洁净钢技术与工艺简介

洁净钢技术与工艺简介 1 目标与目的 钢洁净度在钢铁应用的发展中是最重要的。钢的性能决定了它的用途与竞争能力，而化学成分和最终的显微组织确定了钢的性能。因此，不会有一个完整的洁净钢定义，它仅仅是与应用有关的一个术语。氧化物在改变钢的显微组织上扮演了重要角色，因此，成为本次研究的焦点。它们要么以钢水二次氧化的形式存在，要么以耐材或保护渣吸卷的方式进入钢中。因此，炼钢，尤其是二次冶金处理和连铸工序是实现所要求的洁净度的关键。 为判定最佳操作和建立科学的概念，收集了关于设备、工艺和控制方面的数据。这些数据来自22个国家的64套设备上，各个数据表包含了800条不同的信息，总共获得了5万余条可用信息。选择了低碳钢、超低碳钢、管线钢、高碳长材和弹簧钢进行研究，应用领域涵盖了汽车裸露件、管线和滚珠轴承等。比较工业实践仅仅是该项目的一个部分，此外，还进行了深入的文献调查，以确定今后的发展与进步。 氧化洁净度是优质钢最重要的一个指标。全世界在改进二次炼钢和连铸工艺技术方面付出了巨大努力。主要目的是要将钢水中夹杂物含量减少到最低程度，促进颗粒分离，避免被大气、炉渣和耐火材料二次氧化等。有害夹杂物一个主要成因是非常小的夹杂物在紊流区凝结，这出现在从大包到中间包、中间包再到结晶器传输钢水的过程。相反，外来非金属夹杂物源于炉渣夹带，因此，保护渣绝不能乳化进入钢水。这是对钢铁工业在这个艰难冶金领域里继续发展提出的挑战。 2 洁净钢 这次的研究不是要建立洁净钢的通用定义，因为洁净度是钢材使用的直接结果，对洁净度的要求各不相同。本次研究集中在氧化物夹杂方面。氧化物夹杂数量根据使用要求可以不同，但在位置、形状、分布和其它许多方面要仔细考虑。 一般而言，钢和食品一样干净。人们所不希望的成分浓度大约是百万分之的数量级。而且，钢中局部含有杂质不会影响使用。当讨论钢的洁净度时，氧化物夹杂是讨论的重点。氧化物颗粒是在生产加工中由脱氧、二次氧化生成的，或与各种容器的耐火材料反应形成的。多数颗粒能在钢包、中间包和结晶器中与钢水分离、熔入渣中。留在钢水中的氧化物颗粒非常小，只有几个微米。显微洁净度是用钢水中总氧含量定义的。必须假定这些显微夹杂对高性能钢是无害的。即便如此，显微洁净度仍具有重要的意义，它是紊流区凝聚形成宏观夹杂物的基础。钢材缺陷的起因通常是钢铁生产中必须避免的宏观夹杂物。夹杂物含量低是洁净钢的一个标准，但不是唯一的标准。 洁净钢的焦点是钢材及钢材的应用。就此面言，汽车裸露件、海上设施和冷拔钢丝所要求的洁净度有相当大的差别。应该认识到，随着产品厚度的减薄，这些要求也越来越严格。夹杂物的位置和变形扮演了重要的角色，二次冶金中的夹杂物工程是一个非常流行的控制夹杂物变形的手段。连铸坯夹杂物的位置受机器的设计和结晶器流动控制影响。宏观夹杂在连铸坯中是很少见的。50μm以上的宏观夹杂很难找到，因此，需要使用大型试样监测系统，这是唯一能实现大海捞针的可能手段。 当非金属夹杂物直接或间接地降低了加工性能或使用性能，则钢是不洁净的，当不存在这种影响时，则可以认为钢是洁净的，不用考虑非金属夹杂物的数量、种类、尺寸和分布等。 3 洁净钢基本特征和生产实践 洁净钢的任何定义都要包含它的使用要求，我们应该认识到，随着产品厚度的减薄，这些要求也越来越严格。因此对洁净钢的一种定义应该是，当非金属夹杂物直接或间接地降低了加工性能或使用性能，则钢是不洁净的，当不存在这种影响时，则可以认为钢是洁净的，不用考虑非金属夹杂物的数量、种类、尺寸和分布等。 非金属夹杂物的类型有两种，即内生夹杂物(脱氧或二次氧化时形成的氧化物)和外来夹杂物(来自卷入的炉渣或侵蚀掉的耐火材料)。内生夹杂物通常与钢水成分达成化学平衡，它们是自然发生的，因此只能降低不能完全消除。相反，外来夹杂物通常是与工艺相关的，因此可以通过适当的手段消除。 洁净钢生产就是要在各工厂特定的条件下控制夹杂物污染。尤其是在要求苛刻的应用领域，它的厚度非常薄，如帘线钢、超低碳IF钢或刀片钢等，则洁净钢操作必须严格贯穿整个生产流程。可用热力学模型帮助确立特定应用的夹杂物成分，强调实现这些所需要的工艺条件。实践中需要注意的主要是稳定操作、控制钢水氧势和在浇铸前分离夹杂物。在钢包向中间包以及中间包向结晶器输送钢水时，必须小心谨慎，避免钢水被空气二次氧化，还要注童降低各阶段的炉渣携带量。 中间包向结晶器分配钢水，在流动力学设计上要避免缩短流动路径，这有助于将夹杂物引向渣或耐材表面。连铸机采用适度设计并具有稳定流动模型后，夹杂物在结晶器内的上浮实现最大化，避免了突发事件和钢水的不稳定流动态，而且，磁流体力学技术可用来控制、改变、优化钢水在结晶器内的流动。 4 钢包操作 就氧化物洁净度的关注程度而言，高炉——转炉流程与电炉炼钢之间几乎没有差别。钢水中夹杂物的数量、种类、尺寸和分布的主要源头是二次精炼时的钢包操作，但也有一些源于中间包和结晶器内的钢水流动与工艺条件。中间包和结晶器内的夹杂物的形成与排除不在本文的讨论范围内。 非金属夹杂物的三个来源： * 加入脱氧剂产生的脱氧夹杂物，以及由于钢水暴露于大气中或与不稳定耐材接触造成的二次氧化夹杂物； * 由沙子形成的和因化学与机械侵蚀造成的耐材衍生夹杂物； * 由于钢水在渣金界面高速流动和渣层乳化被卷入钢水深处形成炉渣衍生夹杂物。 二次氧化夹杂物是炼钢的固有特征，通过优化工艺操作可以减少或完全消除二次氧化夹杂物、耐材衍生夹杂物和炉渣衍生液态夹杂物，否则就要使用搅拌或延长处理时间的手段去除这些夹杂物。原则上，炼钢的各个阶段都能通过这些手段将夹杂物送到金属—气体界面、渣金界面或金属—耐火材料界面，从而能成功地将其清除。颗粒要在金属—气体界面或渣金界面上排出金属，它们首先要能分离到界面上，然后同界面分开。 自然上浮对于清除小颗粒不是非常有效，而为了提高清除速度，使用气体或电磁搅拌钢水则增大了夹杂物相互碰撞的频率，这就促进了固态夹杂物凝聚和液态夹杂物的融合，形成更大的团簇。钢水搅拌是洁净钢生产的基本特征。气泡清除夹杂物的机理是大气泡夹带夹杂物而非小气泡直接捕获夹杂物。实际上，气泡在上升的过程中变大，所以它们脱除夹杂物的效力低于它的全势能。相对于气体搅拌，电磁搅拌更能实现精确控制，也避免了钢水在渣金界面上的剧烈流动，从而降低了卷渣的出现，然而，却不能实现强烈的渣金混合。钢水流动的垂直分量提高了夹杂物的清除速度，尤其是在靠近渣金界面时。 夹杂物的粒度分布比总数量更重要，因此，工艺处理目的是允许非常小的夹杂物，在浇铸前完全消除团簇和炉渣衍生夹杂物。 5 洁净钢生产中的炉渣乳化 经常能在钢材表面附近和内部缺陷中观察到渣滴，这表明降低冶金容器内炉渣乳化程度是洁净钢生产的先决条件。在炼钢和连铸工艺上，发生炉渣乳化的机理有几种，如出钢流股冲入渣层、溢出气泡对渣金界面的冲击、出口涡流和钢水流对渣金界面形成剪切力作用等。各工厂发生炉渣乳化的主要机理不尽相同，但对于钢的缺陷，连铸结晶器内炉渣乳化极可能是决定性的。中间包夹杂或转炉渣夹带是涡流动造成的，虽然这个阶段的炉渣乳化没有结晶 器内严重，但却削弱了冶金反应，降低了生产效率。 大部分关于结晶器内炉渣乳化的研究都采用冷模型法，现提出了6种乳化类型，即： ·由结晶器窄面回流的钢水引起； ·由不稳定逆向流动引发高剪切应力造成； ·由浸入式水口后面有规律地产生漩涡分离引起； ·由浸入式水口出口处巨大的氩气泡运动到界面处引起； ·由浸入式水口出口处不均匀的钢水流动引起； ·高产量时在油水界面形成泡沫。 乳化过程与液—液界面处剪切力的发展有关。这个界面在临界速度下变得不稳定。认为由剪切力引发的炉渣乳化可能有三种不稳定机制，即Kelvin—Helmholtz不稳定性、Tylor-Saffman不稳定性和Fluid流动不稳定性。为建立对乳化行为的定量描述而进行了理论与实验分析。炉渣乳化的临界速度和渣滴尺寸随工艺参数和渣金的物理化学性质而变化，这些包括浸入式水口深度、拉坯速度、吹氩量、结晶器尺寸、出口形状、流动控制机理与堵塞程度、粘度、表面张力与密度等。 利用结晶器内钢水流动控制可以防止卷渣。完整的流动控制系统要仔细考虑钢渣的理化性质和系统的几何条件。已知提高保护渣粘度可降低炉渣乳化和表面缺陷，但这导致保护渣消耗减少，带来了润滑问题。作为这个问题的解决方案，建议使用粘度高、结晶温度低的保护渣。保护渣的密度和表面张力影响炉渣的乳化行为，但在实际操作中，即使渣化学成分变化，这些性质也不会有太大的改变。 漩涡的卷渣机理可分为两种不同的模式，即有初始涡量时最先出现的“vortex-sink”和在没有初始涡量时发生的造成浇铸后期卷渣的“draiH—sink”。虽然经常说vortex-sink可以忽略而drain-sink才是炉渣乳化的主因，但仍有些人主张，至少在部分程度上，卷渣要归因于vortex-sink。这里有两种不同的情况，(1)低流速时，漩涡在浅水发展，随着排出速度的增加而增大；(2)在高速时，临界深度随着排出的增加略有下降。人们熟知，对钢铁生产有影响的是后一种情况。漩涡现象的特征可归纳如下： ·容器直径几乎没有影响； ·随着出流口直径的增加，漩涡在更浅的水深发展； ·随着容器内初始环流的增加，临界深度增大； ·偏心水口减轻了漩涡； ·炉渣相使漩涡扩大。 为防止炉渣携带进行了许多努力，这包括炉渣侦测系统和破涡器的开发。对抑制漩涡提出如下建议： ·修改出流口、使用固定或漂浮的碟或球效果不明显； ·水口附近的流动隔板能有效阻止漩涡的形成； ·临时关闭水口似乎不能有效地抑制漩涡； ·喷吹气体可延迟漩涡的形成。 为理解炉渣乳化后进人钢水的行为，并在洁净钢生产中杜绝这种现象，借助文献对流体乳化进入不相容的更重的流体进行了研究。这包含了由漩涡引发的炉渣在结晶器内的乳化。大部分的文献在处理这一现象时采用的是数学冷模型法和量纲分析，而不是直接观测钢渣体系。观察得到的各种机理与模拟容器有关。利用理论和实验分析对定量描述进行了研究，但主要是针对冷模型，还需要在生产应用方面和对前期工作的提炼等方面进行深入研究。 6 钢水二次氧化与连铸水口堵塞 在洁净钢的生产中必须控制各生产环节的二次氧化。长期以来，洁净度对钢性能的影响已被人们熟知，主要是长材和HIC钢。今天，许多研究表明了钢中总氧量或炉渣成分与成