纯净钢的生产工艺和应用.pdf

国际矿业、冶金和材料研讨会论文集 纯净钢的生产工艺和应用 M A T S U M n 渔．T o o r u 日本钢铁公司，日本 摘要，由于更广义的纯净钢脱除了不希望有的溶质元素的钢种，本文首先总结了这类代表性钢种要求的这类溶 质元素的含量及其生产流程。然而本文重点是氧化物夹杂引起有害物的钢种纯净化。纯净钢生产工艺的基础理 念是控制夹杂物的数量、尺寸、分布和种类求得所希望的产品性能。主要技术来自氧气维护冶炼，脱氧和二次 精炼，通过合理设计和采用磁场控制中间包和结晶器内流场。也采用各种措施防止外来臾杂，如防止炉渣进入 大包，防止炉渣、保护渣、耐火材料使钢水二次氧化。然后根据l l S I 的纯净钢工作小组最近的报告总结了世界纯 净钢生产的概况。最后讨论了纯净钢的特性，使用效果和钢中夹杂物物化性能的关系和经济可行性。 关键词t 纯净钢；非金属夹杂；脱氧；二次氧化；连铸 1 引言 广义的纯净钢也包括脱除了碳、氮、氢、磷和 硫的钢种。表l 列举了各类纯净钢中这些元素的含 量要求及其生产流程。但本文的纯净钢重点是排除 了氧化物夹杂不良作用的钢种。脱氧产物是内在氧 化物，来自耐火材料、炉渣、保护渣及由它们造成 的二次氧化产物属外来夹杂物，这些夹杂物的不良 作用必须消除以求所需的钢材性能。 2 纯净钢生产工艺的基础理念 为了达到钢材性能1 可以用氧含量代表的氧 化物夹杂总量和2 夹杂物的尺寸必须控制。这种 情况总结在表2 中【l ，，轴承钢和弹簧钢的总氧含量 影响其疲劳寿命。在D I 罐生产过程中，大颗粒夹 杂会造成开裂，降低深冲性。汽车板生产过程中， 3 板坯的皮下夹杂物和针孔必须消除，不然会在 板材表面造成起皮。对钢丝的拔制性讲，4 生产 轮胎钢丝 子午线 或不锈钢钢丝的小方坯中夹杂 物必须通过控制其化学成分使其可以变形。这些就 是纯净钢生产工艺的基础理念。 3 纯净钢生产的主要技术和应用这些 技术后纯净钢的物化特性 3 ．1 降低氧化物夹杂总量 在精炼领域，与顶吹相比，转炉采用项底复吹 在相同脱碳量时氧含量更低【2 】。这是因为低吹强化 了碳的传输。采用R H 和D H 真空脱气，在相同碳 含量时可降低氧含量。可用无渣出钢和钢水脱氧后 用铝或铝粒降低炉渣的氧位，尽量减少大包内顶渣 造成的二次氧化。连铸方面用电磁方法A M E P A 【3 j ， 7 6 在大包钢渣开始进入中间包时就检测出来并关闭 塞棒就可减少钢渣进入中问包的量。在中间包采用 保护措施可减少顶渣造成的二次氧化w J 。中间包和 结晶器保护渣应防止钢水与空气直接接触。 3 ．2 减少大颗粒夹杂 如6 0 t 的大容量中间包和H 形中间包 图l 【6 】 可促进大颗粒夹杂在前者长时间逗留时，而后者则 在浅熔池情况下向顶渣上浮而被除去。直弯型连铸 机与弧型相比也更有利于大颗粒夹杂在结晶器内 脱除。在板坯全宽的厚度方向上采用静态磁场，即 所谓L M F 液面磁场 ，使埋入水口两个孔的钢流 出口速度下降，这就伴随着结晶器窄面的下降钢流 减弱 图2 [ 7 】 ，使下降钢流的终点位于更浅的位置。 结果使大颗粒夹杂上浮至洁净器顶渣的几率增加， 不然就会造成内部缺陷。控制结晶器液面，选择最 佳的结晶器保护渣和控制结晶器内流畅可最大程 度减少结晶器保护渣的卷入。 3 ．3 降低板坯表面及皮下夹杂物 采用结晶器电磁搅拌 E M S 就感应形成平行于 板坯表面的水平钢流。这种钢流向夹杂物施加 S a f m a n 力，使夹杂物与生长的初始坯壳分离。当粘 性拉力与，S a f m a n 力共同作用最终使夹杂物速度大 于初始坯壳的生长速度时，夹杂物就不可能为生长 的坯壳所捕获。即E M S 感生的钢流把夹杂物洗刷 出去了。直径1 0 0 微米的夹杂物可用速度为0 ．3 m ／s 的水平钢流洗刷掉【8 】 图3 。 在电磁连铸中 E M C 9 】，在结晶器外水平绕 一线圈，并通以交流电。垂直磁场和铸件内感生的 水平方向的次级电流相互作用产生的劳伦兹 L o r e n z 力，即使交流电流方向改变也总是向内的。 这样，对初始坯壳总形成一个束紧的力，并支撑着 坯壳。在初始坯壳与结晶器表面间的间隙就增大， 国际矿业、冶金和材料研讨会论文集 表1 不同钢材需求的溶质元素净化程度及生产流程 p l 喷粉L F 钢包炉 表2 对夹杂物的要求 锅材形状最终产品要求性能要求夹杂物尺寸 薄扳D I 罐抗边裂很小 深冲板【r 薹L 8 - 2 ．o 】小 阴罩光刻缺陷少非常小 引线框架成型性好攀常小 中板用于酸性气氛抗氢致裂纹控制形状 图1H 形中间包 口 从结晶器吸收的热量下降，实现了缓冷。由于较低 的冷却速度，初始坯壳不会在弯月面上形成，因结 晶器振动而产生的结晶器一坯壳间隙的压力波动就 因间隙增大而减小。结果就可防止生成振痕和钩 痕，从而也防止了钩痕卷入夹杂物和气泡。图4 表 明用E M C 可大大减少板坯表面1 0 m r n 深度内的夹 杂物数量。这是J R C M 电磁连铸项目的研究成果之 一，该项目是日本经贸工业部资助的。对3 ．2 和3 ．3 提到的中间包和结晶器流场控制以去除夹杂物来 讲，计算电磁流体动力学研究是必不可少的。 3 ．4 控制夹杂物化学成分 耦合析出模型【l 叫分析凝固微观偏析时考虑了 溶质向固体的反向扩散。剩下的液体内假设达到局 部热力学平衡，包括夹杂物的析出。这个模型可模 拟凝固时夹杂物化学成分的变化，这个模型曾用于 控制成分列于表3 的奥氏体不锈钢的氧化物夹杂。 当固体分数为0 ．5 时，作为钢中氧含量函数的 氧化铝、氧化硅含量计算值与观察结果很好相符。 两种结果都指出，当钢中总氧量从4 0 p p m 增至 8 0 p p m 时，氧化铝含量急速下降而氧化硅含量大大 增加。在总氧量为4 0 p p m 的钢中，即使在高温下， 夹杂物中大都是坚硬的结晶相，为氧化铝和 M g O A 1 2 0 3 尖晶石 图5 a ，这些夹杂物认为是不 能变形的。而在总氧量为8 0 p p r n 的钢中，在1 2 0 0 ℃时液态相占夹杂物的8 0 ％ 图5 b ，这些夹杂物 摄 鬻 i o ． 摄 霉 量 o D 叠 誊0 ．0 0 图2 不同磁场强度下结晶器内流场矢量计算值图3 簇状A I 她的尺寸分布 国际矿业、冶金和材料研讨会论文集 _ a b 图4E t l 3 原理图 a 和用E S C 降低表面夹杂物含量 b 表3 奥氏体不锈钢化学成分 认为是可以变形的。根据这一发现，成功地开发了 一种可拔丝的奥氏体不锈钢。对轮胎钢丝也作了类 似的分析。对控制夹杂物化学成分来说，计算热力 学是很有用的． 0 ’ 4 世界上纯净钢生产的概况 n s I ，国际钢铁协会，组成了一个纯净钢工作 组，在E C C C 2 0 0 5 该组提出了工作报告[ 1 2 1 。该报 告也着重于氧化物夹杂，并提出了与上述讨论有关 纯净钢准则很相似的观点。结论是使用中要求纯净 度很高的钢种是超低碳钢 U L C ，低碳钢 L C ， 管线钢和高碳长材 H i g h ．Cl o n g 。对每一钢种都 静态研究了有害夹杂物的尺寸范围和有害夹杂物 的来源，并提出了报告。对每一钢种也总结了冶金 流程，炼钢过程，二次冶金，连铸，连铸机型，模 铸，浇注速度和控制大包下渣。 其要点如下关于冶金流程，对U L C 钢，R H 是主要流程，但只有不到3 0 ％的L C 钢是真空处理 的。对于连铸，尤其对U L C 钢连铸机垂直部分具 有分离夹杂物的最有利条件。大包．中间包和中间包 ．结晶器之间的保护要严格，以防止注流二次氧化。 在中间包和结晶器内钢水液面上的渣层也要防止 二次氧化。为防止大包下渣至中间包，开发了电磁 系统，并已广泛应用。板坯连铸机一般用容量为 4 0 一6 0 r 的大型中间包。结论是，主要问题是如何控 7 8 譬 ● 一 ● 雹 馨 a [ o ] 4 0 v v m ．f 铲- o ．5 量度，℃ b [ O ] 二- 8 0 p p m 。f s 0 ．5 图5 不同强度下夹杂物中的各种相分数的计算值 制过程和标明不稳定状态的条件以区分铸坯的缺 陷部分。 5 纯净钢的特性和应用结果 氧含量从2 0 p p m 降至l O p p m 以Tn - I “ 把滚珠轴承 钢的滚动接触疲劳寿命提高一个数量级n3 1 。钢中 平均夹杂物厚度从2 0 微米降至1 0 微米，宽度从5 0 微米降至4 0 微米可把极限折边率从2 ％提高至7 ％。 6 经济可行性 考虑向用户提供解决方案方面的产品性能， ∞粥∞砸国∞∞∞∞帕。广． 国际矿业、冶金和材料研讨会论文集 使产品生产成本下降，最终成品价格合理才具有 经济可行性。 参考文献 【l 】U c h i b o r iH ．P r e s e n ta n dF u t u r eP e r s p e c t i v eo fP r o d u c t i o n ’T e c h n i q u e sf o rU l t r aC l e a nS t e e l ．1 2 6 t h ，1 2 7 t t IN i s h i y a m a M e m o r i a lS e m i n a r , T o k y o I r o nS t e e lI u s tJ a p a n ，1 9 9 8 l 2 9 ． 【2 】S a t oH ．R e c e n tT e c h n o l o g yo fH o t m e t a lP r e t r e a t m e n ta n d B O Ff o r H i g hP u r i t yS t e e lP r o d u c t i o n ，1 4 3 r d ／1 4 4 t h N i s h i y a m aM e m o r i a lS e m i n a r , T o k y o I r o nS t e e lI u s tJ a p a n , 1 9 9 2 7 3 ．1 0 5 ． 【3 】F o re x a m p l e B r i n k m e y e rL M e l v i l l eSD ．C l e a n e rS t e e l u s i n gM o d m e dL a d l eS h r o u d sa n dH i g h e rY i e l d sw i t h A m e p a , 7 7 t hS t e e h n a k i n gC o n f e r e n c eP r o c e e d i n g s ． C h i c a g o ，U S A , 1 9 9 3 2 7 1 2 7 4 ． 【4 1O g a w aK ．S l a gR e f i n i n gf o rP r e t r e a t m e n to fC l e a nS t e e l ， 1 4 3 r d ／1 4 4 t hN i s h i y a m aM e m o r i a lS e m i n a r , T o k y o I r o n S t e e lI u s tJ a p a n ，1 9 9 2 1 3 7 1 6 6 ． 【5 】S h i r o t aYC o n t i n u o u sC a s t i n gP r o c e s s e sf o rP r o d u c t i o no f H i g hP u r i t yS t e e l 。1 4 3 r d ／1 4 4 t hN i s h i y a m aM e m o r i a l S e m i n a r , T o k y o I r o nS t e e lI u s tJ a p a n ，1 9 9 2 1 6 7 1 9 1 ． 【6 】K i m u r aH ，e ta 1 ．T e c h n o l o g yf o rd e c r e a s i n gl i o n - m e t a l l i c i n c l u s i o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 。C A M P ．I S U ，1 9 9 l 。 j4 4 1 1 9 8 - 1 2 0 1 ． 【7 】Y a m a m u r aH ，c ta 1 ．O p t i m u mm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi n q u a l i t yc o n t r o lo fc a s t sw i t hl e v e lD Cm a g n e t i cf I c l d ．I S I J I n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 1 ’4 l 1 0 1 2 2 9 1 2 3 5 ． 【8 】Y a m a d aw ．C o a g u l a t i o na n dt r a p p i n gi n t os o l i d i f i e ds h e l lo f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nc o n t i n u o u sc a s t i n g ．C A M P - I S D ， 1 9 9 9 ，1 2 4 6 8 2 - 6 8 4 ． 【9 】T a n iM ，殴a 1 ．mc o n t r o lo fi n i t i a ls o l i d i f i c a t i o nb yt h e i m p o s i t i o n o f p u l s a t i v e A Ce l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ． P r o c e e d i n g s o f4 t hE u r o p e a nC o n t i n u o u sC a s t i n g C o n f e r e n c e ，B i r m i n g h a m , 2 0 0 2 3 9 - 4 6 ． 【1 0 ] M a t s u m i y aT ．M a t h e m a t i c a la n a l y s e so fs e g r e g a t i o n sa n d c h e m i c a lc o m p o s i t i o n a lc h a n g e so fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s d u r i n gs o l i d i f i c a t i o n so fs t e e l s ．M a tT r a n sJ I M 。1 9 9 2 ，3 3 9 7 8 3 - 7 9 4 ． 【11 1Y a m a d aW e ta 1 ．S i m u l a t i o no ft h ec o m p o s i t i o n so f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si nc a s ts t a i n l e s ss t e e l s ．P r o c e e d i n g s o fI n t e r nC o n fo nC o m p u t e r - a s s i s t e dM a t e r i a l sD e s i g na n d P r o c e s sS i m u l a t i o n ．T o k y o ，1 9 9 3 ．I s L I 。1 9 9 3 1 2 3 1 2 8 ． 【1 2 】W u n n e n b e r g ．＆I I S Is t u d yO nc l e a ns t e e l ．R e v u ed e M e d i a t e 。2 0 0 5 6 8 7 - 6 9 2 ． 【1 3 】T s u b o t aKe ta l ，E f f e c to fC o l dW o r k i n ga n dH i g h T e m p e r a t u r eT r e a t m e n to fH i g hC h r o m i u mB e a r i n gS t e e l o nI t sR o l l i n gC o n t a c tF a t i g u eL i f e ．T e t s u t o - H a g a n e ，1 9 8 4 ， 7 0 8 8 5 4 _ 8 6 0 ． 【1 4 】M a t s u d oK ，譬a 1 ．E f f e c to fN o n - m e t a l l i cI n c l u s i o no n F l a n g eC r a c k i n go fD IC a nf r o mt h eT i n p l a t e ．N K K T e c h n i c a lR e p o r t , 1 9 8 2 ， 9 2 2 7 - 3 5 ． 纯净钢的生产工艺和应用纯净钢的生产工艺和应用 作者MATSUMIYA Tooru 作者单位日本钢铁公司,日本 本文读者也读过10条本文读者也读过10条 1. 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