鈣處理鋼中夾雜物行為的研究―王春鋒

1、作者簡介:夏春祥(1970-,男,從事煉鋼工藝技術(shù)的研究鈣處理鋼中夾雜物行為的研究夏春祥1,王春鋒1,朱萬軍2,何金平1(1.武鋼條材總廠C S P 分廠,湖北武漢430083;2.武鋼研究院,湖北武漢430080摘要:為改善武鋼C S P 產(chǎn)線鋼水的連澆性,通過工業(yè)試驗對鈣處理鋼中夾雜物的變化進行了研究,試驗結(jié)果表明,鈣處理后,鋼中夾雜由A l 2O 3和M n S 轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈣鹽或C a O -A l 2O 3-M g O -C a S 復合夾雜,由于鈣處理對夾雜物的聚合變性作用,鋼中夾雜物直徑不小于5m 的比例增加。通過熱力學計算,分析了鈣處理使夾雜物變性的條件。根據(jù)試驗結(jié)果對工藝進行了

2、優(yōu)化,鋼水結(jié)瘤斷澆次數(shù)由3.6次/月降低到1.5次/月。關(guān)鍵詞:C S P ;鈣處理;夾雜物;工藝優(yōu)化中圖分類號:T F 762.8文獻標識碼:A 文章編號:1008-4371(201203-0008-05R e s e a r c h o n b e h a v i o r o f i n c l u s i o n s i n c a l c i u m t r e a t m e n t X I A C h u n -x i a n g 1,WA N G C h u n -f e n g 1,Z HU W a n -j u n 2,H E J i n -p i n g1(1.C S P

3、M i l l o f W I S C O ,W u h a n 430083,C h i n a ;2.R &D C e n t e r o f W I S C O ,W u h a n 430080,C h i n a A b s t r a c t :I n o r d e r t o i m p r o v e t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g o f m o l t e n s t e e l f o r t h e C S P p r o d u c -t i o n l i n e o f W u h a n I r o n

4、a n d S t e e l C o r p o r a t i o n (W I S C O ,t h e c h a n g e o f i n c l u s i o n s i n c a l -c i u m t r e a t m e n t s t e e l i s s t u d i e d b y i n d u s t r y e x p e r i m e n t .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e A l 2O 3a n d M n S i n c l u s i o n s i n t h e m o l t e

5、n s t e e l a r e m o d i f i e d i n t o c o m p o u n d i n c l u s i o n s c o m p o s e d o f c a l c i u m a l u m i n a t e s a n d C a O -A l 2O 3-M g O -C a S a f t e r c a l c i u m t r e a t m e n t .B e c a u s e o f p o l y m e r a t i o n o f t h e i n c l u s i o n s b y C a t r e a t

6、m e n t t h e r a t i o o f i n c l u s i o n s ( 5m i n s t e e l i n c r e a s e s .B y t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n t h e c o n d i t i o n s o f i n c l u s i o n s m o d i f i c a t i o n b y c a l c i u m t r e a t m e n t a r e a n a l y z e d .T h e p r o c e s s i s o p t

7、 i m i z e d o n t h e b a s i s o f t h e e x p e r i -m e n t r e s u l t s .T h e f r e q u e n c y o f c a s t i n g b r e a k d u e t o c l o g g i n g i s d e c r e a s e d t o 1.5t i m e s p e r m o n t h f r o m 3.6t i m e s pe r m o n t h .K e y w o r d s :C S P ;c a l c i u m t r e a t m e

8、 n t ;i n c l u s i o n s ;p r o c e s s o p t i m i z a t i o n 由于薄板坯連鑄用浸入式水口較常規(guī)板坯用水口細小,澆鑄鋁鎮(zhèn)靜鋼時水口很容易結(jié)瘤,對生產(chǎn)穩(wěn)定順行造成影響。因此,為解決鋼水澆鑄困難問題,各鋼廠一方面提高鋼水潔凈度,另一方面在精煉結(jié)束后采用鈣處理工藝來改善鋼中夾雜物形態(tài),減少或防止水口結(jié)瘤現(xiàn)象發(fā)生。武鋼C S P 產(chǎn)線在生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼時,雖然也采用鈣處理工藝,但還是經(jīng)常出現(xiàn)水口結(jié)瘤,從而導致塞棒上漲,液位波動、卷渣等系列問題,嚴重時會導致生產(chǎn)中斷,這對生產(chǎn)和鑄坯質(zhì)量都帶來較大影響。因此,為保證C S P 連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定,提高

9、鋼水連澆爐數(shù),改善鋼水潔凈度,2009年底,通過試驗對武鋼C S P 流程鈣處理鋼中夾雜物行為進行了研究,并對工藝優(yōu)化提出了改進建議。1工業(yè)試驗對Q 235B 鋼一個澆次連續(xù)6爐鋼進行試驗,考察不同鈣處理條件下鋼中夾雜物變化情況。工藝流程如下:鐵水脫硫預處理150t 轉(zhuǎn)爐冶煉(出鋼脫氧氬站吹氬(提前造渣L F 爐精煉鈣處理出L F 爐C S P 連鑄(1100m m×70m m 。轉(zhuǎn)爐出鋼采用擋渣塞和擋渣球擋渣,并加錳鐵和鋁鐵脫氧;氬站加鋁丸脫氧,并提前造渣;L F 精煉進行造渣、脫硫、升溫、成分調(diào)節(jié)等處理,精煉結(jié)束后·8·2012年6月第50卷第3期武鋼技術(shù)W

10、I S C O T E C HN O L O G Y J u n .2012V o l .50N o .3對鋼水進行鈣處理,鋼水離站前軟吹氬,進一步去除夾雜,之后運往連鑄平臺進行澆鑄。試驗過程對L F 處理開始時、造渣后、鈣處理前后及中間包的鋼水進行取樣分析,試樣加工后作金相顯微鏡、電子探針、掃描電鏡檢驗及化學分析。2試驗結(jié)果與討論2.1L F 精煉過程鋼中T .O 和N 含量變化對L F 精煉過程鋼中w (T .O 和w (N 作了分析,L F 精煉結(jié)束(鈣處理前時,鋼中w (T .O 為(1429×10-6,平均值為20.3×10-6,w (N 為(3540×

11、10-6,平均值為34.7×10-6;由于喂線及澆鑄過程鋼水二次氧化,鋼中w (T .O 和w (N 含量逐漸增加,鈣處理后,鋼中w (T .O 為(1436×10-6,平均值為24.7×10-6,w (N 為(3240×10-6,平均值為36.7×10-6;中包鋼水的w (T .O 為(2034×10-6,平均值為28.2×10-6,w (N 為(3347×10-6,平均值為40.2×10-6;鑄坯中w (T .O 為(2325×10-6,平均值為24.0×10-6,w (N 為(3

12、133×10-6,平均值為32.0×10-6。圖1給出了L F 精煉過程鋼中w (T .O 和w (N 含量平均值變化趨勢,可知鈣處理后w (T .O 與w (N 都呈增加趨勢,需要抑制精煉后期和澆鑄過程中鋼水的二次氧化 。圖1L F 精煉-鑄坯過程中鋼中w (T.O 和w (N 平均含量變化2.2鋼中夾雜物尺寸與分布表1給出了L F 精煉工序鋼中夾雜尺寸分布。喂線前后和中包鋼樣的金相顯微統(tǒng)計中沒有觀察到直徑大于20m 的夾雜物,夾雜物尺寸基本都在10m 以內(nèi),其中,直徑小于2.5m 的夾雜物數(shù)量占夾雜物總量55%以上。喂線后,鋼包鋼水中直徑小于2.5m 夾雜物比例減少,鈣

13、處理對夾雜物的聚合變性作用使直徑不小于5m的夾雜物比例增加。到中包后,鋼水中直徑小于2.5m 的細微夾雜物比例明顯增加,且夾雜物尺寸基本都在5m 以內(nèi)。表1L F 精煉工序夾雜物尺寸分布取樣位置夾雜物分布百分比/%<2.5m 2.55m 510m 1020m >20m 喂鈣前71.119.69.00.30喂鈣后57.324.715.52.50中間包76.021.52.502.3鋼中夾雜物變化L F 精煉結(jié)束后、鈣處理前鋼中夾雜物形貌如圖2所示。夾雜物主要為塊條狀A l 2O 3、M n S ,有少量鎂尖晶石,這些夾雜物尺寸都在10m 以內(nèi) 。圖2鈣處理前鋼中夾雜物形貌·9

14、·第3期夏春祥,等:鈣處理鋼中夾雜物行為的研究鈣處理后,鋼中夾雜物形貌和尺寸如圖3所示。觀察發(fā)現(xiàn),鈣處理前后鋼中夾雜物形態(tài)變化明顯。由于鈣與鋼中A l 2O 3和硫化物夾雜反應生成多種形式的鋁酸鈣及復合夾雜,鈣處理后鋼中夾雜物已被球化或正在發(fā)生球化轉(zhuǎn)變,此時夾雜物主要為復合夾雜,組成為鋁酸鈣鹽或以鎂尖晶石、鋁酸鈣為核心,外面包裹一層C a S ,這類尺寸較大的復合夾雜物容易上浮去除 。圖3鈣處理鋼中夾雜物形貌中包鋼水中典型夾雜物形貌如圖4所示。夾雜物主要呈球狀,尺寸較小,這類夾雜物主要為C a O -A l 2O 3-M g O -C a S 復合夾雜 。圖4中包鋼水中夾雜物形貌2.

15、4鈣處理對夾雜物的控制2.4.1鈣處理對A l 2O 3夾雜物的控制鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理可以將鋼中固態(tài)A l 2O 3夾雜物變性為液態(tài)鋁酸鈣,抑制水口堵塞。隨著鈣加入量的不同,鋼中A l 2O 3會轉(zhuǎn)變成多種形式的鋁酸鈣1,其中12C a O ·7A l 2O 3和3C a O ·A l 2O 3在煉鋼溫度下為液態(tài)。鈣和鋼中A l 2O 3主要發(fā)生下列反應2:3C a +(A l 2O 3=3(C a O +2A l K =a 2A l ×a 3(C a O a 3C a ×a (A l 2O 3=f A l 2×%A l 2×a 3C a

16、 Of C a 3×%C a 3×a (A l 2O 3=EX P (-706200+60.6T -RT (1一定溫度下,要生成液態(tài)鋁酸鈣需,對鋼中C a 、A l 進行控制。表2、表3分別給出了1600時鋼中元素相互作用系數(shù)及不同鋁酸鈣中a C a O 、a A l 2O 3值1-4。通過計算得出f A l =0.997,f C a =1.522×10-4,代入式(1,得不同溫度下的C a -A l 平衡曲線,如圖5所示?？芍?鋼包鋼水中只需少量表2鋼鐵中元素相互作用系數(shù)e ij (1600jiC S i M n P S A l s C a T.OA l 0.0

17、910.00560.0120.0330.030.045-0.047-6.6C a -0.34-0.097-0.100-336-0.072-0.002-678S 0.110.063-0.0260.029-0.0280.035-100-0.27表3C a O -A l 2O 3熔體中a C a O ,a A l2O 3值(1600鋁酸鈣C 3AC 12A 7C Aa C a Oa A l 2O 3a C a Oa A l 2O 3a C a Oa A l 2O 3活度值10.00570.420.0410.080.039鈣即可將A l 2O 3轉(zhuǎn)變成CA ;隨著溫度降低,鋼中A l 2O 3轉(zhuǎn)變成液

18、態(tài)鋁酸鈣所需鈣含量逐漸減少。當1600、鋼中w (A l =0.035%時,控制鋼中生成C 12A 7的最少鈣含量約為26×10-6;1550時最少鈣含量約為18×10-6。鈣處理結(jié)束時,鋼水溫度約為1590,平衡條件下,鋼水中鈣含量可將鋼中A l 2O 3夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鋁酸鈣 。圖5不同溫度下的C a -A l 平衡曲線2.4.2鈣處理對硫化鈣夾雜物控制鈣與硫有較強的親和力,當鋼中硫含量較高時,鈣會與S 首先反應生成高熔點C a S 。實際生產(chǎn)中,w (S 較低時(0.01%,鋼中也會有C a S 復合夾雜生成(如圖3、圖4所示,這主要是因為液態(tài)鈣鋁酸鹽有較高硫容量,隨著

19、溫度降低,液態(tài)鋁酸鈣鹽中會有C a S 富集析出5。鋼中C a S 的生成可以由下式進行計算確定2:3(C a O +3S +2A l =3(C a S +(A l 2O 3K =a (A l 2O 3×a 3(C a S a 3S ×a 2A l ×a 3(C a O =a (A l 2O 3×a 3(C a S f S 3×%S 3×f A l 2×%A l 2×a 3(C a O ·01·武鋼技術(shù)第50卷=EX P (-879760+298.73T -RT (2根據(jù)上式作出不同溫度下生成不

20、同鋁酸鈣鹽的A l -S 平衡曲線,如圖6所示?？梢钥闯?隨著鋼中w (S 增加,生成液態(tài)鋁酸鈣的難度也在增加,并且隨著溫度降低,與生成液態(tài)鋁酸鈣的平衡硫也隨之降低。鋼中有C 3A 生成時,很難避免C a S 的析出,這與實際金相觀察結(jié)果一致。實際生產(chǎn)中,當鋼中S 和C a 較高時,會生成純固態(tài)C a S ,造成澆鑄過程水口堵塞。中包鋼水溫度約1555,適當降低w (A l (0.035%,可減少C a S 的生成 。圖6不同溫度下生成不同鋁酸鈣時的A l -S 平衡曲線圖7給出了不同溫度下C a -S 平衡曲線。可以看出,隨著溫度降低,C a -S 平衡曲線下移,生成C a S 所需的C a

21、 和S 逐漸降低,但中包鋼水中并沒有純固態(tài)C a S 生成。對中包鋼水金相樣進行觀察,也沒發(fā)現(xiàn)純C a S ,而C a S 主要以C a O -A l 2O 3-C a S 復合形式存在。2.4.3最佳喂鈣量的計算方法目前的生產(chǎn)工藝主要采用喂鈣線的方法向 鋼圖7不同溫度下C a -S 平衡曲線液里加鈣,由于鈣的沸點(1482低于煉鋼溫度(1600左右,所以當鈣喂入后,很容易揮發(fā),造成鈣的收得率很低,且由于喂鈣量、吹氬量以及喂線速度等因素的影響,其收得率波動也比較大。目前,只能依靠經(jīng)驗值,來計算鈣收得率。所以,鈣處理過程喂線長度可由下式計算6。=W (w C a T -w C a O ×

22、;103(3式中:為喂鈣線長度,m ;W 為鋼水重量,t ;w (C a T 為鈣處理后目標鈣含量,%;w (C a O 為鈣處理前鋼水中鈣含量,%;為鈣收得率,%;為鈣線中鈣元素的含量,%;為每米鈣線的重量,k g/m 。實際生產(chǎn)鋼中w (A l s一般控制在0.02%0.04%,根據(jù)(3式計算可得出鈣加入量,以控制鋼中生成液態(tài)鋁酸鈣來改善鋼水流動性、防止水口堵塞現(xiàn)象發(fā)生。3工藝優(yōu)化和效果3.1工藝優(yōu)化措施為減少或防止水口結(jié)瘤,一方面應減少鋼中高熔點夾雜物的生成,另一方面通過鈣處理對夾雜物形態(tài)進行控制。因此,可以從以下方面進行改進。1提高轉(zhuǎn)爐終點命中率,降低終點O 含量,終點w O 控制在0

23、.065%以內(nèi),減少內(nèi)生夾雜物的生成。2對爐渣進行改質(zhì),適當提高L F 精煉爐渣堿度(w C a O /w S i O 2>6:鋼水入L F 爐后快速造高堿度渣,并保證爐渣流動性。一方面改善爐渣對鋼中夾雜物的吸附,另一方面提高爐渣脫硫效果。3降低鋼中S ,將鋼中w S 控制在0.006%以內(nèi),減少C a S 的生成。4適當降低精煉過程鋼中鋁含量,w (A l s 控制在0.03%左右,提高鈣處理工藝的穩(wěn)定性。5對喂鈣線線速度進行調(diào)整,提高鋼水鈣收得率(C a 約為12%,減少了鈣線加入量。6延長鈣處理前后軟吹氬時間,鈣前軟吹12m i n ,鈣后軟吹5m i n ,一方面促進鈣對夾雜物的

24、變性,另一方面促進夾雜物充分上浮。7加強保護澆鑄,減少或防止鋼水二次氧化,減少細微夾雜物的生成。3.2工藝優(yōu)化效果通過工藝優(yōu)化后,鈣處理對夾雜物控制效果明顯改善,鋼水連澆爐數(shù)穩(wěn)步提高,水口結(jié)瘤斷澆次數(shù)明顯減少,夾雜缺陷發(fā)生率也有所降低。對·11·第3期夏春祥,等:鈣處理鋼中夾雜物行為的研究2011年1-10月碳素結(jié)構(gòu)鋼和低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼(約2400爐生產(chǎn)指標進行統(tǒng)計,并和工藝優(yōu)化前的效果進行比較,結(jié)果見表4。表4鈣處理工藝技術(shù)應用的重點經(jīng)濟技術(shù)指標統(tǒng)計實施時間項目連澆爐數(shù)/(爐·包-1夾雜改判率/%水口結(jié)瘤斷澆次數(shù)/(次·月-1工藝優(yōu)化前11.60.453.

25、60工藝優(yōu)化后13.20.391.504結(jié)語1試驗結(jié)果表明,為減少或防止水口結(jié)瘤,一方面應減少鋼中高熔點夾雜物的生成,另一方面通過鈣處理對夾雜物形態(tài)進行控制;合適的鈣處理工藝能夠使鋼中A l 2O 3和硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鋁酸鈣或C a O -A l 2O 3-C a S 系夾雜,實現(xiàn)對鋼中夾雜物形態(tài)的控制。2熱力學計算結(jié)果表明,L F 精煉溫度下,為使鋼中A l 2O 3轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鋁酸鈣所需的w (C a 至少為0.0011%;隨著溫度降低,與之生成液態(tài)鋁酸鈣的平衡硫也隨之降低;當w (A l s =0.035%,生成產(chǎn)物為3C a O ·A l 2O 3時,為避免C a S 析出

26、,需將w S 控制在32×10-6以內(nèi)。3通過造渣工藝、脫氧工藝以及鈣處理工藝的優(yōu)化,武鋼C S P 連鑄因塞棒上漲和水口結(jié)瘤造成的斷澆由優(yōu)化前的3.6次/月降低到1.5次/月;連澆爐數(shù)提高到13.2爐。參考文獻1黃希祜.鋼鐵冶金原理M .北京:冶金工業(yè)出版社,1990.2韓志軍,林平,劉瀏,等.20C r M n T i H 1齒輪鋼鈣處理熱力學J .鋼鐵,2007,42(9:32-36.3特克道根.高溫工藝物理化學M .北京:冶金工業(yè)出版社,1988.4B l a z e n k o K o r o u s i c .F u n d a m e n t a l t h e r m o d y n a m i c a s pe c t of t h e C a O -A l 2O 3-S i O 2s y s t e m J .S t e e l R e s e a r c h ,1991,62(7:285-288.5余健,王福明,李晶,等.管線鋼中典型夾雜物的熱力學分析J .北京科技大學學報,2009,31(增刊1:96-99.6孫彥輝,孫松,許中波,等,高鋁鋼鈣處理工藝