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1、国外钢水夹杂物研究与控制技术新进展分析地域：国外 信息类别：行业动态 行业类别：钢铁作者： 发布人：钢铁行业管理审核 发布时间：2010-10-20 09:36:16.0 钢水洁净度没有国家标准，对于具体品种各个企业对钢水的洁净度要求也不一样。降低洁净钢的制造成本和能耗、减少制造过程中的环境污染是目前全球钢铁厂竞争的焦点。欧美国家采用传统流程（铁水脱硫预处理转炉冶炼炉外精炼连铸工艺）生产洁净钢，其特点是以炉外精炼作为控制钢水洁净度的主要手段。日本开发的洁净钢生产新流程，通过全铁水“三脱”预处理控制钢水洁净度，实现转炉少渣冶炼，达到降低成本和提高效率的目的。钢水洁净度或夹杂物的研究与控制是一项综
2、合技术，代表一个钢铁企业的综合能力，其炼钢和连铸流程的优化是开发和生产高附加值产品的基础。 夹杂物按其来源可分为内生夹杂和外来夹杂两种。内生夹杂是溶解于钢水中的氧与加入到钢液中的脱氧元素反应生成的，其大小在几十微米至几百微米之间，也有可能聚合成簇状物或宏观夹杂。外来夹杂主要是由于钢液与空气、氧化渣、合成渣和耐火材料接触引起的二次氧化以及炉渣、保护渣、耐火材料的卷入，其尺寸可达 1 毫米。由于外来夹杂通常是在钢液脱氧、脱氧产物去除之后到达结晶器之前产生的，除去的机会相对要少得多，最终会导致严重的生产事故和铸坯质量问题。 由于夹杂物密度与钢水密度不同，当夹杂物随着钢液流动时，有碰撞、长大、上浮和从
3、钢水中去除的可能。然而，靠近器壁边界层存在着速度梯度和浮力，会加速夹杂物向器壁的移动，从而被器壁吸附，甚至引起水口堵塞。因此，通过控制钢液流动去除夹杂物，防止从钢包到结晶器各个环节的钢水二次氧化和卷渣非常重要。 近年来，随着冶炼技术不断进步，钢水的洁净度明显提高，钢中的夹杂物数量逐渐减少。随着钢中夹杂物含量的减少及其导致的夹杂物粒度变小，采用以往的检测方法已难以准确评价钢中的夹杂物，国外一些钢企研究出了控制钢水中夹杂物的新方法。 1.钢水中夹杂物的研究与控制 1.1 采用计算流体力学模型研究钢水中的夹杂物 浦项科技大学研究人员采用计算流体力学（CFD）模型研究底吹 Ar 搅拌钢包内钢水的脱氧机
4、理，模拟吹 Ar 期间夹杂物的形核、长大和去除过程。模型主要由 CFD 模块和夹杂物形核、长大、去除模拟两个模块组成。CFD 模块模拟预报流体类型、温度场和湍流参数。夹杂物形核、长大和去除模块用于研究夹杂物形核、扩散长大和聚集，并评定夹杂物碰撞、凝聚长大和去除过程。用该模型模拟底吹 Ar 气钢包内钢水的脱氧过程，成功地预测了钢水中 Al2O3夹杂物的粒度分布。 1.2 控制钙的添加量提高钢水的洁净度 在出钢过程中，通常需要用铝（或含铝合成渣）脱氧，生成的簇状 Al2O3 夹杂物常常会造成水口堵塞， 通过向钢水中添加适量的 Ca 对 Al2O3 改性，使其转变成球状钙铝酸盐以避免水口堵塞。 埃及
5、开罗大学研究人员通过对低碳铝镇静钢试验，分析了 Ca 处理的钢水对 Al2O3 改性的原理，研究出防止水口堵塞并提高钢水洁净度的 Ca 的最低添加量。 结果表明， 钢水中加入 Ca，在对 Al2O3 夹杂物改性的同时，能与钢包和中间包的内衬耐火材料反应，耐火材料受腐蚀会增加钢水中的夹杂物。因此，必须考虑在 Ca 处理过程中对钢包或中间包内衬耐火材料的腐蚀。而且当 Ca 的添加量过多时，会与 S 反应而生成 CaS， CaS 也会导致水口堵塞。开罗大学研究人员确定 Ca 的合适添加量为0.06kg/t，若继续降低 Ca 的添加量，会发生水口堵塞。当 Ca 的添加量从 0.095kg/t 减少到
6、0.06kg/t 时，耐火材料的侵蚀程度降低了 25% ，同时提高了钢水的洁净度。 1.3 高精度定量分析 CaO 系夹杂物 近年来，由于对钢水洁净度的要求越来越高，有关减少生产过程中 CaO 系夹杂物的技术有很多，但是还不能高精度地评价钢中微量的 CaO 系夹杂物，也不能确认 CaO 系夹杂物减少的程度以及由于 CaO 系夹杂物减少而带来的产品各种性能的提高，也就很难保证最终产品的质量。 神户制钢针对这种情况，开发出可以高精度定量分析钢中 CaO 系夹杂物的分析方法。其具体方法是将固溶处理试样浸入到氯化亚铁、氢氧化钾和浓度大于 0.2%的防氧化剂、pH 值为 4.56.5 的电解液中，在 1
7、1501350的温度下预热 10min 以上，对残渣施加 4min 以上的超声波振动后，定量分析 CaO 系夹杂物。 采用上述分析方法，可以分析高碳钢中的 CaO 系夹杂物，将夹杂物定量分析的碳化物等控制到最低限度，完整地分离出化学性质活跃的夹杂物，进行高精度定量分析。 1.4 快速并精确检测不锈钢中的夹杂物 随着冶炼技术的进步，夹杂物的数量不断减少，传统的夹杂物评价方法越来越难以准确地评价夹杂物。为此，日本开发出快速评价不锈钢中夹杂物的新方法。其具体方法是将不锈钢试样在非氧化性环境中用电炉熔解，使试样中的非金属夹杂物上浮，待其冷却后计算出上浮并聚集到表面上的单位面积的非金属夹杂物数量，用此方
8、法评价不锈钢中有害的非金属夹杂物。 2.解决铸坯质量问题的有效措施 2.1 单个中间包热周转降低头坯裂纹 中间包热周转可降低开浇第一炉钢水的温度和中间包耐火材料的消耗。传统方法是两个中间包交替使用，一个用于前一浇次的浇铸，另一个加热准备下一个浇次使用。但是，为下一个浇次准备的中间包加热时间较长，挂在内衬的钢/渣混合物熔化后易发生再次氧化，形成氧化物夹杂，并在下一炉开浇后继续氧化，如果这些氧化物夹杂滞留在中间包内的钢水中，会形成宏观夹杂物，造成头坯裂纹。 为了避免上述问题，JFE 通过优化中间包水口设计和改造设备，使中间包水口的更换时间控制在 20min 以内。在中间包热周转间隔时间大大缩短的前
9、提下，研发出无氧化气氛下单个中间包热周转的新技术。首先将预热的氮气通入中间包，接着再将预热的氢气通入中间包，使中间包在预热的氢和氮混合气体气氛下加热，实现了仅用一个中间包热周转多炉连浇。 在无氧化气氛下的单个中间包热周转操作，使中间包内残留的钢/渣混合物的二次氧化明显减少，铸坯的宏观夹杂物也随之大幅度减少，开浇第一炉铸坯轧制的冷轧板卷裂纹缺陷发生率明显降低。 此外， JFE 新开发的单个热周转中间包的服役寿命是传统中间包的 3.5 倍，中间包耐火材料消耗明显减少。单个中间包热周转浇次与浇次之间的间歇时间短，中间包温降少，有时可不开启中间包加热装置，能耗大大降低。 2.2 改进水口套管减少板坯宏
10、观夹杂物 在钢液由钢包喂入中间包的过程中，通常用长水口或套管来保护钢液流股，避免其接触空气后二次氧化。两种方法各有优缺点。长水口安装方便，占用空间小，与中间包是分离式结构，使用比较普遍。但是，浇铸每包钢水都要更换一次长水口。一旦钢包自动开浇不成功，必须卸下长水口用氧气进行处理。开启浸入式长水口还要将钢液流股的剧烈反冲控制到最小程度。在 Ar 气保护下进行长水口的第一炉开浇难度很大。 当采用套管浇铸时，不需要每浇一包更换一次套管，并且在 Ar 气保护下第一炉开浇较容易。但是，传统型套管的Ar 气消耗量大、飞溅的钢液黏附套管内壁、弯月面浮渣卷入套管等已是此技术应用的难题。 住友金属最近对传统型 A
11、r 气保护套管进行了改进。改进型套管将吹 Ar 的位置从套管顶部的直孔或侧孔改到套管内弯月面附近，Ar 气的进气孔一半浸入钢液。一般情况下，从套管顶部直孔或侧孔吹氩时，向下流动的 Ar 气流与残留在套管中的空气混合，易污染钢液。而改进型套管吹 Ar 气时，会先将残留在套管内的空气排出，并迅速形成惰性气体气氛。 2.3 控制结晶器表面的驻波与湍流 结晶器表面的驻波和湍流严重影响了钢水的质量和连铸生产率。在厚板连铸机上采用双孔型的浸入式水口，且与结晶器水平面成 030，一般为 15，钢水出结晶器撞击窄面后形成向上和向下两股液流，向上的流体形成了表面驻波或湍流，进而会造成铸坯表面的各种缺陷。美国俄亥
12、俄州大学材料科学与工程学院研究人员在结晶器内插入一种结晶器流体控制装置（MFCD）来改变向上流的运动，以抑制湍流或驻波的形成。 2.4 设置中间包气幕挡墙去除夹杂物 中间包气幕挡墙是随着中间包冶金技术的发展并借鉴钢包吹 Ar 搅拌技术而发明的一种全新技术。日本新日铁和JFE 各有一项此内容的专利，德国 NMSG 公司应用了中间包气幕挡墙。德国 NMSG 公司的应用结果表明，与不设气幕挡墙相比，规格 50m200m 的宏观夹杂物能够完全去除， 小尺寸夹杂物的去除率提高了 50%。为了捕捉细小气泡，新日铁研制了一种旋转喷嘴，借助耐火材料旋转叶轮，使吹入中间包的气泡分裂成微细气泡，与传统的中间包设置挡墙法相比，小于 50m 的夹杂物明显减少。
