生产过程氧氮行为对唐钢薄板坯裂纹形成的影响.docx
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生产过程氧氮行为对唐钢薄板坯裂纹形成的影响
学号:
HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITY
毕业论文
GRADUATETHESIS
论文题目:
生产过程氧氮行为对唐钢薄板坯裂纹形成的影响
学生姓名:
专业班级:
学院:
指导教师:
教授
目录
摘要1
ABSTRACT2
引言3
1文献综述4
1.1薄板坯连铸发展概述4
1.1.1国外连铸发展的概况4
1.1.2我国连铸技术发展概况4
1.1.3薄板坯连铸的发展6
1.2薄板坯连铸工艺的特点7
1.3薄板坯连铸连轧技术的优越性7
1.4薄板坯裂纹的形成原因及影响因素8
1.4.1裂纹形成机理8
1.4.2裂纹的影响因素及防止措施9
1.5夹杂物10
1.5.1非夹杂物的类型10
1.5.2夹杂物的组成及影响其分布的因素11
1.5.3减少夹杂物的方法12
1.6钢中氧氮12
1.6.1钢中氧及对钢质量的影响12
1.6.2钢中氮及对钢质量的影响14
2唐钢薄板工艺简介16
2.1唐钢薄板坯生产的工艺流程16
2.2唐钢FTSR薄板坯连铸连轧生产线简介16
2.3唐钢薄板坯连铸工艺特点17
3研究内容及方案19
3.1研究内容19
3.2研究方案19
3.3实验室研究19
3.3.1取样19
3.3.2金相实验19
3.3.3氧氮样实验20
4实验结果及分析21
4.1各工序T[O]、[N]的变化及对裂纹形成的分析21
4.2各工序钢中显微夹杂物的变化25
4.2.1显微夹杂物的分析25
4.2.2LF处理前后显微夹杂物的形貌、组成与粒径变化29
4.3小结31
结论32
谢辞33
参考文献34
大摘要35
ABSTRACT37
摘要
本文针对唐山唐钢集团有限公司最新薄板坯连铸技术进行深入研究。
薄板坯现在存在严重的各种裂纹,造成薄板坯产生裂纹的因素很多,保持影响薄板坯板坯裂纹的原因其它因素不变,本文研究只针对氧氮含量对薄板坯板坯裂纹的影响着手进行实验研究和理论分析。
氧氮分析仪对唐钢薄板坯试样做了氮和氧含量的定量分析,得出了一系列的数据,根据数据显示以钢中的氧氮含量来对薄板坯产生裂纹进行分析。
再分析氧氮含量同薄板坯板坯裂纹之间的各种关系。
综合上述实验,本文从裂纹的类型、夹杂物等方面,对薄板坯裂纹成因进行了综合研究,并以其做依据,针对连铸工艺的生产现状,对薄板坯板坯裂纹问题提出了一系列改善措施,有效的研究了氧氮含量对薄板坯板坯裂纹的影响的问题,对进一步全面改善薄板坯裂纹有重要影响,能更好地提高薄板坯板坯的质量。
关键词:
氧氮;裂纹;夹杂;影响
ABSTRACT
Inthispaper,TangshanIronandSteelGroupthelatesttechnologyforthinslabcontinuouscastingandin-depthstudy.Thinslabofavarietyofnowthereareseriouscracks,resultinginthinslabcracksaremanyfactorsthataffectthethinslabslabtokeepthereasonsforcracksandotherfactorsremainunchanged,thispaperonlyforoxygenandnitrogencontentonthethinslabslabcrackimpacttoproceedwiththeExperimentalresearchandtheoreticalanalysis.
NitrogenoxygenanalyzerthinslabofTangshanIronandSteelhavedoneasampleofnitrogenandoxygencontentofthequantitativeanalysis,todrawaseriesofdata,accordingtodataontheoxygenandnitrogeninsteelcontenttohaveacrackonthethinslabforanalysis.Re-analysisofnitrogenoxidethinslabwiththeslabofthevariousrelationshipsbetweenthecracks.
Theaboveexperiment,thisarticlefromthecracksofthetypeofcontinuouscastingtechnology,crackofthinslabcrackacomprehensivestudyofthecauses,anditsdonebasedontheproductionofcontinuouscastingprocessforthestatusquo,thinslabofslabcracksputforwardaseriesofimprovementmeasuresandeffectivestudyofoxygenandnitrogencontentonthethinslabslabcracktheproblemoftheimpactoffurtheroverallimprovementinthin-slabcrackshaveamajorimpact,tobetterimprovethequalityofthinslabslab.
Keyword:
Oxygennitrogen;Crack;Mixture;Influence
引言
薄板坯连铸连轧是当今世界钢铁冶金工业的具有革命性的前沿技术,它集科学、技术和工程为一体,将热轧板卷的生产在一条短流程的生产线上完成,充分显示出其先进性和科学性。
世界各国都对此给予了极大关注,使得薄板坯连铸连轧技术近年来又有了突飞猛进的发展。
[1]
随着冶金工业的技术进步,新工艺的出现和不断完善,全球范围内板材连铸工艺发生了巨大变化,特别是20世纪80年代末近终形连铸的开发成功,更促进了板材市场的变化。
该工艺以其低投资、低成本、低能耗、生产周期短、成材率高的优点等,近年来取得了重大发展,使钢铁生产工艺流程产生了重大变革。
近终形连铸可分为三大类:
薄板坯连铸、薄带连铸和喷雾成形。
[1]
高质量连铸坯的含义:
一是铸坯的洁净度,二是铸坯的表面质量,三是铸坯的内部质量。
铸坯的洁净度要在钢水进入结晶器之前来保证,钢水在结晶器内的凝固过程决定了连铸坯的表面质量,在结晶器以下的凝固过程决定了铸坯内部致密度和质量。
薄板坯连铸连轧工艺最终产品是提供深冲用的冷轧板(如汽车板、食品包装DI罐等),它要求钢材具有较高的冷弯性能,而存在于薄板坯表面和内部的各种裂纹是影响钢材的性能的主要因素。
唐钢集团公司开发了FTSR工艺技术,与CSP铸机相比,FTSR直弧形铸机厂房低、产量高,而且冶金长度较长有继续发展的空间。
H2结晶器是FTSC技术的心脏,其漏斗形状贯穿整个结晶器,该结晶器一以高拉速、高质量为主要特点。
目前,国内外对氧氮含量对薄板坯板坯裂纹的影响的研究甚少,在冶金刊物上几乎还没有相关的论文、资料可供参考,因此,本课题结合唐钢集团开发的FTSR薄板坯连铸工艺,对氧氮含量对薄板坯板坯裂纹的影响作了深入研究。
为此,分析薄板坯缺陷的成因,并提出相应防止措施,改善薄薄板坯裂纹是当前的迫切需要,具有重大而深远的意义。
目的在于降低薄板坯内部缺陷,提高板坯质量,为后面的轧钢工序提供优质产品。
1文献综述
1.1薄板坯连铸发展概述
1.1.1国外连铸发展的概况
连铸技术进入80年代,国外钢铁工业发达国家的连铸发展极为迅速,除了连铸比急剧增长外,提高连铸机效率是当前连铸发展的主要方向[2]。
连铸机具有如下特点:
(1)连铸的拉坯速度高
早在1990年前后,日本对提高板坯连铸的速度做了大量的工作,并取得了实质性的进展。
常规大板坯拉速由0.8~1.5m/min达到2.0~2.5m/min[3]。
方坯连铸,特别是小方坯连铸,国外几个专业公司对小方坯实现高拉速提出了实施方案和各自的专利、诀窍。
如康卡斯特的凸边形结晶器、丹涅尔自适应结晶器、德马克的抛物线锥度长结晶器,经工业实验,拉速可提高50%左右。
[4]
(2)机作业率高
连铸机作业率均在80%~90%以上,如名古屋连铸机作业率达到94.7%,君津厂达到92%,意大利塔兰托为90%。
(3)铸机的生产能力高
国外大板坯连铸机的单流年生产能力均超过100万吨,美国内陆厂单流年产达140万吨,日本君津厂两台板坯连铸机均超过240万吨,比利时大多数小方坯连铸机的流年产能力为6~10万吨。
最高可达20万吨。
(4)浇炉数多
多炉连浇不仅提高钢水收得率和稳定工艺过程,而且可以提高铸机的有效作业时间,提高铸机的生产水平。
国外连浇水平平均在6~7炉/次以上,意大利塔兰托厂板坯连浇炉次均为7~8炉/次,日本川崎板坯连铸机查一次引锭纪录是806炉,历时30天17小时,浇注板坯24万吨,坯总长度11万米。
(5)连铸坯无缺陷率高
NKK公司福山厂6#连铸机专门用于连铸厚板坯,由于采用了中碳钢浇铸用且不会在高温下高速结晶器的高碱度保护渣和氧化镁保护渣,并同时采用最佳的二次冷却技术,从而是铸坯表面无缺陷率达到了100%。
[5]
1.1.2我国连铸技术发展概况
我国连铸机的作业率普遍较低,其中60%的铸机作业率低于60%,板坯铸机年产量仅为20~40万吨,小方坯连铸机的设计能力为5万吨/流年,我国板坯铸机的最好拉速为1.5m/min,方坯拉速各厂不同,多数厂偏低,我国连浇数为5~6炉/次,尽管这些指标和国外相比有很大的差距,但我国在高效连铸方面也取得了一定进展。
进展如下:
(1)包括多锥度结晶器、高速水膜辅助冷却结晶器、非正弦振动技术、连续矫直技术、中间包快速更换与长寿、多炉连浇技术等方面的工艺与装备已在生产中应用,并取得了实际效果。
(2)到1997年单流产量达超8万吨的小方坯、短坯、圆坯的连铸机已有12台41流,有的超过13万吨以上,有的大板坯连铸机已大幅度地超过了设计生产能力,其中宝钢大板坯铸机单流年产超过115万吨,铸坯无清理率大于95%,达到了世界先进水平。
(3)有一批连铸机的作业率已超过80%,如杭钢转炉分厂两台小方坯连铸机的平均作业率已达86.48%,首钢二钢两台连铸机已达86.98%,邯郸一钢2#机最高已达91.87%。
(4)有一批连铸机最高连浇炉数已超过100炉/次,如唐钢236炉/次,莱芜钢厂新建铸机一次连浇289炉/次的纪录[6]。
(5)对于我国的现状,在不建高效连铸机的情况下,要实现高效连铸就必须引进、消化、吸收国外先进技术,搞好国内连铸机的高效改造。
我国“九五”攻关项目中对攀钢、广钢、济钢、首钢、武钢等厂进行了高效改造,并取得了明显的经济效益和社会效益,如:
(1)首钢三炼钢高效化改造后:
每流年产10万吨以上,比改造前每流增产3.27万吨/流年;拉速有了大幅度的提高,未改造前120mm×120mm方坯拉速仅为2.4~2.6m/min,改造后平均工作拉速提高到3.0~3.3m/min;提高了连浇炉数,由原来的8.5炉提高到14.59炉;铸机作业率提高,原来一般在70~75%,改造后铸机作业超过85%。
(2)济钢一炼钢高效化改造后:
产量增加,铸机单流产量由10.32万吨/流年增加到13.2万吨/流年;正常工作拉速为3.8~4.2m/min,最高拉速可达4.5m/min;铸机作业率显著提高,纯浇钢时间率达85%。
济钢一炼钢通过高效化改造,预计四流铸机产量可达55万吨;广钢高效结晶器在转炉炼钢厂德马克型1号方坯连铸机上使用,使150mm150mm方坯拉速达到2.5~2.8m/min,最高达3.5m/min[7]。
1.1.3薄板坯连铸的发展
连铸技术发展的基本趋势之一,是力求浇注可能接近最终产品尺寸的铸坯,即所谓的“近终形连铸技术”。
以便进一步减少中间包加工工序、节省能源、减少储存和缩短生产时间。
(1)CSP技术
由德国西马克公司提供的第一条紧凑带钢生产线(CompactStripProduction缩写CSP)。
采用漏斗结晶器、侵入式水口、保护渣技术来浇注50mm厚的薄板坯。
有关的侵入式水口设计、保护渣性能的选择、稳定的钢水流量控制和结晶器液面控制都是其核心技术。
这条生产线的投产在钢铁工业技术领域内掀起一次实现工序简化和彼此间紧凑连接的热潮,它投产后很快达到80万t/a的设计能力,生产成本比传统低60美元/吨。
(2)ISP技术
它由德国德马克公司和意大利阿维迪公司合作,于1992年月在意大利投入热试,1993年3月正式投产的。
这种方式通常叫做在线生产带钢(InStripProduction缩写为ISP)。
该公司的ISP在投产后两年半产量达到50万t/a的设计能力,且已浇注了深冲钢、合金结构、钢管线用钢和高合金奥氏体和铁素体钢等。
在阿维迪之后,韩国浦项公司光阳厂1994年6月也订了一条ISP生产线。
国外薄板坯连铸连轧发展非常迅速,现在日本、美国、德国、西班牙、韩国、土耳其、加拿大、马来西亚、台湾都建立了薄板坯生产线。
(3)ConRoll技术
奥地利奥钢联基于80年代末在瑞典阿维斯塔厂的实验结果,为美国阿姆科公司曼斯非尔德厂提供一台中厚度薄板坯连铸连轧生产线,并称之为ConRoll技术。
1996年该机产量已达到4万吨/月,而且生产的AISII409不锈钢的产品指标好,由表面质量造成的退废率低于0.2%[8]。
(4)薄板坯连铸:
国产中宽度薄板坯连铸攻关成功,引进的珠江薄板坯连铸连轧生产线投产,国产化工作已有成效。
进入80年代以来,薄板坯连铸技术有了突破性的发展,薄板坯连铸机基本上可分为以下几种:
中等厚度板坯连铸机;生产厚度为80~120mm的板坯;
薄板坯连铸机:
生产厚度为20~60mm的板坯;
厚板带连铸机:
生产厚度为5~15mm的板带;
薄带连铸机:
生产厚度小于10mm的薄带;
极薄带连铸机:
生产厚度为几毫米到十分之几毫米的极薄带[9]。
1.2薄板坯连铸工艺的特点
目前应用于工业生产的薄板坯连铸工艺尚属于固定结晶器式连铸工艺,作为近终形浇注,它与传统板坯连铸相比,具有下述特点[10]:
(1)板坯厚度小。
薄板坯坯厚为20~80mm,坯宽一般为800~1600mm,最宽可达2000mm。
典型薄板坯厚度为50mm,而厚板坯厚度为250mm。
奥钢联的薄板坯最佳厚度为70mm。
(2)拉坯速度大。
目前几种典型薄板坯连铸设计拉速均在5m/min左右,高于传统板坯连铸速度。
(3)凝固速度快。
凝固速度随时间的变化规律见图1。
对于50mm厚的薄板坯,全凝固时间为0.9min,而250mm的厚板坯全部凝固需23.1min。
薄板坯的凝固过程处于快速凝固区,内部组织晶粒细化,球状晶区较大,中心偏析少,板坯致密度高。
(4)出坯温度高。
铸坯的全凝固点控制在离铸机出口尽可能短的位置上。
资料表明,全凝固点处铸坯表面温度为1150℃,边部温度为970℃,平均温度达1300℃。
(5)冶金长度短。
薄板坯坯薄,冶金长度很短,约5~6mm,而250mm厚的厚板坯冶金长度达40m。
薄板坯铸机重量只有相同生产能力厚板坯铸机的1/3~1/2。
(6)比表面积大。
50mm×1500mm薄板坯的比表面积为5.3m2/t,宽度相同的250mm厚的厚板坯的比表面积为1.2m2/t。
比表面积大,散热速度增大,从而使连铸坯的缺陷产生几率增加[11]。
1.3薄板坯连铸连轧技术的优越性
薄板坯连铸连轧是将连铸机和连轧机连成一条生产线,钢水由薄板坯连铸机铸成一定规格长度的薄板坯,随即进入在线的再加热炉进行少量加热,即送入连轧机轧制成材。
这使得:
(1)大大缩短了生产线长度,减少了总面积。
薄板坯连铸连轧缩短了从结晶器至热带卷曲机间的距离,同时省去了传统热轧带钢生产中的板坯存在,同时减小了车间的总面积。
(2)大大缩短了生产周期。
连铸连轧是一个连续的过程,省去了大量的中间滞留时间,由钢水成卷一般为15-30分钟,而传统生产需要5小时。
(3)减少了设备,节约了能耗。
薄板坯厚度较薄,致使可省去传统带钢生产中的初轧机组。
薄板坯裂纹由精轧机组直接轧制成材。
另外,薄板坯裂纹在高温状态下,只需少量加热即可轧制,节省了能源。
据统计,薄板坯连铸连轧可节省设备约30%,动力及能耗节约50%。
产品成本降低,经济效益提高[12]。
1.4薄板坯裂纹的形成原因及影响因素
1.4.1裂纹形成机理
(1)纵裂纹形成机理
纵裂纹是连铸坯表面与浇注方向平行的表面裂纹。
其形成过程大致可如下描述[14,15]:
液体钢液在进入结晶器的瞬间,由于结晶器的冷却效应,即开始形成一定量的凝固壳,刚开始形成的该部分凝固壳非常薄,约占整体部分的0.2~0.6%,当凝固壳继续凝固和冷却时,初时凝固壳逐步变厚,并开始出现收缩,由于高温组织结构固有的脆弱性能:
即钢的抗拉强度低,延伸率低,该凝固壳不能同时从整个结晶器周边均匀收缩,首先,角部收缩,脱开结晶器,引起非角部的糊状区位置的坯壳的张应力。
另外,钢液弯月面处因结晶器钢液面的波动及钢液温度的波动和结晶器的四周冷却情况的不完全相同及热通量的变化造成初始坯壳厚薄不均及热应力,或者坯壳中有夹渣,使坯壳各处承受张应力的能力不同,在薄弱处就有可能形成初始裂纹。
当坯壳继续进一步凝固和冷却,引起进一步的收缩外,还将发生δ-γ转变,这种转变部位越不均匀,转变时间差别越大,自然,将增加应力水平,在坯壳宽面中部的局部地方也有可能与结晶器壁分离,形成气隙,使该处热量的导出速率降低,导致该处坯壳的重加热和降低该处坯壳承受钢水静压的能力;或者宽面的局部地方重新与结晶器壁接触,这种回弯壳引起大的应力和早先凝固时形成的旧裂纹的生长。
新日铁河野拓夫等人研究了纵裂纹形成机理,认为纵裂纹无论外观有何差别,在裂纹形成前都存在着局部偏析,这种局部偏析总是在铸坯表面沿树枝晶主轴扩展。
(2)横裂纹形成机理
在低碳钢连铸板坯、特别是加Nb、V的低合金连铸板坯宽面上,常出横裂纹,可以观察到板坯宽面凹陷处有2~4毫米深的横裂纹,经研究认为有的横裂纹在先共析铁素体处发生,正好是原来奥氏体晶界,还发现有细小的氮化物和碳化物质沉淀在晶界上。
钢的热态可塑性也表明;低碳铌钢在750℃附近有一个脆性区,长谷等人的研究结果也说明了这一点,他们发现含铌、钒钢在1000℃时,其端面收缩率为100%,而在700~900℃时下降到50%,因此当铸坯在脆性区温度范围,并接近δ-γ转变温度进行弯曲或矫直时,在母体和碳氮化铌界面上旧有可能发生横裂纹,加之弯曲矫直应变可诱异析出碳氮化物。
因此当铸坯在矫直应变时,可能有组织应力、机械应力、热应力等,如果振痕较深,那么,该处很有可能成为优先形成横裂纹的地方。
当连铸板坯表面有星状裂纹存在时,如果在矫直时正好处于低塑性区,由于受到矫直变形力的作用,有时也会以这些细小的龟裂为缺口扩展成横裂纹[16]。
1.4.2裂纹的影响因素及防止措施
在工厂条件下,直接观察裂纹的形成几乎是不可能的,并且,模拟过程也是相当困难的,因为裂纹的形成往往是许多因素共同作用的结果[17]。
根据技术文献,影响裂纹形成的因素和防止措施如下:
(1)钢种本身裂纹敏感性
连铸时,连铸坯不仅受到强制冷却,使铸坯温度应力增加,而且,在坯壳的成长过程中还受到机械拉力、弯曲、扭曲几矫直力的作用,一旦在薄弱部位造成断力集中,如果应力超过了钢种本身的破断强度,就引起裂纹。
因此,在符合钢种标准的情况下,必须对钢中影响热裂纹倾向性的元素加以严格限制。
(2)钢水过热度
选择合适的钢水浇注温度非常重要,过高导至柱状晶发达,中心缩孔偏析加剧,降低设备寿命,增加钢中的非金属夹杂,坯壳减薄,厚薄不均和漏钢等。
过低导至浇注困难,影响拉速速,影响铸坯表面质量等。
因此,很多国家对钢水采用了热补偿技术,如温度不均,可采用吹气搅拌技术;温度偏高,加废钢或钢水调温,还可以降低出钢温度;当钢水连续浇注达不到温度要求时,可采用补偿加热,使钢水温度达到要求的浇注温度要求[18]。
目前可采用的加热技术有:
燃烧燃油、燃气的氧燃加热法:
燃烧金属铝、硅等的金属燃料加热法(氧加金属Al、Si等);采用电的;电弧加热法;感应加热法;等离子加热法;电渣加热法等。
(3)钢水纯净度
钢水的纯净程度不但对钢的内在质量有影响,其影响主要表现在增加初始坯壳中的夹杂和渣对夹杂的吸收,所以,为了保证优良的连铸坯质量,各钢铁厂对提高钢水的纯净度,改变夹杂物形态等。
如钢水的真空、搅拌(吹气、电磁、机械)处理,吹气、脱气处理,喷粉、喂丝处理,造渣、微合金化等,还有钢水的过滤技术,利用电磁力去除熔融金属中夹杂物的方法等。
(4)连铸结晶器钢水液面的波动程度
连铸结晶器内钢水液面波动大时,一方面会助长结晶器保护渣卷入钢液,因而易造成夹渣,另外,使初始凝固坯壳厚薄不均,易造成应力,导至裂纹的发生,因而须严格控制液面的波动范围。
日本钢管福山厂采用涡流式结晶器液面传感器与滑动水口配合,精确控制钢液面的波动范围±2mm以内。
(5)结晶器振动
结晶器的振动能有效地防止初生坯壳与结晶器之间的黏结而造成的拉漏事故和改善连铸坯表面质量。
但振动的方式、振动的频率、振动的幅度对铸坯的质量都有影响。
日本川崎千叶厂将振动频率提高到400次/分和200次/分,不锈钢板坯振痕降低到通常的三分之一左右,日本钢管福山厂5号板坯连铸机采用非正弦振动技术,振痕深度比正弦振动要浅。
(6)连铸保护渣
连铸时必须要使用保护渣,其作用大致主要有如下几个方面:
①保护钢水,防止氧化
②保温隔热,防止钢液表面局部固化
③吸收钢水中的夹杂
④连铸坯与结晶器之间起润滑作用
⑤改善铸坯与结晶器之间的传热条件
随着连续铸造钢种的日益扩大,以及对于产品质量要求的日益提高,目前国内外对于保护渣的润滑机制、渣的传热及凝固行为等正在进行深入细致的研究工作,就连铸坯表面质量的裂纹而言,连铸保护渣的碱度、熔化特性、粘度等都有影响,严格的讲,不同的钢种、不同的连铸坯规格,不同的拉速应用不同的连铸保护渣,特别是渣的熔化速度,其不但控制了熔渣池的深度(大约需20mm以上)而且,控制了液渣渗入结晶器与精辟棵之间隙的速度,从而影响到结晶器与坯壳之间的传热条件及润滑[19]。
因为结晶器与坯壳之间间隙内液渣的渗入是保证连铸结晶器与坯壳之间良好润滑和均匀传热的关键。
除了上文提到的一些工艺措施外,如采用弱冷式结晶器、采用电磁搅拌,采用喷雾冷却、多点矫直等,结合自己装备的实际情况,工艺情况,也不失为行之有效的手段。
1.5夹杂物
1.5.1非夹杂物的类型
钢中夹杂物的分类方法很多,常见的有下面几种:
(1)按化学成分分类
根据夹杂物的化学成分,夹杂物可分为氧化物、硫化物和氮化物以及磷化物,硒化物等,其中主要是氧化物,硫化物和氮化物。
(2)夹杂物按其来源可分为[20]:
①内生夹杂:
由于钢液的二次氧化,钢中的脱氧产物形成的夹杂;
②外来夹杂:
耐火材
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