洁净钢生产工艺及技术概述

WWH•什么是洁净钢？•钢为什么不洁净？•如何生产洁净钢？2洁净钢•用来标志近来钢铁冶炼发展及其应用特别是针对与氧化物夹杂相关的洁净度问题。•在钢中要尽可能地去除有害组元，在冶金熔体、铸坯和钢材中要求有非常均匀的分布。•洁净度因钢种和用途不同而不同。3洁净钢•当钢中的非金属夹杂物直接或间接地影响产品的生产性能或使用性能时，该钢就不是洁净钢。•如果非金属夹杂物的数量、尺寸或分布对产品的性能都没有影响，那么这种钢就可以被认为是洁净钢。4钢中的夹杂物---分类•内生夹杂物：与钢液成分处于平衡状态，自然生成，只能减少，无法完全去除。•外来夹杂物：与冶炼过程相关，采用合适的冶炼工艺可以减少或避免。5钢中的夹杂物---来源•加入脱氧剂后生成的脱氧产物、裸露的钢液被大气氧化和被耐火材料氧化生成的二次氧化产物。•炼钢过程中，由于钢液或渣对耐火材料的化学或热侵蚀作用以及固态耐火材料颗粒脱落进入钢液。•卷渣产生的夹杂物，渣钢界面上钢水流速较大以及渣的乳化使液态渣滴卷入钢液。6钢中的夹杂物---控制/去除•避免生产过程中夹杂物的生成。•促使夹杂物向渣/气、钢/渣或钢液/耐火材料界面移动，使其进一步脱离钢液进入界面并从界面分离。–深度脱氧，出钢时确保稳定的、低的氧化性–保护性气氛，防止二次氧化–改良覆盖剂、保护渣和耐材，防止卷渣和大颗粒夹杂–氩气或电磁搅拌促进及杂物的上浮–合理改进、选取生产设备7洁净钢生产工艺及技术8图1.钢铁生产工艺流程图钢包操作•气体搅拌9图2.顶吹氧气搅拌•真空脱气–RH、RD、REDA、钢包脱气、V-KIP图3.REDA装置图4.钢包脱气钢包操作•钢包加热–不提高出钢温度，可获得更多的精炼时间。–降低铸坯由于温度导致的降级处理率，有利于夹杂物去除。–增加对钢水洁净度和成分的控制。–更容易生产低磷、碳、硫、氧、氮和氢含量的钢种。10钢包操作•钢包炉11图5.钢包炉–合适的顶渣成分。–需大吹气量搅拌钢液，增加了卷渣和二次氧化。–长时间小气量吹氩促进夹杂物上浮。–能精确控制钢液成分、钢液洁净度和温度。钢包操作•真空电弧加热脱气12图6.真空电弧加热(VAD)真空、搅拌、加热和合成渣利于脱氢、脱硫、去除夹杂物。真空加合金调节钢液成分，提高收得率。喂钙变性夹杂。连铸前精确控制钢水温度。促进渣钢间的反应，利于去除夹杂物。钢包操作13•CAS-OB图7.CAS(-OB)装置化学方式加热钢水。底吹氩、脱氧、加入合金。吹氧加铝加热钢水→≥5min搅拌→20min左右静置。钢包操作14•钢液成分•出钢条件•耐火材料•脱氧剂和合金的加入•钢包衬与钢包残留物•钢包渣•夹杂物变性•精炼时间炉渣乳化•乳化渣产生机制–出钢铸流冲击渣层–渣钢界面气泡引起的搅动–钢流速度和方向变化引起渣钢界面之间的漩涡和剪切力弥散在连铸结晶器钢液表面的渣滴最容易引起铸坯缺陷15炉渣乳化•连铸结晶器内的卷渣机理–通过连铸结晶器窄边的上升回流流股。–不稳定的回流产生的高剪切应力。–定期在SEN后方卡门漩涡区产生的下排流。–从SEN出口到表面的大的氩气泡。–SEN出口布流不均匀引起–在较高钢通量的情况下，钢水和保护渣之间聚集的泡沫。16与过大的氩气流量有关，塞棒系统1.9L/min，滑板系统最大6L/min。炉渣乳化•影响卷渣的参数–Kelvin-Helmholtz不稳定性标准（不同层流之间相对运动波动性）–Taylor-Saffman不稳定性标准（不同黏度与密度）•产生剪切应力，同时由于表面张力的作用产生颈缩。–流体不稳定性标准•与脉动流有关，从结晶器流入的不同流股会产生波动，从而发生卷渣。17Δv约为42cm/s，适于高拉速炉渣乳化•量纲分析法18离界面之间相互作用的距黏度表面张力；两相之间的密度差；式中，-L--;Δμγρ–临界速度随着黏度的增大和渣层厚度的减小而增加。–增大保护渣黏度可减少保护渣卷入，减少缺陷。–保护渣密度和表面张力等亦对卷渣行为有所影响，不能仅仅靠改变保护渣成分实现。炉渣乳化19渣钢的物理化学性能流动行为系统的几何尺寸浸入式水口的浸入深度拉速氩气流量结晶器尺寸水口外形流动控制机制堵塞程度炉渣乳化20漩涡下排(漩涡型漏斗)和汇流下排(非漩涡型漏斗)稳态漩涡和非稳态漩涡表面微凹、表面漩涡、全面发展卷吸空气的漩涡低流速下，漩涡随着流出速度的增加而达到最大稳定的高流速下，随着流出速率的增加，熔池临界深度减小•漩涡卷渣炉渣乳化21K-流动能量损失随着渣钢比率的增加，临界熔池深度增大•漩涡卷渣炉渣乳化22•限制涡流的方法在水口附近设置流体障碍物吹气可延缓涡流产生改变水口形状或暂时关闭水口效果不明显二次氧化23图8.表面缺陷与结晶器中T[O]之间的关系图9.宏观夹杂物数量与T[O]之间的关系•钢液二次氧化的原因–被合金中的氧化物污染–在钢包和中间包中与渣的反应–上一炉附着在钢包内壁或者RH浸渍管内的渣瘤污染钢液–钢液与空气之间的反应（出钢、精炼、中间包内）–钢液与不同容器或长水口耐火材料内衬之间的反应二次氧化•渣中FeO含量和厚度的检测24Mo/Cr+Cr2O3//ZrO2//aO渣/Fe(钢液)图10.Quick-Slag原电池示意图图11.化学分析检测渣中FeO含量与原电池检测值的比较二次氧化•渣脱氧减少二次氧化25图12.渣脱氧后ULC钢板表面指数降低图13.渣脱氧后表面缺陷率降低RH操作中最普遍的方法二次氧化•减少中间包覆盖剂引起的二次氧化26图14.中间包覆盖剂采用铝酸钙代替碳化稻壳后，缺陷率减低图15.内陆钢铁公司使用碱性中间包覆盖剂后，IF钢表面裂纹缺陷指数降低产生的液态炉渣会增加对中间包耐火材料的侵蚀BC二次氧化•防止连铸过程中的下渣（钢包→中间包、结晶器）–留钢操作–电磁下渣检测系统(改进激活下滑板)–增加耐材挡坝，抑制旋转力和漩涡27图16.钢包与中间包底部建耐材挡坝防止下渣(POSCO)二次氧化•减少中间包到结晶器的下渣–钢液高度低于形成漩涡的临界高度–大容量中间包换包时间过长–小容量中间包塞棒控制•奥钢联旋转阀塞棒•ARVA开发PCV(精确控制阀)，配合具有水平偏心出口的SEN•中间包增加侧挡墙(如图16所示)28二次氧化•减少中间包卷渣–双浇钢槽操作–长水口完全浸入中间包•分岔、钟形、喇叭形–长水口底部使用金属锥29图17.为防止钢包开浇时产生的乳化行为开发的双浇钢槽操作二次氧化•中间包加盖与密封–注入惰性气体后中间包预密封，防止开浇时的二次氧化–利于对中间包进行预热，降低耐材含水量–防止使用非氧化性碱性中间包覆盖剂时自由表面的热损失–增加安全性30图18.NSCKimitsu使用的密封中间包图图19.SanyoSteel使用的密封中间包二次氧化31图20.DH钢包和结晶器吸氮(德-迪令根)图21.DH结晶器中测量的钢液总氧量(德-迪令根)图22.气体密封与传统中间包对铸坯夹杂物的影响(POSCO)二次氧化•控制耐火材料引起的二次氧化–钢包耐火材料脱落至钢液造成污染与炉渣发生间接反应–中间包氧化镁耐火材料无碳MgO耐火材料造成钢液二次氧化，主要为耐材中不稳定的氧化物被金属脱氧剂还原，如氧化铁、二氧化硅、水分等。32二次氧化•控制耐火材料引起的二次氧化---中间包耐火材料钢液与中间包衬的反应导致二次氧化产物产生33图23.1h后钢液中氧化铝固定的氧含量与耐材中FeO含量之间的关系二次氧化随MgO含量减少而增加。主反应为氧化铁的还原，该反应随着耐材中SiO2含量增加而增加。水含量的影响。MgO含量高于75%，尖晶石夹杂物较多。水口堵塞•水口堵塞机理–非金属夹杂物在水口内壁沉积造成水口内径减小34图24.铝镇静低碳钢水口沉积物结构碳的氧化及耐材内部反应沉积物的起源；耐材内部反应产生氧化气体与脱氧剂反应钢包内脱氧(氮)产物；中间包钢水二次氧化产物；水口堵塞•水口堵塞控制–控制初生夹杂物的数量–控制连铸工位钢水纯净度•减少一次脱氧产物；•去除钢包冶金过程中的杂物；•减少二次氧化生成的夹杂物；–钙处理•解决铝镇静钢水口堵塞，簇状三氧化二铝转化为液态铝酸钙35水口堵塞•钙处理–钙加入量太低，形成CA6和CA2，堵塞加重。–发生二次氧化，改变夹杂物的组成与成分，形成富氧化铝型夹杂。–钙处理强度过大，钢液表面翻腾产生二次氧化。–对不同硫含量的钢种，易发生夹杂物种类的转变36水口堵塞•吹氩密封–增加水口内的压力，防止二次氧化，减少夹杂物聚集。–降低氧化性气体分压，减缓钢液与耐材之间的反应。–在水口壁上形成氩气薄膜，降低接触时间，机械清理，降低吸附力。–氩气泡吸附夹杂物，将其从水口内壁分离。气泡流动、环形流动37水口堵塞•改良耐材–配合紧密，防止二次氧化–无碳耐材内衬，减少第一层反应的厚度•降低来自耐材内部的氧化性气体•增加绝热性能•降低表面粗糙度–通过钢液与耐材之间的反应对夹杂物进行变性38图25.内衬为低碳质耐火材料的设计方案图26.沉积物比较左:标准水口，第6炉浇铸670t时发生堵塞右:内衬无碳型SEN，浇铸1200t后无堵塞图27.无碳内衬水口底部的沉积物观察水口堵塞•合理选用与改良水口–小断面铸坯采用小的定径水口，大尺寸铸坯采用浸入式水口–通钢量一定，增加水口内部截面，降低钢水流速–水口内部安装环形阶梯稳定钢液流动39图28.Shinagawa耐火材料厂开发的具有双层环形阶梯的SEN图29.具有双层环形阶梯的SEN对水口堵塞的影响a-孔径较低处；b-出钢口周围水口堵塞•漩涡流40图30.PCV-旋流水口图31.装有旋流器的旋流水口中间包冶金防止钢液污染、促进夹杂物上浮控制温度及化学成分分流钢液确保铸机生产率、降低生产成本41中间包冶金•中间包容量与设计42表1.欧洲中间包容量及钢液平均最大深度(2000年前)图32.随着中间包容量增加，钢液洁净度增加促进夹杂物上浮去除有效避免顶渣漩涡卷入中间包冶金•中间包形状设计43图33.两流板坯铸机中间包形状图图34.不同形状中间包内夹杂物去除的数学模拟中间包冶金–开浇前惰性气体保护(应用，中间包覆盖剂)–减少钢包下渣(下渣检测，挡墙，坝，拉速控制)–中间包材料(氧化镁、硅酸镁)，优化使用–浸入式水口44图35.浇铸过程的短暂污染（a-小方坯；b-板坯）•防止钢液氧化和耐火材料的污染图36.降低中间包内钢液的增氧中间包冶金•中间包钢水加热–换包时钢包温度波动，中间包钢水温度降低，缺少热浮力，将渣卷入结晶器。–中间包钢水加热(日本、亚洲)45图37.中间包内钢液波动图38.通过中间包钢水加热控制钢水温度中间包冶金•促进夹杂物的分离–优化中间包钢水流动–中间包吹氩–合理选择覆盖剂46图39.采用坝和堰对钢水纯净度的影响图40.碱性中间包覆盖剂的成分范围图41.非氧化性中间包覆盖剂对钢中总氧量的影响结晶器内流场控制•弯月面处液面波动钢液流速、拉速(宏观)；钢液流速、流场变化(微观)–湍动的注流引起结晶器内钢液流速、流场得变化；–浇注速度波动时产生湍流；–夹辊对铸坯的压力引起的铸坯中未凝固的钢液流动。钢液碰撞结晶器窄面凝固坯壳，产生向上分流和窄面附近弯月面向上涌动，还产生了从结晶器边缘向中心的表面流。47结晶器内流场控制•弯月面液面控制–20世纪80年代中期---弯月面液面传感器–20世纪80年代中期至1990年---改善注流机械设备操作准确性–1990年后---解决设备反应速度、湍流问题，引入现代控制理论48结晶器内流场控制•结晶器内卷渣1.钢液回流导致钢液与保护渣之间产生剪切流导致静态下渣。2.流场快速变化导致动态卷渣。3.由偏流引起的SEN附近的卡门漩涡导致卷渣。4.由SEN出来的氩气泡上升到液面处破裂导致渣带入钢液。5.钢流以固定速度流经SEN时，由于回压降低引起卷渣。49图42.保护渣卷渣的图示结晶器内流场控制•保护渣卷渣缺陷的预防与控制–控制结晶器内流场•选择最优的SEN形状和最佳浸入深度；电磁搅拌–应用高粘度保护渣•高粘度，低缺陷，渣耗少，润滑不足–SEN吹气控制•减小氩气流速(卷渣，Al2O3沉积、水