第5讲：中高碳钢的精炼与连铸课件

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,*,*,University Of Science and Technology Beijing,USTB,材料科学与工程学院,1,第,5,讲：,中,、,高碳钢,的精炼与连铸,2,1,中高碳钢的精炼工艺,精炼处理工艺流程为：,初炼钢水除氧化渣,(,加渣料造新渣,),加热处理,(,加热、合金微调、白渣精炼,),真空精炼,(,脱气、去夹杂,),复合终脱氧净化搅拌浇铸,在上述流程中，涉及到,3,个主要工艺环节，即加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧及净化搅拌，各环节冶金功能的充分发挥及合理衔接是提高钢液洁净度的保证。,3,ASEA-SKF,钢包精炼装置的特点之一是可以保持炉内还原气氛，精炼工艺流程保证了在初炼钢水注入精炼包时，避免了氧化渣的进入。造渣精炼的目的就是通过造高碱度、高还原性的精炼渣进一步脱除钢中硫、氧。,1.1,造渣精炼,4,熔渣的脱氧能力取决于熔渣的,a,FeO,，其中对钢液的脱氧反应式为：,当以,(FeO),替代,a,FeO,时，对各种熔渣可用下式近似计算：,5,按上述氧的分配系数公式，只要降低,(FeO),，则钢中,O,也相应降低。,熔渣的脱硫反应式为：,硫的分配系数：,式中,(CaO),u,为渣中游离氧化钙的质量百分数。当降低渣中,(FeO),，即可显著提高脱硫能力。,6,1.2,真空脱气,钢液中碳脱氧反应式为：,平衡常数与温度的关系为：,钢液中,C,、,O,不高时，上式可转化为：,P,CO,=K,C,O,。,7,由于碳的脱氧产物是,CO,气体，在体系降低压力后，平衡向产生,CO,的方向移动，使碳的脱氧能力提高。通过计算可知，真空下碳的脱氧能力很强，当气相压力降低至,1.01310,4,Pa,时，碳的脱氧能力将超过硅，继续降低压力至,133Pa,时，碳的脱氧能力大于铝。但是，在实际情况下，钢液中碳的脱氧能力随着压力的降低而提高是有一定限度的，因此将真空脱氧的压力控制在,10133,203Pa,即可。,8,1.3,硅钙钡终处理,金属钙是很好的钢液净化剂，多用于钢液的深脱氧和深脱硫。硅铝脱氧的钢，钢中,(O,),已很低，一般在,510,-6,左右，此时，钙直接脱氧反应不是主要的，但钙可以与大量存在于钢中的,Al,2,O,3,发生反应，其反应式为：,xCa+yAl,2,O,3,=x(CaO)(y-1/3x) Al,2,O,3,+2/3xAl,2,O,3,9,钙在这些,Al,2,O,3,夹杂颗粒中扩散，使钙连续地进入铝的位置，置换出来的铝进入钢液。随着钙的扩散，在,Al,2,O,3,夹杂表面,CaO,含量升高，当,(CaO)25,时，钙铝酸盐呈液态，这种含,CaO,量高的液态钙铝酸盐夹杂物大部分浮出钢液，进入渣层，从而降低钢中的全氧。,由于钙在钢中的溶解度较小,(,仅为,0.032,，,1600),，且易蒸发。在硅钙合金中加入钡，钡本身在铁液中溶解度较小，但钡和钙在液态时可完全互溶，能促进钙的溶解和钙蒸气压的降低，提高钙的收得率。,10,1.3,搅拌效果分析,搅拌对氧化物夹杂的上浮去除产生巨大的作用。在精炼条件下，脱氧过程就是夹杂物的去除过程，可将这一过程看成,1,个准一级反应，即：,式中,O,t,精炼后,t,时间的氧含量,/10,-6,V ,钢液体积,m,3,O,O,精炼初始时刻的氧含量,/10,-6,k ,钢液脱氧的传质系数,/(ms,-1,),S ,钢渣界面积,/m,2,f ,脱氧时间,/s,因此，精炼时间越长，钢中氧含量越低，即通过有效的搅拌和足够的精炼时间，可以使,Al,2,O,3,上浮去除，从而降低钢中的氧含量。,11,1.4,精炼工艺优化,精炼过程中，各工艺环节的合理衔接是充分发挥精炼炉的各种功能，提高工作效率和产品质量的保证。从初炼钢水到精炼结束钢中,T.O,及,S,的变化过程中，真空处理钢中全氧下降最多，这不仅得益于真空碳脱氧，而且由于在真空处理过程中同时进行吹氩搅拌，钢渣反应面积加大，精炼渣与钢液混冲，产生良好的渣洗反应。脱硫贯穿于整个精炼过程，除了降低,(,FeO,),，提高渣的碱度外，良好的搅拌十分必要，对于只进行加热造渣精炼处理，不真空处理的钢种，为了降低钢中的硫含量，可以增加吹氩搅拌，吹氩搅拌较之于电磁搅拌钢渣混合更好，钢渣反应面积更大。,12,1.5,总结,(1),加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧这些工艺环节均具有良好的脱氧、脱硫、去夹杂的热力学条件；,(2),通过完善精炼工艺，充分发挥底吹氩和电磁搅拌的冶金功能，创造了良好的动力学条件；,(3),为了提高钢的洁净度，必须控制好精炼的以下几个环节：加热造渣精炼，确保渣中,(FeO)0.50,；真空处理时间为,15 min,以上，处理过程适当加大底吹气量；加入,Si-,Ba,-Ca,终处理后，必须进行了,(10,15 min),的净化搅拌；,(4),工艺优化取得了良好的精炼效果。钢中,(T.O,),平均为,14.710,-6,，,(S,),平均为,0.008,、,(,夹杂,),总量为,0.023,。,13,2,中、高碳钢的连铸工艺,2.1,连铸工艺介绍,连续铸钢技术，在其发展的历史进程中，由于炼钢技术的条件不同，产品要求的不同（包括成分和产品的尺寸），生产条件的不同（包括厂房高度、生产节奏、工艺流程等）有多种方式。按结晶器类型分，可分为固定式连铸和随动式连铸两种。固定式连铸就是现在钢铁企业在生产上经常采用的以水冷的，底部敞口的铜结晶器为特征的所谓“常规”连铸方式；而随动式连铸方式是指轮带式连铸，双带式薄板坯连铸，履带式连铸和水平式连铸，其特点就在浇铸过程中，结晶器随铸坯一起运动的连铸方式。,14,立弯式连铸机,立式连铸机,15,弧形连铸机,直结晶器弧形连铸机,16,2.2,中、高碳钢的连铸特点,中、高碳钢的连铸主要是解决两个问题。一是精炼后获得的 “干净” 钢水在连铸过程中如何防止再污染；二是如何获得结构致密，疏松、缩孔、偏析在允许范围的连铸坯。对于前者主要是控制钢水的二次氧化，减少外来夹杂物的卷入；对于后者主要是控制铸坯的柱状晶和等轴晶比例。,17,2.2.1,浇注温度,由于连铸坯的中心偏析是发达的柱状晶引起的， 而浇注温度的高低， 又是影响柱状晶生长的重要因素， 如下图所示：过热度,T25,，柱状晶发达产生中心偏析；,T15, ，中心等轴晶区扩大，中心偏析明显减轻；,T10, ，中心偏析不显著。控制高碳钢过热度是获得良好内部质量的关键操作，但对小方坯生产组织来说， 存在着一定的难度。,18,高碳钢过热度对中心偏析和等轴晶的影响,19,2.2.2,拉速的影响,随着拉速的提高，铸坯在结晶内停留时间变短，从而使钢液凝固速度降低，其结果是铸坯液芯延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，而且发生铸坯鼓肚的危险也随之增加。拉速对铸坯偏析的影响如下图所示，拉速太快， 铸坯中心偏析加重。,20,拉速对铸坯偏析的影响,21,2.2.3,保护浇注,经过二次精炼处理后钢水在浇注过程中，若不采用无氧化保护浇铸，则精炼效果会前功尽弃，因此钢包,中间包,结晶器全程保护浇铸生产模式在世界各钢厂广泛使用，这些措施的实现，避免了钢水的二次氧化，有效地减少了连铸坯中的夹杂物。其保护浇铸方式为：钢包中间包采用长水口，中间包加覆盖渣，中间包到结晶器之间采用浸入式水口，结晶器采用保护渣。其保护效果：钢包中间包钢水吸氮,310,-6,；中间包,结晶器吸氮,0.70%(w),时中心等轴晶,15%,35%,；,（,5,） 铸坯中心宏观疏松分散， 偏析减少。,27,台湾中钢使用的,EMS,情况，从图中可看出，,EMS,对减少铸坯缺陷有良好的效果。为了提高高碳钢的质量，减少铸坯的缺陷，国外企业已将上述技术广泛应用在生产中， 其生产技术十分成熟， 钢丝生产已走向专业化。,不同方式的,EMS,对中心偏析的影响,28,2.2.7,二冷水量,在其它条件（如过热度、拉速）一定的情况下，对中、高碳钢连铸二次配水有两种观点， 一是抑制柱状晶生长，采用弱冷，比水量,0.3,0.7L/kg,，铸坯形成的中心疏松、偏析采用,EMS,或轻压下来解决；二是采用高压水强冷 （比水量可达到,2,3L/kg,）促进柱状晶生长以减轻铸坯中心缺陷。在高碳钢（,C=0.8%,）采用强冷后轧制的,11mm,线材上，由渗碳体所表面的碳偏析几乎消除。目前广泛采用的二冷还是以弱冷为主， 对于小方坯连铸中、高碳钢，采用比水是一为,1.4,2L/kg+EMS,，铸坯内部组织致密、中心疏松、偏析小。,29,2.3,总结,（,1,） 中、高碳钢铸坯的质量控制是生产高品质钢丝的决定因素，其控制水平决定了线材的质量。,（,2,） 中、高碳钢的质量控制主要包含了两个方面的内容，即夹杂物数量和形态的控制和连铸坯中心疏松、偏析的控制。其影响因素广，控制环节多，在实际生产中，应统筹兼顾， 前后协调，否则会前功尽弃。,（,3,） 中、高碳钢是高附加值、高技术含量的产品，不是所有企业都能生产高附加值的中、高碳硬线，应根据市场情况和装备工艺水平，定位自己的产品，创出自己的名牌。,