汽车板钢冶炼生产企业生产实际教学案例库.docx
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汽车板钢冶炼生产企业生产实际教学案例库
冶金技术专业-转炉炼钢-SPHC钢的冶炼生产-孟建荣
唐山科技职业技术学院孟建荣
案例名称
SPHC钢的冶炼生产
案例说明
本案例适合中职、高职、职业本科等院校冶金技术专业,在转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢或相似的综合性课程教学中使用,更适合在转炉炼钢工、炉外精炼工、连续铸钢工等工种的职工培训中使用。
案例背景
某大型转炉炼钢厂,采用KR法铁水预脱硫,拥有三座顶底复吹转炉,容量为150t,采用LF炉精炼装置,大型板坯连铸机。
SPHC,热轧钢板,典型的冷轧用低铝镇静钢,广泛应用于汽车、轻工、机械、石化、建筑、化工等行业。
案例所涉及的知识点
品种质量——钢种质量要求、钢种生产工艺路线;
转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢工艺。
案例所涉及的技能点
钢种生产操作要点的制定
案例工作任务的分解
工艺路线选择,铁水预处理、转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢工艺制度选择及工艺参数制定。
教学目标
(1)了解钢种冶炼应关注的问题;
(2)掌握SPHC钢冶炼操作要点;
(3)学习综合考虑钢种质量保证的措施,根据设备、原材料,选择工艺路线;
(4)全面复习所学知识,并将知识转化为能力。
案例建议的教学时间
6~8学时
案例的操作演示
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。
(视频、图片等)
案例点评
可实现现场案例与所学理论知识的有机结合,将书本知识转化为现实工作能力,培养了学生的分析问题、解决问题的能力。
本案例可迁移为其他品种钢冶炼教学,学生通过本案例学习,具有其他品种钢冶炼的能力。
SPHC钢的冶炼生产
1.背景介绍
某大型转炉炼钢厂,KR法铁水预脱硫,拥有三座顶底复吹转炉,容量为150t,采用LF炉精炼装置,大型板坯连铸机。
2.主要内容
2.1.SPHC钢的用途和要求
SPHC,低碳钢,普通及机械结构用钢板中常见的日本牌号,这个牌号其实最早是德国的牌号,日本也用,后来国内钢厂宝钢引入,首位S为钢Steel的缩写,表示材质是钢,P为板Plate的缩写,表示形状是板,H为热Heat的缩写,表示制造方法是热轧,C商业Commercial的缩写,整体代表的是热轧钢板(它对应的冷轧板就是SPCC),相当于国标GB699(优质碳素结构钢国家标准)中的10#、15#钢的热轧板。
SPHC,典型的冷轧用低铝镇静钢,不仅具有表面质量好和尺寸精度高的优点,而且还有良好的组织和成形性能,一般用于冷轧产品,加工有一定延伸要求的冲压成型产品,复杂形状的零件加工,具有较高的附加值,广泛应用于汽车、轻工、机械、石化、建筑、化工等行业,随着现代工业尤其是汽车工业的发展,对冷轧薄板原料的性能要求也越来越高。
机械性能:
抗拉强度不小于270MPa,伸长率根据厚度不小于27-31%。
2.2.合金元素的作用
2.2.1C的影响
从普通深冲钢的0.07%C减小到超深冲钢的0.003%C时,n值从0.22可提高到0.26,所以C控制在下限为好。
C对织构的影响的机理众说纷纭,比较一般的看法,是C含量高时,变形后形成不均匀的变形区,在再结晶过程中,这些变形区促进了随机取向再结晶晶粒的形核。
有利织构{111}相应减小,则r值下降。
2.2.2N的影响
N的作用与C相似,随着N含量的增加钢的n、r值下降,同时固溶N是造成成品板时效的主要原因,因此N要尽量低。
固溶C、N钉扎位错,在冷轧时不利于{111}取向晶粒的滑移,造成{111}形变织构的减少,退火后r值下降。
2.2.3Mn的作用
Mn可以和C、O、S、N、P相互作用,在低碳钢中测了不同Mn含量(0.005~0.56%)对{111}织构的影响,随着Mn含量增加,r值明显下降。
Mn对织构的影响。
可用杂质拖曳模型解释,再结晶初期,成核的{111)晶粒或长中晶界受到溶质原子拖曳时,一些杂乱方向的晶粒将有时间形核,从而削弱了{111}织构。
2.2.4P的作用
P强化效果好,能促进有利织构,但使塑性有所降低,关于P在低碳钢再结晶中的作用机制有以下观点:
(1)P在钢中以Fe3P形式析出。
有类似AlN的有利作用;
(2)P改变了C的析出行为;(3)P影响了固溶C原子的状态及作用。
业已证明固溶C在10~20ppm时加P可促进{111}组分的作用,对于SPHC,P控制在<0.02%为好。
2.2.5析出物的作用(AlN)
钢中加Al形成酸溶铝(Als)和酸不溶铝,而Als包括固溶Al和AlN,AlN的溶解温度随着Als含量的增加而提高。
另外过高的铝含量也将起到细化晶粒、提高强度的副作用而不利深冲,因此Als含量不能大于0.07%。
一般认为Als的最佳范围应是0.03%~0.06%。
SPHC钢的化学成分要求:
C≤0.12,Si≤0.05,Mn≤0.60,P≤0.035,S≤0.035,Alt≥0.010。
SPHC钢的典型成分如表1。
表1SPHC钢的典型成分
C
Si
Mn
P
S
Als
N
≤0.06
≤0.03
0.15~0.40
≤0.022
≤0.015
0.030~0.060
≤0.0050
2.3.钢种生产难度
从分析化学元素的作用及其对深冲性能影可见,C和N都造成钢的屈服效应和应变时效,使深冲钢的屈服强度和抗拉强度增加,硬度值上升,Y值下降并引起钢的时效,所以在冶炼时应尽可能降低其在钢中的含量。
由于钢中的C、N含量较难控制,成为生产深冲钢、超深冲钢的瓶颈,因此,炼钢工艺研究重点放在C、N的控制技术上。
2.3.1SPHC碳含量的控制
碳含量的控制难点是:
一是碳含量需要控制在较低的范围,而是降低碳含量的同时需要防止钢水的过氧化,降低钢中含氧量([O]小于600×106−)。
在转炉终点碳含量达到一定的范围后,主要问题在于控制各生产环节钢水增碳。
实际生产过程中,造成增碳的生产环节主要有出钢时合金增碳、精炼加热时电极增碳以及中间包覆盖剂增碳,其中合金增碳及电极增碳是主要方面。
因此,在生产过程中严格出钢温度,使钢水有适当的温度,严格控制精炼加热时间,减少增碳;同时采用低碳含量的合金原料以减少合金增碳量。
在SPHC生产过程中将终点C≤0.06%,复吹加强后搅,进一步降低钢中C含量;严格控制出钢温度,使钢水有适当的温度;严格控制精炼加热时间,减少增碳;采用无碳或低碳含量的脱氧合金原料以减少合金增碳量;采用无碳或低碳含量的辅料如钢包覆盖剂和中包覆盖剂。
2.3.2SPHC氮含量控制
各工序增氮的原因分析:
(1)出钢:
出钢开始到LF炉精炼开始过程钢液存在严重的吸氮现象。
转炉从冶炼到出钢过程的增氮主要由三部分组成:
转炉点吹导致从大气中吸氮;出钢钢流散流导致从大气中吸氮;加入铁合金及增碳剂导致增氮。
(2)Ar站增氮影响:
脱氧良好的钢液暴露在大气,钢液产生物理吸氮和化学增氮。
(3)LF炉精炼过程的增氮:
LF炉精炼过程中底吹氩气搅拌时可能将渣液面吹开,使钢液面裸露而吸氮;LF炉精炼过程中电弧的电离作用使钢液吸氮。
(4)连铸过程的增氮:
连铸过程中钢水从钢包到中间包钢流的二次氧化和吸氮,钢水从中间包至结晶器过程钢流的二次氧化和吸氮。
连铸过程中的增氮主要是发生在钢包到中间包之间的环节上,如何做好该段的保护浇注工作是连铸当前防止增氮的主要任务。
由于氮在钢液中的扩散系数很小,因此一旦进入钢液即使经过真空处理也很难将其降到很低的水平,故控制钢中氮含量主要在转炉降氮和防止以后工序钢水增氮方面采取措施。
实际SPHC生产过程难解决减少出钢及以后过程中钢液的吸氮问题,经过摸索总结出以下减少钢液吸氮的措施:
维护好出钢口,保证出钢过程钢流不散流;控制吹Ar钢水裸露小于200mm;保证LF处理过程中,钢水不产生任何裸露;钢包下水口与长水口采取石棉密封垫;长水口插入深度大于300mm;中包覆盖剂采用黑渣操作。
2.4.工艺路线
(1)SPHC钢生产工艺路线:
铁水预脱硫→转炉复合吹炼→LF炉精炼装置→板坯连铸。
(2)入炉铁水[S]≤0.025%、[P]≤0.140%。
(3)高铁水装入比,顶底复合吹炼,底吹要求N2-Ar切换,充分脱磷,严格控制转炉出钢温度和终点碳含量,以保证转炉脱磷效果。
终点碳≤0.06,出钢温度T:
1620~1650℃(连用包)、1650~1670℃(非连用包)。
(4)出钢采用挡渣塞和挡渣锥挡渣,下渣厚度≤50mm。
终渣碱度≥2.4。
(5)采用铝锰钛或铝铁脱氧,中碳锰铁配锰。
(6)出钢过程中钢包吹氩气搅拌,待渣料熔化后,将钢包底吹氩气调小,严禁钢液裸露。
表2钢包成分控制目标
C%
Si%
Mn%
P%
S%
Als%
≤0.06
≤0.05
0.10~0.15
≤0.020
≤0.030
0.010~0.030
(7)LF炉精炼采用石灰、萤石、铝线段造白渣,控制碱度≥3。
根据进站温度确定给电时间,给电时间7~20min。
成分和温度合格后,钢水进行钙处理。
钙处理结束后转入静吹,静吹时间≥8min。
表3出站成分控制目标
C%
Si%
Mn%
P%
S%
Als%
≤0.06
≤0.03
0.15~0.40
≤0.022
≤0.015
0.033~0.060
(8)严格保护浇注,防止二次氧化、增氮。
(9)钢包和中间包内衬采用碱性耐火材料和专用覆盖剂,控制增碳。
3.分析路径
该案例是生产,本生产案例体现了铁水预脱硫、转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢等知识点和岗位技能,与冶金技术专业炼钢课程典型钢种生产单元的教学目标相对应。
根据国家职业标准关于转炉炼钢工种要求,对应教学目标,从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点,弱化与教学目标无关的内容,使之与课程学习目标、学习内容一致,成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。
采用视频、图片等手段,引导学生通过自学、讲授、讨论、对比等方式学习钢种质量要求、钢种生产工艺路线、转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢工艺知识,掌握钢种生产操作要点的制定技能,达到教学目标要求。
4.教学目标
(1)了解钢种冶炼应关注的问题;
(2)掌握SPHC钢冶炼操作要点;
(3)学习综合考虑钢种质量保证的措施,根据设备、原材料,选择工艺路线。
(4)全面复习所学知识,并将知识转化为能力。
5.教学方式方法
现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。
具体教学过程设计如下:
5.1.课前计划
(1)学生知识准备:
掌握转炉炼钢、LF炉外精炼的基本原理、工艺、设备,了解连续铸钢生产的基本原理、工艺、设备;
(2)学生分组,指定组长;
(3)与现场联系,进行现场教学准备,包括安全教育、劳保用品、行走路线,现场兼职教师,现场教室等;
(4)安全教育,教师带领学生下厂调研,记录10炉SPHC钢冶炼、精炼工艺参数,收集钢种生产相关资料;
(5)学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料,总结该钢种生产的操作要点;
(6)与技术人员交流,请技术人员准备讲授该钢种生产中出现的事故。
(7)教室设置成学习岛,准备投影,为每组准备2张0开白纸,大号记号笔1支、作业纸每人2张。
5.2.课中计划
(1)学生按小组就座学习岛周围,选举记录人、发言人。
(2)采用头脑风暴法,每人总结一条操作要点,按顺时针顺序轮流发言,记录人将操作要点在0开白纸上按冶炼控制、LF精炼分工序记录。
要求每人发言,可以轮空,直到所有人员无法补充为止,时间15~20分钟;
(3)整理完成后,小组发言人上台展示0开白纸上的记录,并向全体师生汇报交流钢种操作要点;发言学生汇报完成后,同组学生可以补充。
汇报完成,本组自评,其它组进行点评打分,现场技术人员参与对学生汇报的操作要点评价,指出优点和不足,每组时间8~10分钟;
(4)技术人员讲授实际生产该类钢种事故案例,时间20分钟;
(5)教师讲授钢种用途、性能要求、成分控制要求,生产操作要点,时间45分钟。
5.3.课后计划
布置作业,见6.3。
6.思考题及考评
6.1.课前思考题
布置课前思考题,保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。
(1)SPHC钢种成分、质量有哪些要求?
(2)转炉冶炼SPHC本岗位有哪些关键的操作要点?
(3)转炉炼钢生产钢水终点C、S、P可以达到什么要求?
如何防止回磷?
(4)精炼SPHC本岗位有哪些关键的操作要点?
(5)精炼终点C、S达到什么要求?
如何防止增碳?
(6)炉外精炼LF炉、CAS精炼各有什么优势和劣势?
(7)连续铸钢水口为什么会出现絮流套眼现象?
如何防止?
(8)如何保证铸坯的表面质量?
(9)如何保证减少铸坯中的夹杂物?
6.2.课堂练习
课堂提问或者集体回答,目的:
及时复习、巩固知识,检查教学效果。
练习题
1、(多选)SPHC钢的化学成分要求含有()。
AB
A.较低的碳含量B.较低的氮含量
C.一定含量的钛或钛和铌D.钙
2、(多选)实际生产过程中,造成钢水增碳的生产环节主要有()。
ABCD
A.出钢时合金增碳B.精炼加热时电极增碳C.中间包覆盖剂增碳D.钢包覆盖剂增碳
3、获得较低碳含量的措施主要有()。
ABCD
A.复吹加强后搅,进一步降低钢中C含量
B.严格控制精炼加热时间,减少增碳
C.采用无碳或低碳含量的脱氧合金原料以减少合金增碳量
D.采用无碳或低碳含量的辅料如钢包覆盖剂和中包覆盖剂。
4、钢液增氮的工序有()。
ABCD
A.出钢过程B.Ar站C.LF炉精炼过程D.连铸过程
5、转炉从冶炼到出钢过程的增氮主要()。
ABCD
A.转炉点吹导致从大气中吸氮B.出钢钢流散流导致从大气中吸氮C.加入铁合金导致增氮D.加入增碳剂导致增氮
6、生产SPHC钢,要求钢有较好的深冲性和较低的氮含量,通常采用的精炼手段是RH真空处理方式。
()×
7、SPHC钢要求有良好的深冲性能,因此铝含量较高,连铸要防止水口套眼。
()√
8、洁净钢是指钢中杂质元素[S]、[P]、[H]、[N]、[O]含量低,钢中非金属夹杂物少,尺寸小。
()√
6.3.课后作业
课后作业,复习巩固知识、提升能力。
(1)每人记录10炉以上SPHC钢的复吹转炉冶炼操作数据。
(2)每人结合自己调研结果,选择一个SPHC钢的某一岗位生产操作结合原理编写详细的操作要点。
(3)(附加题)本类钢种事故案例。
6.4.评价建议
学生考核评价实施表
评价方式
评价内容
评价结果
得分
过程性
评价
(100%)
学生出勤(10%)
迟到一次及以下
8~10
迟到三次
5~7
缺勤
0
课堂参与
(50%)
小组评价
(20%)
小组合作融洽,讨论能达到预定的目标
16~20
小组合作比较融洽,讨论基本达到预定的目标
10~15
小组合作相对融洽或不融洽,讨论未达到预定的目标
1~9
展示评价
(20%)
展示内容全面,条理清楚、语言流畅
4~20
现场教学
评价
(10%)
遵守现场规章制度,有良好的安全意识。
0~10
完成作业(30%)
思路清晰,格式规范,内容正确
自我评价(10%)
注:
此案例可用于全日制钢铁冶炼专业转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢或者综合性课程钢铁冶金等课程教学中,更适合在职工培训中对转炉炼钢工、炉外精炼工、连续铸钢工培训使用。
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