钢中氧化物夹杂对钢材表面质量和使用性能有重大影响。钢中氧化物夹杂主要来源于脱氧产物、二次氧化和耐火材料。本文通过对临汾钢铁有限公司炼钢厂各工序钢中氧含量的测定,分析了转炉→LF→连铸工艺流程中钢中氧含量的变化规律,并提出了相应的改进措施。
1 研究内容及方法
对转炉冶炼终点、精炼前后、中间包、结晶器及铸坯各阶段钢中氧含量、夹杂物种类、数量进行检测,分析其产生原因及影响因素,对不合理的工艺操作进行改进,从而降低钢中氧含量,提高钢水纯净度。
采用定氧系统测氧活度与系统取样的方法进行研究。定氧系统由上海贺利氏电测骑士有限公司生产,该系统包括Multi-lab Celex定氧仪、定氧枪和专用探头,用于测试冶炼终点和出钢后氧活度;系统取样地点及检测项目见表1。
2 试验结果及分析
试验钢种为Q235B钢,共试验10炉钢,其生产工艺路线为:300t混铁炉→30tLD→30tLF→CC→出坯→精整→入库。
2.1 氧活度研究分析
2.1.1 转炉终点钢水氧活度及影响因素
转炉终点氧活度与终点C、出钢温度与炉渣氧化性间的关系见图1~3。
由图1可知:冶炼终点钢水氧活度随C的降低急剧下降;终点w(C)=0.05%~0.15%时,终点ao=(187~406)×10-6,平均为314.9×10-6;正常吹炼情况下,终点C与氧活度成幂函数关系,C-O积在(28~30)×10-6间,接近平衡。
由图2、图3可知:终点钢水氧活度随出钢温度、终渣(FeO+MnO)含量的升高而增大,且氧含量与出钢温度、终渣(FeO+MnO)含量成线性关系。
2.1.2 脱氧前后钢水氧活度变化情况
炼钢厂脱氧采用硅铝铁或硅钙两种脱氧剂,其脱氧剂用量一般为1.2kg/t;在终点钢中C偏低(w(C)<0.06%)时增加0.2kg/t。
图4为脱氧前(冶炼终点)、脱氧后钢中氧活度的变化情况。由图4可知:钢水经过脱氧合金化后,钢水氧活度显著降低;且原始氧活度越高,脱氧合金化后氧活度的降幅越大;钢水中氧活度从脱氧前的平均314.9×10-6降低到脱氧后的平均65.7×10-6,降低率为79.14%。
2.2 氧含量的变化
生产过程中钢中总氧含量的变化情况见图5.
由图5可知,转炉冶炼终点钢水平均w(O)为336.4×10-6,波动范围为(224~478)×10-6。脱氧合金化后,钢水平均w(O)为141.3×10-6,w(O)降低了195.1×10-6,降低幅度达到57.99%;经过LF处理后,钢水平均w(O)为54.7×10-6,减少了86.6×10-6,降低幅度为61.29%;中间包钢水平均w(O)为45.6×10-6,较LF处理后减少了9.1×10-6,降低幅度为16.64%;钢水到结晶器后,钢中的w(O)继续下降,平均为37×10-6,降低了8.6×10-6,降低幅度为18.86%;钢水浇成板坯后的w(O)平均为33.8×10-6,减少了3.2×10-6,降幅为8.65%。
由此可见:脱氧合金化和LF精炼对降低钢中氧的效果最大,这两工序的降氧量占到钢水总氧质量分数的83.74%;因此,为了获得洁净度高的钢水,我们必须强化这两环节的脱氧效果;钢水在经过中间包、结晶器时氧也有一定程度的下降,但幅度较低,这与中间包、结晶器钢水流场分布不合理有关系,因为在这两个环节,钢中氧含量的降低主要依靠氧化物夹杂的上浮去除来完成,但从现场看,钢水在中间包内的镇静时间较短,且中间包和结晶器液面不是很稳定,这一切均对夹杂物去除有不利的影响。
2.3 氮含量变化趋势
试验所取10炉钢样在各工序点的氮含量情况见图6。
由图6可知,临汾钢铁有限公司30t转炉冶炼终点钢中氮质量分数偏低(在(12~18)×10-6之间,平均为14.5×10-6),而大转炉冶炼终点氮质量分数一般在20×10-6以上。产生这种情况的主要原因是临钢转炉供氧强度大(4.5m3·min)),强的供氧强度使炉内钢水剧烈沸腾,对钢液中的N有较强的清洗作用,从而终点N含量较低[1]。
由图6可知,钢中的N含量是逐渐上升的,而钢中的N主要来源于空气,这也表明钢水从冶炼出来到浇铸成坯的过程中一直存在二次氧化。从转炉冶炼终点到LF处理前,钢水中w(N)增加了6.8×10-6,LF精炼前后钢水中的w(N)增加了9.5×10-6,中间包钢水中w(N)较LF处理后上升了11×10-6,钢水从大包至中间包时间虽短,但吸氮量大,这说明中间包保护浇注效果差,是钢水二次氧化的主要环节,可通过加强保护浇铸措施来减少钢水的二次氧化;中间包到结晶器再到铸坯,钢中N增幅较小。从冶炼终点至铸坯,钢中N质量分数增量为30.3×10-6。
2.4 钢中夹杂物数量的变化
对LF精炼前、后,中间包和铸坯样的小样电解结果如表2。
从表2可知,精炼工序去除夹杂物的效果最大,夹杂物去除率达到58.86%,主要去除的夹杂物为SiO2、Al2O3、MnO类夹杂,其去除率均达到50%以上,其中SiO2、MnO的去除率达到70%以上;精炼前钢中SiO2、Al2O3、MnO3类夹杂占夹杂总量的74.68%,精炼后的主要夹杂为Al2O3,占夹杂总量的32.79%,其次为SiO2,占夹杂总量的19.67%。各工序钢中夹杂物总量的变化趋势见图7。
从图7可直观的看出:LF精炼处理后钢中夹杂物质量分数显著降低,由精炼前的平均157.5×10-6降到精炼后的64.8×10-6,去除率达到58.86%;由此可见LF精炼处理对降低夹杂物总量的效果很明显;从LF精炼后到中间包,再到铸坯,钢中夹杂物总量变化不大,这表明中间包和结晶器的冶金功能发挥不好,同时可能还有部分中间包耐材、覆盖剂和结晶器保护渣进入钢中,从而增加了铸坯中的夹杂物总量。
3 改进措施
(1)由于钢中的氧主要来源于冶炼过程中氧枪吹氧,正常情况下在吹炼终点钢中C、O处于平衡,后吹或终点C太低均使氧大幅度上升;因此加强终点控制,提高终点C达标率,减少后吹,提高一次命中率可从源头上减少钢中氧含量。
(2)钢水从大包浇入中间包二次氧化最严重,该环节吸氮9.5×10-6;由于钢水从空气中吸氧是无法测定的,但钢液吸氧的同时也吸氮,因此可用下式进行吸氧量的计算[2]:
式中,ΔwO为钢水从空气中吸氧质量分数,10-6;KO2为吸氧速率常数,取0.256 6×10-5cm/(s·Pa);KN2为吸氮速率常数,取1.0×10-2cm/(s·Pa);wNS为钢液饱和氮质量分数,1 600℃时取440×10-6;wNO为钢包钢液中N质量分数,10-6;wN为铸坯中N质量分数,10-6;ρm为钢液密度,取7.0g/cm3;MO2为氧气相对分子量,取32。
按上式计算得出钢水在此环节的吸氧质量分数为25.23×10-6。相关资料显示:在该环节若保护浇铸做得好,可使吸氮质量分数控制在2×10-6以下,由此计算的吸氧质量分数约5×10-6,因此应加强大包→中包环节的保护浇铸措施,减少钢水的二次氧化。
(3)从夹杂物数量变化情况看,中间包去除夹杂的冶金功能未充分发挥,因此应对中间包结构进行改进,提高中间包净化钢液的能力。
4 结 论
(1)在转炉冶炼终点,钢中总氧质量分数平均为336×10-6,氮质量分数平均为14.5×10-6。
(2)脱氧合金化后,钢水中的溶解氧(氧活度)和总氧含量均有了明显较低。溶解氧较脱氧前降低了79.13%,达到w(O)=66×10-6;总氧含量降低了57.99%,达到w(T。O)=141×10-6,两者相差近80×10-6;氮质量分数增加到21×10-6,较终点增加了44.83%,此时钢中夹杂物总量质量分数为157.5×10-6。
(3)LF有良好的精炼效果,LF处理后钢水洁净度得到明显提高,总氧含量较精炼前下降61.29%,达到了w(T。O)=54.7×10-6,夹杂物总量下降了58.85%,达到了64.8×10-6;精炼过程增氮(Δw(N)=9.5×10-6)。
(4)在中间包环节,钢水总氧质量分数为45.5×10-6,较精炼后降低了9.2×10-6;夹杂物总量质量分数较精炼后降低3×10-6,降低率仅为4.62%,这表明中间包应有的去除夹杂冶金功能未得到发挥(正常情况下中间包夹杂去除率应在30%左右),且从钢包到中间包钢水吸氮(Δw(N)=12.2×10-6),而武钢、宝钢等钢厂可将吸氮量控制在Δw(N)=3×10-6以下,这表明临汾钢铁有限公司炼钢厂在此环节保护浇铸差,钢水二次氧化严重,必须要在此环节加强控制,以减少钢水的二次氧化。
(5)在结晶器内钢水总氧含量进一步下降,达到了w(T。O)=37×10-6,下降了8.5×10-6;氮含量增加(Δw(N)=0.8×10-6)。
(6)铸坯平均总氧含量为w(T。O)=33.8×10-6,氮含量为w(N)=44.5×10-6,夹杂物总量质量分数为67.02×10-6,总氧含量和夹杂物总量均较低,这表明采用LD→LF→CC工艺,完全可以生产出满足中板精品要求的合格铸坯。
