2007讲座－高品质超深冲钢的冶金.pdf

高品质超深冲钢的冶金技术高品质超深冲钢的冶金技术 包燕平包燕平 （） 北京科技大学北京科技大学 if钢生产过程的冶金特点钢生产过程的冶金特点 if钢生产过程的发展及现状分析钢生产过程的发展及现状分析 国内钢厂目前生产状况国内钢厂目前生产状况 几个关键技术几个关键技术 1 if钢生产过程的冶金特点钢生产过程的冶金特点 化学成分；化学成分； 纯净度；纯净度； 连铸坯质量。连铸坯质量。 超深冲钢超深冲钢 化学成分要求化学成分要求 ?极低的碳含量(30ppm)；?极低的碳含量(30ppm)； ?非常低的氮含量(30ppm)；?非常低的氮含量(30ppm)； ?含一定量的钛或钛和铌；?含一定量的钛或钛和铌； ?铝脱氧钢(als：0.020.06)。?铝脱氧钢(als：0.020.06)。 无间隙原子钢 interstitial free steel无间隙原子钢 interstitial free steel ?优异的深冲性能；?优异的深冲性能； ?非时效性能；?非时效性能； ?强度要求；?强度要求； ?非常高的钢板表面质量。?非常高的钢板表面质量。 1.1 超低碳、氮超低碳、氮 研究发现，固溶碳和固溶氮严重损害研究发现，固溶碳和固溶氮严重损害if钢 的塑性应变比。一般 钢 的塑性应变比。一般if钢中碳含量小于钢中碳含量小于 5010-6，氮含量小于，氮含量小于2010-6。 降低钢中的碳、氮等间隙原子的含量，可 以明显改善 降低钢中的碳、氮等间隙原子的含量，可 以明显改善if钢的塑性应变比，同时能够 减少钛、铌等合金消耗。 钢的塑性应变比，同时能够 减少钛、铌等合金消耗。 超低碳钢冶炼工艺技术进展超低碳钢冶炼工艺技术进展 主要钢种：主要钢种： if钢(c10ppm）；if钢(c10ppm）； 电工钢(c20ppm)。电工钢(c20ppm)。 rh精炼快速脱碳：rh精炼快速脱碳： 强大真空抽气能力；强大真空抽气能力； 加大钢水循环速率：加大钢水循环速率： 增大浸渍管直径；增大浸渍管直径； 增加提升气体流量；增加提升气体流量； “双工位双工位”rh。rh。 rh快速高效脱碳快速高效脱碳 真空度真空度 钢水循环流量钢水循环流量 提升气体流量提升气体流量 rh快速深度脱碳快速深度脱碳 jfe福山厂福山厂rh脱碳实绩新日铁君津脱碳实绩新日铁君津2rh脱碳实绩脱碳实绩 if钢的化学成分钢的化学成分(质量分数，质量分数，) 成分新日铁公司美成分新日铁公司美armco钢铁公司浦项钢铁公司宝钢集团公司钢铁公司浦项钢铁公司宝钢集团公司 wc0.00250.0020.0120.0020.0060.0020.008 wsi0.030.0070.0250.0100.0200.0100.030 wmn0.200.300.250.5000.20 wp0.0150.0250.0010.0100.0050.0150.0030.015 ws0.0120.0220.0080.0200.0020.0130.0070.010 wti0.0350.0600.0800.3100.0100.0600.0200.040 wnb0.0600.2500.0050.0150.0040.010 wn0.00300.0040.0080.0010.0040.0010.004 wal0.0030.0120.0200.0700.0200.070 1.2 微合金化微合金化 if钢生产的关键所在，就是通过钛、铌处 理最终清除钢中的碳、氮等间隙原子，得 到洁净的铁素体基体，从而完全消除碳、 氮等间隙原子的不利影响。 钢生产的关键所在，就是通过钛、铌处 理最终清除钢中的碳、氮等间隙原子，得 到洁净的铁素体基体，从而完全消除碳、 氮等间隙原子的不利影响。 研究发现，通过适当的钛、铌处理后，研究发现，通过适当的钛、铌处理后，if 钢的塑性应变比大大增加。钢的塑性应变比大大增加。 1.3 钢质纯净化钢质纯净化 除碳、氮等间隙原子的含量被严格控制 外， 除碳、氮等间隙原子的含量被严格控制 外，if钢中氧、硫等杂质元素也必须尽可 降低。研究发现，由于锰与碳等间隙原子 的交互作用，其对于 钢中氧、硫等杂质元素也必须尽可 降低。研究发现，由于锰与碳等间隙原子 的交互作用，其对于if钢的塑性应变能比 有不利的影响，当碳、氮等等间隙原子被 完全固定后，这种不利的影响可减少。在 生产高强 钢的塑性应变能比 有不利的影响，当碳、氮等等间隙原子被 完全固定后，这种不利的影响可减少。在 生产高强if钢时，应适当增加硅锰磷等铁 素体强化元素的含量，但是必须考虑其对 于成形性的影响作用。 钢时，应适当增加硅锰磷等铁 素体强化元素的含量，但是必须考虑其对 于成形性的影响作用。 提高钢的纯净度，生产 更高质量的钢材是近二 十年来炼钢技术发展的 趋势； 提高钢的纯净度，生产 更高质量的钢材是近二 十年来炼钢技术发展的 趋势； 钢中碳、磷、硫、氮、 氢、氧杂质总量已能够 去除至 钢中碳、磷、硫、氮、 氢、氧杂质总量已能够 去除至40ppm以下；以下； 纯净钢生产仍然是当前 炼钢科研的 纯净钢生产仍然是当前 炼钢科研的“热点热点”。 典型钢种的纯净度要求典型钢种的纯净度要求 元素元素 if 钢钢 中厚板中厚板 无取向硅钢无取向硅钢 csp 热镀锌板热镀锌板 轴承钢轴承钢(100cr6) c (%) 500 c, ppm 百分数, % - 3 6 26 32 20 10 3 0 5 10 15 20 25 30 35 50060070080090010001100 o, ppm 百分数，% 目前国内钢厂目前国内钢厂if钢冶炼过程存在问题钢冶炼过程存在问题 生产过程的稳定性尚待提高；生产过程的稳定性尚待提高； 冶炼过程中氧、碳、氮的控制水平不高；冶炼过程中氧、碳、氮的控制水平不高； 连铸坯的纯净度水平需要提高；连铸坯的纯净度水平需要提高； rh的高效化应用问题；的高效化应用问题； 非稳定态生产的质量控制问题；非稳定态生产的质量控制问题； 铸坯质量判断系统。铸坯质量判断系统。 4 关键技术关键技术 转炉冶炼终点钢中氧含量的控制；转炉冶炼终点钢中氧含量的控制； rh高效化技术高效化技术 无缺陷连铸坯生产技术无缺陷连铸坯生产技术 转炉冶炼终点转炉冶炼终点 钢中氧含量的控制钢中氧含量的控制 铁矿铁矿 高炉冶炼 直接还原+电炉 高炉冶炼 直接还原+电炉 粗钢粗钢 钢水钢水 还原阶段 炼钢阶段精炼阶段 生铁生铁 0.01 0.01 0.1 0.1 1 1 10 10 100 c,% o,% 钢铁生产过程氧位的变化钢铁生产过程氧位的变化 1）终点）终点c-o关系关系 1) 当终点当终点c 0.5% 的炉次占的炉次占17%，平均氧含量为，平均氧含量为573ppm。 6.9 21.0 21.4 19.2 14.5 17.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 00.0250.0250.03 0.030.035 0.0350.04 0.040.050.05 终点碳含量 （%） 百分比 （%） 2）炉龄对终点氧含量的影响）炉龄对终点氧含量的影响 图图1-37500炉时终点炉时终点c-o关系关系 y = 25x-1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 00.020.040.060.080.10.12 转炉终点碳含量（%） 转炉终点氧含量（ppm） 终点0 乘幂 (平衡氧) y = 25.126x-0.999 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 转炉终点碳含量（%） 转炉终点氧含量（ppm） 终点0 乘幂 (平衡氧) 3）温度对氧含量的影响）温度对氧含量的影响 图1-7 终点温度与氧含量的关系图图1-7 终点温度与氧含量的关系图 在终点在终点c = 0.0250.04%时，终点氧含量虽然较分散，但总的趋 势是随着终点温度的升高，终点氧基本呈上升趋势。 时，终点氧含量虽然较分散，但总的趋 势是随着终点温度的升高，终点氧基本呈上升趋势。 16201680之间，氧含量总体水平较低，平均为之间，氧含量总体水平较低，平均为702ppm， 该范围的炉次共占总炉次的 ， 该范围的炉次共占总炉次的30%左右；出钢温度大于左右；出钢温度大于1680时， 终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为 时， 终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为972ppm，占总炉次 的 ，占总炉次 的70%左右。左右。 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 160016201640166016801700172017401760 终点温度（） 终点氧含量（ppm） 终点0 4）终渣氧化性对终点氧的影响）终渣氧化性对终点氧的影响 图1-8 终渣氧化性与氧含量关系图1-9 终渣氧化性与碳含量关系图1-8 终渣氧化性与氧含量关系图1-9 终渣氧化性与碳含量关系 渣中（渣中（feo+mno）增加，终点）增加，终点o有增加趋势；有增加趋势； 终点终点c0.04，渣中（，渣中（feo+mno）增加且波动较 大，说明此时吹氧脱碳是比较困难的，而铁则被大量氧 化。 ）增加且波动较 大，说明此时吹氧脱碳是比较困难的，而铁则被大量氧 化。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1214161820222426 炉渣中（feo+mno）的含量（%） 终点氧含量（ppm） 终点0 14 16 18 20 22 24 26 00.02 0.04 0.06 0.080.10.12 终点碳含量（%） 渣中（feo+mno）含量 % mno+feo 5）氧耗量对终点碳、氧的影响）氧耗量对终点碳、氧的影响 图1-10 吨钢氧耗量与终点碳含量的关系 碳含量为 图1-10 吨钢氧耗量与终点碳含量的关系 碳含量为c=0.020.04%时，吨钢氧耗为时，吨钢氧耗为4760nm3/t , 在这一 低碳范围内，氧耗波动比较大，这说明低碳时吹氧对去除钢液中 碳的效率是非常低的，而 在这一 低碳范围内，氧耗波动比较大，这说明低碳时吹氧对去除钢液中 碳的效率是非常低的，而o2则用去氧化铁，使渣中则用去氧化铁，使渣中feo升高(图升高(图 1-9)，所以使得终点，所以使得终点o含量增加(图含量增加(图1-8) 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 58.00 60.00 00.020.040.060.080.1 终点碳含量 （%） 吨钢氧耗量,nm3/t 吨钢氧耗 rh高效生产技术rh高效生产技术 1、if深冲钢1、if深冲钢 化学成分要求化学成分要求 ?极低的碳含量(30ppm)；?极低的碳含量(30ppm)； ?非常低的氮含量(30ppm)；?非常低的氮含量(30ppm)； ?含一定量的钛或钛和铌；?含一定量的钛或钛和铌； ?铝脱氧钢(als：0.020.06)。?铝脱氧钢(als：0.020.06)。 无间隙原子钢 interstitial free steel无间隙原子钢 interstitial free steel ?优异的深冲性能；?优异的深冲性能； ?非时效性能；?非时效性能； ?强度要求；?强度要求； ?非常高的钢板表面质量。?非常高的钢板表面质量。 新日铁生产的if钢典型成分新日铁生产的if钢典型成分 c si mn p s al ti n c si mn p s al ti n 25 ppm 0.03 0.20.3 0.015 0.025 0.012 0.022 0.020 0.060 0.035 0.060 30 ppm 宝钢bif2和bif3炼钢成分的控制宝钢bif2和bif3炼钢成分的控制 宝钢宝钢if钢钢c成分的控制成分的控制 武钢if钢成分控制 项目项目c （ppm） si （ppm） mn （） p （ppm） s （ppm） als （） ti （） n （ppm） 平均值平均值3795 130 70 16 0.1085540.3420.05530 最大值最大值560.11150800.0510.05951 最小值最小值250.0950300.0170.05116 标准差标准差90.00525110.0070.00210 2 2 2 2、ifififif钢生产工艺流程钢生产工艺流程钢生产工艺流程钢生产工艺流程 3、rh冶金功能3、rh冶金功能 1) 钢水脱碳，碳含量小于20ppm；1) 钢水脱碳，碳含量小于20ppm； 2) 钢水脱氢，氢含量小于2ppm;2) 钢水脱氢，氢含量小于2ppm; 3) 降低钢水o含量，控制夹杂物形态， o20ppm ; 3) 降低钢水o含量，控制夹杂物形态， o20ppm ; 4) 钢水化学升温，升温速率可达6/min以上;4) 钢水化学升温，升温速率可达6/min以上; 5) 成分微调，si、mn控制0.015;5) 成分微调，si、mn控制0.015; 6) 均匀成分、均匀温度,提高合金收得率;6) 均匀成分、均匀温度,提高合金收得率; 7) 降低s含量，s10ppm.7) 降低s含量，s10ppm. rh高效脱碳技术 rh高效脱碳rh高效脱碳 脱碳反应：脱碳反应： coco coco 00 . 2 1160 log+= toc p co rh处理脱碳速度式为：rh处理脱碳速度式为： (1)(1) v：rh真空室内钢液体积，mv：rh真空室内钢液体积，m3 3； ak：脱碳反应速度系数，m ； ak：脱碳反应速度系数，m3 3/min； c /min； cv v：真空室内钢水碳含量，； ce：与co分压平衡的钢液碳含量，。 ：真空室内钢水碳含量，； ce：与co分压平衡的钢液碳含量，。 )( ev v ccak dt dc v= 式中：式中： rh深脱碳的过程深脱碳的过程 第一转折点第一转折点 %c 200300ppm 第二转折点第二转折点 %c 20-40ppm (真空度和真空度和o 的控制的控制) 脱碳反应速度的影响因素脱碳反应速度的影响因素 第一阶段第一阶段 （1）压降速度。采取增加真空能力和预抽真空技术）压降速度。采取增加真空能力和预抽真空技术 （2）加强搅拌，提高环流速度。）加强搅拌，提高环流速度。 第二阶段第二阶段:(主要反应阶段）主要反应阶段） （1）提高环流速度）提高环流速度;（2）增加钢中氧含量）增加钢中氧含量; （3）提高真空度）提高真空度 第三阶段的影响因素。（反应在气液界面上进行）第三阶段的影响因素。（反应在气液界面上进行） （1）提高环流强度）提高环流强度 （2）扩大）扩大rh真空室下部槽面积真空室下部槽面积 （3）rh真空室下部槽底侧吹真空室下部槽底侧吹ar 4、 rh高效的脱碳的控制4、 rh高效的脱碳的控制 4.1、强真空系统抽气能力和高真空度是4.1、强真空系统抽气能力和高真空度是 获得超低碳的必要条件获得超低碳的必要条件 容量，吨/炉 240 容量，吨/炉 240 真空室直径，mm 3000 真空室直径，mm 3000 上升、下降管直径，mm 550 上升、下降管直径，mm 550 上升管气体流量，nl/min 3500 上升管气体流量，nl/min 3500 真空泵能力(0.5torr 下)，kg/h 1200 真空泵能力(0.5torr 下)，kg/h 1200 神户制钢加古川厂2rh的有关参数神户制钢加古川厂2rh的有关参数 新日铁名古屋厂2rh的有关参数新日铁名古屋厂2rh的有关参数 容量，吨/炉 250 容量，吨/炉 250 真空室直径，mm 3400 真空室直径，mm 3400 上升、下降管直径，mm 800 上升、下降管直径，mm 800 真空泵能力(60torr 下)，kg/h 4000 真空泵能力(60torr 下)，kg/h 4000 真空泵能力(1torr 下)，kg/h 2000 真空泵能力(1torr 下)，kg/h 2000 加古川厂不同rh真空度对脱碳反应的影响加古川厂不同rh真空度对脱碳反应的影响 ?提高真空度；?提高真空度； ?增加上升管ar流量；?增加上升管ar流量； ?增加上升、下降管截面积 。?增加上升、下降管截面积 。 提高钢水环流速率q的措施：提高钢水环流速率q的措施： 容量，吨/炉 240 容量，吨/炉 240 上升、下降管直径，mm 450 550 上升、下降管直径，mm 450 550 上升管气体流量，nl/min 1000 3500 上升管气体流量，nl/min 1000 3500 真空泵能力(0.5torr 下)，kg/h 600 1200 真空泵能力(0.5torr 下)，kg/h 600 1200 神户制钢加古川厂2rh的有关参数神户制钢加古川厂2rh的有关参数 4.2 加快钢水环流速率4.2 加快钢水环流速率 采取增加浸渍管内径和提高ar流量的措施非常有效采取增加浸渍管内径和提高ar流量的措施非常有效 川崎制铁对浸渍管直径、ar流量等影响进行了试验研究川崎制铁对浸渍管直径、ar流量等影响进行了试验研究 rh 装置rh 装置 千叶厂 3rh 水岛厂 1rh 水岛厂 2rh 千叶厂 3rh 水岛厂 1rh 水岛厂 2rh 钢包容量，t钢包容量，t 240 200 280 240 200 280 浸渍管内径，mm浸渍管内径，mm 450 300450 300400 360450 360450 ar 流量，ar 流量，nl/min 3003001500 4001700 5002000 4001700 5002000 真空槽内钢水深度，mm真空槽内钢水深度，mm-170-170200 0150 0150 0150 0150 真空槽压力，torr真空槽压力，torr 0.520 0.520 0.520 川崎制铁技报，15(1983), no.2, p.60 新日铁名古屋厂改变浸渍管内径的效果新日铁名古屋厂改变浸渍管内径的效果 新日铁八幡厂100trh采用了椭圆截面浸渍管新日铁八幡厂100trh采用了椭圆截面浸渍管 新日铁八幡厂rh采用椭圆浸渍管后钢水环流量的变化新日铁八幡厂rh采用椭圆浸渍管后钢水环流量的变化 1987 steelmaking conference proceedings, p.3811987 steelmaking conference proceedings, p.381 新日铁八幡厂采用椭圆浸渍管后rh脱碳速率的改变新日铁八幡厂采用椭圆浸渍管后rh脱碳速率的改变 1987 steelmaking conference proceedings, p.3811987 steelmaking conference proceedings, p.381 4.3 吹氧强化的技术4.3 吹氧强化的技术 采用ktb前后rh的终点碳控制 采用强化脱氧技术前后的脱碳参数变化 ?严格控制前工序碳、氧、温度；严格控制前工序碳、氧、温度； ?前期ob强制脱碳；?前期ob强制脱碳； ?rh合理快速的压降制度rh合理快速的压降制度 ?合理的吹氩制度合理的吹氩制度 ?工艺控制模型；?工艺控制模型； ?炉气在线分析、动态控制。?炉气在线分析、动态控制。 4.4 rh工艺过程的控制4.4 rh工艺过程的控制 内陆钢铁no.4炼钢厂rhob脱碳工艺内陆钢铁no.4炼钢厂rhob脱碳工艺 2)自然脱碳阶段2)自然脱碳阶段 ?rh脱碳的第812min；?rh脱碳的第812min； ?停止吹氧；?停止吹氧； ?真空度2 torr；?真空度2 torr； ?脱碳由0.008% 20ppm。?脱碳由0.008% 20ppm。 1)强制脱碳阶段1)强制脱碳阶段 ?08 min；?08 min； ?吹氧；?吹氧； ?真空度3060 torr；?真空度3060 torr； ?脱碳由0.030.04%?脱碳由0.030.04% 0.008%。 0.008%。 台湾中钢rh在线炉气分析示意图台湾中钢rh在线炉气分析示意图 4.5、氮含量的控制4.5、氮含量的控制 rh处理前后钢中n的变化rh处理前后钢中n的变化 对低c、低n钢液，对低c、低n钢液， 采用rh很难进行有效采用rh很难进行有效 的脱氮。的脱氮。 脱氮困难的原因：脱氮困难的原因： 钢液中氮的溶解钢液中氮的溶解 度高；度高； 氧、硫表面活性氧、硫表面活性 元素影响；元素影响； 上升管ar喷管密上升管ar喷管密 封问题。封问题。 炼钢过程最大限度地脱氮；炼钢过程最大限度地脱氮； 炼钢后严格地控制钢水增氮。炼钢后严格地控制钢水增氮。 新日铁君津厂不同阶段钢中n含量的变化新日铁君津厂不同阶段钢中n含量的变化 钢中非金属夹杂物的去除与控制钢中非金属夹杂物的去除与控制 1 非金属夹杂物的危害 洁净钢：夹杂物含量少 的钢； 洁净钢：夹杂物含量少 的钢； 非金属夹杂物：非金属夹杂物： 氧化物夹杂物，氧化物夹杂物， 硫化物，硫化物， 氮化物（析出 物）； 氮化物（析出 物）； 科研热点（近科研热点（近20年有关 夹杂物研究报告超过 年有关 夹杂物研究报告超过1 万份。万份。 铸坯缺陷： 表面夹渣； 裂纹(表面纵裂纹、表面横裂纹、内部裂纹)； 钢材缺陷： 热轧钢板(夹渣、翘皮、分层、超声波检查不合等）； 冷轧钢板(裂纹、灰白线带、起皮、鼓包等）； 钢材性能： 加工性能(冲压、拉丝、各向异性等）； 机械性能(延性、韧性、抗疲劳破坏性能等）； 耐腐蚀性能、焊接性能、抗hic性能等。 冷轧钢板典型表面缺陷 对钢材延性和韧性的影响 对钢材抗疲劳破坏性能的影响 夹杂物对钢材（高强度钢 材）抗疲劳破坏性能具有 非常大的影响； 夹杂物不能传递钢基体中 存在的应力，在夹杂物周 围的钢基体中会产生径向 拉伸力； 该应