鋼中氫的檢測及控制

鋼中氫的檢測及控制

為了協(xié)助國家鐵路的建設(shè)，武漢鋼鐵公司的一條車間（以下簡稱武鋼一硝）于2008年3月完成了重軌鋼線的改造。其生產(chǎn)的重軌鋼于2008年底獲得鐵道部350km/h客運(yùn)專用鋼軌上道認(rèn)可。穩(wěn)定控制鋼中氫含量等,是提高重軌鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。鋼中氫對于鋼軌是非常有害的,它的存在可以形成白點(diǎn),降低鋼軌的機(jī)械性能,特別是抗疲勞性能,嚴(yán)重影響鋼軌的質(zhì)量和行車安全。研究表明,當(dāng)w(H)<2×10-6時(shí),可消除成品重軌鋼中產(chǎn)生白點(diǎn)的可能性。1點(diǎn)火產(chǎn)生機(jī)理氫在鋼軌上產(chǎn)生的主要缺陷是白點(diǎn),即鋼軌縱向斷口軸心部位出現(xiàn)銀亮小點(diǎn),在鋼軌橫斷面表現(xiàn)為肉眼能見到的發(fā)紋(或鋸齒形小裂紋)。白點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理為:當(dāng)鋼中一對氫原子形成穩(wěn)定的分子時(shí)體積增大,壓力增高,當(dāng)其壓力大于鋼體屈服強(qiáng)度時(shí),鋼中白點(diǎn)產(chǎn)生。白點(diǎn)出現(xiàn)溫度在200℃以下。要想減少白點(diǎn)危害,首要任務(wù)是降低鋼中氫含量。氫的危害還表現(xiàn)為氫脆,即固溶于鋼中的氫使其塑性韌性下降,在低于極限強(qiáng)度應(yīng)力作用下服役一定時(shí)間后突然斷裂。2鋼液中氫含量的計(jì)算利用氮?dú)庾鳛檩d氣通過探頭進(jìn)入鋼液并吸收鋼液中的氫,直到載氣中的氫含量與載氣中氫分壓達(dá)到平衡,然后根據(jù)西華特定律,按照氫分壓可以計(jì)算出鋼液中氫含量。[%H]=K/fPH2???√(1)[%Η]=Κ/fΡΗ2(1)式中:[%H]為鋼液中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;K為比例常數(shù);f為鋼液中氫的活度系數(shù);PH2為鋼液中氫分壓,Pa。3鋼水溫度變化煉鋼過程影響氫含量的主要因素為:高爐鐵水?dāng)y帶的氫,轉(zhuǎn)爐冶煉過程加入爐料增氫,轉(zhuǎn)爐吹氧脫氫,出鋼過程加入合金材料及增碳劑增氫,LF加入爐料增氫,真空處理過程脫氫,鋼包或中包不干燥增氫,鋼液與大氣接觸吸氫,澆鑄過程鋼液溫度降低降氫。表1為武鋼一煉鋼各工序鋼水中氫的測定值。氫主要來源于轉(zhuǎn)爐冶煉和轉(zhuǎn)爐出鋼過程加入鋼水中的各種原材料,這些原料中的水分將在高溫下發(fā)生分解反應(yīng),從而造成鋼水增氫。3.1鋼水氣炮所導(dǎo)致的氫滲透轉(zhuǎn)爐冶煉過程中氫的來源主要有高爐鐵水和冶煉時(shí)加入的各種爐料所攜帶的水分。高爐鐵水所帶入的氫可看成一個(gè)常數(shù)。在正常情況下氫含量的變化主要是由于爐料帶入的水分。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中,氧氣頂吹會(huì)產(chǎn)生大量的CO氣炮,氣泡上浮時(shí)會(huì)將鋼水中的氫帶走。轉(zhuǎn)爐出鋼前w(H)=(2.0～2.8)×10-6,吹煉后期爐料加入量過大,會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐鋼水中氫增加。3.2鋼液增氫原因分析表2為武鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐鋼水出鋼前后鋼水中氫的變化值,從3爐試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,轉(zhuǎn)爐出鋼過程中鋼液中氫的來源主要有:鋼水中攜帶的氫、出鋼時(shí)加入鋼包的增碳劑、合金材料等攜帶的水分、鋼包耐火材料烘烤不徹底所帶入的水分、出鋼時(shí)從大氣中所吸收的氫氣。試驗(yàn)表明出鋼過程中鋼液增氫主要是由于加入材料含水分引起的,氣候變化對出鋼過程鋼液中氫含量變化不大,這是因?yàn)樵谏a(chǎn)中轉(zhuǎn)爐周圍的溫度較高,使這周圍環(huán)境空氣中水分壓低于外界大氣分壓。而且,在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中一些固體材料的加入使得鋼包內(nèi)發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的氣體,氣體將從鋼包中排出,使鋼包內(nèi)形成正壓,這將阻礙鋼水與空氣中的水接觸。鋼液中氫的含量主要取決于鋼包氣氛中水的分壓,而不是外界空氣的水分壓。3.3高溫蒸發(fā)lf從表1可知鋼水從吹氬站離站到LF離站,整個(gè)精煉過程增氫量很小。這是因?yàn)樵贚F精煉工序加入的渣料在鋼渣中,其水分很快就被高溫蒸發(fā)。LF精煉過程吹氬,氬在鋼液中產(chǎn)生小氣泡,當(dāng)氣泡上浮時(shí),鋼液中的氫會(huì)被帶走。由于吹氬,鋼包內(nèi)處于正壓,水分壓變小,所以精煉過程引起的增氫量較小,精煉時(shí)吹氬與轉(zhuǎn)爐冶煉吹氧脫碳對去除鋼液中的氫有同樣的效果。從動(dòng)力學(xué)的角度看,轉(zhuǎn)爐吹氧脫碳強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精煉時(shí)吹氬的強(qiáng)度,因此,精煉過程的脫氫遠(yuǎn)不如轉(zhuǎn)爐冶煉過程。3.4工業(yè)職責(zé)兩種工藝中間包不干燥會(huì)導(dǎo)致中包內(nèi)鋼液中氫含量增加,開澆第1爐尤為嚴(yán)重。國內(nèi)重軌鋼的生產(chǎn)大多采取開澆第1爐重軌鑄坯進(jìn)緩冷坑緩冷,以使鑄坯中的氫擴(kuò)散,武鋼一煉鋼因受廠區(qū)場地的限制,無緩冷坑,但對重軌提出必須堆垛緩冷24h才能送下工序的工藝要求,同時(shí)要求真空處理結(jié)束鋼水中w(H)<1.5×10-6,以滿足中包鋼水w(H)<2.5×10-6的要求。理論分析澆鑄過程是鋼水溫度降低過程,溫度降低會(huì)對鋼中氫含量產(chǎn)生影響。隨鋼液溫度降低,氫的溶解度下降,鋼液氫含量有降低的趨勢。4脫氫法是鋼溶液在煉鋼過程中主要通過真空脫氫來控制鋼水中的氫含量。隨著真空精煉技術(shù)的發(fā)展,真空設(shè)備能將鋼水中w(H)脫至1.0×10-6以下。4.1脫氫鋼液目前鋼液脫氫主要是在真空條件下由VD和RH來完成。真空脫氫因鋼液中氫氣的溶解度服從平方根(sieveits)定律,氫在氣相中的分壓愈低,鋼中氫含量就愈低。VD和RH通過抽真空降低壓力,達(dá)到降低溶解在鋼液中的氫的目的。4.2vd脫氫處理工藝及設(shè)備技術(shù)參數(shù)武鋼選擇RH脫氫處理工藝生產(chǎn)60kg/m的重軌鋼,60kg/m級以下的重軌鋼可以選擇VD脫氫處理工藝生產(chǎn)。RH設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下。泵的抽氣能力650kg/h工作真空度67Pa極限真空度22Pa蒸汽壓力≥0.8MPa(表壓)插入管內(nèi)徑450mm鋼水循環(huán)量75t/min抽氣時(shí)間(抽至67Pa)≤3.5min驅(qū)動(dòng)氣體流量50～90m3/h4.3生產(chǎn)重軌鋼不同精制時(shí)間后的氫含量影響真空脫氫效果的因素主要有極限真空度、真空處理時(shí)間、真空設(shè)備、驅(qū)動(dòng)氣體流量等。表3是武鋼生產(chǎn)重軌鋼不同的精煉時(shí)間前后鋼水中的氫含量,圖1是不同真空處理時(shí)間鋼水中的氫含量。從表3和圖1可見,精煉結(jié)束鋼液中的氫與處理前氫關(guān)系不大,這是因?yàn)樵谡婵仗幚砬捌?脫氫效率較高,在較短的時(shí)間內(nèi),鋼液中的氫均可降低至2×10-6以內(nèi)。4.3.1系統(tǒng)的抽氣真空度越低,脫氫效果越好,脫氫率越高。為保證真空結(jié)束鋼液中的氫達(dá)到極低的水平,要求真空度越低越好。主要措施是要求真空泵有足夠的抽氣能力,做好真空室的密封,減少系統(tǒng)漏氣。在真空度較高的情況下,必須延長真空處理時(shí)間,以使鋼液中的氫進(jìn)一步降低,試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明真空度在2kPa以下,延長真空處理時(shí)間至20min以上,鋼液中的氫可降低至1.5×10-6以下。4.3.2真空脫氫處理時(shí)間對2008年的重軌生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),真空處理時(shí)間與鋼液中的氫存在圖1所示的對應(yīng)關(guān)系,在極限真空度下,處理前期脫氫速率最高,隨真空處理時(shí)間的延長,脫氫速率呈降低趨勢,鋼液中的氫逐漸下降,真空處理時(shí)間對脫氫影響最大,在極限真空度下保持10min,可滿足w(H)<1.5×10-6的要求,當(dāng)處理時(shí)間在20min以上時(shí),鋼液中的氫含量處于極低的水平,脫氫速率降低,鋼液中的氫基本處于穩(wěn)定值,再單純靠增加處理時(shí)間對于脫氫意義不大。武鋼生產(chǎn)重軌鋼時(shí),真空處理時(shí)間要求大于15min,真空精煉結(jié)束鋼液中的氫含量約為1.1×10-6。4.3.3界面擴(kuò)散速度脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)是溶解于鋼中的氫穿過鋼-氣相界面的鋼液側(cè)的邊界層,脫氫過程中增加鋼液的比表面積可以使鋼中氫含量降低。鋼渣的界面不斷更新,可起到擴(kuò)大比表面積的作用,因此在真空處理時(shí)采用加強(qiáng)鋼液攪拌的方法,增加鋼液中氫向鋼-氣相界面的擴(kuò)散速度可以增強(qiáng)脫氣的效率。提高RH的驅(qū)動(dòng)氣體流量和VD吹氬量,可以增強(qiáng)鋼液的攪動(dòng),促進(jìn)氫氣載體的氣體攜帶能力,有利于提高脫氫效率。驅(qū)動(dòng)氣體流量過大,反而會(huì)降低循環(huán)流量,故真空處理需要一個(gè)合適的氣體流量。武鋼一煉鋼生產(chǎn)重軌鋼,對不同的驅(qū)動(dòng)氣體流量進(jìn)行了循環(huán)流量測定,根據(jù)測量結(jié)果,當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體流量為70m3/h時(shí)循環(huán)流量最大,去氫能力最強(qiáng)。武鋼一煉鋼通過嚴(yán)格內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)定生產(chǎn)工藝,重軌鋼精煉結(jié)束時(shí)鋼液中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為0.97×10-6,經(jīng)過堆垛緩冷及軋制擴(kuò)散后,由中國鐵道科學(xué)研究院的檢測表明,武鋼生產(chǎn)的重軌材中w(H)=0.2×10-6,可避免重軌產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷。武鋼從2008年開始生產(chǎn)高速鐵路用重軌,對每爐重軌均取樣進(jìn)行白點(diǎn)檢驗(yàn),從未檢驗(yàn)出白點(diǎn),全部符合鐵道部要求。5降低重軌鋼中wh-2.2真空脫氫1)重