稀土对钢进行工艺处理的实验

稀土对钢进行工艺处理的实验金泽洪EffectofRareEarthsAddingProcessonDistributionofRareEarthsandSulphurinSteelJinZehong(DayeSpecialSteelCorpLtd,Huangshi435001)稀土在钢中的应用，我国始于60年代。发展至今，经历了炉内加入、冲入、包中压入、模内吊挂、连铸结晶器喂丝、中注管喂丝、钢包喷粉等工艺的演变。通过实践的验证一部份加入工艺被淘汰，另一部分得到发展。本文主要是结合目前应用较为成熟的模内吊挂、连铸喂丝、钢包喂线、包中加入以及新开发出的精炼过程稀土加入工艺开展研究工作，通过大量的实验，分析比较了经上述工艺处理后，钢中稀土及硫的分布，找出试验钢经不同工艺处理后钢中稀土及硫的分布规律。1试验用料及方法1.1试验用料试验用料是正常生产的平炉及电炉冶炼的材料，钢种为20MnVB、25MnTiB、H13、SN2025、ZF6、ZF7、521、GCr15、37CrMnMo以及C4等。1.2稀土种类试验中所采用的稀土是以La、Ce为主的混合稀土金属棒、金属丝，稀土总量大于98%；稀土包芯线中所含稀土在7%～15.8%。1.3研究方法结合包中加入、模内吊挂、连铸喂丝、钢包喂线及精炼过程中稀土的加入方法，分别针对不同的研究对象进行工艺对比试验，取实际生产钢样，研究分析不同工艺处理后，稀土及硫在钢中的分布特性以及分布规律。2试验结果2.1稀土加入工艺对钢中稀土分布的影响对不同稀土加入工艺处理的钢种，分别取不同部位的试验用料，通过分析测试，结果表明，经不同的稀土处理工艺处理后，稀土在钢中的分布及其分布的参数存在着较大的差异，为此引入偏析系数C及变异系数V来表述元素在钢中分布特性(偏析系数C=(实际分析值-样本均值)/样本均值，变异系数V=样本的标准差/样本均值)，图1～2分别示出了稀土在钢中的分布、偏析及变异情况。图1稀土处理工艺对钢中稀土分布的影响Fig.1Effectofrareearthsaddingprocessondistributionofrareearthsintop,middleandbottomofingot图2稀土处理工艺对稀土含量变异系数V及标准差S的影响Fig.2Effectofrareearthsaddingprocessoncoefficientofvariability(V)andstandarddeviation(S)ofrareearthscontent图1～2显示出采用包中加入工艺、吊挂加入工艺处理的钢种，稀土分布不均匀，偏析及变异系数波动范围宽，在钢锭中分布的标准偏差值大；而采用连铸喂丝、钢包喂线工艺处理的钢种，稀土分布较均匀、偏析及变异系数的变化范围较窄；精炼过程中进行加稀土处理的钢种，稀土分布均匀，偏析及变异系数波动范围窄，稀土在钢锭中分布的标准偏差值小。由试验结果可知，试验钢采用精炼过程稀土加入工艺处理的效果最佳，采用连铸喂丝、钢包喂线工艺处理的效果次之，吊挂加入工艺处理的效果较差，包中加入工艺处理的效果最差。2.2稀土加入工艺对钢中硫分布的影响将测试数据分析处理后得到图3～4，从图中可看出硫在钢中的分布、偏析及变异情况。表明采用包中加入工艺、吊挂加入工艺处理的钢种，硫在钢中分布不均匀，偏析及变异系数波动范围宽，在钢锭中分布的标准偏差值大；而采用连铸喂丝、钢包喂线工艺处理的钢种，硫的分布较均匀、偏析及变异系数的变化范围较窄；精炼过程稀土加入工艺处理的钢种，硫的分布均匀，偏析及变异系数波动范围窄，在钢锭中分布的标准偏差值小。试验结果表明，试验钢采用精炼过程稀土加入工艺处理的效果最佳，采用连铸喂丝、钢包喂线工艺处理的效果次之，吊挂加入工艺处理的效果较差，包中加入工艺处理的效果最差。图3稀土处理工艺对钢中硫分布的影响Fig.3Effectofrareearthsaddingprocessondistributionofsulphurintop,middleandbottomofingot图4稀土处理工艺对硫含量变异系数及标准差的影响Fig.4Effectofrareearthsaddingprocessoncoefficientofvariability(V)andstandarddeviation(S)ofsulphurcontent3分析讨论钢中稀土处理技术可划分为3种方式，即前期加入、后期加入和中期加入。前期加入指炉内和出钢过程中加入，包括炉内加入、冲入、包中压入、喷粉等处理工艺；后期加入指浇注过程中的加入，包括模内吊挂、结晶器喂丝、锭模内延迟加入等处理工艺；中期加入包括钢包喂线、精炼过程中的加入。经过试验比较，前期加入工艺，稀土主要起脱氧、脱硫作用；稀土利用率低，在钢中的分布不均匀而且稳定性差，生成的稀土产物容易聚集长大，比较注重脱氧、脱硫的效果；分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土及硫的含量逐渐增高，形成倒V字型沉积锥，且稀土、硫的分布特性参数波动幅度很大。由于稀土加入钢中的时间较早，易在钢中形成大颗粒的RES、(RE.Mn)S、RE2O2S、REXSY及REAlO3等夹杂，由于稀土夹杂的密度较大(6g/cm3左右)，使钢水在凝固过程中，容易造成稀土及硫在锭中分布的差异。说明前期加入工艺，稀土没有发挥最大作用，同时稀土的损耗高，利用率低，限制了该工艺的应用。后期加入工艺，稀土在钢中主要起变质夹杂的作用；稀土回收率高，但生成的产物基本不能去除，而且稀土、硫在钢中的分布不均匀；分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土含量逐渐增高；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量逐渐减少，形成倒V字型沉积锥；相对前期稀土加入工艺，钢锭中平均硫含量的差异有所减小，分布参数的振幅变窄，但稀土、硫分布的特性参数波动幅度仍然较大。造成稀土、硫在钢锭中分布差异的首要原因是稀土加入时间过迟，稀土金属在锭模中没有时间充分的扩散；锭模的激冷层检测不出稀土的存在，而锭模内形成的稀土夹杂，由于没有能使夹杂上浮的动力学条件，因而大量的稀土夹杂均存在于钢中；又因为稀土夹杂颗粒的尺寸及密度等原因，促使凝固过程中形成稀土夹杂的倒V字型沉积锥，造成稀土及硫在钢锭中分布的不同。分析及试验数据表明后期加入工艺，稀土在钢中虽然能改善部分性能及变质夹杂，但由于稀土及硫的分布状态还存在缺陷，夹杂不能去除，参数振幅比较大，使稀土处理钢的质量不稳定，特别是稀土的微合金化作用未充分发挥出效果，从而影响了该工艺在高质量钢及纯净钢中的应用。中期加入工艺，钢中稀土、硫的分布状况较好；分布规律从钢锭头部至尾部，稀土的含量缓慢增加；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量几乎没有差异，分布参数振幅窄；研究工作［1～4］已显示出，试验钢采用该工艺处理后，钢的组织、性能得到明显改善，稀土在钢中具有较好的脱氧、脱硫及净化钢液的作用，存在于钢中的固溶态稀土，具有微合金化的功能。该工艺处理的试验钢由于具备有较好的动力学条件(氩气搅拌等)，加速了稀土夹杂的去除及稀土在钢中的均匀分布，达到了稳定和提高钢材质量目的；由于钢中生成的稀土夹杂颗粒较细、分布较均匀(良好的动力学条件促使聚集长大的生成产物上浮去除)，反映到试验钢中是分布参数变化小、振幅窄。在工艺上没有追求稀土的高回收率，因为稀土回收率高并不能表明处理效果好，这是由于钢中稀土大部分是以稀土夹杂的形式存在，回收率高实际表明的是钢中稀土夹杂含量高；工艺上所追求的是有效利用率高、固溶稀土的微合金化效果及良好的工艺处理效果；因此该工艺在特殊钢中尤其是高质量钢及纯净钢中的应用前景十分广阔。4结论(1)中期稀土加入工艺，稀土、硫的分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土的含量缓慢增加；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量几乎没有差异，分布参数波动幅度小、振幅窄，处理效果最好。(2)前期稀土加入工艺，稀土、硫在钢中的分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土及硫的含量逐渐增高，形成倒V字型沉积锥，且稀土、硫的分布特性参数波动幅度很大，处理效果最差。(3)后期稀土加入工艺，稀土、硫的分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土的含量逐渐增高；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量逐渐减少，形成倒V字型沉积锥；相对前期稀土加入工艺，钢锭中平均硫含量的差异有所减小，分布参数的振幅变窄，但是稀土、硫分布的特性参数波动幅度仍然较大，处理效果不显著。向参与该工作的所有人员表示由衷的感谢。作者简介：金泽洪，男，36岁，高级工程师。1986年毕业于北京钢铁学院函大材料专业。从事金属材料及稀土在合金钢中的应用研究。作者单位：大冶特殊钢股份有限公司，黄石435001参考文献1杜挺等.稀土碱土等元素的物理化学及在材料中的应用.北京：科学出版社，19952金泽洪.合金钢的稀土金属微合金化研究.特殊钢，1997，18(4)：5～83金泽洪等.特殊钢中稀土处理技术开发及推广.冶金工业部稀土处理钢发展规划技术交流和推广会议资料汇编，19944不同稀土处理工艺效果分析，内部资料，1998