粉在出钢时加到钢包 渣面上，以脱去渣中FeO。 2

8、Al+3FeO(渣)=Al2O3(渣)+3Fe,(1)转炉终点渣：,20,LF炉要求脱硫，则顶渣加还原剂(SiFe、Al粉、CaC2等)造高硫容量碱性还原渣，使钢包顶渣中(FeO)1%，既要提高脱硫效率，也要良好吸收夹杂物。 RH处理时，出钢渣高氧化性，增加钢水TO量和冷轧板缺陷。 TFe+MnO /% 冷轧板表面缺陷/% 46 1.07 810 2.83 1012 6.35 所以出钢渣进行渣脱氧以防止钢包顶渣二次氧化。钢-渣强烈搅拌，脱氧合金化后，钢包顶渣中的(SiO2)可被钢水中Als还原。 (SiO2)+4/3Al=2/3(Al2O3)+Si,(2)钢包顶渣,21,浇铝镇静钢(Al-K钢

9、)中间包覆盖剂中含有SiO2在钢/渣界面发生Al+(SiO2)(Al2O3)+Si这一反应，可以测定浇注过程中钢水中Si变化来判断转移到钢水中O含量。 如果精炼后钢水中TO为30ppm，浇入中包后由于渣中(SiO2)与Al的还原反应，使钢水中TO增加一倍多。因此渣中(SiO2)是有效的氧源，渣中(SiO2)含量应尽可能低，中包渣应采用碱性覆盖剂。,(3)钢包壁挂渣：钢包壁会粘附高氧化性渣子，它是氧的存储器。 (4)中间包渣/覆盖剂,22,酸性渣比碱性渣钢水中Al损失50ppm，说明渣中(SiO2)氧化Al之故。,中包覆盖渣中(SiO2)对TO影响,23,3.2.3钢水/耐材,试验指出：对铝镇静

10、钢，包衬材质对钢水中TO影响： 材质 CaO质 MgO-CaO 高Al2O3 ZrO2-SiO2 TO/ppm 5-8 5-8 5-10 5-15 对BOF-RHBloom工艺生产轴承钢研究指出：中间包衬使用： 碱性白云石 钢水TO7-8ppm MgO涂料 钢水TO7-9ppm 高Al2O3MgO涂料 钢水TO6-9ppm 包衬材料中含有SiO2被钢水中Al还原生成Al2O3，使钢洁净度降低，故要求SiO22%。 因此中间包衬向低(SiO2)方向发展，也就是使用碱性材质。,(1)中间包包衬,24,钢水与熔融石英水口会发生以下反应： 2Mn+(SiO2)=2(MnO)+Si (SiO2)+(Mn

11、O)=MnOSiO2(熔点1200左右) 两种水口浇含Al、Mn钢时，钢中大型夹杂物比较： 熔融石英水口 1.01个/100cm2 (300400m) 高铝石墨水口 0.05个/100cm2 (100-200m) 钢水中Mn0.65%就存在上述反应发生。因此浇注高Mn和含Al的钢时，必须使用铝碳质水口，以抵抗Mn、Al的化学侵蚀。 但铝碳质水口在浇注含Al、Ti钢时易发生Al2O3、TiO2堵水口及长时间浇注渣线部位的“颈缩现象”，因此渣线部位采用铝锆碳质。,(2)浸入式水口,25,3.2.4浇注过程中的下渣、卷渣,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(Fe

12、O、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。,26,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：CeO2：0.14% SrO：0.156% ZrO2：0.25% La2O3：0.41% Na2O+K2O：1.64%。 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。,结晶器渣中C

13、e2O和SrO含量变化,27,3.2.5 浇注过程不稳态浇注的二次氧化现象,钢包水口自开率 钢包长水口操作 中间包开浇 连浇换钢包 浇注尾坯,28,水口自开比烧氧打开钢中TO要低1015ppm，因此提高钢包水口自开率是很重要的。,(1)钢包水口自开率,29,美国Weirton Steel试验指出： 操作1：敞开浇注，板坯有15m过渡区的质量指数变坏，不能做镀锡板； 操作2：长水口距中包液面46cm开浇后插入钢水中，板坯质量指数有改善； 操作3：长水口距中包钢液距离降为25cm开浇，质量指数比敞开浇注降低了一半，但还不能用于DTR制罐生产线上。 操作4：钢包长水口浸入中包钢水面下13cm开浇，D

14、TR制罐线缺陷降低了50%，但仍有问题。发现板坯过渡区主要是Al2O3、铝酸盐(CaOAl2O3)夹杂和细小渣粒。 操作5：长水口浸入钢液并在长水口头部安装一个锥形破渣器开浇，阻止了中间包渣粘附长水口上，板坯过渡区缩短了一半，DTR生产线上质量指数达到80%以上，满足镀锡板要求。,（2）钢包长水口操作,30,(3)中间包开浇,开浇连铸头坯夹杂物检验结果(平均值),31,头坯中N、TO、MA、MI均比稳态浇注时高的多。 为了提高头坯的洁净度，采用中间包密封充Ar操作。 试验指出，开浇时中包充Ar，二次氧化大大减少，与中包不充Ar相比： Als损失由80ppm减少到10ppm； N吸氮由25ppm

15、减少到3ppm； TO增加由22ppm减少到12ppm。,32,国外不少工厂进行中间包密封吹Ar操作： Sangno Steel：50t 8m3容积中包，需吹Ar 50m3/min，使中包内氧气含量0.1%。 Corus：IF钢，68t中包吹Ar量1020m3/min，中间包内O21%，减轻水口堵塞，铸坯缺陷率降低38%； Dillingen：中包50t 8.58m3，吹Ar 6.5m3/min，中包气氛中O21%，N25%； POSCO：中包吹Ar使气氛中O21%，沿铸坯长度夹杂物明显减少。 据报导，中包密封吹Ar在欧洲使用不多(板坯6%，大方坯9%)，北美很少使用，日本采用较多。,33,(4)连浇换钢包,连浇坯夹杂物检验结果(平均值),换钢包期间处于非稳态浇注过程，易产生： 安装水口前敞开浇注，二次氧化严重； 拉速不减，中包液面下降，漩涡下渣。,34,(5)浇注尾坯,尾坯与正常坯洁净度比较,尾坯中TO