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。
Δv约为42cm/s，适于高拉速
– 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Hale Waihona Puke Baidu。
– 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。
17
• 量纲分析法
炉渣乳化
式中，Δρ 两相之间的密度差； γ - 表面张力； μ - 黏度;L - 界面之间相互作用的距 离
29
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
图18.NSC Kimitsu使用的密封中间包图 图19.Sanyo Steel使用的密封中间包
30
46
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。
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
图16.钢包与中间包底部建耐材挡坝防止下渣(POSCO)
27
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
–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
图1.钢铁生产工艺流程图
8
• 气体搅拌
钢包操作
• 真空脱气
– RH、RD、REDA、钢包脱气、V-KIP
19
炉渣乳化
• 漩涡卷渣
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
20
• 漩涡卷渣
炉渣乳化
K-流动能量损失 随着渣钢比率的增加，临界熔池深度增大
图2.顶吹氧气搅拌
图3.REDA装置
图4.钢包脱气
9
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
– 合适的顶渣成分。 – 需大吹气量搅拌钢液，增
• 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。
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。
• 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。
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
25
二次氧化
• 减少中间包覆盖剂引起的二次氧化
B C
产生的液态炉渣会增加对中间包耐火材料的侵蚀
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
26
二次氧化
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)
31
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。
14
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。
与过大的氩气流量 有关，塞棒系统
– 不稳定的回流产生的高剪切应力。
– 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。
18
炉渣乳化
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
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。
图5.钢包炉
11
钢包操作
• 真空电弧加热脱气
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
1.9L/min，滑板系统 最大6L/min。
– 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
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）
• 中间包形状设计
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
43
中间包冶金
• 防止钢液氧化和耐火材料的污染
– 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
图35.浇铸过程的短暂污染（a-小方坯；b-板坯）
石夹杂物较多。
33
水口堵塞
• 水口堵塞机理
钢– 包非内金脱属氧夹(杂氮物)产在物水；口中内间壁包沉钢积水造二成次水氧口化内产径物减；小
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
图24.铝镇静低碳钢水口沉积物结构
34
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
• 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
图25.内衬为低碳质耐火材料 的设计方案
38
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
夹杂物。
12
钢包操作
• CAS-OB
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。
图7.CAS(-OB)装置
13
钢包操作
• 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
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
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
23
二次氧化
• 渣中FeO含量和厚度的检测
Mo/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
24
二次氧化
• 渣脱氧减少二次氧化 RH操作中最普遍的方法
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
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
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
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
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
图28.Shinagawa耐火材料厂开发的具有双层环形阶梯的SEN
39
• 漩涡流
水口堵塞
图30.PCV-旋流水口
图31.装有旋流器的旋流水口
40
中间包冶金
41
中间包冶金
• 中间包容量与设计
表1.欧洲中间包容量及钢液平均最大深度(2000年前)
促进夹杂物上浮去除 有效避免顶渣漩涡卷入
42
中间包冶金
21
炉渣乳化
• 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
22
二次氧化
• 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
• 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
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。
图42.保护渣卷渣的图示
44
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)
图38.通过中间包钢水加热控制钢水温度
45
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
图41.非氧化性中间包覆盖剂对钢中总 氧量的影响