经济洁净钢生产技术平台的建设课件(PPT 161页).ppt

1,经济洁净钢生产技术平台的建设,报告人:王谦重庆大学材料学院冶金系,2,主要内容,1.钢洁净度概念2.夹杂物主要来源及洁净度评价方法3.提高钢水和铸坯洁净度的意义4.提高洁净度的冶金理论基础5.提高洁净度的主要工艺设备措施6.重庆大学提高钢水洁净度方面的部分研究工作,3,炼钢生产控制要点,提供成分、温度合格的铸坯/钢锭,安全、环保及资源优化配置,满足钢种洁净度要求,获得凝固组织优良的铸坯/钢锭,4,1.钢洁净度概念,洁净度：危害钢材使用性能的有害(气体、金属、非金属)夹杂物在钢中的含量、形貌尺寸及分布。洁净度是一相对概念。,夹杂物种类：金属夹杂、非金属元素及气体，C,P,As,S,O,N,H,Ar;非金属化合(物氧化物、硫化物、氮化物);脆性/塑性夹杂。夹杂物含量：C、S、P、N、H、TO等含量，大样电解夹杂总量及分量(mg/10Kg钢)、金相测得的夹杂指数/个数。夹杂物形貌及尺寸：点状、簇状、条带状、球形、棱角形；宏观/显微夹杂；大型(50m),小型(530m),微小(5m)夹杂。夹杂物在铸坯或钢材中的分布位置：表面/皮下/内部夹杂，晶间/晶粒内部夹杂。,5,夹杂物对钢材性能的危害,造成危害的原因：夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性，钢材在加工和使用中受力时在夹杂金属界面出现应力集中，造成钢材基体的破坏。主要危害的钢材性能：塑性、韧性；疲劳性能；加工性能；抗腐蚀性能；高温性能；电磁性能。,对于不同性能，各夹杂物危害作用机理不尽相同，夹杂物有益和有害作用可能相对转化。,6,不同用途钢种所允许的若干杂质含量的上限（）蒋国昌.纯净钢及二次精炼,上海:上海科学技术出版社,1996,7,洁净钢对TO和夹杂物尺寸的要求蔡开科.连铸技术的进展.炼钢,2001,17(1):7-12,备注：D指夹杂物直径,8,钢种性能和对洁净度的要求K.marukawa,H.kasima.TheRefiningLimitofImpurityElements.ISIJ,1996:1-4,9,高质量钢所容许的夹杂物形态翁宇庆.提高铸坯质量,推进洁净钢生产报告.连铸坯质量研讨会,昆明,2004,10,钢种对H、N的控制要求,国外进口钢材水平,11,零下20时磷含量与钢板冲击功的关系,应力腐蚀破裂时间与磷含量的关系,GBT699-1999规定的磷含量要求(wt%),纯净钢磷含量水平(wt%),12,2.夹杂物主要来源及洁净度评价方法,钢中夹杂物主要来源：可以分为内生夹杂物和外来夹杂物。内生夹杂物主要是钢脱氧时产生的脱氧产物和钢水冷却凝固过程中的析出物。外来夹杂物主要是钢水和外界之间偶然的化学和机械作用产物，包括卷渣和耐火材料侵蚀产生的夹杂物，以及钢水二次氧化所产生的夹杂物。,13,钢洁净度的评价方法,直接分析方法有：成分分析、金相显微镜、图像分析仪、硫印、电解、电子束熔化、电子探针、激光衍射分析仪、超声波扫描仪、X光透射法间接分析法有：钢中总氧法TO、钢中吸氮增量法、钢中酸溶铝损失法、氧化物夹杂示踪法,14,钢中夹杂主要分析测试方法及特点,15,常用洁净度指标,一般杂质元素含量：S、P、As等一般杂质元素含量；钢中气体含量：包括钢中TO、N、H；钢中大型夹杂(50m)含量：可由大样电解夹杂分析来确定；夹杂尺寸及分布：大样电解分析处理大型夹杂，显微分析处理细小夹杂（进行评级、统计计算夹杂指数等）。夹杂类型（成分及形貌）：以大样电解、小样电解和金相显微/扫描电镜夹杂分析为主。通过示踪或典型冶金材料成分与夹杂成分的关系分析炼钢连铸过程中夹杂的衍化，作为优化工艺的依据。,16,3.提高钢水和铸坯洁净度的意义,保证连铸工艺顺行：钢水洁净度提高，铸坯缺陷减少，有利于高产顺产，提高生产率；举例如下：O过高引起厚板、棒材中心偏析导致钢板分层，H高引起棒材、中厚板探伤报警率高，甚至白点白斑缺陷；S、P、Mn/S影响铸坯表面和内部裂纹；Al2O3、CaS、CaO2Al2O3、CaO6Al2O3、MgOAl2O3、SiO2引起水口堵塞，为避免堵塞提高过热度、加大吹Ar、冲棒等引起铸坯缺陷；少量钢水夹杂进入亚包晶钢、高碳钢的保护渣就可引起渣性能变化，加剧裂纹和漏钢；N过高引起TiN,TiCN,NbCN,VN,AlN,BN高温过早析出，晶粒粗大，易诱发铸坯微裂纹，增加昂贵微合金元素用量及成本。,17,洁净度提高，有利于稳定和提升现有产品质量及综合竞争能力。产品质量稳定甚至比其它厂家质量好，市场竞争力自然增强；优化炼钢精炼连铸工艺配置和材料使用，在增加质量的同时可能降低成本，例如：在RH用C脱氧，减少脱氧合金用量，用渣洗工艺代替纯粹外购精炼渣，提前造白渣和优化吹Ar等动力学条件缩短精炼设备占用时间，。将洁净度指标纳入生产控制过程，可减少非稳定因素对产品质量的干扰，提高钢厂整体质量水平。,18,提高钢水和铸坯洁净度是实现企业产品战略的基本平台之一。什么订单能够承接质量能否保证对洁净度及其保障能力了解吗？与同行相比我的优势如何发挥洁净度是重要保障；企业及其产品的发展，需要企业自己的质量控制队伍，规划工艺、选择设备、优化操作等，通过研究和提高钢洁净度的工作可培养大批炼钢专业人才队伍。,19,经济洁净钢生产控制要素,20,4.提高洁净度的冶金理论基础,冶金理论发展与提高钢洁净度生产技术进步,5提高钢洁净度的主要工艺设备措施,21,5.1脱磷,热力学、动力学条件：合适温度、高碱度、高氧化性、高搅拌强度。,22,2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5Fe,2P+5(Fe2+)+8(O2-)=2(PO43-)+5Fe,脱磷方式,传统铁水预处理脱磷出铁沟(槽)脱磷铁水包、鱼雷罐车、混铁炉脱磷专用转炉脱磷神户制钢H炉脱磷（De-P、De-S与De-C分开）住友金属SRP工艺（De-P、De-C分开）新日铁LD-ORP工艺（De-P、De-C分开）JFELD-NRP工艺宝钢BRP工艺（De-P、De-C分开）新日铁MURC工艺（类似双渣法）一般转炉脱磷普通经济洁净钢首选,23,不同渣系脱磷能力,24,注：%i和Mi分别为渣中各相的重量百分比及分子量。,渣组分对Lp的影响,25,FeO含量对磷平衡分配比和终点磷含量的影响(5%MgO,5%MnO,8%P2O5),26,P2O5含量对磷平衡分配比和终点磷含量的影响(5%MgO,5%MnO,25%FeO),27,MgO含量对磷平衡分配比和终点磷含量的影响(5%MnO,25%FeO,8%P2O5),28,MnO含量对磷平衡分配比和终点磷含量的影响(5%MgO,25%FeO,8%P2O5),29,温度对磷平衡分配比和终点磷含量的影响(5%MgO,5%MnO,25%FeO,8%P2O5),30,铁水温度对预熔脱磷剂脱磷效率的影响,CaO/Fe2O3对脱磷率p的影响,31,底吹强度对脱磷率的影响,不同造渣剂的熔化速度,32,使用复合造渣剂的效果,33,加强转炉单/双渣法脱磷工艺要点小结,入炉铁水Si含量控制在0.30.45%；开吹后随即添加复合造渣剂及其它造渣材料，根据造渣剂成分、成本和脱磷要求确定加入量；开吹后在调整顶枪枪位的同时要加大底吹气量（控制在0.15-0.20Nm3/tmin）；开吹后约3min开始补加石灰，之后适时补加烧结矿或其它冷却剂，避免炉温升高过快；若炉渣返干可补加复合造渣剂；终点前约5min时添加石灰，调干炉渣，减少回磷；有条件时可考虑安装转炉下渣检控装置。,34,5.2脱硫,熔渣脱除钢中硫的能力可用渣钢间硫的分配系数来表征：S+(O2-)=(S2-)+O,35,36,影响硫分配比的因素：,渣硫容量,金属液中S活度系数,金属液中O活度,温度,所以，脱硫最有利的条件应该是铁水脱硫，钢水脱硫需要在低氧势下进行。,37,钢水氧活度,钢水氧活度越低，钢中硫活度越高，越容易脱硫，所以深脱硫必须保证极低氧势,（1600，S=0.002%）,38,精炼渣参与脱硫，同样地深脱硫必须保证极低氧势,39,钢中合金元素的影响,中高碳钢、高铝、高硅钢容易脱硫；低碳、低硅、高锰钢脱硫相对困难，要注意其它工艺技术的配合使用。,40,钢中C含量对fs的影响,钢中S活度系数与钢中C含量关系,41,精炼渣碱度及FeO含量对脱硫的影响,精炼渣碱度R和FeO含量对lgLs的影响,随着R提高和(FeO)降低，Ls增加。但是当CaO含量过高后，炉渣粘度上升，脱硫的动力学条件差，使脱硫效果变差。,42,精炼渣氧化性影响,精炼渣的脱硫反应受渣中FeO+MnO含量的影响很大,精炼渣中MnO、FeO要尽量的低。,硫的分配常数K与(FeO+MnO)含量的关系,43,精炼渣脱硫反应动力学,脱硫反应速度可用下式表示：化简上式得到：式中F渣钢界面面积，m2；Vm钢水体积，m3；s表观脱硫速度常数。提高搅拌强度有利于提高脱硫速度。,44,钢包吹气量及钢水搅拌功对脱硫速度常数的影响,45,不同炉外精炼设备搅拌功率差异,当S脱除至15ppm以下后，脱硫速率显著减慢：S的传递成为反应的限制性环节；必须加强钢水搅拌混合。许多钢厂LF精炼时间长，生产极低硫钢困难：包底透气元件所能通过气体流量限制(500Nl/min)；如进行强搅拌，上表面钢水“裸露”而被氧化，降低脱硫效率。,各种炉外精炼工艺钢水比搅拌能的比较,K.Tanizawa,etal.,ProceedingsofthesixthInterna-tionalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,ISIJ,Vol.3,p.611,46,脱硫的最佳热力学、动力学条件是：提高炉渣碱度，降低渣中FeO（TFe）含量降低钢中氧活度aO，提高硫的活度系数fs提高处理温度提高熔池搅拌强度,47,精炼渣的组成和分类（1）精炼渣主要组分及其作用,48,（2）精炼渣分类,按精炼终渣碱度（CaO/SiO2）分类：高碱度渣：CaO/SiO22.5，甚至达到58，一般铝镇静钢二次精炼，在钢水脱硫等方面具有较好的效果低碱度渣：CaO/SiO21.52.5酸性/中性渣：CaO/SiO21.0，用于具有特殊要求的钢种，如帘线钢、钢丝绳钢、轴承钢等,49,按精炼终渣主要组份分类CaO-CaF2CaO-SiO2CaO-Al2O3CaO-SiO2-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3-MgO,50,按制作工艺分类混和型：由几种原料颗粒或粉末机械混合而成的混合物烧结型：由几种合成渣粉剂均匀混合后在低于熔点温度下烧结而成预熔型：由几种合成渣粉剂均匀混合后在高于熔化温度下熔融加工而成,（3）各精炼渣系的特点,51,52,CaO-CaF2渣系主要在于脱硫：CaO-CaF2渣系具有很强的脱硫、脱氧能力，其硫容量是二元渣中最高的。CaF2本身不具备脱硫作用，其作用是降低脱硫渣的熔点，改善渣的流动性，增加脱硫产物的扩散速度。CaF2含量较高，导致炉渣对炉衬的侵蚀严重，同时这种渣粘度小，不利于LF埋弧操作，导致电弧对包衬辐射侵蚀。此外CaF2与渣中其它组元反应，生成含氟气体对环境产生污染。随着环保要求对冶金过程更为严格的限制，该渣系有被环保型无氟或低氟渣系所替代的趋势。成渣效果较差时容易引起钢中点状夹杂。,53,CaO-Al2O3渣系多用于铝镇静钢，取代CaO-CaF2渣系，可减弱高含量CaF2的危害；维持较高的CaO/Al2O3对也能具有良好的脱硫能力，研究认为，钙铝酸盐与钙硅酸盐相比，对硫的吸收速度和硫化物的允许容量更大；对夹杂物吸收能力强于CaO-CaF2渣系，生成C12A7低熔点夹杂易于上浮排除；实际生产中充分发挥好CaOAl2O3渣系的脱硫和去夹杂能力关键在于控制渣中较低的SiO2。,54,CaO-SiO2渣系主要用于轴承钢、弹簧钢等钢种，避免使用CaO-CaF2容易引起的点状夹杂和使用CaO-Al2O3渣系出现的球状夹杂对材料疲劳寿命的影响；该渣系因碱度（2.0）低，且Al2O3低，脱硫能力较弱；对夹杂吸收能力强。,55,设计精炼渣的基本原则,要有较高的硫容量(FeO+MnO)含量低，具有强还原性P2O5应尽量低必须有较好的流动性，即合适的熔点及粘度吸收非金属夹杂物能力强有较好的绝热性能对包衬耐火材料侵蚀轻微即要求有良好的泡沫渣有一定的比电导，在加热时可以埋弧工作,56,Desulfurizationof150TheatsofAl-Sikilledsteelwithmixturesof70%CaO30%CaF2(opensymbols)andbygasstirring+topslagequilibrium,精炼过程脱硫方式：喷粉出钢渣洗LF炉内顶渣+吹氩强搅专用罩+顶渣+吹氩强搅,生产低硫钢的主要工艺技术,铁水包扒渣：对于铁水中S较低的情况，扒除铁包渣有利于减少转炉回硫如日钢铁水按S=0.035%、装入量120T，铁水包渣硫含量按0.4%计算，出钢量130T，考虑转炉气相脱硫10%，转炉渣Ls=8，可粗略计算不同带渣量引起钢中S的增量：,57,58,铁水预处理技术,铁水预处理是低硫钢生产中的重要部分，通过铁水预处理可以脱去大部分的硫等有害元素。这是因为，铁水中C、Si等元素含量高，氧含量低，还原气氛佳，硫的活度高，渣铁间硫分配比高，从而脱硫效果十分显著。目前铁水预处理主要采用喷吹法和搅拌法，采用的脱硫剂主要是CaO、Mg或复合脱硫剂。采用这些方法均可以将铁水中S降低到0.005%以下。值得注意的是，为减少脱硫渣在转炉内造成的回硫，在脱硫结束后采用扒渣装置将脱硫渣最大限度去除非常重要。,59,CaO,铁水罐脱硫,喷吹法,KR搅拌法,CaO+Mg,Mg,铁水脱硫的主要方法,鱼雷罐车脱硫,现在基本不采用,喷吹流场的死区范围大,熔池深度较浅,脱硫动力学条件较差,铁水沟脱硫,CaO,武钢数据,62,典型铁水预处脱硫渣成分/%,63,转炉冶炼技术,铁水脱硫扒渣时应尽量扒尽(铁水残渣带入硫量占总硫量的8%12%)，以减少入炉铁水脱硫残渣量，减少回硫。加低硫废钢，特别注意降低石灰和其它造渣材料中的硫含量。控制转炉残渣量。转炉渣性质也是冶炼低硫钢回硫的主要影响因素之一。应保证较高的终渣碱度、较低的终渣w(FeO及适宜的终点温度，必要时加大渣量，以增强炉渣脱硫能力，减小回硫。,转炉冶炼低硫钢时，应尽量防止“回硫”。转炉“回硫”一般是由以下原因引起的：入炉废钢中的硫、铁水预处理后残留的脱硫渣、溅渣护炉炉渣中的硫、转炉残渣中的硫。要注意：,研究实例,回硫发生在转炉冶炼和出钢过程,研究实例,转炉入炉硫含量构成,转炉终渣对脱硫的影响,66,入炉材料中硫所占的比例（马钢数据）,67,武钢数据,废钢级别对转炉回硫的影响,68,石灰硫含量对钢水中S的影响,武钢数据,69,Ls与转炉终点温度的关系（马钢数据）,70,（马钢数据）,71,钢水炉外精炼脱硫（LF、RH/VD）传统工艺流程,A出钢过程脱硫工艺特点：钢水冲击动力学条件好，但钢水和渣氧化性较强，热力学条件需要加以改善；操作要点：对钢水强脱氧、控制转炉下渣、降低钢包渣的氧化性、对炉渣改性；出钢开始即向钢流冲击点加入脱硫渣剂、钢包底部吹氩强搅；常用脱硫渣剂：石灰/萤石铝酸钙还原剂；适应钢种及效果：硅铝镇静钢，脱硫率可达40；问题：渣中（SiO2）易被还原进入钢中，增加低硅钢成分控制难度。,BLF炉内脱硫,工艺特点：可升温/温度高、还原性气氛好、但钢水搅拌动力学条件较差；钢水暴露在弧光区易增氮；操作要点：尽早造好白渣，尽可能与出钢脱硫配合早造白渣；快速和长时间维持泡沫渣覆盖以减少钢水氧化和增氮；底吹氩强搅；协调好升温、强搅、夹杂改性喂线、镇静软吹的时间分配。钢种和常用脱硫渣剂：中低碳钢铝硅镇静钢(石灰铝酸钙)、中高碳钢（石灰硅酸钙），容易生产S0.0050.015的低硫钢；问题：对C、Si低的低碳低硅钢脱硫难度大，时间长，渣中（SiO2）易被还原进入钢中，增加钢成分控制难度。,72,73,74,CaO含量应尽量接近其饱和含量；在CaO含量饱和系数为1左右时，钢液的脱硫效率最高；如取CaO含量饱和系数为1，Al2O3含量为30时，炉渣的CaO含量在55-60左右，SiO2含量在8左右；,75,LF炉中造还原渣脱硫,LF炉吹氩流量与脱硫率的关系,CRH真空脱硫,多用于铝脱氧钢水，其基本反应式为：3(CaO)+2Al+3S=(Al2O3)+3(CaS)较高的Al有利于加快脱硫。采用40%CaF2+60%CaO脱硫剂，单耗为5kg/t时，脱硫率可达到80%，使RH处理前S40ppm的钢水在脱硫后S可达到0.001%的极低水平。耐材侵蚀速度加快，可达1.0mm/炉；钢水温降大，每添加1.5kg/t脱硫剂，产生5温降；,77,各种RH脱硫方法的比较,78,RH脱硫剂研究现状,79,弱脱氧超低碳钢RH投入法脱硫实例,对顶渣改性提高Ls,79,渣初始硫含量和渣量的影响,渣量与终点硫含量,渣中初始硫含量对终点硫含量,RH脱硫动力学,反应容量系数,比搅拌功率,环流量,理论上钢中S最终含量,RH脱硫动力学,反应时间和初始硫含量对RH终点S的影响,容量系数和理论最低S的影响,RH用脱硫剂,RH用脱硫剂,平均脱硫率为32.13%(6.67%68.57%)。,不同低硫钢种的工艺路线选择,余志祥：低硫(超低硫)钢生产技术,不同低硫钢种的工艺路线选择,87,主要精炼工艺装备功能和工艺目标,要精炼装备及功能（注：强功能；弱功能）,88,主要精炼装备的工艺目标（注：精炼深度：深；浅）,89,采用主要精炼装备的典型钢种,90,5.3钢中H的控制,钢中H主要来源：向钢水中添加的原材料（合金和辅料）中水分在高温下分解进入钢中降低钢中H含量的主要措施：控制原材料水分铸坯、轧材缓冷处理真空脱氢：目前主要以RH和VD为主,91,国内VD、RH脱氢,5.4钢水降氮及减少增氮,92,钢中N的危害：对大多数钢种，N是有害元素。产生应力时效；降低钢的成形性；降低钢的高温韧性和塑性；影响焊接性能。钢中N的有益作用：增加强度细化晶粒，表面渗碳、碳氮共渗，增加不锈钢的耐腐蚀性及抗高温性能。钢中N的来源：铁水和废钢；炉料；大气吸氮,93,氮在钢中可能以自由状态的氮原子N或以结合状态的氮化物XN形式存在：,降低氮分压PN2，增大fN均可降低钢水氮含量。,氮在钢液中的溶解度：,94,脱碳与脱氮的关系,吹Ar脱氮时吹氩量：,m3/t钢,95,限制性环节：N在钢水内向反应界面的扩散和界面化学反应。真空度的影响：,真空度对钢液氮含量的影响a无碳氧反应b有碳氧反应,北京科技大学，傅杰，钢冶金动力学,96,钢水脱氮的工艺条件,在实际生产中不能靠熔渣脱氮，可通过熔渣覆盖钢液防止钢液从大气中吸氮。要降低钢中氮含量主要靠真空脱氮和气泡携带法脱氮（碳氧反应脱氮）。为了提高脱氮速度，对于RH、VD操作，必须强搅拌（VD要吹开渣面），增大钢液与真空接触面积，对于转炉或电炉碳氧反应脱氮必须提高供氧强度，对于吹氩脱氮，必须增大氩气流量。,97,钢水吸氮的主要环节,转炉氧气纯度不够或终点底吹氮气；出钢过程吸氮；LF炉电弧区暴露于空气吸氮；钢水精炼过程中加入的富含AlN的铝灰精炼渣代入的N；连铸过程的空气二次氧化吸氮。,98,国内VD、RH脱氮,99,VD、RH脱氮脱氢比较,在RH真空精炼过程，由于N的扩散速度很慢，脱氮速度也很慢，在钢中原始氮含量很低的情况下，RH真空精炼过程脱氮困难，只有当钢中原始N含量较高时，才具有一定的脱氮效果。相对来说，VD的在脱氮效果方面更有优势。RH和VD在真空处理时的最终氢含量可达到同一水平。但在VD处理时应保证有更长的真空处理时间并且钢包中不得有大量炉渣存在。,100,一些厂家连铸过程中增氮数据,101,5.5钢水脱氧和氧化物夹杂的去除,复合脱氧铝脱氧碳脱氧渣脱氧(渣洗)凝固过程中二次脱氧产物的控制氧化物夹杂的排除动力学因素,102,(1)复合脱氧,目的：降低钢水溶解氧含量、形成钢水中易于上浮排除的夹杂、节约脱氧剂用量，部分元素合金化。关键：要根据钢种和钢水脱氧要求设计复合脱氧剂。设计原则：对于Mn-Si、Mn-Si-Al、Mn-Al、Si-Al-Ba、Si-Al-Ca-Ba等众多合金，除满足合金化需要外，要计算加入时间钢水氧活度、脱氧元素活度及由此形成的脱氧产物组成，是否为低熔点液态夹杂。（可通过FACTSage，Thermo-calc、Pandat、JMatPro进行初步计算，然后进行试验修正）,103,104,105,EquilibriuminclusionsforanFeAlSi1.0%Mnsteelat1600C,106,Aluminumandtitaniumdistributionaftervacuum,107,(2)铝脱氧,脱氧剂铝的加入时间问题：出钢高O时加入，形成大量聚集的固态Al2O3夹杂，易于上浮排除，并可将钢中O降到很低的水平；但即使有少量Al2O3残留于钢水，危害很大，另外增加脱氧剂成本；进一步发展到Al-Si、Si-Al-Ba等复合脱氧；精炼后期加入铝终脱氧，铝用量少，但脱氧产物Al2O3的排除时间缩短和动力学条件减弱；若钢中Al2O3太高，喂Ca线进行夹杂变性作用有限；高碳钢避免二次脱氧产物生成Al2O3夹杂，要求尽量降低钢中Als，要通过合金和渣剂共同控制。关键：与复合脱氧、渣洗、喂线及强搅、软吹吸收等工艺结合，促进Al2O3排除。,108,(3)碳脱氧（包括CaC2脱氧）,转炉高拉碳出钢，可减少O，但脱磷、升温受到制约；低拉碳出钢，O高，有利于脱磷、升温；生产中高碳钢，出钢可用碳、电石部分脱氧，减少夹杂，降成本，要掌握增碳稳定性问题，防止电石吸潮问题；先利用RH，加碳脱氧，净化钢水，要注意温降、对顶渣的还原处理问题及后期脱硫工艺的配合。,109,(4)渣洗,原理：渣中氧化物与脱氧剂脱氧产物结合，降低生成物活度，进一步提高脱氧剂脱氧能力，生成液态产物有利于聚积上浮；要保证反应物聚积、上浮的动力学条件，渣洗用渣剂要根据脱氧产物进行设计；减少转炉下渣的氧化性、稳定下渣量，考虑加入渣剂对温度的影响和协调；考虑精炼终渣与钢中成分的平衡及影响。,110,111,(5)凝固过程中二次脱氧产物的控制,钢水中合金元素M与O在凝固降温过程中进一步反应生成氧化物，因处于液相穴内难于排除而残留在铸坯中，对冷轧薄板、硬线等细小尺寸产品危害较大，需要对其生成数量和形态进行控制。控制方法：对含铝钢,保证钢水钙含量形成钙长石塑性夹杂；对非铝钢，控制O含量形成锰铝榴石塑性夹杂。,112,钙长石,锰铝榴石,113,(6)氧化物夹杂的排除动力学因素,钢中夹杂物的形成主要分为自发形核和非自发形核，自发形核长大的夹杂物一般比较细小，而借助于合金、耐材、渣剂等作为形核核心的非自发形核产生的夹杂更容易长大。在钢水脱氧、精炼、中包净化环节，希望夹杂长大有利于排除：按Stocks定律上浮排除、随循环流上浮排除、受到Ar气泡的浮选作用排除。强搅拌使夹杂碰撞长大，弱搅拌（软吹）或微气泡使夹杂上浮排除。,114,布朗碰撞斯托克斯碰撞速度梯度碰撞湍流碰撞,夹杂物的碰撞和凝聚,115,up平均水平流速um平均循环流速us夹杂物自由上浮速度,钢包中夹杂物的去除,在吹氩过程中，钢液中夹杂物的自由上浮速度远远小于钢液的流速，因此夹杂物靠自由上浮是无法去除的。,王立涛等.钢包炉吹氩与夹杂物去除.钢铁研究学报,2005,17(3):34-40,116,夹杂物去除率：,式中：,dp夹杂物直径；QAr吹氩量；db气泡直径；t吹氩时间。,夹杂物去除率随夹杂物直径、吹氩量、吹氩时间的增加而增大；随氩气泡直径的减小而增加。,117,(a)小气泡群(b)气泡聚集(c)形成气泡袋,氩气泡直径随氩气流量的增加而增大,118,吹氩流量小有利于减小气泡尺寸,提高气泡碰撞夹杂物的概率。但夹杂物的去除率最终取决于吹入钢液的气泡总量。降低吹氩流量必须延长吹氩时间,这往往受到生产过程的限制;增加透气砖的面积或增加透气砖数量可以在有限的精炼时间内成倍地增加吹入钢液中的氩气泡数量,从而大大提高夹杂物的去除率。,119,中间包内夹杂物的去除,增加中间包容量和深度通过控流装置(挡墙、湍流控制器等）产生有利于夹杂物去除的流场，提高夹杂物的去除率；通过中间包底吹氩技术产生气幕挡墙，由上浮的气泡捕获夹杂物颗粒，促进夹杂物上浮；通过电磁驱动的离心流动去除夹杂物；钢水过滤器,120,张邦文等.连铸中间包中夹杂物聚合与去除的数学模型.金属学报,2004,40(6):623-628,直径为20、40、60m的夹杂物在中间包内的湍流碰撞长大过程虚线左侧的Zone区为挡墙内侧的大包注流区域，Zone为挡墙外的区域,搅拌越强烈,夹杂物碰撞长大越快,因此，生长曲线在Zone区比Zone区陡峭停留时间越长,夹杂物长得越大,并且上浮机会也越多,夹杂物聚合长大的数值模拟,121,无控流装置时的中间包内钢液流场图,控流装置对夹杂物去除的影响,模拟对象为30t双流板坯中间包，数值模拟结果为1/4区域无控流装置时中间包底部存在短路流,122,夹杂物颗粒直径：50m上浮率：69%,夹杂物颗粒直径：100m上浮率：87.5%,无控流装置时夹杂物去除率较低,123,有控流装置时的中间包内钢液流场图,控流装置为堰-坝组合的形式控流装置的存在消除了中间包底部的短路流，增加了钢液在中间包内的停留时间经过坝的阻挡作用，使钢液产生的整体向上的流动趋势，有利于夹杂物的去除,124,夹杂物颗粒直径：50m上浮率：87.5%,夹杂物颗粒直径：100m上浮率：100%,控流装置有利于提高夹杂物去除率,125,湍流控制器对夹杂物去除的影响,湍流控制器可以减小钢水对中间包壁的冲刷，从而减少冲刷产生的外来夹杂在湍流控制器内部，钢液湍流流动非常剧烈，给夹杂碰撞长大提供了良好的条件,湍流控制器对中间包流场的影响(显示部分为6流中间包的大包注流区域）,126,张美杰等.底吹氩中间罐夹杂物运动行为的数模研究.铸坯质量,2006,6:19-21.,排列成列的吹氩孔口垂直于沿包底流动的液流布置，类似于在包底设置了坝，促使钢液转向上方流动，有利于夹杂物上浮。气泡的浮力产生气泡泵现象，促使该局部的湍动能耗散率显著增大，有利于夹杂物颗粒碰撞长大而去除;上浮的气泡可以捕获夹杂物颗粒，并携带着它一同上浮，这样就使微细夹杂物颗粒上浮速度增大到气泡上浮的速度。,2流板坯中间包数值模拟结果吹氩量：0.9m3/h,中间包底吹氩对夹杂物去除的影响,127,5.6钢中非金属夹杂形态控制,夹杂物形态控制技术是现代洁净钢生产的重要研究内容。不同用途的钢材对非金属夹杂物的性质、数量、成分和尺寸及其分布有不同的要求。轴承钢不允许B、D、E类夹杂；管线钢要求钢中无塑性硫化物；弹簧钢、帘线钢要求变形夹杂，对于这类钢种，不追求超低氧低夹杂物含量，而是通过夹杂物形态控制生成塑性夹杂物避免夹杂物带来的危害；中厚板要避免MnS夹杂和Al2O3系脆性夹杂。,128,(1)钙处理对Al2O3类夹杂的变性,Ca处理示意图,MnSCaS,Al2O3C12A7,129,钙铝酸盐夹杂物,CaOAl2O3相图,130,不同钙铝酸盐性能,ACA6CA2CAC12A7C3A,131,连铸水口堵塞物,CaO2Al2O3,低碳含铝钢08Al水口结瘤物及成分,132,Al2O3夹杂造成的冷镦开裂,镙杆镦粗鼓形外侧开裂形貌及裂口两旁密集夹杂形貌,133,研究实例：高强船板,理论计算的生成12CaO7Al2O3的Al-O曲线和实测值,O含量偏高，未生成C12A7,134,理论计算的生成12CaO7Al2O3的Ca-Al曲线和实测值,Ca含量偏低，未生成C12A7,钢水中Ca-Als关系,135,优化喂丝工艺后理论计算生成12CaO7Al2O3的Ca-Als和S-Als曲线和实测值,Als=100-600ppm，理论Ca/Als=0.096;实测Ca/Als=0.085,136,(2)钙处理对MnS的变性,铸坯中硫化物形状,轧制后硫化物在钢板中的分布形貌,A类夹杂金相照片,压力容器板A类夹杂组成,137,钢水中为避免Ca被氧化的OS控制,在钢中S为0.008%时，为避免钙被氧消耗生成（CaO），要求钢中ao值小于0.0005%，在S为0.015%时，要求ao值小于0.0009%，因此，在喂线时，应尽量将钢中ao值控制在0.0010%以下。,S-aO平衡曲线,138,钢中钙与硫的平衡关系曲线,从图中可以看出，要获得较好的钙处理效果，必须保证钢中加入足够的钙。,139,压力容器钢钙处理后的硫化物,钙处理后铸坯中夹杂典型分布形态,140,钙处理后压力容器钢材中的硫化物,钙处理后轧材典型金相照片,硫化物夹杂组成/%,141,(3)钢水凝固过程中二次脱氧产物形态的控制,钙长石,锰铝榴石,142,5.7提高洁净度的技术工艺措施举例,例1：转炉LF炉连铸，钢种：压力容器钢；产品规格：中厚板主要工艺：转炉出钢（合金初脱氧石灰钢渣钙质剂）LF（外购精炼渣石灰萤石）（终脱氧合金化喂Al线）（强搅取样软吹）连铸（大包无下渣控制，分段水口）,143,原来钢材质量,144,原铸坯质量,145,铸坯大型夹杂形貌,146,铸坯大型夹杂成分（wt）,147,铸坯中大型夹杂物类型及比例,148,改进措施及效果,通过优化造渣制度，LF精炼压力大大减轻，使得LF排除夹杂的时间延长并且能灵活的适应节奏。特别是将精炼软吹时间延长后，钢水质量得到显著的提高。,优化精炼造渣制度、吹氩制度,149,减少大包下渣量,在浇注过程中，中间包覆盖渣中Al2O3由5%增加到13.5%、波动范围从11.5%16%，与以前调查的Al2O3由5.42%增加到25.68%、波动范围从18.5%32.33%相比，渣中Al2O3含量大幅度降低。试验炉次中包钢水TO平均为50ppm(39-74ppm)，LF精炼后平均为52ppm(39-71ppm)相比减少2ppm，说明总体上在中包内钢中夹杂维持LF精炼后水平。而在未对大包下渣严格控制的大生产中，中包内钢水TO比精炼后期增加约16ppm。,150,减少大包下渣后（未对保护导管吹氩优化控制），钢中大型夹杂总量明显减少，6炉试验钢的铸坯中平均夹杂总量为6.2mg/10Kg（1.5810.86mg/10Kg），相当于先前大生产工艺条件下铸坯平均夹杂总量的1/5。铸坯TO为15ppm（而优化工艺前铸坯TO为38ppm），铸坯洁净度显著提高。,试验炉次铸坯大型夹杂总量,试验炉次铸坯TO含量,最终板材探伤合格率提高到92以上,151,例2：高铝钢精炼渣设计（TRIP、FeCrAl等）,由于反应4Al+3(SiO2)=3Si+2(Al2O3)的存在，转炉下渣、外加含Si脱氧剂的产物及精炼渣中的SiO2均可能被还原进入钢水，影响钢水Si的精确控制。,渣中不同%CaO/%Al2O3（C/A）和SiO2含量对钢水增硅的影响,152,对于高铝钢（Al0.8%），要控制4Al+3(SiO2)=2(Al2O3)+3Si反应。为使该反应逆向进行，热力学上需要控制(SiO2)在2以下。精炼终渣中SiO2含量必须在10%以下，最好控制在5%以内。考虑到精炼渣脱硫及吸收夹杂物的能力，要求渣中CaO的活度较高、Al2O3活度不能过高以减少钢中夹杂。由此可确定LF精炼终渣组成为%CaO/%Al2O3=1.6-1.9，%SiO210。,153,实验室研究精炼渣成分(wt),154,实验室精炼渣中SiO2对钢水增硅结果,精炼渣中SiO2量与钢中Si的关系,155,工业化生产中渣中（SiO2）变化,1-氩前;2-氩后;3-LF精炼前;4-LF精炼后;5-RH精炼前;6-RH精炼后,156,精炼效果,脱硫情况：实验室研