纯洁钢-多媒体分析

干净钢及其生产技术重庆高校文光华1干净钢及其生产技术纯净钢或干净钢的概念钢中夹杂物限制原理连铸坯中夹杂物来源与分布干净钢生产的限制对策结语2一、干净钢和纯净钢的概念关于干净钢(cleansteel)或纯净钢(puritysteel)的概念,目前国内外尚无统一的定义,但一般都认为干净钢是指对钢中非金属夹杂物(主要是氧化物、硫化物)进行严格限制的钢种,这主要包括:钢中总氧含量低,非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布匀整、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形态。而纯净钢则是指除对钢中非金属夹杂物进行严格限制以外,钢中其它杂质元素含量也少的钢种。3纯净钢（puritysteel）S+P+N+O+H总合水平：60年头900ppm70年头800ppm80年头600ppm90年头100ppm2000年50ppm4纯净钢（puritysteel）高纯净钢对炼钢工艺要求：（1）去除杂质元素超低[C]：如汽车板；超低[S]：如输气管线；超低[N]：如铁素体不锈钢管，冷锻线棒材；超低[P]：如高压容器钢板。（2）去除夹杂物超低[O]：如滚珠钢，汽车板；形态限制：如拉拔钢丝，管线钢。（3）成分限制化学成分限制在窄的范围，性能均一性。5纯净钢（puritysteel）国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表16纯净钢（puritysteel）2000年后杂质元素含量预料水平如表2：

纯净钢除S+P+N+H+O五大元素外，随电炉短流程的发展，废钢用量的增加，还包Cu、Zn、Sn、Bi、Pb等伴生元素。7理论探讨和生产实践都证明钢材的纯净度越高,其性能越好,运用寿命也越长。钢中杂质含量降低到确定水平,钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从40×10-6降低到20×10-6,深冲钢的伸长率可增加7%。提高钢的纯净度还可以赐予钢新的性能(如提高耐磨腐蚀性等),因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下高附加值产品的基础,其生产具有巨大的社会经济效益。须要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的,如硫在一般钢中都视为杂质元素,但在易切削钢中其为有益元素;IF钢中氮是杂质元素,但在不锈钢中氮可以代替一部分镍和其它珍贵合金元素,其固溶强化和弥散强化作用可提高钢的强度。纯净钢（puritysteel）8干净钢（cleansteel）钢中非金属夹杂物总量、形态和尺寸。它确定于钢种和产品用途。不同用途的产品对钢中干净度要求表3。9干净钢（cleansteel）钢的干净度与产品制造和运用过程中所出现的众多缺陷亲密相关，一些厂家对某些高纯度钢发生缺陷所作的调查如表4所示，可以看出钢中的夹杂物尤其是大颗粒夹杂物是引起产品缺陷的主要缘由。10干净钢（cleansteel）日本一向对钢材质量有着严格的要求，最近日本夹杂物委员会提出的不同成品对钢中夹杂物含量及尺寸的要求如表5所示。11高附加值产品干净度：高附加值产品对干净度要求是：T[O]要低<20ppm;夹杂物数量要少；夹杂物尺寸要小<50μm；夹杂物形态要合适。12由上述探讨，可得出以下相识：纯净钢或干净钢是一个相对概念；某一夹杂含量降低到什么水平确定于钢种和产品用途；有害元素的降低程度确定于装备和工艺现代化水平；不管生产什么用途得钢，总是要求钢中夹杂物数量尺寸、形态得到限制。132钢中夹杂物限制原理钢中夹杂物评价：评价钢中夹杂物方法：金相法；电解法；硫印法；总氧T[O]法。T[O]=[O]夹+[O]溶转炉吹炼终点：[O]夹→0，T[O]→[O]溶=700-900ppm[O]溶确定于：钢中[C]，转炉吹炼终点钢中[C]与a[O]关系；渣中（FeO）；钢水温度。14钢中夹杂物评价：钢包脱氧合金化+精练后：[O]溶=>0T[O]=[O]夹

对于Al—K钢：[Al]S=0.02-0.05%，[O]溶=4-8ppm，如在连铸坯中测定T[O]=20ppm，则说明除[O]溶外，氧化物夹杂[O]夹为12-18ppm，这说明钢中很干净了。

对于Si—K钢：用Si、Mn脱氧平衡[O]溶含量较高。仅用Si、Mn脱氧钢中[O]溶为40-60ppm。在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。15钢中夹杂物评价：人们预料2000年后生产超干净钢，钢中[O]要达到5ppm水平，T[O]=[O]溶+[O]夹解决途径：生产“零夹杂物”钢；[O]夹→0，即钢中夹杂物完全去除；进一步降低[O]溶对于Al—K钢，炉外精炼变更Al—O热力学平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度达到0.001，与[Al]S相平衡得[O]溶小小于1ppm。对于Si—K钢，炉外精炼限制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2，可使钢中[O]溶降到与Al—K钢水平。16钢中夹杂物限制原理由以上分析可知，要降低钢中T[O]，就是要削减钢中夹杂物，降低[O]夹，降低[O]夹其方法是：（1）去除脱氧产物。它确定于：夹杂物形成夹杂物传输到钢/渣界面渣相吸附夹杂物方法：限制脱氧产物+炉外精炼+搅拌→T[O]=20-40ppm17钢中夹杂物限制原理就脱氧而言，分三种状况：1）用Si+Mn脱氧形成的脱氧产物有：纯SiO2（固体）：MnO•SiO2（液体）；MnO•FeO（固溶体）。限制合适的Mn/Si比，得到液相MnO•SiO2简洁上浮解除。但往往由于脱氧不良，铸坯会产生皮下气孔。18钢中夹杂物限制原理2）用Si+Mn+Al脱氧形成的脱氧产物可能有：蔷薇辉石（2MnO•2Al2O3•5SiO2）；硅铝榴石（3MnO•Al2O3•3SiO2）；纯Al2O3（Al2O3>30%）。要把夹杂物成分限制在相图中的阴影区，则必需钢中[Al]S<=0.006%，钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯不产生皮下气孔。19钢中夹杂物限制原理3）用过剩铝脱氧对于低C—Al冷静钢，钢中[Al]S=0.02-0.04%，则脱氧产物全部为Al2O3：Al2O3熔点高，钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；可塑性差，不变形，影响钢材性能；钙处理（喂Si—Ca线或Ca线，变更Al2O3形态）：[Al]S较低钙处理生成低熔点2CaO•Al2O3•SiO2；[Al]S较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO•7Al2O3对于Al-K钢，钙处理后：解决了可浇性，不堵水口；夹杂物易上浮除去。20就夹杂物传输到钢/渣界面而言，它确定于：夹杂物尺寸，夹杂物的形核，长大速度。形核约15nm(纳米)在炼钢条件下很快长大到1-5µm（微米）；液体流淌，搅拌，夹杂物碰撞、聚合，尺寸5-200µm；夹杂物性质：液态或固态；夹杂物上浮：静止溶池，还是搅拌溶池。对Al-K钢，钢水夹杂物上浮后，钢中总氧T[O]可表示为：T[O]=（[O]i-[O]e）exp[-Akefft/v]+[O]e式中：[O]i：初始氧量；[O]e：平衡氧量；keff：有效质量传质系数；A：溶池表面积；V：溶池体积；t：时间。21就渣相吸附夹杂物而言，它确定于：钢/渣界面能；夹杂物溶于渣相。液体夹杂完全溶解于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解，确定于渣成分、温度和渣量。22防止浇注过程钢水再污染，它确定于：钢水二次氧化；钢水与环境（渣、包衬、水口）相互作用；渣相乳化（紊流、涡流）；非稳定态浇注。23浇注过程中，创建条件，使夹杂物一步上浮中间包冶金技术；结晶器钢水流淌合理化；因此，应依据钢种和产品用途，把炼钢—精炼—连铸的操作处于严格限制之下才能生产干净钢。243连铸坯夹杂物来源与分布产品缺陷形态当钢水浇入结晶器，最终凝固成连铸坯后，在后续的热加工过程中，铸坯中夹杂物尺寸会给最终产品留下不同产品缺陷。如Al-K钢连铸坯轧成薄板坯后，钢中夹杂物会带来以下表面缺陷：微细裂纹（sliver）：是由Al2O3类脆性夹杂物造成的；表面起皮：由铸坯表层存在CaO•SiO2•Al2O3等夹杂所致；表面鼓包：铸坯表层下Ar气泡+夹杂物结合在一起所致。25连铸坯夹杂物分布特征铸坯厚度1/4处夹杂物集聚；铸坯表层2-20mm夹杂物集聚；铸坯表层夹杂物分布。铸坯表层夹杂物集聚是与结晶器卷渣有关。结晶器渣卷入凝固壳可能有以下机构：水口四周的涡流（B）水口四周上升的气泡（C）注流向上回流的剪切力（A）未熔融的爱护渣铸坯中偶然性夹杂物，如水口堵塞物，冲入液相穴而留在铸坯中；铸坯表层下Ar气泡+Al2O3夹杂。26连铸坯夹杂物分布特征为防止水口堵塞，在伸入式水口吹入氩气，当注流冲击液相穴深处，在上浮过程中气泡会被内弧侧凝固捕获。利用X衍射技术探查气泡在铸坯厚度方向上的分布。气泡上浮过程中与夹杂物聚合。27连铸坯中夹杂物来源(1)内生夹杂物：主要是脱氧产物，其特点是：[O]溶上升，脱氧产物增加；夹杂物尺寸细小，小于20µm；在钢包精炼搅拌，大部分85%夹杂物上浮；一般来说，对产品质量不构成大的危害；钢成分和温度变更时有新的夹杂物沉淀（小于5µm）。在连铸坯中常见的内生夹杂（micro-inclusions）：铝冷静钢（Al-K）：Al2O3硅冷静钢（Si-K）：硅酸锰（MnO•SiO2）或MnO•SiO2•Al2O3钙处理Al-K钢：硅酸钙钛处理Al-K钢：Al2O3，TiO2，TiN镁处理Al-K钢：铝酸镁全部钢：MnS（凝固时形成，以氧化物夹杂形核）28连铸坯中夹杂物来源（2）外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）二次氧化产物，其特点是：夹杂物粒径大>50µm，甚至几百µm；组成困难；来源广泛；偶然性分布；对产品性能危害最大。29连铸坯中夹杂物来源生产干净钢，就是要削减钢中夹杂物，尤其是削减大颗粒夹杂而奋斗。在连铸过程中夹杂来源于图19。炉渣卷入:炼钢炉渣外来夹杂物:中间包覆盖剂结晶器爱护渣耐火材料内衬耐火材料钢包耐火材料:引流砂和滑板熔损卷入水口砖氧化物夹杂物:中间包内衬材料中间包耐火材料塞棒和滑板中间包水口浸入式水口一次脱氧产物内生夹杂物:二次脱氧产物图19连铸过程中氧化物夹杂的来源304干净钢生产的限制对策从炼钢→精炼→连铸生产干净钢，主要限制对策是：（1）限制炼钢炉下渣量挡渣法：（偏心炉底出钢、气动法、挡渣球）；扒渣法：目标是钢包渣层厚<50mm，下渣2Kg/t。314干净钢生产的限制对策（2）钢包渣氧化性限制出钢渣中高（FeO+MnO）是渣子氧势量度。（FeO+MnO）上升，板坯T[O]上升（FeO+MnO）上升，冷轧板卷缺陷增大渣成分限制方法：渣稀释法：钢包加石灰、萤石或铝矾土造低熔点渣；渣还原改质处理：出钢时加CaO+Al粉，可把渣中FeO小于5%，铸坯中有T[O]小于15ppm，冷轧板缺陷大大降低。324干净钢生产的限制对策（3）钢包精炼渣成分限制不管接受何种精炼方法（如RH、LF、VD），合理搅拌强度和合理精炼渣组成是获得干净钢水的基础。合适的钢包渣成分：CaO/Al2O3=1.5—1.8，CaO/SiO2=8—13，（FeO+MnO）小于5%，高碱度，低熔点、低氧化铁、富CaO钙铝酸盐的精炼渣，能有效吸取大颗粒夹杂物，降低总氧。334干净钢生产的限制对策

LF精炼渣成分如表7：344干净钢生产的限制对策合适搅拌强度RH处理钢中T[O]预料模型：式中：[O]0—初始氧含量，ppm[O]t—RH处理t分钟钢中氧量，ppmD—RH浸入管直径，mG—钢水循环量，t/minT—RH处理时间，minW—钢包钢水量，t354干净钢生产的限制对策（4）爱护浇注钢水爱护是防止钢水再污染生产干净钢重要操作。爱护浇注好坏推断指标：—[N]=[N]钢包-[N]中包—[Al]=[Al]钢包-[Al]中包爱护方法：—中包密封充Ar—钢包→中间包长水口：[N]=1.5ppm甚至为零—中间包→结晶器浸入式水口364干净钢生产的限制对策（5）中间包控流装置中间包不是简洁的过滤容器，而是一个冶金反应容器，作为钢水进入结晶器之前进一步净化钢水；中间包促进夹杂物上浮方法：1）增加钢水在中间包平均停留时间t：t=w/（a×b×p×v）中间包向大容量、深溶池方向发展。2）变更钢水在中间包流淌路径和方向，促进夹杂物上浮。—挡墙+坝（Weir+Dam）—多孔挡墙（Baffle）—阻流器（Turbostop）371）无挡墙2）高、低挡墙板坯单流中间包38六流大方坯中间包394041无控流装置有控流装置42无控流装置有控流装置434干净钢生产的限制对策中间包夹杂物不同去除机制的贡献如表8所示：444干净钢生产的限制对策（6）中间包覆盖剂中间包是钢水去除夹杂物志向场所。钢水面上覆盖剂要有效吸取夹杂物。碳化稻壳；中性渣；（CaO/SiO2=0.9-1.0）碱性渣：（CaO+MgO/SiO2大于2）；双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。生产干净钢应用碱性覆盖剂。454干净钢生产的限制对策（7）碱性包衬钢水与中间包长期接触，钢水与包衬的热力学性能必需是稳定的，这是生产干净钢的一个重要条件。包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因此生产干净钢应用碱性包衬。对低碳Al-K钢，中间包衬用Mg-Ca质涂料（Al2O3→0），包衬反应层中Al2O3可达21%，说明能有效吸附夹杂物。464干净钢生产的限制对策大颗粒夹杂（>50µm）去除，接受中间包控流技术小颗粒夹杂（<50µm）去除；—中间包钙质过滤器—中间包电磁旋转钢包→中间包→结晶器过程中防止下渣、卷渣是生产干净钢特别重要的操作；把非稳定态浇注铸坯质量提高到稳定态浇注水平以提高整体铸坯质量是当今人们迫切解决的问题。为此接受：—临界液面操作法，防止旋涡下渣，生产DI罐，钢包还是4%钢水就关水口—下渣探测器—长水口接受撇渣