夹杂物控制理论与技术.pdf

夹杂物控制理论与技术夹杂物控制理论与技术刘建华教授刘建华教授 北京科技大学冶金工程研究院北京科技大学冶金工程研究院 liujianhua@liujianhua@纯净钢纯净钢(purity steel):当钢中杂质元素对钢的使用性能不存在危 害时，这种钢可称为纯净钢ΣS+P+N+O+H总和水平： 60年代≤900 ppm 70年代≤800 ppm 80年代≤600 ppm 90年代≤100 ppm 2000年后 300µm140~300µm80~140µm30 35 T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高川崎Mizushima把中间包T[O]作为钢水洁净度标准，生产试验表明： 中间包钢水T[O]55ppm 冷轧薄板降级使用3 钢中的氧钢中的氧3 钢中的氧钢中的氧3.4 钢中T[O]控制策略 降低[O]溶：控制转炉终点a[O]，它主要决定于 冶炼过程； 降低夹杂物的[O]夹杂：控制脱氧、夹杂物形成 及夹杂物上浮去除－夹杂物工程概念 （Inclusion Engineering）。

3.5 氧控制水平 钢中的总氧含量不断降 低，夹杂物越来越少，钢水 越来越“干净”，甚至追求“零 夹杂物”，钢材性能不断改 善 由于引入炉外精炼，对 硅镇静钢，T[O]可达15- 20ppm，对铝镇静钢，T[O] 可达到50μm，甚至几百 μm； 来自耐火材料侵蚀的夹杂物通常比卷 渣造成的夹杂物要大4.连铸坯中夹杂物来源与分布2)复合成分及多相结构 由于钢水和渣中的SiO2, FeO, and MnO以及炉衬耐 火材料之间的多元反应造成夹杂物成分复杂； 由于外来夹杂尺寸较大，它们在运动时，容易吸收捕 获脱氧产物如Al2O3夹杂（图10右与图11右）； 外来夹杂作为异相形核核心，钢水中新夹杂物以此核 心沉淀析出（图11左）； 渣或者二次氧化产物与炉衬耐火材料或其脱落物之间 的反应；4.连铸坯中夹杂物来源与分布深冲钢中的典型外来夹杂物 （左图：玻璃质夹杂物（铝硅酸盐或钙铝硅酸盐）；中 图：不透明夹杂物（铝硅酸盐或复合的外来氧化物 相）；右图：球状渣夹杂物表面为氧化铝的结晶体4.连铸坯中夹杂物来源与分布图11 低碳铝镇静钢中的点簇状夹杂物4.连铸坯中夹杂物来源与分布3)形状不规则 卷渣或者脱氧产物氧化硅类夹杂物为 球形。

球形外来夹杂物通常尺寸较大 （>50µm）并且大多数为多相，而球形 脱氧产物夹杂通常较小并且单相. 4)相比小夹杂物而言数量较少4.连铸坯中夹杂物来源与分布5)偶然性分布 与小夹杂物均匀弥散分布不同，外来夹杂 物在钢中零星分布 此类夹杂通常是在浇铸和凝固时被捕捉， 具有偶然性，呈零星分布状态另一方面，由于此类夹杂容易上浮去除， 所以它们只集中在凝固速度最快的区域或者在 某些方面上浮受阻的区域 因此，此类夹杂经常出现在表层附近4.连铸坯中夹杂物来源与分布6) 对产品性能危害最大 生产洁净钢，就是要减少钢中夹杂 物，尤其是减少大颗粒夹杂而奋斗4.连铸坯中夹杂物来源与分布大尺寸的夹杂物为何没有迅速上浮而 得到去除： 在浇铸之前，在冶炼、运输或钢包、中 间包等其他冶金容器的侵蚀过程中该类 夹杂物形成较晚造成上浮时间不足； 缺乏足够的过热度；在凝固过程中由于流场流动影响造成结 晶器保护渣卷入，或者已上浮的夹杂物 在未完全进入渣中之前被重新卷入4.连铸坯中夹杂物来源与分布(3)二次氧化产生的夹杂物 1）空气二次氧化 最常见的形式点簇状Al2O3、球状MnO·SiO2·Al2O3空气进入钢液方式： － 钢水注入处强烈的湍流造成中间包钢水表面吸入空 气，流动的钢液表面形成的氧化薄膜重新卷入钢液后 形成很薄的氧化物颗粒带； － 钢水从钢包进入中间包以及从中间包进入结晶器的水 口连接处吸入空气； － 在浇铸过程中，钢包、中间包和结晶器钢水表面的空 气渗透。

4.连铸坯中夹杂物来源与分布脱氧元素如Al、Ca和Si等优先氧化，通常比脱 氧夹杂物大一到二个数量级4.连铸坯中夹杂物来源与分布4.连铸坯中夹杂物来源与分布防止方法： 在浇铸过程中防止钢液暴露于空气中 1）在钢包长水口和中间包浸入式水口连接处 采用钢环或透气砖环吹入惰性气体形成气幕保 护； 2）浇铸前在中间包内充入保护气体以及浇铸 过程中中间包钢液表面采用气体保护； 3）控制钢包内的气体吹入避免形成气眼4.连铸坯中夹杂物来源与分布铝镇静钢中氧化物夹杂物的发布4.连铸坯中夹杂物来源与分布5. 夹杂物控制工艺与技术系统工程 精细工程 提高洁净度与提高产能常存在矛盾夹杂物控制工艺技术1. 铁水预处理1. 铁水预处理生产优质超深冲钢必须进行铁水脱硫预处 理，日本的钢铁厂基本采用三脱. 目的：生产优质超深冲钢必须进行铁水脱硫预处 理，日本的钢铁厂基本采用三脱. 目的：•减少炼钢的渣量，从而减少炼钢的渣量，从而减少出钢时带渣量减少出钢时带渣量；；•由于无须脱磷，由于无须脱磷，可以降低炼钢终点钢水和炉渣 的氧化性可以降低炼钢终点钢水和炉渣 的氧化性；；•提高炼钢终点炉渣碱度和MgO含量提高炼钢终点炉渣碱度和MgO含量，减少出钢 下渣量。

减少出钢 下渣量夹杂物控制工艺技术2. 加强转炉冶炼终点控制 国产钢材洁净度低，原因之一是炼钢终点控 制不好;绝大多数转炉钢厂炼钢终点控制仍采用凭人 工经验控制的落后方式; 终点成分、温度控制一次命中率较低; 多次补吹造成钢液溶解氧含量高、波动大； 钢中[O]的提高最终将增加钢中非金属夹杂物 量夹杂物控制工艺技术3.控制炼钢炉下渣量? 挡渣法（偏心炉底出钢、气动法、挡渣 球、电磁阀，红外成像）； ?扒渣法：目标是钢包渣层厚50μm）去除，采用中 间包控流技术； ?小颗粒夹杂（<50μm）去除： －中间包钙质过滤器 －中间包电磁旋转 －大包长水口中弥散微小气泡的生成夹杂物控制工艺技术16. 防止浇注过程下渣和卷渣16. 防止浇注过程下渣和卷渣示踪试验追踪铸坯中夹杂物来源是： 外来夹杂占41%，二次氧化占39％，脱氧产物占 20％ 防止浇注过程的二次氧化和下渣卷渣是提高铸坯 洁净度的有效措施夹杂物控制工艺技术?提高非稳定态浇注铸坯质量： －临界液面操作法，防止旋涡下渣，生产DI罐 ，钢包还有4％钢水就关水口 －下渣探测器 －长水口采用撇渣器 －开浇时中间包水口上方采用挡渣器 －开浇时中间包密封 －采用H型中间包 －结晶器液面控制夹杂物控制工艺技术（17）结晶器冶金技术结晶器区域是最后一步精炼环节。

夹杂物要么被安全去除进入保护渣层，要 么被捕捉进入凝固坯壳形成产品中永久的缺 陷 1985年，Mcpherson使用了“结晶器冶金”这 个词来强调结晶器改善钢洁净度的重要性结晶器内存在问题及影响因素结晶器内存在问题及影响因素（17）结晶器冶金技术表面流速和液面波动对卷渣的影响（17）结晶器冶金技术2 流体流动形态 流场形态由一些可调节的参 数来控制 如水口几何形状、水口 浸入深度、氩气流量和采用 电磁力17）结晶器冶金技术也受控于一些通常不可调节的参数，例如水口堵塞、 拉速、铸坯宽度和厚度 这些参数共同形成了一个系统，该系统的设计必须能 够产生一个最佳的流场形态以适用于一个特定的生产操 作保持一个稳定的双回流流场形态（17）结晶器冶金技术流场形态的不对称性 铸坯每一侧卷渣情况都不一样，表明卷渣 与下部回流区域的瞬时流场结构的变化和流场 形态上的不对称性有关系 水口堵塞、扰动以及过多的氩气吹入量均 能够导致流场不对称 尤其重要的是保持结晶器液面、保护渣添 加速度、拉速、吹气量、水口开度以及水口位 置（对中和浸入深度）这些参数的基本恒定17）结晶器冶金技术图37 浸入式水口堵塞造成流场不对称引起的连铸板坯夹杂 物分布的不对称性（N为MIDAS方法测定的夹杂物指数）（17）结晶器冶金技术()()P2 P Pm P3 PPm2 P3 PP2 m3 PPP2 P Pm P3 PPm2 P3 PP2 m3 PPR4πR2RVμRπR34ρρgσ4πRπR34gHρVπR34ρ21R4πR2RVμRπR34ρρgσ4πRπR34gHρVπR34ρ21+⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛−+≥⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛保护渣由钢水表面进入钢液内部 的能量平衡计算保护渣由钢水表面进入钢液内部 的能量平衡计算表面能浮力能摩擦能动能位能表面能浮力能摩擦能动能位能ρ ρP P：保护渣颗粒密度；H：液面波动高度； ρ：保护渣颗粒密度；H：液面波动高度； ρm m：钢水密度；σ：表面张力； R：钢水密度；σ：表面张力； RP P：保护渣颗粒半径；μ：粘度 V：保护渣颗粒半径；μ：粘度 Vm m：表面流速；g：重力加速度。

表面流速；g：重力加速度钢渣界面形貌结晶器内渣相体积分数钢 / 渣 界 面 特 征 及 界 面 上 钢 / 渣 行 为 -600-400-2000-20-1001005010015002468-600-400-2000cThe distance from SEN along wideface(mm)abdSteel-slag interface position(mm)Steel velocity of interface(mm/s)Slag shear strain rate of interface(s-1)水模型得出的结晶器表面流速与旋涡的关系水模型得出的结晶器表面流速与旋涡的关系防止钢水表面流动造成卷渣的措施：防止钢水表面流动造成卷渣的措施：•减少减少浸入式水口浸入式水口钢水偏流(堵塞等原因);钢水偏流(堵塞等原因);•采用高频、小振幅,采用高频、小振幅,减少弯月面坯壳减少弯月面坯壳 “ 爪爪”的发达程度；的发达程度；•保护渣粘度不能过低；保护渣粘度不能过低；•浸入式水口参数优化；浸入式水口参数优化；•钢水液面波动控制；钢水液面波动控制；•控制拉速；控制拉速；•电磁制动电磁制动。

浸入式水口参数优化浸入式水口参数优化 () D1 4sin1VρQFD1 4sin1VρQFeLeL•−=θ影响F数的因素：影响F数的因素：?铸坯尺寸； ?拉速； ?浸入式水口夹角 ?浸入式水口埋入深度铸坯尺寸； ?拉速； ?浸入式水口夹角 ?浸入式水口埋入深度17）结晶器冶金技术存在一 F值最佳范围存在一 F值最佳范围NKK得出的冷轧板表面缺陷发生频率与F值的关系NKK得出的冷轧板表面缺陷发生频率与F值的关系（17）结晶器冶金技术川崎制铁得出的冷轧板表面缺陷指数与F值的关系川崎制铁得出的冷轧板表面缺陷指数与F值的关系（17）结晶器冶金技术?电磁制动（电磁制动（EMBR））?作用于浸入式水口减小偏流； ?作用于结晶器减缓出口速率； ?抑制弯月面区域运动； ?改变并扩大夹杂物上浮区电磁制动原理电磁制动原理电磁制动对结晶器液面流速影响电磁制动对结晶器液面流速影响8 结晶器电磁冶金（17）结晶器冶金技术图３０ 电磁制动EMBR示意图川崎制铁开发的FC结晶器示意图川崎制铁开发的FC结晶器示意图（17）结晶器冶金技术图３１ FC结晶器示意图（17）结晶器冶金技术FC 结晶器的效果FC 结晶器的效果FC结晶器上部磁极降低液面流速的作用FC结晶器上部磁极降低液面流速的作用结语?洁净钢提高了钢水质量，提高了产品竞争 力； ?洁净钢是一个相对概念，应根据产品用途 来制订合理的工艺对策来生产洁净钢； ?夹杂物的控制控制及洁净钢的生产是一个 系统工程 ?许多新技术正在开发和应用中。