炼钢技术难点与解决方法.doc
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1生产钢种
拟生产Q345,Q235,20,SPHC,Q215,SPCC,SPHD,SPHE,SPCD,SPCE共10种钢种。
根据GB700-88,GB699-88,GB1591-88,JIS3141,其化学成分如下表所示。
1.1钢种及化学成分
代表钢号
化学成分(%)
C
Mn
Si
P
S
标准
Q345
0.12-0.20
1.20-1.60
0.20-0.55
≤0.045
≤0.045
GB1591-88
Q235
0.14-0.22
0.30-0.65
≤0.30
≤0.050
≤0.045
GB700-88
20
0.17-0.24
0.35-0.65
0.17-0.37
≤0.035
≤0.035
GB699-88
SPHC
0.15max
0.60max
0.050max
0.050max
JIS3131
Q215
0.09-0.15
0.25-0.55
≤0.30
≤0.050
≤0.045
SPCC
0.12max
0.50max
0.040max
0.045max
JIS3141
SPHD
0.10max
0.50max
0.040max
0.040max
JIS3131
SPHE
0.10max
0.50max
0.030max
0.030max
JIS3131
SPCD
0.10max
0.45max
0.035max
0.035max
JIS3141
SPCE
0.08max
0.40max
0.030max
0.030max
JIS3141
1.2各钢种的凝固温度
根据经验公式,各钢种的凝固温度计算结果如下:
Q345TL=1515℃
Q235TL=1517℃
20TL=1515℃
SPHCTL=1517℃
Q215TL=1522℃
SPCCTL=1521℃
SPHDTL=1522℃
SPHETL=1522℃
SPCDTL=1523℃
SPCETL=1528℃
其中Q345、Q235、20、SPHC为一组,其凝固温度按1516℃选取;Q215、SPCC、SPHD、SPHE、SPCD为一组,其凝固温度按1523℃选取;SPCE的凝固温度为1523℃。
1.3连续铸造钢种的分类
在连续铸造生产中按其成分及用途大体上分成三类钢种来组织生产。
A组:
低碳钢种(薄板钢)
○冲压,深冲压钢
○镀锡钢板
○硅钢(电工钢)
B组:
中碳钢种(结构钢)
○锅炉钢板
○结构钢板
○船板钢
C组:
低合金中碳钢,高碳钢(板/管钢)
○API钢
○调质钢
○高碳钢
○耐低温钢
○低合金高强度钢
○特殊性能钢
目前炉外精炼等冶炼技术与工艺的发展进一步促进了连铸技术与工艺的发展。
炉外精炼能提供温度均匀、合金成分准确、纯净度高的钢水,使连铸坯的内部夹渣,气孔,中心偏析等缺陷明显得到了改善,几乎所有的钢种都能由连铸技术组织生产。
A组,C组钢种对钢水的纯净度要求较高,有时需要脱C,脱气等炉外真空冶炼,在连铸中对中心疏松,偏析等内部缺陷的要求也相对严格。
而莱芜钢铁公司拟生产的钢种除了Q345,Q235,20三种为B类钢种外,其余钢种都属于A类钢种,都为比较容易连铸化的普碳钢种。
确定浇注温度时,Q345,Q235,20三种钢种可归为B类钢种;其它钢种均可归为A类钢种。
只是Q345,Q235,20的含C量进入0.17~0.24范围之内,其冶金过程中出现的包晶结构使内部裂纹敏感性加大,而钢种SPHC,Q215,SPCC,SPHD,SPHE,SPCD,SPCE的含C量进入0.08~0.12范围内其冶金过程中的γ,α相的相变会导致表面裂纹的敏感性。
因此作温度计划,水量计划时必须充分留意这一点,力求控制树枝晶的发达,控制铸坯表面温度的回升等。
另外冶炼时也有必要在保证结构钢材机械性能的前提下,严格控制对连铸工艺影响较大成分的含量,取得满意、合格的连铸坯。
下面将部分元素含量对铸坯内部裂纹敏感性的影响表示如下。
恶化中性改善
Ni>1%0.17
Cr>3%C>0.6%0.25 S>0.025%P>0.03%Si<0.5% Si>0.5% 2伴生元素,合金元素对连铸工艺的影响 2.1碳 当0.17 当0.08 2.2磷,硫 当P<0.03%时,对连铸无影响 当S<0.02%时,对连铸无影响 一般要求P+S≤0.04% S对连铸的影响随C/Mn值的加大而加剧。 2.3伴生元素 一般不会影响连铸性,但影响液相线温度,因此其含量也作限制如下。 Cu≤0.25%Mo≤0.08% Cr≤0.25%Al≤0.03% Ni≤0.25%Sn≤0.025% Cu+Cr+Ni≤0.5% 2.4合金元素 提高钢水里的Cu,Si,Cr,Ni,Mo还有V、Ti等合金成份都不会明显影响连铸性,只是要充分注意到他们对液相线温度的较大影响,特别是Ti。 2.5氢,氮 H2对连铸性本身无影响,但会导致铸坯内白点的产生,尤其是高强度钢,深冲钢要严密控制含H2量。 一般要求H2≤4.5ppm作为克服白点的临界条件。 N2对连铸无影响,但超出200ppm时将产生皮下气泡,也叫针孔,严重影响铸坯质量。 一般要求含N2量≤90ppm作为连铸用钢水的条件。 2.6氧 脱氧不充分时会产生氧化物夹渣。 在钢渣中的过多的FeO也提供生成氧化物的氧源。 因此要求: ◎充分脱氧 出钢温度不得过高,否则钢渣中的FeO也过高。 封闭浇注,克服二次氧化。 无渣出钢 以上是连铸生产中防止氧化物夹渣的主要环节。 3脱氧 脱氧是钢水冶炼的非常重要环节,它是产生氧化物夹渣的直接因素,必须充分脱氧。 目前有铝脱氧,硅脱氧两种方法,一般普钢厂大都采用铝脱氧工艺,因此铝脱氧工艺要求简述如下。 加Al两次: ◎冶炼后出钢前往钢包内投放适量铝锭。 ◎出钢后精炼时再次加纯铝,吹Ar搅拌时随气泡一起上浮至表面使钢液充分脱氧。 精炼时加铝方法也很重要,直接影响脱氧效果,目前有如下几种加铝方法。 用加铝槽倒入Al棒,Al粒,Al丸等较大块料。 用喷枪喷射Al粒,Al弹。 用喂丝机快速喂入Al丝。 铝的含量: ◎连铸钢水必须是镇静钢水。 Al<0.01%为沸腾钢 Al>0.06%时过高的Al容易生成氧化铝沉积物沉积于水口内表面堵塞水口。 因此要求在中间罐内钢水的Al含量控制在0.02~0.05%为连铸工艺条件。 4结晶器保护渣 4.1保护渣的作用 1)保护渣是非氧化性材料,其液态渣层能完全隔绝大气层而防钢液氧化。 2)液渣层支承在弯月面处初生的坯壳,防止坯壳尖端的塌陷、重叠等使振痕变深。 3)振动时液状保护渣不断流入结晶器铜板和坯壳间的气隙内并被赶平形成一层“薄膜”,起到限制散热速度、降低摩擦阻力的作用达到缓冷和润滑目的。 4)液状熔渣层隔离钢液和固体状渣层,因而防止渣粒直接侵入气隙或钢水内。 5)液状熔渣层从钢液表面吸附上浮的夹渣物,起到净化作用。 6)液状熔渣层和粉状渣层的绝热性能阻碍钢水液面的热辐射散热,保证钢液面不结壳。 4.2保护渣的正确选择 从保护渣的作用来看,正确选择保护渣时非常重要的。 保护渣的选择应注意如下几条原则。 1)熔渣层要保持稳定,即熔化速率与消耗速率相平衡。 2)钢种的液相线温度越低保护渣的熔化要越快,也就是采用越低熔点的保护渣。 3)铸造速度越快,保护渣消耗越大,因此要求熔化快,流动性好。 要选择低熔点,低粘度。 4)中碳钢用保护渣一般取如下指标。 碱度: 1.1~1.4(※低碳钢10#,08A1时碱度取1.0为宜) 熔点: 1150~1250℃ 粘度: 0.5~1.5泊 为中碳钢中含碳量在0.08~0.12%范围内时,在很高温度下产生δ,γ相的同素异晶转变,伴随着的体积变化极易产生表面裂纹,因此在结晶器内产生初期坯壳时,要求维持较高表面温度的同时必须均匀缓冷,所以选择低粘度流动性好的保护渣,充分保证消耗量。 较高消耗量能够取得较厚渣片起到缓冷的同时,还能及时补偿由于较高的表面温度使渣片熔化造成的润滑不足。 5)保护渣的性能指标 选用保护渣时其成分固然重要,但其成分的准确性并不是判断保护渣是否合适的检验标准。 而其熔点、流动性(粘度)、熔化速度等性能指标才是判断是否合适的依据。 性能 测定方法 标准或指标 成分 光谱分析,湿法化学 按保护渣类型要求 F≤6% H2O≤0.6% 熔化 热显微镜 (DIN51730) 软化温度 熔化温度 流动温度 (一般在1100~1300℃范围内) 熔化时间 膛式炉,1500℃ ≤20秒 颗粒 筛选分析(DIN4188) 50%45μ 比重 测重量法 900g/l 流动性 铺展面积法 φ35cm/400g 6)消耗量 ◎消耗量是衡量保护渣的润滑能力的重要指标。 ◎消耗量对防止漏钢,提高铸坯表面质量有重要关系。 ◎消耗量的大小与保护渣的粘度、熔点有直接相关。 ◎一般取kg/吨钢或kg/m2单位来计量。 ◎影响消耗量的因素。 因为影响消耗量的因素很多,因此关于消耗量没有统一的什么规定,只有在生产实际中在特定的条件下作特定的统计和判断。 影响消耗量的有规律的因素可列举如下几项。 因素 结果 保护渣粘度低 消耗量增大 保护渣熔点低 消耗量增大 铸造速度快 (振动频率: 振幅恒定时, 气隙变小;坯壳薄时,气隙变小) 消耗量减小 振幅变小 (振动频率恒定时气隙变小) 消耗量减小 结晶器锥度变大 消耗量增大 4.3保护渣的使用方法 1)投放时机: 当钢液高于浸入水口出钢口时开始投放结晶器保护渣。 要求少量地,均匀地分批投放。 注意避免投料的冲击使钢液面失控。 2)为达到保温、隔绝大气的作用,保护渣要铺展均匀,粉状呈黑色,以不露出彤红色液面、表面又着蓝色火焰为最理想状态。 粉层厚度不能太厚,太厚时会导致钢液面的失控而卷渣,一般未熔融的粉渣层保持20~30mm厚度为宜。 3)熔渣层的厚度要大于振幅行程。 一般取熔渣层厚=振幅+钢水表面平均变化率 本工程推荐8~10mm厚。 4)先用低温起步渣,使其很快形成足够液渣层后转入正常保护渣。 5)保护渣结块过大时将影响渣液渗入,振动时坯壳尖触及结块而塌陷,因此需及时清除。 用细钢棒轻轻刮平铜板表面就可脱离粘连。 要注意不得划伤铜板表面,不得插入过深,否则将触坯壳尖端,造成缺陷。 6)必须保持干燥(H2O<0.6%)。 已放在渣盘内未用完的保护渣应废弃,不得回收下次接着用。 7)熔渣层厚的影响因素 熔渣层的厚度对夹渣物的吸附、防止初始坯壳尖端的塌陷、重叠、控制消耗量都有非常密切关系。 因此保持适当厚的熔渣层是非常重要的。 影响熔渣厚度的较为有规律的因素列举如下表。 因素 结果 保护渣内含C量高 熔渣层厚减少 保护渣内碳粒细微 熔渣层厚减少 保护渣熔点低 熔渣层厚增加 结晶器内氧气沸腾 熔渣层厚增加 保护渣粒度微细 熔渣层厚增加 8)保护渣的分层分布及其厚度 保护渣在工作状态下分粉末层、烧结层、多碳层、熔渣层等4个层面分布。 其分层结构及每层厚度要求见下图所示。 若在保护渣内有较多含碳量时会引起对钢水的渗碳、增碳作用,但若没有足够的碳量也不能使保护渣烧结而熔化。 因此在保护渣的成分中含适当的碳。 但是超低碳钢(C<0.01%)的浇注时,绝对不允许有渗碳、增碳等现象发生,因此减少或消除含C量的同时增加较贵重的纯氧化物来实现保护渣的烧结并熔化,也得到较高熔点。 9)熔渣层厚度的检测方法: 见下图所示。 5保温及防二次氧化措施 1)钢包投放草木灰等表面保温剂,加盖保温。 2)中间罐放草木灰等表面保温剂,加盖保温。 3)钢包与中间罐采用钢长水口封闭浇注,接口处填料密封。 中间罐工作液位: 900mm 溢流液位: 1000mm 最低液位: 500mm 钢包长水口插入深度: 302mm 钢包长水口长度: (1765)mm 钢包长水口基本内径: (φ60)mm 4)中间罐与结晶器之间浸入式水口封闭浇注。 ◎浸入式水口采用分体快换式。 ◎浸入深度: 215.75mm 浸入式水口长度: 分体式上水口: (347)mm 分体式浸入水口: (850)mm ◎基本内径: (φ60)mm 6钢水的浇注温度 6.1浇注温度: 是指中间罐内的钢水温度。 TP=TL+△TTP—中间罐钢水温度 TL—液相线温度即凝固温度 △T—过热温度 6.2过热温度: 按钢种的分类取不同的经验值。 A类: △T=25±5℃ B类: △T=20±5℃ C类: △T=15±5℃ 过热度越高漏钢的风险也越大,过热度越低操作越紧张,但铸坯的中心偏析得到改善。 另外有些钢种液相线和固相线的温差较大,也就是说固、液相共存温差带较宽,必须采取较大过热度。 例如低碳钢而且含Al量较高时远远高于固相线时就开始凝固,因而取△T=25±5℃。 但高碳钢且Si含量较高时,略低于固相线时仍保持液态,且骤然凝固,因而取: △T=15±5℃较低过热度。 6.3吹Ar气搅拌后的钢包内钢液温度 考虑运输、浇注时钢包内钢液的散热、吹Ar后静止3~5分钟、中间罐、水口吸热等因素一般提高35℃降温量。 若初次浇注再考虑新中间罐、新水口还提高10℃。 T吹Ar后=TP+35℃(或TP+45℃) 6.4吹Ar气搅拌前钢包内钢水温度 若吹Ar时间按10min计,提高15℃降温量。 T吹Ar前=T吹Ar后+15℃ 6.5转炉出钢温度 要考虑转炉到炉外精炼炉之间的运输温降,一般1℃/min计,根据不同现场需要不同的运输时间。 另外钢包是第1次使用的新包时还要提高10℃吸热量。 运输时间按现场实际情况计算。 T出钢=T吹Ar前+运输温降 6.6液相线温度: 计算液相线温度的经验公式有好多种,本工程推荐使用Tectip公式。 在化学成分较宽的范围内能够得到满意的结果,也适应用Cr,Ni含量较高的(Cr≤20%,Ni≤20%)合金钢种。 TL=1536.6℃-∑Ki×%-3℃ TL—液相线温度 Ki—碳和其它合金元素的特定系数 %—碳和其它合金元素百分比含量值 3℃—S+P+气体等因素 1536.6℃—纯铁的液相线温度 7连铸坯的常见缺陷及其分析 7.1冶金过程中产生的内部缺陷 1)气孔: 往往在浇注末期,由于钢水中缺乏脱氧剂Al或Si所致,总之冶炼阶段脱氧、脱气不充分是主要原因。 针状气孔由CO所致。 细长孔由H2所致,用湿钢包,湿中包也会导致。 皮下气泡由N2所致(N2搅拌,N2密封等吹N2量过高时) 2)内部裂纹: 多发生于含C量0.17~0.24%范围的包晶钢种,不均匀的冷却强度使铸坯产生内部应力,再加上凝固过程中比较发达的树枝晶结构大大降低铸坯内表面的强度,因而极容易产生纵向内部裂纹。 结晶器振动不正常,摆动量过大或结晶器摩擦阻力过大(粘钢、结晶器锥度过大)都会使铸坯内部产生横向裂纹。 钢种的脆性温度区矫直时也易产生内部横向裂纹。 3)氧化物夹渣: 钢水中的不纯物都可以形成氧化物夹渣。 耐火材料的被冲刷、结晶器保护渣、中间罐内渣线的卷入都是硅酸盐氧化物夹渣的来源。 当脱氧用Al的含量偏高时往往使水口堵塞经常用氧气吹洗水口,这也是增加氧化物夹渣的重要来源。 因此Al脱氧应特别注意Al含量的控制,采用大容量高液位中间包,直弧形机型也都是解决夹渣物充分上浮,提高纯净度的一种措施。 4)中心疏松和偏析: 要得到良好的中心结晶组织及密度,其浇注温度、拉速、二冷水之间的正确匹配是至关重要的条件。 扇形段辊子的位置偏差也是导致中心裂纹、偏析等缺陷的重要原因。 从冶金学上看较高的过热温度,过强的二冷密度会导致树枝晶的发达,其包晶结构及凝固时的补缩不足都会产生中心疏松,偏析等缺陷。 尤其是含碳量0.17~0.24%的包晶钢和含碳量>0.6%的骤然凝固的高碳钢更是要注意。 本工程采用密排辊收缩辊隙,高温出坯等方法是解决此类问题的有力措施,另外在操作时要严密控制适当的过热度,这是解决中心疏松,偏析缺陷的最为敏感的措施之一。 目前世界范围内应运而生的电磁搅拌(打掉树枝晶),轻压下(机械补缩),中间罐的连续测温及加热(准确控制较低的过热度)等都是解决这个问题的新技术。 莱芜钢铁公司所生产的钢种,产品规格都不需要此类新技术及设备,只要合理地控制好钢液的过热度和收缩辊隙值,就能有效地克服此类缺陷。 7.2铸坯表面裂纹的种类及其分析 7.2.1表面裂纹的种类 大体上常见表面裂纹分5种类型。 ①纵向裂纹 ②横向裂纹 ③星形裂纹(也叫龟裂) ④角裂纹 ⑤侧面裂纹 各种裂纹出现的位置如下图所示。 7.2.2各种表面裂纹的分析 1)纵向裂纹: 纵向裂纹大体上可分为两大类,一类是往往在板坯开始浇注或结束浇注时产生的纵向粗裂纹也叫初期裂纹。 另一类是由于钢水的成分中含有Cu,S,Sn等热敏感元素所致的纵向细裂纹。 当浇注开始时,由于保护渣的选用(起步保护渣)不当,未能很快形成足够液渣层,导致结晶器对铸坯的冷却过强,冷却不均匀,因而产生较粗的纵向初期裂纹。 由此看来起步保护渣的正确选用对保证初期铸坯质量,提高收得率,是一项很重要得因素。 当浇注快要结束时,由于铸机拉速和结晶器的冷却强度失去平衡,振动频率的不协调(导致保护渣消耗量的不匹配)等导致冷却过冷和冷却不均匀从而产生浇注结束期的纵向粗裂纹。 纵向细裂纹除钢水成分的热敏感性之外,保护渣的残留物粘着于铜板表面形成坚硬颗粒,清除结块时不小心划伤的铜板表面也都会成为产生表面纵向细裂纹的原因。 从以上的纵向裂纹产生的原因分析不管是粗裂纹还是细裂纹都是在结晶器内产生。 下面再从纵向裂纹的生成与发展角度分析进一步说明纵向裂纹和结晶器的密切关系。 从纵向裂纹的生成和发展角度分析,可归纳为长100mm以上深度较深的大裂纹和长10mm以下深1mm以下的用砂轮磨平黑皮后才能发现的皮下细裂纹。 在结晶器内的冷却不均匀,凝壳发展不均匀必然要在内部热应力下产生纵向裂纹。 经测试常见的细裂纹一般长5~10mm,深0.5~1.0mm,裂纹内氧化物析出层只有5~10μm且生成均匀。 大裂纹一般长100~300mm,深2.6~6.0mm,氧化物析出层仍为5~10μm但不均匀。 这些数据说明细裂纹是在高温的结晶器产生后,没有在二冷区内继续发展,而大裂纹是在二冷区由于二冷不均匀等原因得到继续发展,但在二冷区内较低的表面温度未能使其继续更多地生成氧化物析出层,因而也不均匀。 不管从哪个角度都证明纵向裂纹的起源都是结晶器,因此结晶器的正确管理对连续铸造来说实在是太重要了。 下面归纳几条有关结晶器操作管理方面的注意事项。 (1)正确选用结晶器保护渣及起步渣。 (2)结晶器的锥度过小时,角部产生非接触性气隙,角部坯壳发展慢成为薄弱环节,成为三角区内纵向裂纹的起因。 (3)不同厚度规格的窄边水量要调整匹配,否则侧面坯壳发展过快,有时在距角部100mm范围的宽面上产生间断性纵向裂纹。 (4)铜板的波浪变形过大时,保护渣渗透不均匀,导致冷却不均而产生纵向皮下细裂纹。 (5)铜板表面划伤或粘连坚硬颗粒物也都成为纵向细裂纹的起因。 (6)铜板冷却结构不当,沟槽内冷却流速不均(当v=6~10m/s时不计)时铜板表面温度不均匀,也可成为纵向裂纹的起因。 (7)结晶器锥度过大时,使角部摩擦阻力聚增成为横向裂纹或拉断的起因。 当浇铸速度加快,多余的坯壳更来不及收缩,因而导致四个角部挤压应力剧增。 (8)液渣层过薄振痕变深时将成为横向裂纹的起因。 (9)足辊对中精度不高,被挤向一边时成为横向裂纹的原因。 对中精度≤±0.1mm。 (10)结晶器铜板形状不均匀(厚度,磨损,变形等原因)时也导致冷却不均匀造成某种裂纹。 新结晶器铜板厚度公差≤±0.15mm 弯月面局部磨损量<0.5mm(但必须修整光滑) 结晶器铜板下口磨损量<1.5mm 2)横向裂纹: 产生横向裂纹的主要原因有如下几个方面: 一是沿铸坯纵向方向的二冷强度不均导致铸坯内部纵向热应力,二是振痕过深,三是含S量过大而产生的热脆性,四是压下辊压下过大而造成的外部机械应力等。 从裂纹的生成和发展角度来看,常见的横向裂纹的长度为13~130mm,深2~5mm,有时深处还有细裂纹的发展,氧化物析出层为5~10μm,在发展的细裂纹处无氧化物析出层。 从这些测试数据来看,这种横向裂纹一般产生于坯壳较薄的结晶器足辊和零段的较高温的二冷区,因此足以析出5~10μm的氧化物层,在温度较低的矫直区在矫直力的作用下有所发展,但未能来得及析出氧化物层。 连铸技术发展到今天,这种横向裂纹已基本上得到解决,分析起来大概有如下几条技术进步来理解。 (1)现代板坯连铸机的二冷水增设分区数,大大改善纵向温度的均匀性。 过去分5~6区,现在分7~8区。 (2)气雾冷却技术大大改善了冷却强度的柔和性和均匀性。 (3)铸坯拉速的提高相对改善了纵向温度的均匀性。 (4)合理的结晶器锥度值,克服铸坯横向拉断的危害。 (5)采用小振幅高振频振动技术大大减轻了振痕深度。 (6)结晶器足辊、辊列的精确对弧,克服铸坯内部和表面横向裂纹的产生。 (7)采用多点弯曲多点矫直技术大大降低了矫直力的集中载荷。 (8)冶炼工艺的革命性发展能够提供含S量小于0.02%的纯净钢水,不存在硫元素的影响等。 3)星形裂纹(龟裂) 常见的星形裂纹为长4~7mm、深3~10mm的较深裂纹。 氧化物析出层厚达10μm以上。 意味着这种裂纹还是在较早期的高温区由于局部性温度不均匀而产生的。 钢水中含有的热敏感元素Cu,S,Sn和在结晶器下部与铜板角部相摩擦时渗入铸坯表面的Cu离子是这种裂纹的
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