（钢铁冶金专业论文）连铸生产外科植入物不锈钢的试验研究.pdf

j ：海大学硕+ i ：学位论文 目录 摘要 国内外科植入物会属材料主要包括1 2 类，品种包括不锈钢、纯钛、钛合金 和含钴镍基和含钴铁基等类型，材料的选择余地较大，但不锈钢作为外科植入物 的所占比重最大，一般为6 0 - 7 0 。其中欧美产品执行国际标准i s 0 5 8 3 2 等，国 内产品执行国家标准g b t 4 2 3 4 2 0 0 3 。 医疗行业对外科植入物不锈钢有非常严格的要求：高的纯净度、良好的强度 和塑性组合、耐腐蚀性能好、良好的生物相溶性，稳定的相组织、大小均匀和较 细小的晶粒大小等，对制造工艺和技术也相应提出很高的要求。 针对原流程存在流程长、电渣工序跳碳致使产品降级或报废、夹杂物含量较 高等缺点，本课题提出并成功实施了一种连铸生产外科植入物不锈钢产品的新工 艺技术。初炼采用6 0 吨电弧炉，初炼钢水倒入a o d 精炼炉精炼，当化学成分调 整到位，温度合适且钢水纯净度达到产品要求时，出钢吊包将钢水倒入浇注区域 中间包，通过四流小方坯连铸机得到1 6 0 1 6 0 铸坯。铸坯火焰切割长度8 - 1 0 米， 经过全剥皮清除表面缺陷。 经过剥皮的铸坯转入棒材生产线可生产棒材，转入线材生产线可生产盘条和 高线，转入锻造生产线可生产扁坯，转入精密合金厂的扁坯进行切割和剥皮，用 予应力轧机生产出热轧带坯，经过混酸酸沈和抛光机组抛光清除表面缺陷，再转 入四辊冷轧机组经过1 - 3 个轧程和连续炉退火，最后可以得到质量优良的冷轧钢 带。 采用小方坯连铸生产的外科植入物不锈钢存在多方面的优势：在合理的工艺 条件下，不论是棒材、盘条、线材，还是冷轧带钢，其性能均能符合g b t 4 2 3 4 2 0 0 3 的要求；避免了成品跳碳问题，不再发生成品因跳碳产生的报废事故；由于省略 电渣工序和电渣锭锻造开坯工序，每吨成本降低超过3 5 0 0 元；流程更短，交货 期缩短至少1 个月。 关键词：外科植入物不锈钢连铸非金属夹杂物品粒度 第v 页 一i - 海人学硕 ：学位论义目录 a b s t r a c t t h es u r g i c a l i m p l a n t a t i o nm e t a lm a t e r i a l sa r o u n dt h ew o r l di n c l u d e d12d i f f e r e n t t y p e ss u c ha ss t a i n l e s ss t e e l s ，t i t a n i u m s ，t i t a n i u ma l l o y s ，c o b a l tn i c k e l b a s ea l l o y sa n d c o b a l tf e r r o u s b a s ea l l o y se t c w h i c hp r o v i d e daw i d er a n g eo fm a t e r i a l sf o rs e l e c t i o n h o w e v e r , s t a i n l e s ss t e e l s t o o kt h el a r g e s tp r o p o r t i o no f ( 6 0 7 0 ) a s s u r g i c a l i m p l a n t a t i o nm e t a lm a t e r i a l s a m o n gt h e mt h ep r o d u c t si ne u r o p ea n du s a e x e c t u t e dt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sl i k ei s o5 8 3 2a n di nc h i n af o l l o w e dt h en a t i o n a l s t a n d a r dg b t 4 2 3 4 ：2 0 0 3 i nm e d i c a l i n d u s t r y , v e r yh i g hr e q u i r e m e n t s w e r e p u t f o r w a r df o r s u r g i c a l - i m p l a n t a t i o ns t a i n l e s s ，s u c ha sh i g hp u r i t i e s ，g o o d t e n s i l es t r e n g t ha n d d u c t i b i l i t y , g o o d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e s ，g o o db i o l o g yc o m p l i a n c e s ，s t a b l e m e t a l l o g r a p h ys t r u c t u r e s ，e v e na n df i n eg r a n u l a rs i z e se t c ，t h u sa l s op u t t i n gf o r w a r d t oh i g hr e q u i r e m e n t sf o rt h e i rf a b r i c a t i o na r t sa n dt e c h n o l o g i e s c o n s i d e r i n gt h el o n gp r o c e d u r e s ，t h ed e g r a d i n go rr e j e c t i o no w i n gt ot h es u r p a s s c a r b o nc o n t e n ti n t he l e c t r i cs l a gr e m e l t i n ga n dt h eh i g h e ri n l u s i o nc o n t e n t s ，i nt h i s p r o j e c t ，an e wt e c h n o l o g yf o rp r o d u c t i o no fs u r g i c a l - i m p l a n t a t i o ns t a i n l e s ss t e e l s u s i n gc o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t sw a sp u tf o r w a r da n ds u c c e s s f u l l yc a r d e do u t ，w h e r e h o tl i q u i ds t e e lw a si n i t i a l l ym o l t e ni na6 0 te a fa n dt h e np o u r e di n t oa na o d f u r n a c ef o rr e f i n e r y a st h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，t e m p e r a t u r e sa n dp u r i t i e so f m o l t e ns t e e lw e r er e a c h e dt h ep r o d u c t c l a i m e dl e v e l s ，i tw a st a p p e di n t ot h em i d s t b a r r e li nt h ec a s ta r e at oc a s ti ns i z eo f16 0 木16 0b i l l e t st h r o u g h4 - s t r e a mq u a d r a t e c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e w h e r e a f l e rt h eb i l l e t sw e r eb l a z e - c u ta s8t o10m e t e r s l o n ga n dw e r ed e c o r d i c a t e d4 - s u r f a c e st oc r a z et h es u r f a c ed i s f i g u r a t i o n s s u r f a c e d e c o r d i c a t e db i l l e t sw e r ea b l et om a k ei n t ob a r sa f t e rs t r e a m l i n e dt ot h e b a r - y i e l d i n gl i n e s ，m a k ei n t oc o i l i n gb a r sa n ds t r i n g s a f t e rs t r e a m l i n e dt ot h e s t r i n g y i e l d i n gl i n e s ，a n dm a k ei n t o f l a tb i l l e t sa f t e rs t r e a m l i n e dt ot h ef o r g i n g p r o d u c t sl i n e s t h ef l a tb i l l e t st h e nw e r es t r e a m l i n e dt op r e c i s i o n - a l l o yp l a n tt ob ec u t b o t he n d sa n dp l a n e db o t hu p p e ra n du n d e rs u r f a c e ，a n db et u r n e di n t ot h eh o t r o l l e d 第v i 页 卜海人学硕j ：学位论文 目录 s t r i p st h r o u g ht h ed r e s s g i v e nm i l l s & a f t e rt h eh o t - r o l l e ds t r i p sw e r er i n s e di nt h e m i x e da c i d st r o u g h sa n dp o l i s h e dt oe r a s ei t ss u r f a c ed i s f i g u r a t i o n st h r o u g ht h e p o l i s h i n gm a c h i n e s ，t h e yc o u l dt r a n s f e r r e dt o4 - r o l l e rm i l l st ob er o l l e dm a y b eo n et o t h r e er o u n d so fp r o c e d u r e sa n dt ob ea n n e a l l e da c r o s st h ec o n g t i n o u sa n n e a l l i n g f u r n a c e s ，a n df i n a l l yt h ec o l d r o l l e ds t r i p sw i t hg o o dq u a l i t yc o u l db eg a i n e d t h e r ea r eal o to fs t r o n g p o i n t sf o rt h es u r g i c a l - i m p l a n t a t i o ns t a i n l e s ss t e e l sm a d e f r o mt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t s u n d e rt h ec o n d i t i o no fs u i t a b l et e c h n o l o g i e s ， p r o p e r t i e so fa l lp r o d u c t s ，n o to n l yt h eb a r s ，t h ec i o l e db a r s ，t h es t r i n g sb u ta l s ot h e s t r i p s ，a b i d e dt h ec o r r e l a t i v es t a n d a r d so fg b t 4 2 3 4 2 0 0 3 t h en e wm a n u f a c t r u e m e a n sp r e v e n t e dt h eq u a l i t ym i s h a pa n dp r o d u c t sr e j e c t i o no w i n gt oc a r b o n - c o n t e n t o v e r t o p p i n g t h ec o s t sw e r ec u tm o r et h a n3 ，5 0 0y u a np e rt o nb e c a u s eo fn on e e dt h e t h ep r o c e d u r e so fe s r ( e l e c t r i c a ls l a gr e m e l t i n g ) a n df o r g i n gi n t ot h eb i l l e t s t h e d e l i v e r yt i m ew a sa l s os h o r t e na tl e a s to n em o n t hb e c a u s eo ff e w e rp r o c e d u r e s k e y w o r d s ：s u r g i c a l - i m p l a n t a t i o ns t a i n l e s ss t e e l s ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，n o n m e t a l i n c l u s i o n s ，c r y s t a ls i z e 第v i i 页 一i ：海人学硕一l j 学位论文 符吁表 h v ：维氏硬度- p e s r ：变压器输出功率k w p 咖：渣池的输入功率k w p e f f ：熔化电极所需功率k w q o z 为供氧量m 3 q c o ：c o 流量m 3 m i n ： q c 0 2 ：c 0 2 流量m 3 m i n ； q 废：废气流量单位m 3 m i n r m - 抗拉强度m p a r p 0 2 ：屈服强度m p a r s ：渣池电阻q r e ；除渣池以外的线路电阻q w ：钢水量t z ：废气中c 0 2 含量 r le ：电效率 r lh ：热效率 6 ：带钢厚度，单位m l n 符号表 第5 4 页 目录 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：逊2 壁! 曼曰 i ：海人学硕i ：学位论文 第一章 1 1 课题来源 第一章文献综述 本课题由钢种负责人提出，由宝钢股份特殊钢分公司科技管理部立项，属改 进型课题，课题编号k 0 6 s w w z 0 9 0 。 1 2 本课题的意义、目的和主要内容 宝钢股份特殊钢分公司生产外科植入物不锈钢已有2 0 多年的历史，生产的 品种日益多样化，有热轧棒、冷拉棒、冷拉异型材、盘条、线材和冷轧钢带等， 产品的质量有较大的提升，市场规模也日益扩大。但原有的工艺路线在产品质量、 生产成本和交货周期等方面存在不少缺点或不足。 为了尽可能解决上述问题，课题组利用宝钢股份特殊钢先进的长型材棒材生 产线，提出一条全新的生产工艺流程用于生产外科植入物不锈钢产品，目的是提 升产品质量，优化工艺流程。 连铸生产外科植入物不锈钢的工艺研究项目，从2 0 0 6 年8 月开始，至2 0 0 7 年1 0 月结束，获得了预期效果。 1 3 外科植入物不锈钢发展概况 1 3 1 国内的现状和发展趋势m 二十世纪八十年代前，我国外科植入物材料来源有两个，一个是依赖进口； 一个是采用工业用不锈钢( 如3 0 4 和3 1 6 l 等) 和工业用钛合金( 如t c 4 等) 。从 二十世纪九十年代至今，我国外科植入物矫形器械标准化技术委员会制定国家强 制标准，开始规范外科植入物金属材料的生产和验收。目前我国有能力生产外科 植入物材料的厂家只有宝钢股份有限公司特殊钢分公司、扰顺特殊钢( 集团) 有 限责任公司等少数几个企业儿1 。 本公司外科植入物不锈钢原有的生产工艺流程： 棒材和盘条：电炉+ 精炼+ 电渣+ 锻造开坯+ 热轧成材或电炉+ 精炼+ 电 渣+ 初轧开坯+ 热轧成材 第1 页 一i ：海人学硕l 学位论文第一章 冷轧带钢：电炉+ 精炼+ 电渣+ 锻造开坯+ 热轧带钢+ 冷轧带钏或电炉+ 精炼+ 电渣+ 初轧开坯+ 锻造开坯+ 热轧带钢+ 冷轧带钢。 上述产线冗长造成交货周期较长，生产成本较高，用户意见较大，且质量 上还存在一些问题。主要表现在： ( 1 ) 电渣增碳造成产品降标或报废； ( 2 ) 耐腐蚀性能不符合标准； ( 3 ) 非金属夹杂物超标； ( 4 ) 晶粒度粗大； ( 5 ) 材料的机械性能特别是强度和延伸率不符合标准等。 f 3 2 欧美国家的现状和发展趋势 欧美国家生产外科植入物不锈钢的历史很早，医疗卫生事业很发达，外科植 入物不锈钢的需求也加大，产品形状多种多样：圆钢、方钢、异形材、板带、无 缝管等，他们执行i s 0 5 8 3 2 标准制，对材料纯净度、晶粒度、强度指标、无磁性、 晶粒度、生物相溶性都有很高的要求。他们的冶炼大多采用真空感应或真空感应 + 电渣重溶等，深加工产品较多，在高端产品市场基本处于垄断地位。 1 4 不锈钢生产技术和装备 1 4 1 炉外精炼嘲 目前国内外不锈钢的精炼设备主要包括a o d 和v o d 四。 a o d 又称氩氧脱碳法( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) ，它是在大气压 力下向钢水吹氧的同时，吹入氩气或氮气等惰性气体，通过降低c o 分压以实现 脱碳保铬的目的。吹炼过程分为氧化期、还原期、精炼期 a o d 与电炉相比，有很多优点： 1 ) 容易生产低碳和超低碳不锈钢； 2 ) 可以利用廉价的高碳铬铁和返回钢生产不锈钢，降低生产成本； 3 ) 设备简单，操作方便，基建投资低和经济效益好。 目前国内外超过7 0 的不锈钢采用a o d 炉生产。 1 4 1 1a o d 炉的设备 a o d 炉设备一般包括4 个部分：炉子本体、供气系统、供料系统和除尘系 甜8 1 。 第2 页 海人学l 学位论文 镕一章 冈i 是a o d 炉的设舒示意舟 幽ia o d 炉的设备不意幽 l 一炉帽2 一风口3 - - 炉底 l4 12a o d 炉的冶炼工艺和技术 大部分的a o d 炉与e f 炉双联，其工艺流程是电炉初炼( 原料融化) 一a o d 氧化期- a o d 精炼( 还原) 。 1 ) 电炉初炼( 原料融化) ： 电炉的目的是通过电能加热原料，使原料熔清，当原料熔清l 凸时，可以吹 氧助熔，缩短冶炼时间，提高生产效率，当温度达到1 6 0 0 1 6 5 0 c ，碳含罱在1 0 1 5 、其它主要元素( 如c r 、n i 、m o ) 达到标准下限要求时，可以带渣出钢，将 钢水转移至a o d 炉。 2 1a o d 氧化期 氧化期的主要目的是吹氧脱碳。采用氲( 或氮气) 与氧的混合气体经过风口 吹入钢水。以实现低c o 分压下的脱碳。0 2 a r 比在吹炼的不同阶段有不同的要 求，前期由于钢水碳古量较高，需要消耗大量的氧气，一般吹炼前期氧气含量高， 如0 2 a r = 3 ；中期碳古量降到01 0 0 2 0 ，温度也逐步升高到1 7 0 0 2 以上，可 将0 2 a r 调整到2 门或1 l 的水平，继续吹氧下碳，同时必须加入一定数量的合 金调整成分或加八一定数量的冷却废钢降低铜水温度，减少钢水和炉渣对炉村的 侵蚀，有利于提高a o d 寿命和炉龄。后期继续降低0 2 a r 比至i 乃，将碳含量 降低到目标含量( 一般0 0 5 - 00 7 ) 。当利用a o d 冶炼超低碳不锈铜时，后期 0 2 a r 比需要进一步调整到1 4 9 1 。 当利用a o d 冶炼低i n 不锈钢时，要求采片j 纯氲吹炼。以使i n 达到标 准要求 1 0 】。 为了保护炉衬，钢水温度不得超过1 7 5 0 ( 2 。措施是向炉内加入冷却废钢或加 第3 页 e 海大学坝l 学位论立 第一章 入n i o 或其它合金料。 3 ) a o d 精炼( 还原) 。 a o d 精炼( 还原) 期的目的是通过加入f e s i 、m n s i 合金作为还原剂，将大 量氧化后被氧化渣吸附的( c r 3 0 4 ) 还原进入钢水，加如石灰和萤石造渣，造渣 时要求用氩气强烈搅拌，使钢渣反应加速，铬的回收率可达9 7 以上，另外一 个目的是造渣精炼，脱硫。脱硫一般采用单渣法，当要求较低的硫含量( 如s 0 0 0 5 ) 时，可采用双渣法。 精炼过程要多次取样分析，根据分析结果加入适当的合金，使合金成分符合 工艺要求”“。 14 13v o d 精炼 v o d 又称真空吹氧脱碳法( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) ，是通过真 空泵将钢包置于一定真空度环境下进行脱碳和脱气的精炼方法，一般用于冶炼超 低碳、 n o h 等气体含量要求低的不锈钢、轴承钢、高强钢等。 1 4 14v o d 炉的设备 v o d 设备包括真空罐、钢桶、真空泵、氧枪、加料系统、吹炼终点控制仪 表和取样测温装簧等。 图3 是v o d 炉的设各示意图： ，一! 孽! 薯 a 。r - m ml 璧鼍$ l ，i 。 稿 1 一氧枪：2 一取样，测温；3 一热电偶：4 一样勺：5 钢桶；6 一台金科仓 7 一罐盖；8 一防硪盖：9 - 废气温度测量；1 0 一真空罐i1 1 一滑动水口： 1 2 - - 冷却水泵：1 3 - e m k 电池；1 4 一水环泵 圈3v o d 炉的设备示意幽 1 1 真空罐 第4 页 i ：海人学确i j 学位论z 第一章 v o d 妒分罐式v o d 炉和桶式v o d 炉。前者是将钢包簧于真空罐内进行精 练；后者是钢也本身加真空盏，并在钢包q | 进行精练。两种v o d 炉各有优点和 缺点，但在生产史际q | 采j j 罐式v o d 炉i 与多数”“。 2 ) 钢椭 罐式v o d 炉的钢桶就是钢包，不设密封法兰自由空u j 较小，其密封通过 真空盖实现。 图3 是罐式v o d 炉的两种常用窑封结构。 ，确f 叶。i 耋7 。- 爹l 当昼 飞e 圈4 桶式v o d 炉的密封盖结构 3 ) 真空泵 一般v o d 炉配有多级真空泵，以保证达到较高的真空度要求。 4 1 氧枪 由于v o d 炉没有附加热源，氧枪的作用是吹氧脱碳，通过脱碳过程加热铜 水使钢水温度保持在1 7 0 0 左右的水平，得到超低碳钢。 5 1 加料系统 加料系统设簧在真空盖上。其目的是添加台金，调整合盒成分，般加入的 第5 页 i ：海人学硕1 ：学位论文第一章 合金数量较少，否则使钢水降温太多影响冶炼质量。 6 ) 吹炼终点控制仪表 吹炼终点控制仪表用于测量精炼过程炉气的c o 、c 0 2 和0 2 含量的变化， 确定何时吹炼结束。有以下几种方法来控制精炼的过程： a 计算法： 这是最简单的控制方法，吹炼前事先算出需要的供氧量，当吹炼过程消耗的 氧气达到计算值时，停止吹氧。 以下是瑞典某钢厂采用的供氧量计算公式： q 0 2 - - w ( 1 0 0 + z ) 9 3 2 a c - t - 8 a s i + 2 0 4 a m n + 2 8 8 a c r 式中：q 0 2 为供氧量，m 3 ； w 为钢水量，t ； z 为废气中c 0 2 含量，； c ，s i ，a m n ，a c r 为各自元素的脱除量。 b 压力、温度特征控制法： 利用真空度在精炼过程的变化可以确定停氧时间，图5 是v o d 精炼炉的典 型压力一碳含量一时问曲线。 露 鼷 熬 撅 韶 獭愚 簦 獠 楚 镫 k _ 甏溯纠孵 一 r 吣。 卜一 # 、攀n 图5v o d 精炼炉的典型压力一碳含量一时间曲线 为控制钢液沸腾，当真空室压力达2 6 6 6 k p a 时，开始吹氧。由于碳氧反应 放出大量c o 气体，压力迅速升高，随着碳含量的降低，脱碳速度下降，压力逐 渐下降，当真空室压力降到比最高峰值低1 0 6 7 1 3 3 3 k p a 时，钢种碳含量为 0 0 7 0 1 0 ，这时停止吹氧，开足真空泵使压力降至0 1 3 3 k p a 以下，进入碳脱 氧阶段。这种方法有较好的使用效果。 利用废气温度的变化特征也可以确定停氧时间， 图6 是v o d 精炼炉【c 】、废气压力、废气温度的变化过程。 第6 页 i ：海人学硕：l ：学位论文 第一章 霸撬_ 蛹雌 1 一压力，x1 3 3 3 3 p a ：2 一废气温度，；3 一 c 】 图6v o d 精炼炉【c 】、废气压力、废气温度的变化过程 吹氧过程碳氧发生反应，放出大量c o 气体和热量，使废气温度升高，随着 碳含量的降低，碳氧反应速度下降，废气温度也随之下降，当废气温度由3 0 0 。c 左右升高至6 0 0 再降至3 0 0 4 0 0 时，可以停止吹氧。 c 废气分析法： 图7 是v o d 精炼过程气相成分、压力的变化过程。 韵孵 麓 绻 秀 露 象 凄 露 图7v o d 精炼过程气相成分、压力的变化过程 吹氧开始后，碳氧发生反应，废气中c o 的含量突然升高至6 0 以上，随后 保持在5 0 6 0 约一段时间( 约3 0 m i n ) ，随后突然下降，标志碳氧反应结束，应 立即停止吹氧，继续在高真空度下进行碳脱氧。 d 气相定碳法 气相定碳法的原理是测定废气总量及其c o ，c 0 2 含量，用以计算脱碳量， 当达到预计的脱碳量时，停止吹氧。 计算方法如下： 第7 页 l ：海凡毕坝j j 学位论文 第一章 c o 流量：q c o - qm x c o ) ，( 标) m 3 r a i n ； c 0 2 流量：q c 0 2 = q f c 0 2 1 ，( 标) m r a i n ； 式中q 目为废气流量，m 3 r a i n 脱碳量为w c = 1 2 ( q c o + q c o z ) 2 2 4 ，k g m i n 吹氧t m i n 后脱碳量累计为：w 。_ = 罗胁，k g i 这时钢水含碳量为： c 8 = g 百 地而1 = - i - w f e 一, g x 1 0 0 ， 式中g 为钢水量； y 为钢水的烧损率。 在某些情况下，当废气流量q 。不易测量或不易准确测量时，可用加入定量 惰性气体( 如氩气) ，测定惰性气体的百分古量，计算出废气流量q 一： q 5 q a 啪，m i n i n 。 e 氧浓差电池法 图8 是某钢厂v o d 炉氧浓差电池测量装茕。 i 一真空室；2 一精炼钢橘；3 _ 一拉瓦尔式水冷氧枪：4 一氨气瓶；5 一小型真空泵 6 一氧浓差屯池测量装置：7 一除尘嚣：8 一水环泵；9 一蒸汽喷射泵 图8 某钢厂v o d 炉氧浓羞电池测量装簧 图9 是v o d 炉精炼过程中氧浓差电势值变化的典型曲线。 毓 墓 ! 耋 ：蓍 茸 图9v o d 炉精炼过程中氧浓差电势值变化的典型曲线 第8 页 上海人学硕：b 学位论文 第一章 当开动真空泵，没有吹氧时，脱碳反应没有进行，基本不含c o ，废气中的 氧分压相当于参比气( 空气) ，氧电势为零。开始吹氧后，脱碳反应进行，放出 大量c o 气体，使c o c 0 2 维持在较高水平，氧电势突然上升到8 0 0 m v 以上， 并保持一段时间( 一般为2 0 2 5 m i n ) ，当碳氧反应达到平衡时，碳氧反应结束， 氧电势突然下降接近零，这时停止吹氧。随着真空度的降低，开始碳脱氧过程， 氧电势又突然升高，1 5 m i n 左右碳脱氧结束，氧电势重新下降为零。 7 ) 取样测温装置等 取样装置用于取样测试钢水化学成分，指导添加合金和吹氧等重要的工艺操 作。测温用于监控精炼过程的钢水温度，确定指导精炼过程和出钢过程。 1 2 1 5 v o d 炉的工艺和技术 将a o d 出钢的钢水倒入钢包，调入真空罐，盖好真空盖，开始抽真空并吹 入氩气，当达到一定真空度后，开始吹氧脱碳，由于降低了气体分压，使脱碳反 应充分，碳含量达到非常低的水平。 v o d 一般用于冶炼超低碳、要求较低的气体含量、含有a l 、t i 等易烧损元 素且范围较窄的钢种【1 3 】【14 1 。 真空度较高的v o d 炉，最低碳含量能达到0 0 0 5 0 0 1 的水平。另外氮、氧、 氢含量均有大幅下降川。 1 4 。2 电渣重熔e s r 孙7 1 4 2 1 电渣重熔的装备 电渣重熔是金属及其合金的一种特殊熔炼方法。电渣重熔属于二次精炼，也 称电渣精炼。电渣电极可以由电炉电极、中频感应电极、真空感应电极提供。电 渣重溶的目的是在初炼的基础上进一步提纯金属或合金，降低夹杂物水平，改善 金属或合金的结晶组织。 电渣重熔的优点表现在： 1 ) 气体含量较低：电渣过程有液态渣层保护或惰性气体保护，钢液重熔过程与 大气隔绝，有效降低钢水氮氧清含量，另外融化和结晶是在水冷铜质结晶器 完成，没有耐火材料污染钢水的缺点，氧化物夹杂少。 2 ) 有效去除有害杂质和非金属夹杂：电渣重熔的渣池温度通常高于1 7 5 0 ，靠 近电极下端的熔池中心区域温度可达1 9 0 0 ，高温熔池促进了非金属夹杂物 去除反应的热力学条件，电极熔化的钢液体积很小，小液滴通过渣层进入金 属熔池，钢渣接触面积非常大，有资料记载可达3 2 0 0 m m 2 g ，加上电磁力对 渣池的充分搅拌，钢渣反应的动力学条件很好，夹杂物的去除非常有效o 。 3 ) 结晶组织均匀致密：上部的电极熔化和下部的熔融金属的冷却结晶同时进 第9 页 l 沸人学硕士学位论文 第一章 行，钢锭上端始终有液态金属熔池和发热的渣池，液态金属不断填充凝固收 缩产生的缩孔，有效消除一般铸锭常见的疏松和缩孔，钢锭组织均匀致密。 4 1 电渣锭表面光滑：光滑的表面可以大幅度减少坯或材的精整或剥皮量，提高 成材率。 图1 0 是电渣炉的设备示意图： 1 一白耗电极：2 一水冷结晶器；3 一渣池；4 一金届熔池；5 一渣先； 6 一钢锭：7 一底水箱：8 一熔滴；9 变压器；1 0 - 短网导缆 图l o 电渣炉的设辑示意i 雩i 电渣过程描述：在铜质水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极自立 插入结晶器，接通电源，高电阻的炉渣产生热量而逐步融化，形成渣池，渣池温 度远大于金属熔点，自耗电极受熟后融化，形成液滴，穿过渣池进入会属熔池， 结晶器中的冷却水使熔池逐步凝固，形成钢锭，自耗电极不断下降融化，金属熔 池从下到上逐步凝固，直至结束”。 1 4 2 2 电渣重熔的工艺和技术 炉渣在电渣冶金中有十分重要的作用，行话说：炼钢就是炼渣，足以说明炼 渣的重要性【2 0 j 【2 ”。 炉渣在电渣冶金中的作用有2 个： 发热体的作用：炉渣电阻很大，发热后融化形成渣池，为融化电极提供热量。 精炼作用：钢渣界面有利的热力学条件和动力学条件，使钢渣界面发生脱硫、 脱气和吸收非金属夹杂物的效果。 渣系的选择与应用 如何选择合理渣系，应从电耗多或少、生产率高或低、电渣表面质量好或坏、 冶金质量好或坏等几方面来综合考虑。 1 ) 渣系对重熔电耗和生产率的影响 电效率的定义： n f 告= 丽r s 第l o 页 篷 一日7 l 。海 学l 学住址女 苒一 热教率的定义：q = ：! 堡 p 一 能量利川奉的定义：n = qe nh 式中：ne 为r b 敏率 nh 为热效率 p 嗽为变j e 器输山功率k w p 。为i 鸯池的输入功率k w p c 为熔化屯极所需功率k w r s 为渣池电阻q r e 为除渣池以外的线路电阻，o 依据以 ：理论，提出减少电耗、提高生产牢的措施： 提高渣池电阻、降低短网电阻：采用电阻高的渣系可减少电耗。 选用粘度低和导热系数低的渣系：有利减少散热，减少啦耗。 选用l 乜导率高的渣系：低氟渣或无氟渣的电导牢高，所以采用低氟淹或无氟 清可减少电耗。 2 ) 渣系对电渣锭表面质量的影响 2 司 图1 l 是电渣重熔过程中钢锭成形过程示意图： l 一渣平面；2 一熔渣；3 - 凝同渣i4 一i 能的收缩间隙；5 - 金属平面 6 一滴重新融化并被金属取代：7 一部分重新熔化清；8 一金属开始凝同；9 一收缩n j 隙 图1 ii b 渣重熔过程中钢锭成形过程示意 鳘i 一般选用熔点低、粘度小和导热系数大的渣系，有利获得光滑的电渣锭表面。 氟化钙台盘较高的炉渣一般具有较低的熔点、粘度较小、导热系数高，所以通常 能获得非常光滑的电渣表面。 3 j 渣系对冶命质量的影响 a 台金元素的烧损“ 图1 2 是渣系碱度对c 、s i 、m n 烧损的影响。 第l l 面 t 海人学碘l 岸位论文镕一章 a n r j ：，- o r $ ：h 削】2 清系碱度对c 、s i 、m n 烧损的影响 般把渣系碱度控制在l 一2 ，确保s i 、m n 的烧损控制在较低的范围。 般不衍泼元素，如n i 、w 、m o 、c o 等几乎不烧损，c r 硝有烧损，活泼元 索的烧锬比较大，如a l 、t i 的回收率一般4 0 - 5 0 b 除气 图1 3 魁熔渣碱度和a 1 2 0 】含量对电渣锭氧含最的影1 桐。 曼 6 一 ，o ，。 嘲】3 揭! 浒碱度带ia 1 2 0 ，含量对i b 渣锭氧含量的影响 一般来说，提高炉渣碱度- 丌大幅降低氧含量：提高炉渣a 1 2 0 3 含量也可大幅 降低氧含量。 根据l b 渣重熔实际，氧含量的脱除率可达4 0 - 5 0 提高炉渣d 2 0 3 含量，同时配入一定含量s i 0 2 ，对脱氢产生非常有利的影响； 炉渣c a o 含量高则会明显提高氢含量。 一般无保护气氛的电渣重熔时，氮含量有适当降低，一般在2 0 3 0 但当 钢种含有t i 、n b 、z r 等易形成氮化物时，还会适当增加氮含量；当有保护气氛 时，可以有效降低氮翕量水平。 c 脱硫 第1 2 页 i ：海人学硕1 j 学位论文 第一章 一般电渣重熔的脱硫效率很高，在5 0 8 0 。采用较高碱度( 采用c a o 含量 较高，a i 2 0 3 和s i 0 2 较低的熔渣) 的熔渣可以大幅提高脱硫率。氩气保护气氛电 渣，由于气相氧压低而抑制脱硫，大气下脱硫率大于5 0 ，而在氩气保护气氛 下脱硫率2 5 。 图1 4 是在c a f 2 渣系中添加c a o 和a 1 2 0 3 对脱硫效率的影响。 艚 泌 _ 甏t 汤胡f 1 谫k 嘲勃- 。_ 嘲叫胡：珈警矿嗍鲶 图1 4 在c a f 2 渣系中添加c a o 和a 1 2 0 3 对脱硫效率的影响 脱硫过程的冶金反应主要是渣一金脱硫，表述如下： 渣一金反应： s + ( 0 2 一) = ( s 2 ) + o 】，提高熔渣碱度有利于脱硫。 d 去除夹杂物 电渣能大幅去除夹杂物的原因是熔渣与重熔液滴充分接触，夹杂物能有效被 熔渣吸附而去除。熔渣a 1 2 0 3 含量在3 0 左右，c a o 含量在1 0 - 2 0 时，能达到 最佳的去除夹杂物效果，但要注意控制熔渣s i 0 2 的含量在较低水平。 图1 5 是熔渣s i 0 2 含量对夹杂物尺寸的影响。 逼 1 ” 测 襻 该 朔麟 凝绎酬燃列极 图1 5 熔渣s i 0 2 含量对夹杂物尺寸的影响 4 ) 镍基合金中a l 、t i 成分的控制 不锈钢或镍基高温合金通常含有铝和钛等易氧化元素。为了保证铝和钛的收 得率，减少铝和钛得烧损，必须选用合理的电渣工艺m 。 提高t i 的收得率措施有： 初炼电极配入适当的a l 含量，熔渣中配入适当的t i 0 2 ，实现加铝保钛的目 第1 3 页 r 辫 学顾1 擘位论z第章 的。重熔时有以f 反应：3 t i + 2 ( a 1 2 0 3 ) = 4 a 1 1 + 3 0 i 0 2 ) 圈1 6 是熔渣t i 0 2 含罱对电渣锭a l t i 含量的影响。 43 小方坯连铸 ， 叫 删1 6 熔渣 r i 0 2 含量对电渣锭a l t i 含量的影响 143 1 适铸装备 目前国外连铸比超过9 0 ，国内连铸比也有太幅度的提高，超过8 0 ，连 铸的优点很多，金属收得率高，热连轧的实现使能量的消耗少，成本低等等，连 铸设备己普遍用于国内外钢铁企业。 按照结晶器是否移动连铸机可分成两大类：固定式和同步式。 固定式连铸机包括立式、立弯式、弧形、椭圆形、水平式等。其中弧形连铸 机应用最多。 图1 7 是周定式连铸机的示意图。 i 趣 强醴夏 段 立式连铸机；2 一立弯式连铸机：3 一直结晶器多点弯曲连铸机；4 一直结晶器弧形连铸a t ； 5 一弧形连铸机；6 一多半径弧形( 椭圆形) 连铸机：7 一水平式连铸机 图1 7 同定式连铸机的示意图 同步式连铸机包括双辊式连铸机、双带式连铸机、单辊式连铸机、单带式连 第1 4 页 弭，丞 谚一 擎曲 墨 “ 第一章 铸机、轮带式连铸机等等。 图1 8 是同步式连铸机的示意图。 5 1 一双辊式连铸机；2 一单辊式连铸机；3 一双带式连铸机： 4 一单带式连铸机；5 一轮带式迮铸机 图1 8 同步式连铸机的示意图 按照铸坯断面形状分类，有方坯连铸机、园坯连铸机、板坯连铸机、异形坯 连铸机等等。 国内外钢铁企业大量采用连铸，是因为连铸与模铸相比，有许多优点： a 简化了工序，缩短了流程； 模铸生产使增加了钢锭精整、钢锭加热和初轧开坯等工序，流程长，能量消 耗多。连铸坯可以直接轧制，而且现在一般还是热连轧，减少料能量消耗。 b 提高了金属收得率； 模铸有冒口，冒口要切除，收得率一般为8 4 8 8 。连铸的切头尾少，一般 连铸的收得率高达9 5 9 6 。 c 降低了能量消耗； 模铸生产使增加了钢锭精整、钢锭加热和初轧开坯等工序，流程长，能量消 耗多。连铸坯可以直接轧制，而且现在一般还是热连轧，减少料能量消耗。 d 生产自动化程度高； e 提高了质量，扩大了品种。 1 4 3 2 不锈钢连铸工艺和技术 不锈钢的特点和连铸工艺【2 5 】 第1 5 页 i ：海人学硕：i ：学位论文 第一章 不锈钢由于含有c r 、s i 、m n 、a 1 、t i 等易氧化元素，它们容易和氧和氮反 应，生成c r 2 0 3 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 、t i n 、t i ( c n ) 、s i 0 2 、m n o 等氧化物和氮化物， 所以连铸工艺不同于碳钢和合金钢。 不锈钢在凝固过程有3 个脆性区域： a 在钢液凝固温度附近有脆性区，形成晶界脆性：主要是易偏析元素及夹杂物 向未凝的母液推移、富集，致使晶界强度降低。 b 在1 2 0 0 9 0 0 范围，拉坯过程有脆性区：当铸坯弯曲、矫直的变形速度大于 再结晶速度时，产生脆性，引发裂纹。 c 9 0 0 7 0 0 时由于低熔点硫化物、碳化物和氮化物析出，或者奥氏体向铁素体 相变，两者膨胀系数的差异导致裂纹发生。 有马氏体相变的不锈钢( 如2 c r l 3 ) ，在冷到3 0 0 2 0 0 时，发生奥氏体到马 氏体的转变，体积膨胀，引起组织应力而形成铸坯的脆性。 当不锈钢含有t i 和a l 时，由于形成高熔点化合物a i 2 0 3 和t i n 、t i 0 2 ，容 易发生结晶器渣壳堵塞。 在制定不锈钢连铸工艺时，要注意以下一些问题： a 采用大容量深熔池的中间包，制定合理的中i i 白j 包冶会工艺，提高钢液纯净度， 降低气体含量。 b 不锈钢连铸相对碳钢，应选用较高的过热度，一般控制在3 5 4 0 * ( 2 ，以防停 浇。 c 全程采用氩气保护浇注，防止空气中吸入氮气和氧气。 d 选用低碱度、粘度稍高的保护渣：如碱度c a o s i 0 2 = o 5 0 6 ，熔点为 1 0 0 0 1 1 0 0 ，粘度为o 1 4 0 3 1 p a s ( 温度1 3 0 0 ) 的保护渣效果很好。 e 浸入式水口出孔向上倾角在1 0 1 5 。，以免钢液结壳，有利于液渣吸收夹杂 物。 f 结晶器采用弱冷却、高频率和小振幅，防止铸坯表面产生凹坑缺陷【2 6 】【2 7 】【2 8 1 。 g 奥氏体不锈钢的高温强度和延性较好，可采用高拉速；奥氏体不锈钢的热膨 胀系数和导热系数大，二冷区强度可大一些，比水控制在1 3 l k g 。 铁素体不锈钢的高温强度较低可采用低拉速；铁素体不锈钢的导热系数