炼钢－精炼－连铸钢中夹杂物控制蔡开科孙彦辉倪有金北京科技大学冶金与生态工程学院2008年9月目录1 前言2 洁净钢概念3 转炉终点氧活度的控制4 脱氧和夹杂物的控制5 浇注过程中的二次氧化产物的控制6 连铸坯中的夹杂物7 炼钢生产过程中夹杂物控制对策8 结语1 前言所谓连铸钢水准备，实质上就是连铸钢水质量控制。
只有得到良好的钢水质量，连铸机才能达到生产率高、铸坯质量好。
所谓良好的钢水质量：●钢水温度●钢水成分●钢水可浇性●钢水纯净度（S、P、N、H、T[O]）●钢水夹杂物（数量、尺寸、形态、类型）根据钢种和产品用途，对连铸钢水质量有不同的要求。
通过炼钢和炉外精炼来达到上述要求，得到良好的连铸坯质量。
所谓连铸坯质量包括：●铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布）●铸坯表面质量（裂纹、夹渣…）●铸坯内部质量（裂纹、夹杂物、疏松、偏析…）图1.1 炼钢生产流程示意图如图1.1所示，从炼钢生产流程来看，铸坯洁净度主要决定于钢水进入结晶器之前的炼钢精炼工序。
铸坯表面质量主要决定于钢水在结晶器凝固过程，铸坯内部质量主要决定于二冷区的凝固过程。
下面主要讲炼钢-精炼-连铸过程钢中夹杂物控制问题：☐洁净钢概念☐转炉终点氧活度的控制☐脱氧和炉外精炼的控制☐浇注过程中的二次氧化产物的控制☐连铸坯中夹杂物的控制2 洁净钢概念纯净钢(purity steel)：ΣS+P+N+O+H总和水平：60年代≤900ppm70年代≤800ppm80年代≤600ppm90年代≤100ppm2000年后 < 50ppm高纯净钢对炼钢工艺要求：（1）去除杂质元素●超低[C]：如汽车板；●超低[S]：如输气管线；●超低[N]：如铁素体不锈钢废气管，冷锻线棒材；●超低[P]：如高压容器钢板。
（2）去除夹杂物●超低[O]：如滚珠钢，汽车板；●形态控制：如拉拔钢丝，管线钢。
（3）成分控制●化学成分控制在窄的范围；●性能均一性。
国内外一些钢厂生产纯净钢水平如表1：2000年后杂质元素含量预测水平如表2：纯净钢除S＋P＋N＋H＋O五大元素外，随电炉短流程的发展，废钢用量的增加，还包括Cu、Zn、Sn、Bi、Pb等伴生元素。
洁净钢（clean steel）：钢中非金属夹杂物总量、形态和尺寸。
它决定于钢种和产品用途。
不同用途的产品对钢中洁净度要求如表3。
备注:D指夹杂物直径钢中夹杂物对钢质量的影响：钢的清洁度与产品制造和使用过程中所出现的众多缺陷密切相关，一些厂家对某些高纯度钢种发生缺陷所作的调查如表4所示，可以看出钢中的夹杂物尤其是大颗粒夹杂物是引起产品缺陷的主要原因。
日本一向对钢材质量有着严格的要求，最近日本夹杂物委员会提出的不同成品对钢中夹杂物含量及尺寸的要求如表5所示。
注：表中夹杂物尺寸为板材加工后的夹杂尺寸，推算至铸坯中，约为50～60μm。
注：D A为Al2O3直径，D M为MnS 直径，D i 为所有夹杂物直径。
随着炉外精炼技术的发展，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。
1970－2000年钢中T[O]演变如图2.1所示。
由图可知，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<10ppm。
图2.1 1970～2000年钢中平均T[O]水平轴承钢T[O]由30×10-6降到5×10-6，疲劳寿命提高100倍如图2.2所示。
图2.2 钢中T[O]与轴承钢寿命关系钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显对应关系，美国Weirton公司生产0.15mm厚薄板，在DTR生产线上检查120个板卷发现：T[O]，10-6 质量指数15-20 8121-25 7226-30 68＞30 35T[O]越低，冷轧板质量越好，T[O]在40～100ppm时废品率非常高。
产品质量缺陷不仅与钢中总氧T[O]有关，还与夹杂物种类、尺寸、形态和分布有关。
产品质量缺陷与钢中夹杂物类型、尺寸关系如图2.3。
图2.3 夹杂物类型对产品质量危害由上述讨论，可得出以下认识：●纯净钢或洁净钢是一个相对概念；●某一杂质含量降低到什么水平决定于钢种和产品用途；●有害元素的降低的程度决定于装备和工艺现代化水平；●不管生产什么用途的钢，总是要求钢中夹杂物数量、尺寸、形态得到控制。
高附加值产品洁净度:高附加值产品对洁净度要求是：●T[O]要低<20ppm；●夹杂物数量要少；●夹杂物尺寸要小<50µm；夹杂物形态要合适。
3 转炉终点氧控制T[O]＝[O]D ＋[O]I钢中T[O]越低，钢就越“干净”。
要降低钢中夹杂物，必须降低转炉终点溶解氧a[O]，它决定于：（1）终点[C]从某厂转炉冶炼终点由副枪测定的C和a[O]统计关系如图3.1所示，由图可知：图3.1 转炉冶炼终点C-O关系图Ⅰ区： [C][O]=0.0027炉龄＜2500炉Ⅱ区： [C][O]=0.0031~0.0037炉龄＞2500炉处理好溅渣护炉高炉龄与复吹关系，也就是高炉龄与产品质量的矛盾，尤其是深冲冷轧薄板质量。
(2)终点温度20040060080010001200140016001800160016201640166016801700172017401760终点温度（℃）终点氧含量（p p m）图3.2终点温度与[O]溶关系生产统计转炉终点钢水温度与a [O]关系如图3.2所示。
当终点[C]=0.025~0.04%时，随着温度的升高，终点[O]溶呈上升趋势。
当T>1680℃时，终点[O]溶明显增加。
(3) 终渣（FeO ）如图3.3、3.4所示，当终点[C]＝0.02～0.06％时，终点渣中（FeO+MnO ）为14～24％，而终点[O]溶波动较大。
图3.3 渣中（FeO ＋MnO ）对[O]溶影响 图3.4 渣中（FeO ＋MnO ）与[C]关系(4) 氧耗量46.0048.0050.0052.0054.0056.0058.0060.000.020.040.060.080.1终点碳含量 （%）吨钢氧耗量,N m 3/t吨钢氧耗图3.5 氧耗量与终点[C]关系图如图3.5所示，终点[C]＝0.02～0.06％，氧耗量在48～58Nm 3/t 之间，而终点[O]溶波动在400～1400ppm （图3.3）。
说明终点[C]越低（或后吹），吹入氧主要用来氧化铁，使渣中FeO 大增（图3.4），同时增加了终点[O]溶。
我国采用长寿复吹转炉[C]-[O]关系如图3.6所示。
根据C-O 乘积，如转炉冶炼低碳钢(%[C]=0.03)，终点氧含量：[C][O]积 [O]/ppm 重钢 0.00241 803 本钢 0.00258 860 武钢 0.00282 940 首钢0.00272907注：引自殷瑞钰.我国炼钢-连铸技术发展和2010年展望.2008年全国炼钢-连铸生产技术会议文集，P6图3.6 长寿复吹转炉终点C-O 平衡 图3.7 复吹对转炉终点成分的控制从图3.7和图4.1估计，当[C]在0.02~0.05%时，顶吹终点[O]=700~900ppm,采用复吹气流强度为0.1Nm3/min·t时，钢水[O]降到250~600ppm，我国长寿转炉终点[O]与顶吹转炉是同一水平。
可见转炉终点复吹效果对氧含量的影响很大。
要降低终点[O]，就是要减少生成夹杂物的源头，要控制好：●提高终点[C]和温度双命中率，杜绝后吹。
后吹小于1min，钢中[O]增加100ppm；●控制好转炉终点温度1640~1680℃；●优化操作制度控制好渣中（FeO+MnO）在14-18％左右；●强化复吹效果[C]终点＝0.02~0.05％；顶吹终点[O]＝700~900ppm；复吹终点[O]＝250~600ppm。
转炉采用动态控制提高冶炼终点的双命中率，减少后吹，强化复吹，是降低转炉终点氧含量的有效措施，既可以节约铁合金消耗，更重要的是减少了钢中夹杂物的生成量，提高了钢的洁净度，这对于生产低碳钢和超低碳钢的冷轧薄板生产是很重要的。
然而，应该正确处理好溅渣护炉高炉龄和复吹效果的矛盾。
4 脱氧和夹杂物的控制钢包脱氧合金化后：T[O] = [O]溶+[O]夹对于Al－K钢：[Al]S =0.02-0.05％，[O]溶=4-8ppm（图4.2）,如在连铸坯中测定T[O]=20ppm，则说明除[O]溶外，氧化物夹杂[O]夹为12－18ppm，这说明钢中很干净了。
图4.1 转炉吹炼终点钢中[C]与a[O] 关系图4.2钢中[Al]S 与[O]溶关系对于Si-K 钢：用Si、Mn脱氧平衡[O]溶含量如图4.3。
仅用Si、Mn脱氧钢中[O]溶为40～60ppm，在结晶器内凝固时铸坯易产生皮下气孔。
图4.3 Al2O3饱和的脱氧产物的Si/Mn 脱氧平衡人们预测2000年后生产超洁净钢，钢中T[O]要达到5ppm水平，T[O]＝[O]溶＋[O]夹杂解决途径：●生产“零夹杂物”钢：[O]夹杂→0，即钢中夹杂物完全去除；●进一步降低[O]溶对于Al-K钢，炉外精炼改变Al-O热力学平衡，Al2O3溶于渣中可使熔渣中Al2O3活度达到0.001，与[Al]S相平衡的[O]溶<1ppm。
对于Si-K钢，炉外精炼控制炉渣组成，使SiO2溶于铝酸钙渣中，降低aSiO2,可使钢中[O]溶降到与Al-K钢水平。
钢中夹杂物控制原理：由以上分析可知，要降低钢中T[O]，就是要减少钢中夹杂物，降低[O]夹。
降低[O]夹其方法是：(1) 去除脱氧产物。
它决定于：●夹杂物形成●夹杂物传输到钢/渣界面●渣相吸附夹杂物方法：控制脱氧产物+炉外精炼＋搅拌→T[O]=20~40ppm就脱氧而言，分三种情况：1）用Si+Mn脱氧如图4.4所示，形成的脱氧产物有：●纯SiO2（固体）；●MnO•SiO2(液体)；●MnO•FeO(固溶体)。
控制合适的Mn/Si比，得到液相MnO•SiO2容易上浮排除。
但往往由于脱氧不良，铸坯会产生皮下气孔。
图4.4 FeO-MnO-SiO2三元相图2）用Si+Mn+Al脱氧如图4.5所示，形成的脱氧产物可能有：●蔷薇辉石（2MnO•2Al2O3•5SiO2）；●硅铝榴石（3MnO•Al2O3•3SiO2）；●纯Al2O3(Al2O3>30%)。
要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中[Al]S<=0.006%（图4.6），钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。
图4.5 MnO-SiO2- Al2O3相图图4.6 钢中〔Al〕与〔O〕关系3）用过剩铝脱氧对于低C-Al镇静钢，钢中[Al]s=0.02-0.04%,则脱氧产物全部为Al2O3：●Al2O3熔点高（2050℃）,钢水中呈固态；●可浇性差，堵水口；●Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能；钙处理（喂Si-Ca线或Ca线，改变Al2O3形态）：●[Al]s较低钙处理生成低熔点2CaO•Al2O3•SiO2（图4.7）；●[Al]s较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO•7 Al2O3(图4.8和4.9)。
