BOF-LF-CC生产特殊钢连铸坯的质量控制-蔡开科

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,BOF-LF-CC,生产特殊钢连铸坯的质量控制,蔡开科 秦哲 孙彦辉,北京科技大学冶金与生态工程学院,2009年,12月,目 录,前言,1.,转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳？,2.,脱氧：用铝还是不用铝？,3.,钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是脆性状态？,4.,精炼渣成分控制：是控制高碱度还是低碱度？,5.,中高碳硅镇静钢还会堵水口吗？,6.,连铸工艺优化是解决铸坯中心缺陷的基础,7.,M-EMS+F-EMS,是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段,8.,M-EMS+,凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的有效手段,结语,前 言,特殊钢的特点：,l,特殊用途。轴承、齿轮、弹簧、硬线、结构件、重轨等,l,中高碳的碳锰钢,l,大部分为,棒线材的长材产品（小方坯、大方坯）,l,生产流程,：,BOF(EAF),精炼（吹,Ar,、,LF,、,LF+VD,）,CC,。,我国采用,BOF(EAF),LF,（,VD,）,CC,流程。下面仅就生产中几个问题进行讨论。,1.,转炉冶炼终点拉碳：,是低拉碳还是高拉碳,？,（1,）低拉碳增碳法特点,：,渣中,（,FeO,）,高，有利于脱,P,，,一吹到底，生产低,P,钢，控制方便。,钢中,ao,高，脱氧剂消耗增加，夹杂物增加。,增,C,剂消耗大，成分控制不稳定。,（2,）高拉碳补吹法特点 ：,吹炼时间短，,O,2,耗少。,吹损少，金属收得率高。,钢中,ao,低，铁合金加入少，夹杂物少。,增,C,量少，,C,粉加入少。,钢中,H,、,N,含量低。,此法的难点是：,高拉碳条件下（,C=0.40.6%,），,钢水,P,要控制在,0.01%,左右。,转炉冶炼前期脱磷。,终点温度和成分控制较难。,日本、韩国的钢厂早就采用高拉碳法。目前国内不少厂家也开始由低拉碳走向高拉碳。如某厂冶炼,45,钢生产统计表明终点拉碳,大于,0.2%,比低拉碳生产成本降低,20.45,元,/,吨钢。冶炼,82,B,，,拉碳,C=0.4%,左右，吨钢成本节约,13,元。,终点钢水中,ao,降低,（图,1,）,，铁合金回收率高了，生成夹杂物少了。,图,1,转炉冶炼终点碳氧关系图,表1,低拉碳增碳法和高拉碳补吹法的过程工艺参数比较,操作,方法,碳粉加入量,/,袋,终点碳,/,w%,终点氧,/,ppm,成品,C,波动,/,w%,出钢温度,/,终渣,FeO,/,低拉碳,增碳法,高拉碳,补吹法,比较值,30,0.29,130,0.04,25,1.89,2.,脱氧：,用铝还是不用铝？,用,Al,脱氧的好处：,细化晶粒，生产细晶粒钢。,把钢中溶解氧降到很低，有利于降低,TO,含量。,用铝脱氧坏处：,生成的,Al,2,O,3,夹杂物使钢水可浇性变差，易堵水口,Al,2,O,3,脆性夹杂物产生拉拔脆断，降低疲劳寿命等。,图2 19702000,年钢中平均,TO,水平,图3,钢中,TO,与轴承钢寿命关系,图4,断丝率与夹杂物指数关系,对于中高碳钢一般不用铝脱氧，目的是避免钢中生成有害的,Al,2,O,3,夹杂。,根据钢种和产品用途，脱氧方式可分为：,仅用,Si,+,Mn,脱氧（,Als0）。,Si,+,Mn,+,少量,Al,脱氧（,Als,0.006）,Si,+,Mn,+ Al,脱氧（细晶粒钢）（,Als,=0.010.02%）,。,3.,钢中夹杂物成分控制：,是塑性状态还是脆性状态？,3.1,硅镇静钢,用,Si,+,Mn,脱氧，如图,5,所示，形成的脱氧产物有：,纯,SiO,2,（,固体）；,MnOSiO,2,(,液体,),；,MnO,FeO,(,固溶体,),。,图5,FeO-MnO-SiO2,三元相图,对于硅镇静钢，与,Si,、,Mn,相平衡的,O,溶,较高，为,4060,ppm,（,图6,所示），在结晶器内钢水凝固时易生成皮下针孔或气泡（图,7,）。,图6,Si,、,Mn,与钢水,O,溶关系,由图可知：,O20ppm,铸坯气孔增加,O=1020ppm,最佳范围,图7,铸坯针孔与,O,关系,硅镇静钢，不加铝脱氧，钢中酸溶铝,Als,几乎为零（,2.5,生成液态的,MnO,SiO,2,，,有利于夹杂物上浮。但在一定温度下与,Si,、,Mn,相平衡的,O,溶较高（图6），当钢水浇入结晶器会产生,C-O,反应使坯壳生成皮下针孔，同时生成,MnO,SiO,2,浮渣也污染了钢水。为此在,LF,炉精炼采用白渣操作+,Ar,搅拌，钢渣精炼扩散脱氧既能把钢水中,O,溶降到20,ppm,，,也能有效的脱硫，把,S,降到25%)。,图8,MnO-SiO2- Al2O3,相图,3.2 硅-,铝镇静钢,要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区，这样就可达到：,夹杂物熔点低（1400），球形易上浮；,热轧时夹杂物可塑性好（8001300）；,锰铝榴石夹杂物中,Al2O3,接近20左右，变形性最好；,无单独,Al2O3,的析出，钢水可浇性好，不堵水口；,脱氧良好，不生成气孔,理论计算指出，钢中,Si,=0. 2，,Mn,=0.4，,温度为,1550,条件下若钢中,Als0.006，,则钢中,O0.003%，,可能有固态,Al,2,O,3,析出堵水口。为保持,Als0.003%,水平，则可提高,Si,含量以得到液态夹杂。然而增加,Si,加入,SiFe,也多，带入的残余,Al,也多，成本增加，也降低了,Mn,/,Si,比，促进了固态,SiO,2,夹杂形成。,图17 1600下,Fe-Al-,Si,中的平衡夹杂物,(4),镁铝尖晶石形成,对高碳,Si,-K,钢水口堵塞的另一个主要因素是形成,MgOAl,2,O,3,。,对于高碳,Si,-K,钢，不用,Al,脱氧，靠,LF,炉造白渣脱氧以得到,TO20ppm。,在,LF,炉还原精炼气氛和低,O,条件下,(,O1.3,有,11,家。然而铸坯越厚，矫直力增加使变形率增大，铸坯产生表面和内部裂纹机率增加，故大方坯采用大弧形半径（,R=12,18m,），,这也有利液相穴夹杂物上浮，消除铸坯内弧夹杂物集聚。,要求在铸坯凝固过程中抑制铸坯中柱状晶生长，而柱状晶生长主要决定于：,（,1,）钢中碳含量,中高碳钢两相区,(,TC,TS),宽，铸坯柱状晶较低,C,钢发达。,C,量与平均收缩系数,钢种,（,2,）决定于传热条件,从传热观点看，铸坯柱状晶生长决定于凝固导热单方向性、固,/,液界面温度梯度和冷却速度。,从本质上说，就是控制铸坯冷却速度,来控制柱状晶生长，而,可表示：,=,/s,式中：,T,c,钢水浇注温度,T,s,钢固相线温度,由,T,c,T,s,的时间,可由传热数学模型计算,t,求出,，,也可表示为： （,m）,根据钢中,C,含量有不同表达式：,C,0.8,，,（,m,）,是由二冷喷水强度来决定的。,碳含量与柱状晶关系,C0.1 L,r,转变，气隙最大，柱状晶较短；,C0.6 L,无,Fe,生成，气隙最小，柱状晶发达；,C,0.1,0.6,L+,，,界于两者之间。,用,EMS,时：,C,0.1,时，中心等轴晶可由,20,增加到,40,，而,C,0.6,时则可由,0,增加到,40,。故使用,EMS,铸坯中心等轴晶区均可改善。,钢水过热度,众所周知，钢水过热度高带来的坏处：,出结晶器坯壳薄易漏钢；,限制拉速；,有利于柱状晶生长，中心疏松缩孔加重；,中心偏析严重；,耐火材料浸蚀加重，钢中夹杂物增加。,从提高铸坯质量观点，尤其对要求高的铸坯内部质量产品，控制过热度尤为重要。,从理论上说，当钢水过热度等于零接近液相线温度凝固，铸坯中心等轴晶区可达,60,以上，可消除中心疏松和偏析。,然而如果中间包钢水过热度太低，会影响钢水中夹杂物上浮和中间包水口冻结。因此对薄板用钢，过热度高一些（如,30,）；对中厚板中高碳钢过热度取低一些（如,2015,）。,钢水过热度是控制铸坯中心等轴晶的主要措施。低过热度时中心等轴晶区宽，使溶质元素分散在较宽范围内枝晶之间，减轻中心元素的集聚，减少偏析。,过热度对等轴晶影响 过热度对中心偏析,影响（,275,300,mm）,在中心线两边,530,mm,出现点状,或,V,偏析称为半宏观偏析。它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。有不同观点：,自由等轴晶的,Collaps,;,等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；,等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。,连铸坯中心半宏观偏析形貌,评价铸坯宏观偏析有两种方法：,中心偏析度：即中心溶质元素与钢水成分之比；,半宏观偏析度：它可用铸坯中心,5,30,mm,范围某一溶质元素偏析面积百分数来评价。,铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性。,半宏观偏析对冲击值影响,影响半宏观,偏,析因素：,高过热度有利减少半宏观偏析，因为低过热度中心形成等轴晶结构，也容易出现,V,偏析；,凝固末端强冷减轻鼓肚和富集溶质流动，使半宏观偏析减轻；,收缩辊缝（对板坯）；,轻压下；,EMS,对中心半宏观偏析改变不大；,液相穴末端强冷有利于减少半宏观偏析。,拉速,高拉速和高铸坯质量往往是相互矛盾的，我们的任务是要根据钢种和产品质量要求，使连铸机的拉速和铸坯质量协调发展。,原则上说，拉速快对铸坯质量带来坏处：,（,1,）拉速快，液相穴变长变尖，钢水补缩不好易造成疏松和缩孔。,120,120,mm,方坯试验指出：拉速,3.6,m/min,中心缩孔最大直径达,5,mm,连续缩孔长度达,160,mm,；,拉速为,3,m/min,，,中心缩孔直径为,3,mm,，,连续缩孔长度为,70,mm,；,拉速为,2.4,m/min,，,则中心缩孔明显减轻。,275,300,mm,大方坯，拉速对中心疏松的影响，可见随拉速提高中心疏松加重。,拉速对中心疏松影响,对于,220260,mm,大方坯，,拉速对中心碳偏析影响：,拉速,C/C,0,0.65m/min 1.0,1.1,0.90m/min 1.3,1.4,120,120,mm,方坯,拉速对中心偏析影响,（,3,）拉速快钢中夹杂物增加,右图表示,120,120,mm,方坯中大颗粒夹杂物与拉速关系。,拉速对铸坯夹杂物的影响,二冷强度,原则上讲，二冷区采用强冷：一是降低了坯壳温度，增加坯壳强度，防止了鼓肚产生的中心偏析尤其对板坯更为重要；二是冷却速度快，阻止了溶质元素的析出和扩散，有利于减轻中心偏析。三是强冷有利于提高拉速。,鼓肚对中心偏析的影响,二冷水量增加，有利于减轻中心偏析。,反过来说，强冷有利于柱状晶生长，容易形成局部搭桥或穿晶结构，有利于中心疏松形成。另外强冷对钢裂纹敏感性也有很大影响。,因此，二冷强度的选择，要从生产率和铸坯质量两方面综合考虑。,二冷对中心偏析的影响,7.,MEMS+FEMS,是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段,7.1,结晶器电磁搅拌,（,1,）结晶器电磁搅拌作用（,MEMS）：,加速柱状晶向等轴晶过渡（图,22,）。,图22,EMS,原理图,加速钢水过热度消失（图,23,）,图23,大方坯凝固温度演变进程,300400,mm,弹簧钢,改善铸坯表面和皮下质量（图,24,）,图24,结晶器,EMS,效果,改善铸坯洁净度（,图25,）,均匀弯月面区域钢水温度和成分,图25,M-EMS,弯月面夹杂物集聚示意图,1),EMS,配置,2),EMS,安装位置,3),拌器功率,搅拌器线圈电流决定于磁感强度,B，,而,B,和频率,f,决定了搅拌力,F（F,f,B2）,和钢液流动速度,V（VB）；,而流动速,度影响冶金效果。搅拌强度与冶金效,果之间关系呈,S,曲线，如图,26,。,由图可知：,1,区功率太小，效果不明显,2,区功率增大，效果显著,3,区功率达到一定效果达到饱和,图26,搅拌功率与冶金效果关系,（2,）要使,M-EMS,得到好的冶金效果，应解决好的问题：,由图可知，搅拌电流,I,由,150,A,200A,等轴晶区增加,20%,，,I,由,200,A,300A,等轴晶区仅增加,5%,，说明再增加,I,，,等轴晶改善也不大了。,图,27,搅拌电流与铸坯等轴晶关系（,160,160,mm AISI409 M-EMS 4HZ,）,7.2 凝固末端电磁搅拌（,F-EMS,）,用,M-EMS,等轴晶达到,4060%,，中心偏析减少。但是铸坯纵断面硫印图上存在,V,形半宏观偏析。为了减少,V,行偏析，在液相穴末端糊状区完全凝固之前使其充分混合，故提出,F-EMS,。,使用,F-EMS,必须解决好：,（1）搅拌器功率足够大，能把糊状区搅动起来。,（2）搅拌器有足够长，使覆盖糊状区。,（3）安装位置必须找准凝固末端。,（4）拉速和冷却可控、稳定,。,F-EMS,应按在固/液两相区，图28所示。,一般认为：,1）,f,s,=0.70.8,2）,末端铸坯中心两相区为4055,mm,处,图,28,F-EMS,安装位置示意图,F-EMS,究竟按在凝固末端什么位置呢？,根据连铸机设备和工艺条件，采用计算出沿铸机长度铸坯液相穴内液相线,(,T,L,),和固相线,（,Ts）,的温度分布，以确定,F-EMS,的安在距离弯月面以下的某一位置。,图,29,铸坯凝固曲线,第一，铸坯凝固传热数学模型法,第二 射钉测定法,根据钉子的形貌和硫的扩散来确定射钉时刻的凝固壳厚度，以求出安装,F-EMS,的位置,板坯,方坯,圆坯,8.,M-EMS,+,凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的有效手段,用,M-EMS,：,铸坯中心等轴晶区扩大（,4050%,），使中心偏析明显减轻。但铸坯中心区,530,mm,区存在,V,型偏析或者点状偏析称为半宏观偏析（图,31,），它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。有不同观点：,1,）,自由等轴晶的,Collaps,;,2）,等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；,3）等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。,图,31,连铸坯中心半宏观偏析形貌,铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性（图,32,）。,图32 半宏观偏析对冲击值影响,对于大方坯，采用,M-EMS+,轻压下是有效解决半宏观偏析办法。,轻压下主要应用于传统板坯和大方坯连铸机，在液相穴凝固末端，给铸坯施加轻压下量，以补偿最后凝固液体的收缩，消除中心疏松，减轻宏观偏析。,热铸坯压力的压下,轻压下控制锥度的位置,热铸坯压力的压下,图33 大方坯轻压下示意图,对于大方坯连铸，目前国内外都是采用多机架辊式轻压下技术。压下区域长度,48,m,，,压下量0,7,mm,。,图34 大方坯轻压下控制流程,表,2,使用轻压下技术的工厂技术参数,号,断面,拉速,两相区温差,压下率,压下速率,mm,mm,m/min,mm/m,mm/min,1,210,800,1.2,30,0.72,0.86,2,250,2300,0.9,30,0.94,0.85,3,280,1800,1.2,30,0.9,1.08,4,200,2200,0.9,30,0.87,0.78,5,250,330,0.7,100,1.5,1.05,6,300,400,0.5,100,4,2.0,7,300,500,0.9,100,2.2,1.96,8,410,530,0.45,70,2.87,1.29,表,3,部分厂家轻压下方坯连铸机的主要技术参数,在铸坯液相穴长度上实现轻压下要解决以下几个问题：,（,1,）凝固终点的位置,（,2,）压下位置,（,3,）压下量,（,4,）压下力,实现轻压下技术，从软件上讲要建立,4,个数学模型：,（1）铸坯凝固传热数学模型,-,解决铸坯表面温度、凝固坯壳厚度变化及液相穴长度；,（2）凝固过程溶质偏析模型,-,解决轻压下的位置；,（3）坯壳应变模型,-,解决压下量问题；,（4）压下力模型-解决施加力大小，使其变形量在允许范围内。,根据导热方程,根据此方程及模型边界条件，建立软件,，计算出铸坯凝固壳厚度、液心长度和铸坯表面温度。,铸坯凝固曲线见图,35,。,（1）铸坯凝固传热模型,图,35,铸坯凝固曲线,（2）凝固偏析模型,采用改进的,Brody-Flemings,（,BF,）,模型，计算凝固过程当中元素的偏析，以确定轻压下位置（图36），偏析方程如下：,图,36,钢凝固过程中液相中组元浓度的变化,（,3,）坯壳应变分析模型,铸坯采用轻压下，在固液界面所承受的变形量由下式确定：,m,（,i,）,=,如果,临界,时固液界面就不会产生裂纹。,临界应变与钢种成分的关系见图37。,图,37,临界应变与钢种成分的关系,表,4,部分学者得出的关于临界应变的代表性结果,Researcher,(10,-4,S,-1,),Mass%C,Experimental method,T.,Mastumiya,et al,1.0,3.8,5,0.042,0.64,ln,-situ melt-bending test method,K.,Miyamura,et al,0.32,0.62,5,40,0.18,0.24,Bending test of ingot,H.,Sugitaniet,al,1.0,1.5,0.4,2.5,0.42,Bending test of ingot,H.,Fujii,et al,1.0,1.6,20,54,0.12,0.16,Deposit metal bending test,H. Sato et al,0.45,0.56,1,2,0.13,Punch press test of ingot,K.,Marukawa,et al,3.2,3.3,15,35,0.13,0.15,Punch press test of ingot,K.Narita et al,0.5,1.0,30,60,0.16,0.23,Punch press test of ingot,T. Ito et al,3.2,3.6,8,67,0.17,0.28,Punch press test of ingot,A.Yamanaka et al,0.7,2.1,1,60,0.05,0.8,Tensile test of ingot with liquid core,M.,Kinefuchi,et al,0.2,0.5,2,50,0.15,Tensile test of ingot with liquid core,图,38,不同压下量时各机架处铸坯产生的应变,图39压下量对铸坯中心偏析的影响,图,40,压下量对中心偏析评级的影响,9.结语,采用,BOF-LF(VD)-CC,生产特殊用途的中高碳钢连铸坯质量的基本要求是：,l,钢的成分波动范围要窄。,l,钢的洁净度要高，总氧含量,TO,在,20,ppm,左右。,l,铸坯的内部中心区要致密（疏松、缩孔要小）。,l,铸坯中心元素偏析要小（,C,、,Mn,、,S,、,P,）。,对于生产的钢种和产品的用途不同，根据国内外厂家生产证明，在生产流程中采用不同的工艺技术完全可以达到上述的要求，关键在于如何将成熟的技术应用于实际生产中，以获得更好的冶金效果。,谢 谢！,