钢铁知识：连铸过程钢的洁净度控制技术

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钢铁知识：连铸过程钢的洁净度控制技术

　　经过精炼后的钢水的洁净度是很高的，如何保持、甚至更进一步提高钢水的洁净度，是连铸工序操作中需要控制的重点。
       1、钢包;中间包的保护浇注技术
　　中间包钢水和空气的接触一般有以下几种情况：敞开浇注或钢包长水口密封不严导致吸入空气；钢包长水口下方因铸流冲击而导致钢水液面剧烈波动引起的钢水暴露和空气卷入；空气通过中间包覆盖剂进入钢水中。
　　因吸入空气造成中间包钢水氧含量的增加是上述三种情况之和，常用钢包到中间包钢水中氮含量的增加来衡量所吸入空气的数量。为防止二次氧化，广泛采取钢包钢流的保护浇注技术，同时在中间包钢水表面加覆盖剂来隔绝空气。
　　保护铸流的方法很多，国内大多采用长水口加吹氩技术，密封的效果与水口结合部的设计、所采用的密封材料以及操作密切相关。所存在的问题是效果不够理想，并且不够稳定，而国外钢厂现在追求的目标是吸氮量等于零。
　　在中间包容量大、长水口浸入深度适当、钢水液面不存在剧烈的波动时，长水口下的紊流是有利于夹杂物的碰撞、聚合的，但国内中间包普遍容量较小、熔池较浅，而钢包注入的钢水有很大的动量，造成钢水由中间包底部反弹上去，使长水口周围的顶渣无法严密覆盖钢水，成为二次氧化氧源的主要入口。
　　现场实验时经常发现，铸流冲击区周围钢、渣十分活跃，不断更新的钢水将空气中的氧源不断地带入钢水中，反冲的钢水还会将一些顶渣卷入钢水而形成外来夹杂，此处成为国内大多数钢厂空气和炉渣卷入的主要场所。国外广泛采用的大容量中间包，既可以增加钢水平均停留时间，又可以减轻铸流冲击区钢液面的波动。
　　此外，针对空中间包对第一炉钢水的氧化，采用中间包顶盖密封、预充Ar气（O2;1％，N2;5％）来解决，可使头坯吸氮减少5ppm，T[O]减少10～15ppm，[Al]s损失减少70ppm。
        2、中间包覆盖剂和耐材
　　在中间包钢液面广泛采用覆盖剂对钢水进行保温和隔绝空气，也有的厂家采用中间包惰性气体密封和真空中间包，因中间包盖高温下容易变形，出现水冷氩封中包盖。中间包真空浇注还可以降低铸流对结晶器坯壳的冲击，避免弯月面附近钢液的卷渣，使结晶器内钢液面的波动明显降低。<
　　随着企业所生产的钢种对清洁度的要求越来越高，人们对中间包覆盖剂吸收夹杂的作用也越来越加以重视。中间包采用的覆盖剂一般可分为以下几种：
　　酸性覆盖剂：典型的即碳化稻壳，其绝热性能好，但在钢渣界面难于形成液渣层，难于隔绝空气，吸附夹杂能力也较差。
　　中性覆盖剂：一般CaO/SiO2=0.9~1.0,钢水面易形成液渣层，有较强的隔绝空气和吸收Al2O3能力，但保温性能较差，渣中SiO2易与钢水中[Al]发生反应。
　　碱性覆盖剂：（CaO＋MgO）/ SiO2&gt;3，吸收Al2O3能力强，但碱度较高时易结壳。
　　双层覆盖剂：钢水面使用碱性覆盖剂以形成液渣层隔绝空气，同时吸收夹杂物，其上再添加碳化稻壳保温。
　　据Suito和Schenck研究结果，渣中碱度增加，FeO的活度系数降低，而MnO的活度系数则增加，因此使用碱性覆盖剂可抑制钢水中[Al]与覆盖剂中（FeO）、(SiO2)反应，因低碳铝镇静钢中Mn含量和中间包覆盖剂中MnO含量较低，所以理论上应优先使用高碱度中间包覆盖剂。
　　目前中间包覆盖剂国内一般中小型钢厂仍采用碳化稻壳，大型钢厂多采用中性覆盖剂，碱性和双层覆盖剂则尚待进一步开发。
　　随着浇注时间的延长，进入中间包的引流砂、浸蚀的耐材、上浮的夹杂等造成中间包成分发生较大改变。
       3、下渣和卷渣
　　连铸过程的下渣和卷渣是造成钢水二次氧化的主要原因，所以卷入的炉渣同时成为钢中大型非金属夹杂物，具有极大的危害。
　　发生在中包区域的下渣和卷渣主要有：
　　(1)钢包开浇时的引流砂和烧氧形成的氧化产物进入钢水中;
　　(2)钢包开浇时钢水从中间包渣面上进入熔池中，由此造成的冲击乳化卷渣，常发生在连浇换包时；
　　(3)钢包浇注末期和中间包液面较低时，钢水面低于临界液面高度出现涡流造成的下渣。
此外还有中间包容量过小或长水口进入较浅引起的水口区域钢水剧烈波动造成的卷渣。
        针对下渣和卷渣所采取的措施有：
　　(1)钢包全自动快速开浇和浸入式开浇技术：全自动是为了避免烧氧而造成的氧化性渣，同时为浸入式开浇创造前提条件;快速是为了保证中间包液面足够的高度，以避免中间包钢水液面过低造成的卷渣。浸入式开浇是在钢包长水口浸入中间包熔池之前排出引流砂，在钢包水口浸入到中间包熔池下面时钢水流出，以避免钢包引流砂的污染和开浇钢流对中间包的炉渣的冲击卷渣。
　　(2)实行钢包称重或采用下渣检测装置，主要目的是防止钢包浇注后期的涡流下渣，同时避免了浇铸后期撤出长水口人工判断终点造成的二次氧化。
　　(3)实行中间包恒重浇铸或采用液面检测装置，主要为恒定中间包液面，避免中间包液面过低造成涡流下渣，或结晶器钢液面波动造成的卷渣。
　　(4)钢包水口端部采用破渣器，以防止水口粘附渣带入结晶器。
　　(5)中间包开浇时在浸入水口上方采用挡渣器，防止渣子直接进入结晶器。
　　(6)采用H型中间包，减少钢包更换时中包钢水液面波动，提高过渡坯质量。
　　连浇时钢包更换前后以及开浇、浇注末期（统称非稳态浇注期）十分容易引起下渣和卷渣，生产实践表明这些铸坯往往引起轧制过程产品不同程度的缺陷，因此许多钢厂已开始注重将非稳态浇注期铸坯的清洁度提高到稳态铸坯水平，由此开发了下渣检测和钢水液面检测等技术。以减少铸坯清洁度水平不稳定的因素。
       4、中间包夹杂物的去除
　　中间包主要采用以下方法促进夹杂物的去除：
　　(1)通过合理地设置流动控制元件（如挡墙、坝、阻流器等），为夹杂物上浮提供合适的流动形态和尽可能长的上浮时间。这已是广泛采用的常规技术，国内不少钢厂中间包容量偏小，因条件所限难于扩大，但通过合理地设置挡墙和坝，也能取得较明显的大型夹杂物去除效果。
　　(2)增大中间包容量和熔池深度，以延长钢水平均停留时间，同时可减轻钢包长水口区域钢流冲击造成的液面波动和暴露，如日本钢厂中间包多为60～85t。在中间包容量足够大和进入中间包钢水洁净度较高时，可简化中间包设置。
　　(3)使用过滤器强制吸附夹杂物，对去除钢中细小夹杂颇为有效。实践证明，采用过滤器技术，中间包水口结瘤明显减少，铸坯中夹杂物总量可减少40～80％，Al2O3夹杂减少50％左右，但由于过滤器对钢水流动影响较大，容易失效，加之成本较高，目前生产中尚不可能广泛采用。
　　(4)中间包吹气或电磁旋转搅拌：吹气一方面可吸附夹杂上浮，另一方面对减少中间包的死区也有效果。但应严格控制吹气流量以避免造成中间包液面的剧烈波动，尤其在中间包容量较小时。在钢包长水口注流冲击区采用电磁旋转搅拌可促进细小夹杂物的聚集和上浮。<br />
　　(5)中间包加热：中间包感应或等离子加热可恒定中间包温度，实现恒速、低过热度浇注。加热所产生的钢水向上流动有利于夹杂物的去除，此外中间包加热对防止连浇时钢水温度差异造成的短路也有效果。
       5、结晶器冶金
　　结晶器冶金主要是通过控制钢水流动为夹杂物的上浮去除创造最后的条件，同时减少保护渣的卷入，提高保护渣吸收夹杂物的能力也越来越引起人们重视。所采用的相关技术有：
　　(1)钢水流动行为控制：主要有浸入式水口内型结构优化、采用FC结晶器或电磁制动（EMBr）技术等。如将水口底部结构由Y型改为凹型。
　　采用FC结晶器其上磁场减少了弯月面的紊流，可防止保护渣卷入凝固壳；其下磁场可减少铸流冲击深度，有利于夹杂物和气泡的上浮。
　　采用电磁制动技术是通过电磁力对浸入式水口流出的钢流进行抑制，使钢流冲击深度变浅，促进夹杂物的上浮。采用真空中间包也有利于降低结晶器中铸流的冲击深度。
　　(2)结晶器液面控制：结晶器液面波动是进入结晶器钢水流速过大或钢水流量变化过大造成的，中间包液面高度的波动、塞棒吹氩流量过大或变化过大、浸入式水口插入深度过浅，均可造成结晶器液面波动。
　　(3)保护渣性能的改善：结晶器保护渣具有保温、隔绝空气、润滑等作用，近年来，保护渣吸附夹杂物的作用越来越为人们所重视。与中间包覆盖剂相比，结晶器保护渣是消耗性的，若具有一定的吸附夹杂能力，其改善钢水洁净度的作用是十分巨大的。
       6、夹杂物变性处理
　　钢中的脆性夹杂物是造成许多钢种出现缺陷的主要原因，同时脆性Al2O3夹杂也是引起浇注过程水口堵塞的主要原因，进入钢中的水口堵塞物还可能成为铸坯中大型夹杂。
　　钢中脆性Al2O3等夹杂物的控制集中在两个方面：一是采用一些特殊的措施减少其生成，二是对其进行改性，使其生成低熔点的液相夹杂物。
　　(1)先用Si脱氧降低钢中溶解氧含量，然后再用Al终脱氧。所生成的SiO2起到了二次氧化源的作用必须降低SiO2活度，以防止其与钢水中Al发生反应。
　　(2)用碳代替部分Al进行钢水粗脱氧。采用该法可降低钢水脱氧成本8％，减少钢中Al2O3，使出钢时钢水吸氮量减少50％。
　　(3)对炉渣改性，提高其溶解吸收Al2O3夹杂的能力;或在脱氧和精炼中控制 [Al]和渣中Al2O3含量，从而有效地控制钢中夹杂物的成分，得到理想的夹杂物成分，使脆性夹杂转变为塑性夹杂。
　　(4)在精炼过程中钢水进行钙处理变固态脆性Al2O3为液态钙铝酸盐。对钢液进行钙处理还可以控制炉渣成分、改变脱氧过程的热力学条件，从而生产氧含量很低的钢种。以铝脱氧钢为例，1600&deg;C与钢中[Al]s＝0.02％～0.05％处于热力学平衡的[O]s＝（4～8）&times;10－6；以CaO－Al2O3为基熔渣中Al2O3活度可达0.001％，与液态钢中[Al]s＝0.01％相平衡的[O]s&lt;1&times;10－6。其前是改变脱氧产物的形态，同时形成的脱氧产物能很快进入炉渣。
　　(5)对钢水进行喷粉处理，如浦项将CaO－15％CaF2粉剂喷入250t铝脱氧后的钢液（1kg/t），发现所形成氧化物夹杂为球形铝酸盐（CaO. Al2O3和CaO. 2 Al2O3），极易聚集和从钢液中分离出去。与传统的吹氩＋RH处理工艺相比，铸坯中平均总氧含量从27&times;10－6降低到15&times;10－6，氧化物夹杂平均面积比从0.035％降低到0.015％，同时这些球形低熔点铝酸盐夹杂物对产品的表面质量和机械性能没有影响。