洁净钢生产工艺技术

洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢洁净钢生产工艺技术洁净钢生产工艺技术洁净钢生产工艺技术洁净钢生产工艺技术洁净钢的定义•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;而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。钢中非金属夹杂物的分类•钢中的非金属(氧化物)夹杂物有两种：•1、内生夹杂物：在脱氧、二次氧化或钢液冷却和凝固过程生成的的氧化物。一般与钢液处于平衡状态，它们是自然生成，因此只能减少而不能被完全去除。•2、外来夹杂物：炉渣卷入或耐火材料侵蚀卷入钢水。一般是与冶炼过程相关，因此采用合适冶炼工艺可以避免外来夹杂物的产生。非金属夹杂物的三个来源•1、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；•2、来源于耐火材料（如填充物）的夹杂物，由于耐火材料的渣线或内衬受化学腐蚀或机械侵蚀的产物。•3、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到钢液中。内生夹杂物的形成原因•1、脱氧产生了氧化物夹杂。脱氧的目的是为了避免在钢液凝固过程形成影响铸坯致密性的一氧化碳气体，主要通过将钢液中的溶解氧降低到一定水平来避免一氧化碳的产生。经常用脱氧剂（例如铝、硅铁或锰铁）和钢中的溶解氧反应：•2Al+3O=Al2O3Si+2O=SiO2•Mn+Si+3O=MnO*SiO2外来夹杂物的产生原因•外来夹杂物大多为复合氧化物夹杂，一般多来自钢渣界面湍流形成的卷渣。在炼钢温度下，外来夹杂物多为液态球形夹杂物尺寸在10-300μm。钢渣界面的湍流是由浇铸、强烈搅动、涡流或液面控制不稳定等原因造成的。另一种为钢水或炉渣与耐火材料反应生成，固态夹杂物经常来自于耐火材料的破损。钢水的二次氧化•目前许多钢材都要求较高的洁净度，这主要是为了使用更薄的钢材来减轻重量，并需要钢材在加工的过程中具有良好的变形性能。•降低钢水中的夹杂物的数量可以减少钢材中缺陷的产生。据日本钢管某厂统计，当结晶器中的全氧含量低于0.0020%（20ppm）时，冷轧钢板表面缺陷的数量将显著减少。•许多研究表明，连铸坯中大多数宏观夹杂物，都是由于二次氧化造成的，而不是来源于钢包精炼过程中。钢水的二次氧化•二次氧化增加了钢液中的氧含量，生成了新的氧化物夹杂，降低了脱氧效率，增加了浇注时水口堵塞的几率。•二次氧化可能发生在脱氧前后，空气、高氧势的钢包渣、不稳定的渣线、钢包内衬和残渣是氧的主要来源。•对钢包中钢水进行搅拌，通常会在钢液表面形成“裸眼”使钢液直接接触空气从而形成二次氧化，因此在整个冶炼过程中钢液表面需覆盖合适厚度的渣层能够防止这种二次氧化。钢水的二次氧化•钢液二次氧化的原因有如下几种形式：1、被合金中的氧化物污染。例如，锰合金中主要含有MnO夹杂，当碳含量相对较低时，影响更为明显。2、上一炉附着在钢包内壁或者RH浸渍管内的渣瘤污染钢液。3、在钢包和中间包中与渣的反应。4、转炉出钢、二次精炼过程中、浇注过程中包内，钢水与空气的反应。5、钢液与耐火材料内衬之间的反应。通过渣脱氧减少钢水二次氧化•浦项和神户公司研究表明，冷轧薄板的缺陷随着精炼结束时钢包内渣的FeO+MnO含量减少而降低。•在RH炉中炉渣的氧化程度越高，真空脱碳以后，钢水中氧活度就越高，相应地冷轧薄板的表面缺陷就越多。•在RH操作过程中，渣脱氧是防止钢包或者中间包造成二次氧化的最普遍的方法。通过渣脱氧减少钢水二次氧化•一般来说，RH操作过程中渣脱氧主要通过转炉出钢之后立即向钢包渣内添加铝基复合物来实现的。添加的数量根据在转炉冶炼终点的氧活度来确定。也可以使用其他脱氧剂，例如碳化钙，但出于安全原因，碳化钙不宜使用。•FeO的控制目标为小于5%。达成这一目标主要取决于转炉的下渣量和脱氧剂的添加量。减少中间包覆盖剂引起的二次氧化•一些研究表明，与使用炭化稻壳相比，碱性的中包覆盖剂有助于降低钢中夹杂物的数量，可以显著地降低冷轧IF钢薄板表面微裂纹缺陷的数量。转炉转炉转炉转炉----精炼精炼精炼精炼----连铸过程连铸过程连铸过程连铸过程钢中氧的控制钢中氧的控制钢中氧的控制钢中氧的控制实践实践实践实践1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度1.1钢中氧存在形式炼钢是一个氧化过程，吹炼到终点时，钢水中溶解了过多的氧，称为[O]溶或a[O]出钢时，进行脱氧合金化，[O]溶转变成氧化物夹杂，可用[O]夹杂表示钢中氧可用总氧T[O]表示为：T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度1.2钢中各种形态氧的变化出钢时：钢水中[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；脱氧后：根据脱氧程度的不同[O]溶→0，T[O]＝[O]夹杂。可以用钢中总氧T[O]来表示钢的洁净度，即钢中夹杂物水平。钢中T[O]越低，则钢就越“干净”。1.3T[O]对钢质量的影响轴承钢T[O]由30ppm降到5ppm，疲劳寿命提高100倍。图2钢中T[O]与轴承钢寿命关系1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显对应关系美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现：T[O]，ppm质量指数15～208121～257226～30683035T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高。川崎Mizushima把中间包T[O]作为钢水洁净度标准，生产试验表明：中间包钢水T[O]30ppm冷轧薄板不检查，用户接受T[O]＝30～55ppm冷轧薄板需检查T[O]55ppm冷轧薄板降级使用1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度产品质量缺陷不仅与钢中总氧T[O]有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关。1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度1.4钢中T[O]控制策略降低[O]溶：控制转炉终点a[O]，它主要决定于冶炼过程；降低夹杂物的[O]夹杂：控制脱氧、夹杂物形成及夹杂物上浮去除－夹杂物工程概念（InclusionEngineering）。1.5氧控制水平钢中的总氧含量不断降低，夹杂物越来越少，钢水越来越“干净”，甚至追求“零夹杂物”，钢材性能不断改善。由于引入炉外精炼，对硅镇静钢，T[O]可达15-20ppm，对铝镇静钢，T[O]可达到10ppm。图11970－2000年钢中平均T[O]水平表1典型纯净钢对清洁度的要求非塑性夹杂D20μm疲劳特性、残余应变性1.6~10mmΦ0.1~0.15mmΦSWRSSi-Cr钢弹簧钢非塑性夹杂D20μm冷拔断裂0.1~0.4mmΦSWRH72、82B轮胎钢丝线材T[O]15ppm，P0.005%疲劳特性、加工性SCM432、420渗碳钢T[O]10ppm,[Ti]15ppmD15μm转动疲劳特性30~65mmΦ轴承钢轴承棒材T[O]20ppm,[N]50ppmD5μm电解浸蚀时表面光洁度10mmΦ不锈钢净化管T[O]10ppm,[Ti]20ppm转动疲劳寿命50~300mmΦ轴承钢座圈材无缝管低磷化、低硫化层状撕裂10~40mmt结构高强钢抗层状撕裂钢P0.003%,S0.001%低温脆化10~40mmt9%Ni低温用钢夹杂物形态控制低硫化，S10ppm氢引起的裂纹10~40mmtX52~70级低合金钢管线钢中厚板D5μm，[N]50ppm42NiD100μm打眼加工时的裂纹0.15~0.25mmt13%Cr导架结构材D100μm,低硫化防止图像侵蚀0.1~0.2mmt低碳铝镇静钢荫罩钢[C]20ppm,[N]20ppmT[O]20ppm,D100μm超深冲，非时效性表面线状缺陷0.2~0.6mmt超低碳铝镇静钢深冲钢T[O]20ppm,D20μm飞边裂纹0.2~0.3mmt低碳铝镇静钢DI罐薄板清洁度要求产品材质特性要求代表规格钢种产品分类表2某些高纯度钢发生缺陷的原因调查220μmUS缺陷UOE管（厚钢板）CaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2O200μmUT缺陷UO管材CaO-Al2O3、群落状Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3-Na2O250μm400μm冲压缺陷夹杂深冲深拉用冷轧钢板400μm、150μm炉渣分层镀锡板CaO-Al2O3、群落状Al2O3150μm220μmUT缺陷US缺陷ERW管材CaO-Al2O3150μm、60μm飞边裂纹DI罐用镀锡板缺陷部位夹杂成分引起缺陷夹杂物最小直径产品缺陷钢种注：表中夹杂物尺寸为板材加工后的夹杂尺寸，推算至铸坯中，约为50～60μm减少非塑性夹杂高强度、疲劳寿命长弹簧T[O]10ppm高抗拉强度防止冲压时断裂抗疲劳钢丝丝DA15μm滚动接触寿命长轴承棒材全部为球形夹杂防止因氢产生的裂纹无缝管管材DA5μm防止酸浸颜色不同防止加工时产生裂纹护板DA20μm防止冲压时产生裂纹门窗框架DM20μm极好的穿孔性能汽车轮盘DA100μm防止勾形裂纹汽车轮箍Dj40μm防止碳化、氮化物的析出2.0≦r≦3.0，非常薄较高抗拉强度超深冲板DA40μm防止裂纹DI罐薄板生产目标用户要求用途品种注：DA为Al2O3直径，DM为MnS直径，Di为所有夹杂物直径表3各种钢材夹杂物含量和尺寸的要求由以上数据表明：•钢中T[O]低，说明钢中夹杂物数量少，钢水较“干净”；•洁净钢是一个相对概念，钢中T[O]控制到什么水平，决定于钢种和产品用途；•产品质量不仅要控制夹杂物数量，而且夹杂物的形态、尺寸和分布也要得到控制。1111钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度钢中的氧－钢洁净度的量度2.2.2.2.转炉终点钢中氧的控制转炉终点钢中氧的控制转炉终点钢中氧的控制转炉终点钢中氧的控制T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂出钢时：[O]夹杂→0，T[O]＝[O]溶；生产统计表明，终点[O]溶（a[O]）决定于：(1)(1)(1)(1)终点终点终点终点[C][C][C][C]从某厂转炉冶炼终点由副枪测定的C和a[O]统计关系。图3转炉冶炼终点C-O关系图Ⅰ区：[O]溶波动在C－O平衡曲线附近，[C][O]=0.0027炉龄2500炉Ⅱ区：[O]溶远离C－O平衡曲线，[C][O]=0.0031～0.0037炉龄2500炉当炉龄大于3000炉，达到7500炉甚至10000炉，钢水中[C][O]积远离平衡线，且波动较大，这可能与采用溅渣护炉操作，降低了复吹冶金效果有关。CCCC––––FeFeFeFe的选择性氧化平衡点的选择性氧化平衡点的选择性氧化平衡点的选择性氧化平衡点根据式[C]+[O]={CO}(1)lg(Pco/ac*[%O])=1149/T–2.002以及反应[Fe]+[O]=（FeO）(2)lgaFeo/[%O]=6317/T–2.739得到反应（FeO）+[C]=[Fe]+{CO}(3)lg(Pco/ac*aFeo)=–5170/T+4.736结论：钢液中C-Fe的选择性氧化平衡点为[C]＝0.035％，终点[C]0.035％时，钢水的过氧化比较严重。图1-1的统计数据也说明了这点。由式(1)可以求出此时熔池中的平衡氧含量为740ppm。(2)(2)(2)(2)终点温度终点温度终点温度终点温度20040060080010001200140016001800160016201640166016801700172017401760终点温度（℃）终点氧含量（ppm）终点[