（钢铁冶金专业论文）结晶器喂稀土丝条件下板坯连铸09cuptire工艺开发.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 结晶器喂稀土丝条件下板坯连铸0 9 c u p t i r e 工艺开发 摘要 随着用户对低合金钢和合金钢需求的不断提高，在连铸结晶器中喂入稀土丝 以提高钢质成为当今的研究热点之一。如果稀土在连铸生产过程中使用不当会经 常出现漏钢、水口结瘤、稀土回收率较低、钢中有较大夹杂等问题，严重影响连 铸坯质量和生产节奏的控制，本文结合宝钢梅山钢铁公司稀土处理钢0 9 c u p t i r e 工艺开发项目，通过实验室研究并结合工业现场试验对以上问题进行研究，并提 出了合理的工艺改进方案。 本文以q 2 3 5 为结晶器喂稀土丝条件下板坯连铸0 9 c u p t i r e 2 1 2 艺开发的实验钢 种，在试验初期计算确定了结晶器喂稀土丝喂丝的喂入量和喂入速度，由于活泼 的稀土元素极大地破坏了结晶器保护渣的物化性能，在试验中期采用了包芯稀土 丝喂入工艺，稀土丝外加金属皮使传热条件改变，通过计算确定了包芯稀土丝的 喂入深度，喂入深度的调整为稀土元素在钢中的分布更加均匀奠定了理论基础。 在试验后期测定了连铸坯试样的稀土含量、硫含量以及钢中夹杂物的种类、形态、 大小、数量和分布等，分析了稀土在铸坯中的分布规律和 r 明 s 】的波动情况对铸 坯质量的影响，并做了铸坯冷弯对比试验，最后编制了结晶器喂稀土丝的生产工 艺流程。 把试验钢种q 2 3 5 结晶器喂稀土丝工艺参数作为基础对稀土处理钢 0 9 c u p t i r e 的工艺参数进一步优化设计，针对结晶器喂稀土丝条件下板坯连铸 0 9 c u p t i r e 在生产过程中出现漏钢频率高、拉坯速度慢等关键性问题，开发了稀土 处理钢0 9 c u p t i r e 的结晶器专用保护渣；优化设计了0 9 c u p t i r e 板坯连铸二冷配 水系统。 采用金相分析、扫描电镜断口分析和能谱分析等检测手段分析了结晶器喂稀 土丝工艺对0 9 c u p t i r e 显微组织的影响；采用力学性能检测手段分析了结晶器喂 稀土丝工艺对0 9 c u p t i r e 力学性能的影响。 关键词0 9 c u p t i r e结晶器稀土丝二冷配水保护渣 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c r r t h et e c h n i c sd e v e l o p m e n to f0 9 c u p t i r es t e e ls l a b c o n t i n u o u sc a s t i n gi nc o n d i t i o no f f e e d i n gr a r e e a r t h w i r ei nm o u l d a b s t r a c t w i t hc o n t i n u a li m p r o v e m e n to f t h ec o n s u m e r s d e m a n do f l o wa l l o ys t e e la n da l l o y s t e e l ，f e e d i n gal i t t l eo fr a r ee a r t hw i i 沁i nm o u l do fc o n f i n u o u sc a s t i n g ，i m p r o v i n gt h e q u a l i t yo fa l l o ys t e e lh a sb e e no n eo ft h eh o t t e s ts t u d ys u b j e c t s i th a so f t e ns e v e r a l d e f e c t si nt h ep r o d u c ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n gi ft h er a r ee a r t hw i r eu s e d i m p r o p e r l y , s u c ha sb r e a k o u t ，w a t e rg a pt u m o u r , l o w e rr a r ee a r t hr e c u p e r a t er a t i o ， l a r g ei n c l u s i o n si ns t e e l ，a n ds oo n t h e s ed e f e c t ss e r i o u s l ya f f e c t t h e q u a l i t y o f c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a ba n dt h ec o n t r o lo fp r o d u c tr h y t h m c o m b i n i n gt h ep r o j e c to n t e c h n i c sd e v e l o p m e n to nr a r ee a r t hs t e e l i nb a o s t e e lm e i s h a ns t e e lc o m p a n y , t h i s a r t i c l eh a sp u tf o r w a r dr e a s o n a b l et e c h n i c si m p r o v e m e n tp r o g r a mb ym e a n so fl a b s t u d ya n di n d u s t r i a ls i t et e s t t h i sa r t i c l et a k e sq 2 3 5a st h ek i n do fc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b0 9 c u p t i r et e c h n i c s d e v e l o p m e n tt e s ts t e e lo nf e e d i n gr a r ee a r t hw i r ei nm o u l dc o n d i t i o n i nt h ei n i t i a l s t a g e so ft e s t w ec o n f i r m e dt h eq u a n t i t ya n dv e l o c i t yo ff e e d i n gr a r ee a r t hw i r ei n m o u l d d u et ot h ea c t i v el a n t h a n i d es e r i o u s l yd e s t r o y e dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c c a p a b i l i t yo fm o u l df l u x w r a p p e dc o r er a r ee a r t hw i r ef e e d i n gt e c h n i c sw a su s e di n t h em e t a p h a s e b e c a u s em e t a ls k i ni na d d i t i o nr a r ee a r t hw i r ec h a n g e dt h ep a s s i n gh e a t c o n d i t i o n t h ef e e d i n gd e p t ho fw r a p p e dc o r er a r ee a r t hw i r cw a sc o n f i r m e db y a c c o u n t i n g ，t h ea d j u s t i n go ff e e d i n gd e p t he s t a b l i s h e dt h e o r yf o u n d a t i o nf o rd i s t r i b u t i n g o fl a n t h a n o ni n s t e e l h lt h ea n a p h a s eo ft e s t , l a n t h a n i d ea m o u n t 。s u l p h u ra m o u n to f c o n t i n u o u sc a s t i n gf l a ns a m p l ea n dt h es p e c i e s ，f o r m ，s i z e ，q u a u f i t gd i s t r i b u t i n go f i n c l u s i o n sw a sd e t e r m i n e d ，l a n t h a n i d ed i s t r i b u t i n gr u l ei nc a s t i n gf l a na n dt h ee f f e c to n q u a l i t yo fc a s t i n gf l a nb yt h ef l u c t u a t eo f r e s 】w a sa n a l y z e d ，t h ec o l db e n dc o n t r a s t t e s tw a sa l s ob ed o n e ，a tl a s tp r o d u c et e c h n i c sf l o wo fc r y s t a lv e s s e lf e e d i n gl a n t h a n i d e t h r e a dw a sw o r k o u t e d f u r t h e ro p t i m i z e dd e s i g no ft e c h n i c sp a r a m e t e ro fr a r ee r l t hs t e e l0 9 c u p t i r e b a s e do nt h et e c h n i c sp a r a m e t e ro fq 2 3 5 ，a i m e da tt h ek e yq u e s t i o n si nt h ec o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t ，s u c ha sh i g hf r e q u e n c yb r e a k o u t ，s l o wd r a ws l a bv e l o c i t y , s p e c i a l m o u l df l u xf o r0 9 c u p t i r ew a se m p o l d e r e d ，a n dt h es e c o n d - c o o l i n gw a t e rs y s t e mo f i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 0 9 c u p t i r ec o n t i n u o u sc a s t i n gs l a bw a sa l s oo p t i m i z e dd e s i g n e d u s i n gm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，s c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p eb r o k e ns i d ea n a l y s i sa n d e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i si nt h es t u d y , w ea n a l y z e dt h ee f f e c to ff e e d i n gr a r ee a r t h w i r ei nm o u l dt e c h n i c so nt h e0 9 c u p t i r eo nm i c r o s t r u c t u r eo fs t e e la n da n a l y z e dt h e m e c h a n i c a lc a p a b i l i t ye f f e c to ft e c h n i c so ff e e d i n gr a r ee a r t hw i r ei nm o u l do n 0 9 c u p t i r et h eb yu s i n gm e c h a n i c a lc a p a b i l i t ym e a s u r em e a n s k e yw o r d s 0 9 c u p t i r em o u l dr a r ee a r t h 、v i r e s e c o n d - c o o l i n gw a t e r m o l df l u x - i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毕i 辛h 日 期：净d o6 、厶刀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 f 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是世界稀土资源和产量第一的稀土大国，现已探明我国稀土的工业储量 f 以稀土氧化物计) 达3 6 0 0 万吨，为西方国家已知储量的五倍，可以从廉价的铁精 矿浮选副产品或高炉富稀土渣中提取稀土产品【l 】。虽然我国是世界钢产量第一的钢 铁大国，但并非钢铁强国，把稀土这个高技术材料作为钢铁产业的一个重要武器， 在低合金和合金钢中加入微量稀土，提高钢质、增强国际竞争力，把稀土的资源 优势转化为钢的品种优势和经济优势具有十分重大的意义。 随着冶炼技术和炉外处理技术的发展，钢水的洁净度不断提高，而在高洁净 度条件下稀土在钢中具有奇特的作用。经稀土处理的汽车大梁钢板和大轿钢板横 向冲击韧性提高5 0 以上，经稀土处理的石油开采用的无缝钢管的耐腐蚀性能提 高6 0 ，实践证明在钢的冶炼过程中经过稀土处理是提高钢质、发展新品种的有 效措施之一【2 】。目前稀土在钢中的作用机理及对铸坯和钢材性能的提高和改善已做 了大量的研究和实验，形成了多种稀土加入工艺，而且已经在实际生产中得到了 广泛应用，就连铸而言有炉内加入法、包中加入法、钢包喷粉法、中间包喂丝法、 结晶器喂丝法等多种工艺方法1 3 】。大量的生产实践表明，结晶器喂稀土丝工艺是伴 随着连铸生产工艺发展起来的、为提高铸坯质量的一项有效措施，也是钢包炉外 精炼技术的深发展，该工艺属后期稀土加入工艺，具有稀土回收率高、能有效改 善钢中硫化物夹杂形态和分布、提高钢的冲击韧性等特点，是稳定和提高产品质 量、开发新钢种的有效手段【4 j 。 1 2 国外稀土处理钢的发展概况 稀土在钢中的应用是一个古老而又新型的课题，1 9 6 8 年美国j o n e sl ，a w g h l i n 钢铁公司用稀土成功解决了新研制的v a n 8 0 钢的质量问题，至此稀土在钢中的应 用得到进一步发展【5 1 。7 0 年代稀土在钢中的应用几乎都直接与硫化物形态控制有 关，8 0 年代以后，稀土在炼钢中得到大量应用，开展的稀土在低硫钢中的作用、 稀土的微合金化作用、稀土和钙双重处理、稀土对低熔点有害杂质的作用等研究 均取得一定成就，在此基础上又确定了一批新的高质量稀土处理钢型号。进入9 0 年代，随着钢铁工业的发展，出现了众多与稀土有关的课题，炉外精炼、模铸、 连铸等不同工艺的稀土应用领域，极大地推动了稀土处理钢生产的发展 6 1 。日本没 有稀土资源，考虑成本的原因，在低合金钢中基本不用稀土，而在电热合金及轴 东北大学硕士学位论文第一章绪论 承钢等部分合金钢中用稀土；瑞典开发的加稀土耐热钢2 5 3 m a 高温持久强度比不 加稀土的提高2 0 - - 4 0 ：法国研制的新型抗渗碳合金x m 、x t m 加入微量稀士获 得了优异性能，使其在世界石化行业中普遍应用；稀土资源丰富的美国和俄罗斯， 不但稀土处理高合金钢，而且在低合金钢中也使用稀土l 刀。 1 3 国内稀土处理钢的发展概况 在钢的冶炼中应用稀土是我国推广稀土应用最早的领域之一，通过冶金工作 者5 0 多年的努力，我国已研制出稀土耐热钢、稀土耐磨钢、稀土耐腐蚀钢和稀土 高强度低合金等8 0 多个钢号，产量也逐年增加，现在我国的稀土处理钢年产量达 到1 0 0 多万吨，但稀土处理钢的品种、质量与国外先进水平相比，还存在相当大 的差距【8 j 。 f 1 ) 针对不同新钢种，稀土加人方法与加人量有待优化； ( 2 ) 过于注重要求钢材有高的强度和韧性，稀土在钢中的综合作用有待进一步 挖掘； ( 3 ) 稀土处理钢品种过于单一，产量也数量少，稀土在钢中的应用研究在品种 和数量上还有不少扩充余地； ( 4 ) 稀土与其它元素的综合作用有待于进一步深入研究： ( 5 ) 稀土加人工艺及设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度 自动化、连续化要求； 佑) 稀土在各类钢中的作用机理研究还不深入。 由于稀土是钢中较好的硫化物形态的控制元素，并且稀土添加在钢中还可以 起细化晶粒、微合金化以及净化等作用，因此我国炼钢工业利用稀土处理钢仍有 很大潜力，需要广大科研工作者继续努力，依靠科技进步，把稀土处理钢在品种 和质量上都提高到一个新的水平，减少进口、提高钢质，增强国际市场上的竞争 力，把稀土资源优势转化为钢的品种优势和经济优势，其发展前景十分广阔。 1 4 本课题的提出 国内外的钢铁生产实践表明，钢在冶炼过程中经过稀土处理，可以对钢的性 能产生一系列的有利作用，而稀土加入工艺对稀土处理的效果有决定性的影响， 加入工艺的研究和改进一直是稀土在钢中应用的关键性课题。传统的稀土加入方 法主要有稀土硅铁合金大包投入法、大包压入法、钢包喷吹稀土硅铁粉法、钢包 喂合金包芯线法、模铸中注管加入法、模内吊挂稀土金属棒法等，采用传统的加 稀土工艺，稀土的回收率较低，钢中稀土的成分波动很大，而且稀土氧化产物是 导致水口堵塞的重要原因。稀土应用不当会恶化钢水流动性、导致水口结瘤、连 东北大学硕士学位论文第一章绪论 承钢等部分合金钢中用稀十：瑞典丌发的加稀土耐热钢2 5 3 m a 高温持久强度比不 加稀土的提高2 0 - - 4 0 ：法国研制的新型抗渗碳台会x m 、x t m 加入微量稀十获 得了优异性能，使其在世界石化行业巾普遍应用；稀土资源丰富的美国和俄罗斯， 不但稀土处理高合金钢，而且在低合金钢中也使用稀土1 7 j 。 1 3 国内稀土处理钢的发展概况 在钢的冶炼中应用稀土足我国推广稀土应用最早的领域之一，通过冶金工作 者5 0 多年的努力，我国己研制出稀土耐热钢、稀土耐磨钢、稀土耐腐蚀钢和稀士 高强度低合金等8 0 多个钢号，产量也逐年增加，现在我国的稀土处理钢年产量达 到1 0 0 多万吨，但稀士处理钢的品种、质量与国外先进水平相比，还存在相当大 的差距j 。 ( 1 ) 针对不同新钢种，稀土加人方法与加人量有待优化； ( 2 ) 过于注重要求钢材有高的强度和韧性，稀土在钢中的综合作用有待进一步 挖掘； ( 3 ) 稀土处理钢品种过于单一，产量也数量少，稀土在钢中的应用研究在品种 和数量上还有不少扩充余地； ( 4 ) 稀上与其它元素的综合作用有待于进一步深入研究； ( 5 ) 稀土加人工艺及设各尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度 自动化、连续化要求； ( 6 ) 稀土在各类钢中的作用机理研究还不深入。 由于稀土是钢中较好的硫化物形态的控制元素，并且稀土添加在钢中还可以 起细化晶粒、微合余化以及净化等作用，冈此我国炼钢工业利用稀土处理钢仍有 很大潜力，需要广大科研工作者继续努力，依靠科技进步，把稀土处理钢； 午! 品种 和质量上都提高到一个新的水平，减少进口、提高钢质，增强国际市场上的竞争 力，把稀土资源优势转化为钢的品种优势和经济优势，其发展前景十分广阔。 1 4 本课题的提出 国内外的钢铁生产实践表明，钢在冶炼过程中经过稀土处理，可以对钢的性 能产生一系列的有利作用，而稀土加入工艺对稀土处理的效果有决定性的影响， 加入工艺的研究和改进一直是稀土在钢中应用的关键性课题。传统的稀土加入方 法主要有稀土硅铁合金大包投入法、大包压入法、钢包喷吹稀土硅铁粉法、钢包 喂合金包芯线法、模铸中注管加入法、模内吊挂稀土金属棒法等，采用传统的加 稀土工艺，稀土的回收率较低，钢中稀土的成分波动很大，而且稀土氧化产物是 导致水口堵塞的重要原囚。稀土应用不当会恶化钢水流动性、导致水口结瘤、连 导致水口堵塞的重要原冈。稀土应用不当会恶化钢水流动性、导致水l 结瘤、连 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 铸不顺、拉速被迫降低等问题，而水口结瘤是由于高熔点稀土夹杂物大量聚集而 成，曾经是阻碍稀土钢发展的一个难剐9 1 。通过对结瘤物的分析研究，认为结瘤是 由于以聚集的稀土脱氧脱硫产物r e 2 0 2 s 为核心，结合r e a l 0 3 形成铝酸稀土包围 稀土硫氧化物，该产物遇硅铝质水1 ：3 砖，在其表面形成铝酸稀土长大形成水口结 瘤，水1 3 打乱了炼钢厂的正常生产节奏，影响到铸坯的表面质量和内部质量，降低 钢水收得率【1 0 l 。目前开发应用的结晶器喂稀土丝工艺避开了大包和中包的浇注水 口结瘤问题，将稀土丝通过专用喂入设备赢接插入结晶器钢水中，实现了炼钢加 稀土工艺的创新，检测证明，该工艺既可较准确地控制钢中的稀土含量，铸坯横 向断面和长度纵向稀土的分布基本均匀，保证了炼钢连铸生产节奏u “。 1 5 研究的主要内容 连铸结晶器喂稀土工艺在宝钢梅山钢铁股份公司是一项开拓性的工作，本论 文结合梅钢的钢种、铸机特点和工艺控制条件主要研究一下内容。 f 1 ) 开发结晶器喂稀土工艺研究 完成了喂丝机的选型、稀土丝组分及规格的选择和初步操作工艺的确定，完 成稀土喂入量，位置、速度、深度与钢种、成分( 特别钢中 s 】、【o 】的含量) 、凝固 特点、铸坯规格以及连铸工艺参数的最佳匹配方案，实现了用较少的稀土加入量， 获得较高的稀土收得率和较高的钢的综合性能； f 2 ) 0 9 c u p t i r e 板坯连铸关键技术 主要完成了稀土处理钢0 9 c u p t i r e 专用保护渣的设计；优化设计了0 9 c u p t i r e 板坯连铸二冷配水系统，并应用a n s y s 有限元分析软件对板坯二冷段进行了温度 场模拟；0 9 c u p t i r e 各扇形段水流密度的计算；9 c u p t i r e 成分控制技术；0 9 c u p t i r e 连铸生产的中间包冶金技术；0 9 c u p t i r e 拉速控制技术。应用这些关键性技术来指 导0 9 c u p t i r e 板坯连铸生产，并在实际生产中取得了良好的效果。 f 3 ) 在稀土处理钢性能研究 中采用金相分析、扫描电镜断口分析和能谱分析等多种检测手段分析了结晶 器喂稀土丝工艺对0 9 c u p t i r e 显微组织的影响；采用多种力学性能检测手段分析 了结晶器喂稀土丝工艺对0 9 c u p t i r e 力学性能的影响。 1 6 本课题的意义 本论文对稀土在钢中的作用机理及对铸坯性能的提高和改善做了深入的研 究，尤其是稀土元素对铸坯内部夹杂物形貌、钢水的净化以及对钢材的力学性能 的影响作了详细的阐述。目前稀土处理钢已经得到了广泛应用，其稀土加入工艺 方法较多，但是各工艺都存在不同的难点，例如，中间包喂稀土丝工艺虽然稀土 东北大学硕士学位论文第一章绪论 氧化物在铸坯中分布均匀，但是浸入式水口的堵塞一直是生产中的难点，而结晶 器喂稀土丝解决了该生产难点，且稀土回收率较高，开发针对不同铸机特点和不 同钢种的结晶器喂稀土丝工艺对连铸生产具有重要战略意义。 宝钢梅山钢铁股份公司为了提高钢材产品档次，积极抢占钢材市场，提升企 业竞争力，决定在普碳钢、耐候钢、气瓶钢生产中开发结晶器喂稀土丝应用技术， 这将在未来的钢材市场中立于不败之地具有重大意义。 东北大学硕士学位论文第二章稀土元素在金属中的作用原理 第二章稀土元素在金属中的作用机理 稀土( r 句元素共包括1 7 个元素( s e 、y 、l a 、c e 、p r 、n b 、s m 、e u 、g d 、t b 、 d y 、h o e r 、t m 、y b 、l u 、p m ) 。炼钢生产中最常用的稀土产品有两种，一是 稀土硅合金，二是混合稀土金属丝( 或棒) ( 其中r e 9 9 ，c e 4 8 ) 【13 1 。随着稀土 处理钢生产实践的发展，关于稀土元素在金属中的作用机理也逐渐走向成熟。 2 1 净化基体作用 微量稀土元素在钢中的净化作用主要是稀土元素可深度降低钢中氧和硫的含 量，降低磷及低熔点等元素的有害作用。由于稀土金属的化学性质异常活泼，在 钢液的温度下( 1 5 5 0 1 6 0 0 。c ) ，与氧、硫都有很强的亲和力，稀土元素的脱氧能力 比铝、镁、钛等都强，与钙相近；脱硫能力比镁强，稍次于钙，因此稀土加入钢 中，稀土元素与钢液中的氧、硫作用，起到脱氧、脱硫作用【l ”。稀土元素同氧、 硫等有害杂质分别作用，生成密度小、熔点高的化合物，并作为夹杂物从钢液中 排除。稀土在钢中溶解量很少，主要偏聚在晶界，一定量的稀土可以抑制磷、硫、 砷、碲、铋、铅、铜等低熔点杂质在晶界上的偏聚，或者与这些杂质形成熔点较 高的化合物( 如c e s b 约1 5 0 0 。c 、y s b 约2 1 0 0 ) ，消除了低熔点杂质的危害i l ”。 稀土元素在钢中的净化作用研究取得了一些成果，如耐热钢中添加高斓混合稀土 金属有强的净化钢液作用；在t i o 钢中添加稀土元素，能够改变夹杂物形态，降 低钢中夹杂物的尺寸和数量，提高钢的洁净度，因此提高了碳素工具钢的冲击韧 性和使用寿命1 1 6 1 。 2 1 1 稀土元素的脱氧作用 连铸技术在冶金行业得到广泛应用，但连铸坯质量尤其是小方坯和管坯，由 于压缩比较小，很难利用热加工方法消除或改善铸坯缺陷对材料性能的影响，连 铸坯的主要缺陷有：缩孔、裂纹和夹杂。在连铸过程中，中间环节较多，钢流接 触空气的几率比模铸大，增加了钢的氧含量，因此，氧化物夹杂在连铸坯的夹杂 中占有比较大的比重，利用稀土元素的脱氧做用可以明显改善连铸坯表面质量， 同时还能使氧的含量降低，进一步改善了铸坯的质量【l ”。 稀土元素活性极强与氧有很强的亲和力，脱氧能力( 1 6 0 0 。c ) = p , 铝、镁、钛等强， 与钙相近，稀土加入钢中，稀土元素和氧形成稀土氧化物，然后上浮到液面上的 保护渣中，起到脱氧和净化钢液的作用。 随稀土加入量的不同，连铸坯的脱氧量和脱氧率都不同，但两者并不是随稀 5 一 东北大学硕士学位论文第二章稀土元素在金属中的作用原理 土加入量的增加而增加。选取3 个不同稀土加入量( o 0 2 0 、0 0 3 9 、o 2 0 0 ) 进 行结晶器喂稀土丝实验，研究比较不同稀土加入量对脱氧量和脱氧率影响，得到 图2 1 。从图2 1 可以看到：实际的脱氧量远高于稀土完全形成稀土氧化物所能达 到的脱氧量，同时稀土的加入与脱氧量之间并没有一一对应的关系，通过比较分 析对不同钢种可以找出一个最佳的加入量。 第一次( 2 o )第二次( 3 o )第三次( 2 0 ) 稀土加入量， 图2 1 随稀土加入量的增加铸坯中脱氧量和脱氧率柱状图 f i g 2 1t oo x i d i z eq u a n t i t ya n dr a t eh i s t o g r a mo f c a s t i n gf l a na l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f l a n t h a n i d ea f f i l i a t e dq u a n t i t y 、 2 1 2 稀土元素的脱硫作用 稀土元素活性极强，与硫有很强的亲和力，脱硫能力( 1 6 0 0o c ) = l 镁强、稍次于 钙，稀土加入钢中，与钢液中的硫反应，起到脱硫作用。在铝脱氧的钢中，在铸 坯中有m n s 夹杂物存在，轧制时，m n s 沿轧制方向延伸，其数量与延伸程度影响 着钢材的许多性能。钢种加入稀土，形成细小的、分散、轧制时不变形的球形稀 土夹杂物，消除了延伸m n s 所造成的危害作用，这就是稀土对硫化合物形态控制 的目的i ”j 。 用稀土进行硫化物形态控制，不影响钢的组织结构，同时也不影响钢中的n b 、 v 、t i 氯化物的生成，稀土元素还可能同钢中的氢结合，形成析出物。这些作用是 其它硫化物形态控制剂比不上的特点。 稀土元素与硫的反应虽然有脱硫的作用，但同时脱硫反应产物密度大，难以 上浮，而增加了钢中夹杂，污染了钢液，而且会极大地降低稀土元素在钢中的有 利作用，使生产成本增加。 - 6 加 的 寻 m o 桨v斟錾 东北大学硕士学位论文第二章稀土元素在金属中的作用原理 2 2 稀土元素的变质作用 钢中硫、氧等与加入的稀土元素作用，生成球状的稀土硫化物( r e 2 s 3 ) 或硫氧 化物( r e 2 0 2 s ) ，取代长条状硫化锰( m n s ) 夹杂，硫化物形态得到控制，从而提高了 钢材的韧塑性特别是横向冲击性能，改善了钢材的各向异性，此外，稀土使棱角 状高硬度氧化铝夹杂转变成球状稀土硫氧化物及铝酸稀土( r e a l 0 3 ) ，有利于提高钢 的疲劳性能等【7 】。因此只要稀十加入量适宜，稀土元素不仅能使夹杂变性，还能减 少夹杂数量，并使之细化【1 9 l 。 2 3 稀土和碳相互作用及其对显微组织的影响 碳是钢中重要元素，稀土和碳的相互作用将影响碳化物析出、相变和组织， 从而影响钢的性能，因此，稀土和碳的相互作用，是研究稀土微合金化作用的重 要方面。稀土元素使钢中的珠光体数量减少，铁素体量增加，钢中固溶的稀土， 使铁素体量平均增加1 0 ，随着钢中固溶稀土量的增加，珠光体量减少，而珠光 体量和钢中稀土总量没有对应关系。钢的正火组织也表明一定量的固溶稀土，可 使大片不规则珠光体细化、球化、数量减少并消除魏氏组织，稀土抑制奥氏体晶 粒长大和细化晶粒，均有利于消除魏氏组织。同样在高碳钢中稀土使珠光体中渗 碳体由长片状变为短片状，随着固溶稀土量的增加，局部珠光体转变为粒状，发 生珠光体形貌退化。稀土和碳相互作用，降低碳的活度，增大铁素体的溶碳能力， 导致珠光体数量减少和依赖晶界形核的状况，也有利于珠光体弥散的分布，其次 稀土在奥氏体晶界的偏聚，改变了晶界状态，增加珠光体新相形核功，使形核率 降低。珠光体中固溶稀土更多存在于渗碳体中，使f e 3 c 晶格发生较大的畸变，使 铁素体和珠光体两相相互促进的生长方式被破坏，对钢回火过程中的马氏体及残 余奥氏体分解温度和热效应有影响。随着钢中溶解稀土的增加，马氏体和残余奥 氏体的分解温度均升高，表明稀土元素和碳的相互作用，阻碍了钢中碳原子的扩 散，延缓了钢的回火时的转变，有利于碳素工具钢的回火稳定性的提高。由于稀 土与碳的相互作用，形成非均匀奥氏体，非均匀奥氏体淬火将促进马氏体板条化。 稀土元素在金属中微量固溶，或生成金属问化合物，影响钢的相变点，提高淬透 性，改善淬火钢马氏体亚结构形裂2 0 1 。 2 4 钢中稀土固溶度和固溶规律 稀土和氧、硫有很强的亲合力，钢中加入稀土首先形成各种稀土夹杂物，在 总氧量高于0 0 0 5 ，硫含量高于o 0 1 5 的钢中，在通常稀土加入量条件下，9 8 以上稀土以夹杂物形态存在，固溶稀土仅有1 0 - - 6 数量级【2 ”。在更高的氧含量下， - 7 - 东北大学硕士学位论文 第二章稀土元隶在金属中的作用原理 如高于0 0 1 ，稀土加入起不到变质m n s 夹杂作用，形成大量聚集的氧化物夹杂 2 2 1 。图2 2 是0 9 c u p t i r e 钢中固溶稀土量和 r e s 1 比值关系，表明在 r e s i = 2 0 和1 5 附近有个转折点，在m n s 夹杂完全变质鏖，钢中固溶稀土量随 r e f s 】比值 豹增加明显增大。在x 6 0 、1 5 m n h p 、2 0 m n v b 、2 5 m n t i b 、0 9 s i v 等钢中都证实 有转折点，在【0 1 1 0 0 时，产物为r e 2 0 3 ；当l o 1 2 0 m p a ： 使用效果及包装：该产品在使用过程中每卷断丝次数必须1 1 次，包装单重 3 0 k g 盘左右，铁桶包装。 3 2 2 喂丝机型号的确定 根据最大、最小喂丝速度可选用目前国内常用的s l w 2 4 ( a ) 多齿辊无级调速 结晶器稀土喂丝机，喂丝机参数见表3 2 。 表3 2 喂丝机参数 t a b l e3 2p a r a m e t e ro f f e e d i n gt h r e a dm a c h i n e 该型号喂丝机采用交流变频调速，可全自动电脑键盘设定喂丝参数，接入拉 速信号后能实现喂丝速度和拉坯速度自动匹配；可以选用单流或者双流喂丝方式， 喂稀土丝时不打滑、不卡丝、不断丝，操作简单可靠，安装、拆卸、移动快速方 便。 3 2 3 喂入位置的确定 结晶器喂丝机构如图3 1 所示嗍。稀土在铸坯截面或纵向长度上的分布是否均 匀是非常重要的，结晶器喂稀土丝工艺的不足是稀土在钢液中的停留时间短，生 成的稀土夹杂物排除困难，而且分布的均匀性较差，因此，喂丝的加入位置选择 是喂丝工艺的重要因素。 - 1 5 东北大学硕士学位论文第三章结晶器喂稀土丝工艺设计与实验研究 1 中间包2 稀土丝3 ，喂丝机 4 浸入式水口5 保护渣6 结晶器 图3 1 结晶器喂丝工艺流程示意图 f i g 3 1t e c h n i c sf l o ws k e t c h m a po f c r y s t a lw a r ef e e d i n g t h r e a d 根据试验结果，在拉速为o 8m m i n 时，结晶器内流场分布中，距水1 2 1 边部 1 4 0 m m 处为热流中心，喂丝位于该处，热流可以将稀土丝带到铸坯其它部位，有 利于稀土丝的熔化及扩散，因此于距水口边部1 0 0 1 5 0 m m 处喂丝是比较合理的。 喂丝机及导管放在结晶器有液面计的一侧，在窄边中心线上；导管稀土丝出 口距浸入式水口1 0 0 1 5 0 m m ；距渣面1 0 1 5 r a m ，保护渣要及时覆盖以免氧化稀土 丝，如图3 _ 2 为喂丝机、导管安放位置。 023 1 喂丝机2 导管3 结晶器4 浸入式水口 图3 2 喂入位置 f i g 3 2p o s i t i o no f f e e d i n g 1 6 东北大学硕士学位论文第三章结晶器喂稀土丝工艺设计与实验研究 3 2 4 喂丝速度及喂入量的确定 结晶器喂稀土丝的喂入速度和喂入量两个工艺参数至关重要，直接影响到连 铸坯的质量。喂入量和喂丝速度的计算是