IF钢冶炼关键技术.ppt

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1、1、IF钢生产过程的冶金特点 2、IF钢生产的几个关键技术,RH高效脱碳,脱碳反应：,COCO,日本钢管技报，1986，No.114, 1,RH处理脱碳速度式为：,(1),v：RH真空室内钢液体积，m3； ak：脱碳反应速度系数，m3/min； CV：真空室内钢水碳含量，； Ce：与CO分压平衡的钢液碳含量，。,式中：,提高脱碳速度：,增加ak； 增强混合，加快C向反应界面的传递 速度。 减少Ce； 提高真空程度，降低PCO。,1、强真空系统抽气能力和高真空度是 获得超低碳的必要条件,神户制钢加古川厂2RH的有关参数,1990 Steelmaking Conference Proceeding

2、s, p.79,新日铁名古屋厂2RH的有关参数,2001 Steelmaking Conference Proceedings, p.625,加古川厂不同RH真空度对脱碳反应的影响,1990 Steelmaking Conference Proceedings, p.79,2、 IF钢生产工序的发展及技术特点,国内外IF钢的生产工艺流程一般为： 铁水预处理转炉冶炼一RH真空精炼一连铸热轧一冷轧一退火一平整。 每一个工序均在不同程度上影响IF钢的最终产品性能。,2.1 铁水预处理工序,在进行IF钢生产时，必须进行铁水预处理，其目的是： 减少转炉冶炼过程中的渣量，从而减少出钢过程中的下渣量； 降低

3、转炉冶炼终点钢液和炉渣的氧化性； 提高转炉冶炼终点炉渣的碱度和MgO含量。 采用喷吹金属镁和活性石灰对铁水进行脱硫，可使入炉铁水中的硫含量控制在0.003以下。而通过喷吹含镁和CaC2，可使入炉铁水中的硫含量降至0.010以下。,2.2 转炉冶炼工序,总结国内外关于IF钢转炉冶炼的研究成果，可归纳为： 采用顶底复吹转炉进行冶炼，降低转炉冶炼终点钢液氧含量； 实现转炉冶炼动态模型控制，提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率； 提高铁水比，入炉铁水的硫含量小于0.003； 控制矿石投入量； 提高氧气纯度，控制炉内保持正压； 转炉冶炼后期增大底部惰性气体流量，加强溶池搅拌；, 转炉冶炼后期采用低

4、枪位操作； 将转炉冶炼终点钢液的碳含量由0.020.03提高至0.030.04； 采用出钢挡渣技术； 出钢过程中不脱氧，只进行锰合金化处理； 采用钢包渣改质技术。,2.3 RH真空精炼工序,总结国内外关于IP钢RH真空精炼的研究成果，可归纳为： 严格控制RH真空精炼之前钢液中的碳含量、氧含量和温度； 采取RH真空精炼前期吹氧强制脱碳方法： 增大RH真空脱碳后期的驱动气体流量，增加反应界面。 减少RH真空槽冷钢； 采用海绵钛替代钛铁合金； 建立合理的RH真空精炼过程控制模型； 进行RH炉气在线分析、动态控制； 采用钙处理技术。,2.4 连铸工序,总结国内外关于IP钢连铸生产的研究成果，可归纳为：

5、 采用钢包下渣自动检测技术； 加强大包一长水口之间的密封； 连铸中间包使用之前采用氩气清扫； 提高大包滑动水口开启成功率； 采用连铸浸入式长水口； 采用大容量连铸中间包，并进行钢液流场优化； 保证连铸中间包内钢液面相对稳定，且高于临界高度； 采用低碳碱性连铸中间包包衬和覆盖剂； 采用低碳高粘度连铸结晶器保护渣： 采用连铸结晶器液面自动控制技术，确保液面波动小于3mm。,2.5 IF钢中碳含量的控制,IF钢中碳含量的控制技术主要包括以下三个方面： （1）转炉冶炼终点碳的控制； 在IF钢生产时，日本川崎制钢公司、美国Inland钢铁公司和宝钢将转炉炼终点钢液中的碳含量控制为0.030.04，氧含量

6、控制为0.050.065； 德国Thyssen钢铁公司认为转炉冶炼终点钢液的最佳碳含量为0.03，最佳氧含量为0.06。,（2）RH真空脱碳,美国Inland钢铁公司采用RH-OB进行深脱碳处理。RH-OB的真空脱碳过程主要分为以下两个阶段： 强制脱碳阶段 从开始到第8min，RH-OB采取吹氧强制真空脱碳方法，真空度为4kPa8kPa。在此阶段，钢液中的碳含量可从0.030.04降低至810-6左右。 自然脱碳阶段 从第8min至第12min，RH-OB停止吹氧，进行自然真空脱碳方法，真空度小于266Pa。在此阶段，钢液中的碳含量可从80106降低至2010-6以下。,宝钢为了满足钢种和多炉

7、连浇的要求，采取提高脱碳速度的方法： 在RH脱碳初期采用硬脱碳方式，真空室压力快速下降，加速脱碳； 在RH脱碳后期通过OB喷嘴的环缝吹入较大量的氩气，增加反应界面。 武钢针对RH真空设备存在的抽气能力过小的问题，开发出如下的RH真空脱碳技术： 提高浸渍管的寿命，尤其是延长大直径的使用时段； 加大驱动氩气流量，并实现石英浸渍管内径扩大的动态调整； 真空室快速减压。 采用以上技术后，在RH真空脱碳过程中，可在1520分钟内将IF钢中碳含量降低到0.0015%左右。,（3）防止RH后钢液增碳,在RH真空处理后，必须严格控制IF钢的增碳，可能导致IF钢增碳的因素如下： RH真空室内的合金及冷钢增碳；

8、钢包覆盖剂增碳； 包衬、长水口、滑板等钢包耐火材料增碳； 连铸中间包覆盖剂增碳； 包衬、塞棒、浸入式水口、滑板等中间包耐火材料增碳； 连铸结晶器保护渣增碳。,日本新日铁在生产IF钢时，采用超低碳多孔镁质钢包覆盖剂。超低碳中间包覆盖剂和低碳空心结晶器保护渣、低碳长水口和浸入式水口、结晶器液面控制仪等措施，IF增碳量可稳定控制在89ppm，甚至达到2.6ppm。 宝钢在IF钢生产中，采用低碳高碱度中间包覆盖剂和低碳高粘度结晶器保护渣，同时减少RH真空槽冷钢，控制从RH真空脱碳后的钢液增碳，增碳量可稳定控制在7ppm。,2.6 IF钢中氮含量的控制,IF钢的降氮问题主要在转炉内解决，当IF钢中氮含量

9、小于20ppm时，RH真空精炼过程中降氮非常困难，有时若密封不好还导致增氮。因此在IF钢生产过程中，减少转炉冶炼终点的氮含量和避免钢液增氮是获得超低氮IF钢的主要途经。,宝钢采用的主要技术措施为： 高铁水比，控制矿石投入量； 提高氧气纯度，控制炉内为正压； 转炉冶炼后期采用低枪位操作； 提高转炉冶炼终点控制的命中率和精度，不允许再吹； 钢包水口和长水口连接处采用氩气和纤维体密封。 采用以上措施后，RH精炼终点氮含量控制在20ppm以下，平均13ppm。,台湾中钢公司采用以下技术： 转炉冶炼过程增加铁水比和溶剂量，形成较后的渣层，增加CO在渣层中停留时间，隔离大气。转炉冶炼结束前，向炉内加白云石

10、，产生大量的CO气体形成正压层，阻止钢液从大气中吸氮； RH精炼过程中，采用海绵钛代替钛铁合金，减少铁合金增氮； 连铸过程采用长水口、氩气密封和纤维体密封等技术进行保护浇注。 采用以上技术后，IF钢中氮含量可以控制在30ppm以下。,2.7 IF钢中氧含量的控制,IF钢中氧含量的控制技术涉及转炉冶炼、RH真空精炼和连铸等工艺环节。 武钢采用了以下技术： 用顶底复吹转炉进行冶炼，降低转炉冶炼终点钢液氧含量； 实现转炉冶炼动态模型控制，提高转炉冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率； 采用挡渣出钢； 进行钢包渣改质； 采用钢包下渣自动检测技术； 采用大容量连铸中间包，并进行钢液流场优化； 采用碱性连铸

11、中间包包衬和覆盖剂； 采用连铸结晶器液面自动控制技术，确保液面波动小于3mm。 采用以上技术后，IF钢连铸坯中的全氧含量可控制在1010-62410-6、平均为1810-6的先进水平。,日本川崎制钢公司在控制IF钢转炉冶炼终点氧含量方面主要采取以下措施： 采用顶底复吹转炉进行冶炼； 增大转炉冶炼后期底部惰性气体流量，加强溶池搅拌； 将IF钢转炉冶炼终点碳含量由0.020.03提高至0.030.04； 提高转炉冶炼终点控制的成功率，减少补吹率。 日本川崎制钢公司在控制IF钢转炉冶炼终点炉渣的全铁含量一般为1525，采用出钢挡渣技术，钢包内炉渣的厚度应控制在50mm以下，防止出钢过程中下渣量过大会

12、造成钢液二次氧化严重。出钢后立即向钢包内加入炉渣改质剂，炉渣改质剂由CaC03和金属铝组成，可将渣中的全铁含量降低到4左右，甚至2以下。,2.8 IF钢中夹杂物的控制,IF钢中非金属夹杂物虽然数量不多，但对钢的力学性能和使用性能的影响作用却不可忽视。钢中非金属夹杂物的危害性在于它破坏了钢基体的均匀性，造成应力集中，促进了裂纹的产生，并在一定条件下加速裂纹的扩展，从而对钢的塑性、韧性和疲劳性能等产生不同程度的危害作用。,在IF钢生产过程中，钢中夹杂物的类型、组成、尺寸和分布等都在不断地发生变化，其变化规律受钢液成分、转炉冶炼、脱氧制度、出钢挡渣、钢包渣改质、RH精炼、连铸机类型、中间包冶金、结晶

13、器冶金、保护浇注及耐火材料等诸多因素的影响，必须从整个炼钢工艺流程进行控制。 武钢在IF钢生产过程中采用了钙处理技术，利用钙的脱氧产物在钢液凝固过程中为MnS的析出提供晶核，进而将低熔点的MnS夹杂物改性为高熔点的球状夹杂物CaS，以改善钢的抗裂纹敏感性能。,宝钢在IF钢连铸生产过程中采用了如下4个中间包冶金技术： 中间包三重堰结构，以增加钢液的平均停留时间，增大钢液的流动轨迹，促进钢液中夹杂物上浮； 挡墙上方使用碱性过滤器，可以吸附钢液中的夹杂物，同时使流经过滤器的钢液流动平稳； 中间包内衬为碱性涂料，既不氧化钢液，又能吸附夹杂物； 采用具有良好A1203夹杂吸附能力的低碳中间包覆盖剂。 采

14、用以上措施后，从钢包至中间包过程中IF钢的夹杂物含量可降低2030。,表：宝钢部分IF钢炉次渣成分在不同冶炼阶段的成分变化,宝钢R处理前O含量： 4050ppm: 7.5% 5060ppm: 31.0% 6070ppm: 18.0% 7080ppm: 31.0% 8090ppm: 7.5%,宝钢R脱碳后O含量： 3040ppm: 15.0% 4050ppm: 50.0% 5060ppm: 20.0% 6070ppm: 15.0% 平均：47.8ppm (内陆钢厂25.0ppm),鞍钢转炉冶炼终点和RH精炼前钢液成分变化,武钢RH处理前钢中C、O含量,图1-12 RH处理前碳含量分布 图1-13

15、 RH处理前氧含量分布,目前国内钢厂IF钢冶炼过程存在问题,生产过程的稳定性尚待提高； 冶炼过程中氧、碳、氮的控制水平不高； 连铸坯的纯净度水平需要提高； RH的高效化应用问题； 非稳定态生产的质量控制问题； 铸坯质量判断系统问题。,4 关键技术,转炉冶炼终点钢中氧含量的控制； RH高效化技术 无缺陷连铸坯生产技术,转炉冶炼终点钢中氧含量的控制,目 录,转炉、RH中氧含量的影响因素 复吹和溅渣护炉对氧含量的影响 转炉终点氧含量的统计预报模型 终点氧含量的神经网络预报模型 转炉终点氧含量预报模型的软件 结论和建议,1.转炉冶炼终点碳氧统计分析,1）终点C-O关系 1) 当终点C0.04%时， 钢

16、水的终点氧含量较高 2) 当终点C在0.02 0.04范围时，有些炉 次钢水氧波动在平衡 曲线附近（区域）， 有些炉次钢水氧含量 则远离平衡曲线（区 域 ），说明在该区 域钢水过氧化严重。 图 表 分 析,CFe的选择性氧化平衡点,根据式 C + O = CO (1) lg (Pco/ac* %O)= 1149/T2.002 以及反应 Fe + O = （FeO） (2) lg aFeo/%O = 6317/T 2.739 得到反应 （FeO）+ C = Fe + CO (3) lg (Pco/ac* aFeo)= 5170/T+4.736 结论： 钢液中C-Fe的选择性氧化平衡点为C0.03

17、5， 也就是说终点C 0.035时，钢水的过氧化比较 严重。图1-1的统计数据也说明了这点。同时由式 (1)可以求出此时熔池中的平衡氧含量为740ppm。 理 论 分 析,统 计 分 析,图1-2 转炉冶炼终点碳含量分布 C 0.03% 的炉次占27.9%，平均氧含量为10861133ppm； C = 0.030.05%的炉次占55.1%，平均氧含量为972702ppm; C 0.5% 的炉次占17%，平均氧含量为573ppm。,2）炉龄对终点氧含量的影响 图1-32500炉终点C-O关系 图1-4 25005000炉终点C-O关系,图1-5 50007500炉终点C-O关系 1-6 7500

18、炉时终点C-O关系,3）温度对氧含量的影响,图1-7 终点温度与氧含量的关系图 在终点C = 0.0250.04%时，终点氧含量虽然较分散，但总的趋势是随着终点温度的升高，终点氧基本呈上升趋势。 16201680之间，氧含量总体水平较低，平均为702ppm，该范围的炉次共占总炉次的30%左右；出钢温度大于1680时，终点钢水氧含量有明显的升高趋势，平均为972ppm，占总炉次的70%左右。,4）终渣氧化性对终点氧的影响,图1-8 终渣氧化性与氧含量关系 图1-9 终渣氧化性与碳含量关系 渣中（FeO+MnO）增加，终点O有增加趋势； 终点C0.04，渣中（FeO+MnO）增加且波动较大，说明此

19、时吹氧脱碳是比较困难的，而铁则被大量氧化。,5）氧耗量对终点碳、氧的影响,图1-10 吨钢氧耗量与终点碳含量的关系 碳含量为C=0.020.04%时，吨钢氧耗为4760Nm3/t , 在这一低碳范围内，氧耗波动比较大，这说明低碳时吹氧对去除钢液中碳的效率是非常低的，而O2则用去氧化铁，使渣中FeO升高(图1-9)，所以使得终点O含量增加(图1-8),RH处理过程碳氧统计分析,1）转炉终点碳、氧含量与RH脱碳结束后的O关系 图1-11 转炉终点、RH脱碳结束时碳氧含量变化,转炉终点氧含量 RH脱碳结束氧含量 脱氧剂消耗 合金收得率 夹杂物 钢材质量 成本,2）RH处理前钢中C、O含量,图1-12

20、 RH处理前碳含量分布 图1-13 RH处理前氧含量分布,3）RH脱碳前后氧含量变化,图1-14 RH脱碳前后氧含量变化关系图,4）RH脱碳结束后钢中碳、自由氧含量分布,图1-15 脱碳结束后的碳含量分布 图1-16 脱碳结束后的氧含量分布,5）脱碳结束后钢中氧与合金收得率的关系,图1-17 Al收得率随氧含量变化(BDG) 图1-18Al收得率随氧含量变化(IF) BDG：58炉数据，平均铝收得率为75.72 IF钢：72炉数据，铝收得率平均为32.17 脱碳结束后随氧含量的增加，铝的收得率都是呈下降趋势的 终点氧含量减少100ppm，加入的铝合金减少28.13kg，成本节约422元，吨钢A

21、l2O3夹杂减少0.21kg。,转炉终点、RH碳氧水平评价,RH高效生产技术,2、IF钢生产工艺流程,3、RH精炼设备的发展,升温和深脱碳 喷粉脱硫 RH RH-OB (新日铁) RH-PB (新日铁) RH-KTB (川崎) RH-PTB (住友金属) RH-MFB (新日铁) RH-IJ,RH设备示意图,RH-OB示意图,RH-KTB示意图,RHPB示意图,RH的功能对比表,4、RH冶金功能,1) 钢水脱碳，碳含量小于20ppm； 2）降低钢水O含量，控制夹杂物形态， O20ppm ; 3) 钢水化学升温，升温速率可达6/min以上; 4) 成分微调，SI、Mn控制0.015。 5) 均匀

22、成分、均匀温度,提高合金收得率。 6）降低S含量，S10ppm 7) 钢水脱氢，氢含量小于2ppm 。,4.1、 RH高效脱碳技术,RH高效脱碳,脱碳反应：,COCO,RH处理脱碳速度式为：,(1),v：RH真空室内钢液体积，m3； ak：脱碳反应速度系数，m3/min； CV：真空室内钢水碳含量，； Ce：与CO分压平衡的钢液碳含量，。,式中：,RH深脱碳的过程,第一转折点%C 200300ppm 第二转折点 %C 20-40ppm (真空度和O的控制),脱碳反应速度的影响因素 第一阶段 （1）压降速度。采取增加真空能力和预抽真空技术 （2）加强搅拌，提高环流速度。,第二阶段:(主要反应阶段

23、）（1）提高环流速度;（2）增加钢中氧含量;（3）提高真空度,第三阶段的影响因素。（反应在气液界面上进行） （1）提高环流强度 （2）扩大RH真空室下部槽面积 （3）RH真空室下部槽底侧吹Ar （4）RH真空室充H2,5、 RH高效的脱碳的控制,5.1、强真空系统抽气能力和高真空度是 获得超低碳的必要条件,神户制钢加古川厂2RH的有关参数,新日铁名古屋厂2RH的有关参数,加古川厂不同RH真空度对脱碳反应的影响,提高真空度； 增加上升管Ar流量； 增加上升、下降管截面积 。,提高钢水环流速率Q的措施：,神户制钢加古川厂2RH的有关参数,5.2、加快钢水环流速率,采取增加浸渍管内径和提高Ar流量的

24、措施非常有效,川崎制铁对浸渍管直径、Ar流量等影响进行了试验研究,川崎制铁技报，15(1983), No.2, p.60,新日铁名古屋厂改变浸渍管内径的效果,新日铁八幡厂100tRH采用了椭圆截面浸渍管,新日铁八幡厂RH采用椭圆浸渍管后钢水环流量的变化,1987 Steelmaking Conference Proceedings, p.381,新日铁八幡厂采用椭圆浸渍管后RH脱碳速率的改变,1987 Steelmaking Conference Proceedings, p.381,5.3 吹氧强化的技术,采用KTB前后RH的终点碳控制,采用强化脱氧技术前后的脱碳参数变化,严格控制前工序碳、

25、氧、温度； 前期OB强制脱碳； RH合理快速的压降制度 合理的吹氩制度 工艺控制模型； 炉气在线分析、动态控制。,5.4 RH工艺过程的控制,内陆钢铁No.4炼钢厂RHOB脱碳工艺,2)自然脱碳阶段,RH脱碳的第812min； 停止吹氧； 真空度2 torr； 脱碳由0.008% 20ppm。,1)强制脱碳阶段,08 min； 吹氧； 真空度3060 torr； 脱碳由0.030.04% 0.008%。,KTB脱碳工艺,初始条件 C400500ppm O500-700ppm,RH终点 C1445ppm,台湾中钢RH在线炉气分析示意图,6、氮含量的控制,RH处理前后钢中N的变化,对低C、低N钢液

26、， 采用RH很难进行有效 的脱氮。,脱氮困难的原因：,钢液中氮的溶解 度高； 氧、硫表面活性 元素影响； 上升管Ar喷管密 封问题。,炼钢过程最大限度地脱氮； 炼钢后严格地控制钢水增氮。,新日铁君津厂不同阶段钢中N含量的变化,对钢材延性和韧性的影响,脱氧和炉外精炼工艺,炉外精炼工艺采用CAS或RH工艺； 采用铝直接脱氧工艺； 通过吹氩或真空搅拌促进夹杂物上浮； 钢水包内炉渣T.Fe含量在318%。,钙处理钢：CaS+钙铝酸盐类复合夹杂物,反应：,CaMnSMnCaS CaOAl2O3 mCaOnAl2O3,(2)低碳、超低碳钢RH精炼效率,关键技术,高真空度； 强大的真空系统抽气能力； 增加上升、下降管截面积； 提高提升气体（Ar）流量； 稳定过程控制（成分和温度控制、减少OB）。,新日铁名古屋厂2RH的有关参数,谢 谢！,