钢液精炼和连铸过程中物理去除夹杂物现状及展望

夹杂物去除是钢液精炼的重要任务之一。目前与去除夹杂物相关的工艺方法主要有:钢包-电磁搅拌和钢包底吹氩;RH及RH侧底复吹;中间包-控流装置、气幕挡墙和通道电磁感应加热;结晶器电磁搅拌与电磁制动和水口吹氩。本文总结了钢水精炼中各个反应器去除夹杂物的方法和机理,并分析了影响夹杂物去除效率的主要因素,为钢水二次精炼的夹杂物去除工艺优化提供理论依据和参考。     

连铸中间包内夹杂物去除行为的物理模拟

通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包物理模型实验,考察了换钢包过程中,中间包初始液面高度、长水口注入流量及控流装置对中间包内夹杂物去除行为的影响规律.结果表明:中间包初始液面高度从工作液面的1/4到3/4过程中夹杂物去除率提高较快,3/4工作液面为较理想的换钢包操作液面;夹杂物的去除率随长水口注入流量的增加而增大,注入流量超过2.5m3h-1时,夹杂物去除效果明显改善;挡墙挡坝组合控流装置的去夹杂效果较无控流装置有明显改善,在此基础上加入抑湍器后,去夹杂效果明显改善.     

连铸中间包内夹杂物去除行为的水模型研究

通过选择乳状液滴模拟夹杂物和连铸中间包水模型实验,考察了控流装置、浇铸速度、夹杂物粒径对中间包内夹杂物去除行为的影响规律.结果表明:挡墙-挡坝组合控流夹杂物去除效果最佳,中间包内强湍流区夹杂物的碰撞聚合以及向上和表面流速的增加是主因;中间包注流区加入抑湍器,虽然其流体流动特征发生改变,但对夹杂物去除率的影响并不显著;较高的浇铸速度下,单纯靠控流装置的优化已不能很好地改善夹杂物的去除效果.     

带过滤器中间包钢水内夹杂物行为的非稳态模拟

通过建立多相流数学模型对带有过滤器中间包钢水内夹杂物的运动轨迹及浇注过程中夹杂物去除率进行模拟研究.在某钢厂提取连铸过程中中间包入口及出口处钢样,对其进行大样电解得到夹杂物在钢水中所占的比例,验证了数学模型正确性,并分析浇注过程对夹杂物去除的影响.结果表明:穿过过滤器的夹杂物速率变小,停留时间增加,去除几率增加,过滤器可以提高夹杂物的去除率;对于粒径在100μm以上的夹杂物,其去除率在稳定后不再发生剧烈波动,但对于粒径小于80μm的夹杂物,其去除率在稳定后依然存在较大波动,浇注中后期20μm以下的夹杂物在出口处甚至出现了增加.夹杂物去除是一个非稳态过程.     

单流中间包温降行为数值模拟

钢液在中间包内的温降对连铸坯质量有不利影响。针对国内某钢厂单流连铸中间包实际情况,采用数值模拟方法,分析了控流装置的位置和尺寸对中间包内温度分布影响。研究表明,下挡墙高度为268 mm,上挡墙底部与包底距离为175 mm,上下挡墙的相对距离为700 mm,上挡墙距钢液入口距离为722 mm,中间包内温度分布最优。     

感应加热中间包夹杂物的运动及去除

针对某钢厂双通道式感应加热中间包,建立了三维非稳态数学模型来研究感应加热中间包内夹杂物的运动行为和去除率.从力平衡原理出发,采用欧拉-拉格朗日方法分析了感应加热中间包内夹杂物的运动行为.建立了感应加热情况下夹杂物碰撞长大的数学模型,考察了夹杂物碰撞长大对其去除率的影响.结果表明,钢液流过通道受到紧箍作用,夹杂物会受电磁压力作用而向通道壁面运动,有利于夹杂物的去除;碰撞长大能够显著提高小粒径夹杂物的去除率;感应加热有助于夹杂物的去除,尤其是小粒径夹杂物.     

转炉流程轴承钢连铸坯非金属夹杂物的行为

探讨了BOF-LF-VD-CC流程生产的轴承钢连铸坯非金属夹杂物的物性、分布、特点,并通过示踪剂追踪分析了轴承钢夹杂物的来源,为轴承钢夹杂物的去除,提高转炉流程轴承钢质量提供了依据.研究表明,该生产流程可以获得T[O]的平均值为9.3×10-4%;显微夹杂体积分数为0.031%;>50μm的大型夹杂为1.5 mg/10 kg的洁净度较高的轴承钢连铸坯.夹杂物主要为<5μm的显微夹杂,它的分布特点决定了连铸坯中夹杂物的分布特点,显微夹杂主要是多元素复合脱氧产物与中间包液面二次氧化产物吸附集聚形成的复合物,其次是结晶器液面对钢液的污染,钢包液面影响较小.     

冷镦钢非金属夹杂物行为

针对邢钢冶炼ML08Al冷镦钢的铁水预脱硫—顶底复吹转炉—LF精炼-连铸现行工艺与条件,经过系统取样、综合分析对冷镦钢生产过程中非金属夹杂物类型、来源、数量及分布进行了系统研究。研究表明:铸坯中T[O]的平均值为57.6×10-6;铸坯中显微夹杂物平均数量为41.4个/mm2,显微夹杂体积率为0.0485%,显微夹杂主要是复合硅酸盐夹杂和铝酸盐夹杂。铸坯中大型夹杂物的平均含量为30.7mg/10Kg,大型夹杂物也主要是复合硅酸盐夹杂和铝酸盐夹杂。夹杂物主要来源于脱氧产物、保护渣和覆盖剂,还有少量来自钢包、中间包内衬、喷涂料、喷补料和钢包打结料。     

EAF-LF/VD-HCC工艺生产管线钢洁净度的分析

针对衡阳钢管集团公司“EAF-LF/VD-HCC”管线钢生产工艺,采用示踪剂示踪、系统取样、综合分析的方法,对LF处理前后、VD处理后、中间包、铸坯和轧管中wT[O],w[N],显微夹杂物和大型夹杂物的变化及分布进行了系统研究。研究结果表明,精炼过程脱氧幅度为28.0×10-6,精炼处理后到轧管过程钢中wT[O]大幅度增加;VD后到中间包过程钢水吸氮最严重,为12.3×10-6。精炼过程去除夹杂的效果比较明显,处理前后显微夹杂物分别为10.85个/mm2和8.93个/mm2,大型夹杂物分别为65.74 mg/10 kg和24.50 mg/10 kg,精炼过程夹杂物改性效果不明显。     

不同钢包吹氩工艺对夹杂物去除效果的比较

通过对新钢改进钢包吹氩工艺后的钢样电解分析发现,改进后的钢包吹氩工艺对大型夹杂物平均去除率达到了34.3%,特别是对于直径大于300μm的大型夹杂物去除率达到100%.利用扫描电镜对所取金相试样进行了夹杂物分析,确定了钢液中夹杂物的类型主要有:硅酸盐和硫化锰.利用金相显微镜对金相样中的显微夹杂物进行统计分析发现,改进吹氩方案下各个粒径范围的显微夹杂物都有一定减少,由此表明改进吹氩方案对显微夹杂物的去除有显著效果.吹氩的合理与否将直接决定钢液中的大型夹杂物和显微夹杂物的去除率.     

船板钢非金属夹杂物的行为

唐钢中厚板有限公司所生产的板坯探伤不合、表面裂纹很大程度上与夹杂物含量高有关。针对该公司生产的船板钢CCSD36冶炼的现行工艺与条件,利用实验室与现场实际结合的研究方法,对船板钢生产过程中非金属夹杂物类型、数量及分布进行了综合分析。研究表明：铸坯显微夹杂体积率平均为O．12％,显微夹杂数量平均值为33．18个／mm^2。铸坯中的显微夹杂主要是钙铝酸盐夹杂物、钙铝酸盐与CaS复合夹杂物和A1：0,夹杂物。铸坯中的大型夹杂物主要为钙铝酸盐和硅铝酸盐两类,其含量平均值为15．21mg／10kg。其夹杂物主要来源于脱氧产物与中间包覆盖剂的复合物,其次是与结晶器液面保护渣和钢包渣的复合物。     

连铸中间包钢水停留时间分布的模拟研究

中间包是钢水流入结晶器的最后一个冶金容器,它对铸坯质量有重大影响。为减少铸坯中的夹杂物,必须改善钢水在中间包内的停留时间分布和流动状态,使夹杂物充分上浮分离。 本文用水力学模型和光电示踪法,研究了中间包流量、液面高度、挡墙形式和钢流注入方式等对平均停留时间和流动状态的影响,指出了中间包液面高度对平均停留时间影响最为显著,而挡墙的作用在于改善了钢水流动的轨迹。     

五流大方坯中间包流场优化

针对某钢厂五流大方坯中间包3流铸坯探伤不合格率较高的问题,采用数值模拟方法,研究不同结构中间包钢液的流场.结果表明,该钢厂现使用的中间包结构不合理,近流有短路流出现,且各流差异较大,不利于去除钢液中的夹杂物和提高各流间钢液的均匀性;采用大冲击区,挡墙中墙不开孔、侧墙开4个孔,设置2个坝的中间包结构最佳;中间包结构优化后,消除了近流的短路流,中间包钢液平均停留时间达652.9 s,各流示踪剂浓度的标准差仅为0.011 9,死区体积分数也仅为21.96%,既有利于夹杂物上浮去除,也保证了各流间钢液的均匀性.     

中间包吹氩去除钢水夹杂物

通过现场实验,研究了中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度的影响,重点探讨了在注流区吹氩对钢水洁净度的影响.结果表明:在T型中间包注流区内进行合适流量吹氩可提高钢水洁净度,在浇铸区拐角处和塞棒附近吹氩对钢水洁净度没有明显的影响;在注流区内吹氩,合适的氩气流量为6L·min-1,与不吹氩相比,钢中总氧降低率和夹杂物的去除率均可提高10%左右,但15L·min-1的大流量吹氩将会显著增加钢中总氧和大型夹杂物数量.分析认为:注流区内大的湍流强度可将氩气泡击碎成弥散小气泡,大量小气泡在钢液中上浮,不但提高了气泡捕捉夹杂物的概率,而且增加了夹杂物之间的碰撞机会,其结果是增大了夹杂物的粒径,促进了夹杂物的上浮去除;同时,注流区离水口距离最远,在注流区吹氩,碰撞长大的夹杂物有更长的时间上浮排出.以上两个因素的共同作用,使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著效果.     

连铸中间包钢水夹杂物浓度的数值模拟

以宝钢二连铸50t"T型"中间包为研究对象,采用有限差分方法,计算了中间包的三维流场、温度场及量纲为1的夹杂物浓度的分布,分析了中间包的内部结构、中间包钢水液面高度及夹杂物当量直径对夹杂物排出率的影响.结果表明,双坝、堰"T型"中间包对夹杂物上浮十分有利.     

连铸中间包底吹气过程水模型实验研究

以宝钢集团梅山钢厂1台连铸中间包为原型,采用自行设计的吹气装置于底部吹气,用水模型的方法研究了吹气对中间包过程的影响。实验结果表明,底部吹气显著地改变了中间包内的流体流动特征;当不吹气时,通过上挡板下部的液流以层流形式贴近中间包的底部流动,然后从出口直接流出,在中间包的停留时间较短,死区体积较大,不利于夹杂物的去除;吹气以后,上升的气流起到了气幕挡墙的作用,通过上挡板下部的液流,被上升的气流抬起,贴近液面流动;吹气有利于增加平均停留时间,缩小中间包的死区体积,此外,上升的气流对中间包的液流具有一定的清洗作用,有利于夹杂物的去除;吹气用于中间包去夹杂过程,不需要较大气体流量。在气体流量相同时,在水模型实验装置中3个位置吹气对中间包的平均停留时间、中间包的死区体积分数、最短平均停留时间的影响大致相同,但总体上,中间位置的吹气效果要好于其他2个位置的吹气效果。     

230t钢包搅拌效果和去夹杂水模型研究

以某钢厂230 t钢包为研究对象,通过实验水模型对现场生产过程的模拟,研究底吹透气元件的布置方式和吹氩流量对搅拌效果和夹杂物去除率的影响.结果表明,双透气元件吹氩优于单透气元件吹氩搅拌效果,0.6R-γ双透气元件布置方式最佳,混匀时间随吹气量和透气元件夹角的增大而减少;夹杂物的去除率取决于吹氩量和吹氩时间,在0.2～0.8 L/min吹气量下,处理时间为0～4 min时夹杂物去除效果最好,5～8 min时可去除大部分夹杂物,24 min左右可去除所有夹杂物.     

IF钢连铸坯表层夹杂物

针对国内某厂以BOF--RH--CC流程生产的IF钢连铸坯,采用氧氮化学分析、光学显微镜分析、扫描电镜分析、能谱分析和金属原位统计分布分析等多种分析方法,综合分析了夹杂物的尺寸、数量、分布以及成分等.结果表明,非稳态浇铸下铸坯二次氧化严重,大型夹杂物增多;铸坯宽度1/4位置表层夹杂物数量高于边部和中部;随着距内弧表面距离的增加,Al系夹杂物平均粒度越来越小,大于10μm的夹杂物比例也越来越小;铸坯表层夹杂物含量和粒度明显高于铸坯内部,其中距内弧6 mm处夹杂物总数最多.     

冷镦钢非金属夹杂物行为

针对邢钢冶炼ML08 Al冷镦钢的铁水预脱硫一项底复吹转炉-LF精炼-连铸现行工艺与条件,经过系统取样、综合分析对冷镦钢生产过程中非金属夹杂物类型、来源、数量及分布进行了系统研究。研究表明：铸坯中T[O]的平均值为57．6&#215;10^-6;铸坯中显微夹杂物平均数量为41．4个／mm^2,显微夹杂体积率为0．0485％,显微夹杂主要是复合硅酸盐夹杂和铝酸盐夹杂。铸坯中大型夹杂物的平均含量为30．7mg／10Kg,大型夹杂物也主要是复合硅酸盐夹杂和铝酸盐夹杂。夹杂物主要来源于脱氧产物、保护渣和覆盖剂,还有少量来自钢包、中间包内衬、喷涂料、喷补料和钢包打结料。     

RH精炼过程钢中非金属夹杂物行为及演变规律

以RH精炼为研究对象,在不同时间节点取样,采用金相显微镜、SEM等手段研究了钢中夹杂物成分、数量、尺寸分布的变化规律,并对RH过程夹杂物的碰撞聚合、长大、去除行为进行了讨论.结果表明:RH精炼过程中夹杂物的去除明显,软吹结束后,几乎没有大于10μm的夹杂物.随精炼时间延长,夹杂物平均粒径变化不大,但单位面积夹杂物数量显著减少,而夹杂物面积比呈先增大后降低的趋势.弹簧钢中硅酸盐夹杂物具有一定的硫容量,可形成边缘为富硫相,内核为硅酸盐的双层夹杂物.由于RH内钢水的强烈混合,固态夹杂物极易被液态铝酸钙夹杂物捕获,形成镶嵌特征的复合夹杂物.