煉鋼過程中鋼液氫含量的變化及分析

1、j o ur nal of iro n a nd steel resea rchap ril 2011煉鋼過程中鋼液氫含量的變化及分析巨建濤1 ,2 ,呂振林1 ,張敏娟2(1 . 西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 陜西 西安 710048 ; 2 . 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院 , 陜西 西安 710055)摘 要 :為了進(jìn)一步降低鋼中氫含量 ,保證探傷合格率 ,利用 g8 gal il eo2on/ h 分析儀對鑄坯進(jìn)行定氫 ,結(jié)果表明 ,隨著鑄坯氫含量的增大 ,鋼板探傷合格率逐漸降低 ,其氫含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) ,余同) 小于 (23) 10 - 6 時探傷合 格率為 100 % ;用賀

2、利式定氫儀測定煉鋼過程中氫含量的變化并對其進(jìn)行了分析 ,結(jié)果表明 ,轉(zhuǎn)爐復(fù)吹和 l f 精煉是主要的增氫工序 ,增氫量分別為 11 73 10 - 6 和 11 32 10 - 6 ,轉(zhuǎn)爐復(fù)吹增氫主要是由輔料水分和廢鋼鐵銹所致 ,l f 精煉增氫是由于精煉渣水分和喂線速度過快所致 ; 澆注過程是增氫的另一重要原因 ,增氫量為 01 76 10 - 6 ,其原因是長水口套管密封不好和中間包烘烤不夠所致 。關(guān)鍵詞 :氫含量 ;轉(zhuǎn)爐復(fù)吹 ;l f 精煉 ;探傷文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : a 文章編號 :100120963 (2011) 0420023205analysis on the hydrogen con

3、tent variation ofmolten steel in steel ma king processj u j ia n2t ao1 ,2 ,l zhe n2li n1 ,z ha n g mi n2j ua n2(1 . school of material s science and engineering , xia n u niver sit y of technolo gy , xia n 710048 , shaa nxi , china ;2. school of metallurgical engineering , xian universit y of archit

4、ect ure and technology , xian 710055 , shaanxi , china)abstract :in o r der to reduce t he hydro gen co nt ent in molten steel a nd ensure t he f law detectio n qualificatio n rat e ,t he hydro gen co nt ent of ca sting slab wa s mea sured by g8 gal il eo2on/ h a nalyzer . the re sult sho w t hat t

5、he f law detectio n qualificatio n rate decrea se s gradually a s t he hydro gen co ntent increa se s in sla bs , a nd t he f law detec2 tio n qualificatio n rate ca n reach to 100 % w hen hydro gen co ntent i s le ss t ha n (2 - 3) 10 - 6 . then , t he hydro genco nt ent variatio n in steel making

6、p rocess wa s te sted by h yd r is hydro gen a nalyzer , t he analysi s sho w s t hat co n2verter co mbined blo wing and ladle f ur nace refining a re t he main hydro gen increa sing p roce ss , a s t he increa si ng co n2 t ent a re 11 73 10 - 6 a nd 11 32 10 - 6 re spectively. the water in adj unc

7、t material a nd r ust o n t he surf ace of scrap leads to hydro gen co ntent increa sing in co nverter co mbined blo wing p roce ss , while t he water in refining slag a ndtoo f a st wire2f eeding speed leads to hydro gen co ntent increa sing i n l f refini ng p rocess. in additio n , t he ca sting

8、p roce ss i s a no t her impo rta nt rea so n fo r hydro gen increa sing a s t he increa sing co ntent wa s 01 76 10 - 6 , and t he in2ducement s fo r t hi s a re t he bad lo ng nozzle sealing a nd insufficient t undi sh ba king.key words :hydro gen co ntent ;co nvert er co mbined blo wing ;ladle f

9、ur nace refini ng ; f law detectio n敏感性急劇升高 1 。為了降低鋼中氫的殘留 ,對煉鋼過程氫含量進(jìn)行準(zhǔn)確測定 ,并分析氫含量變化的 原因 ,進(jìn)而嚴(yán)格控制鋼液氫含量 ,保證探傷合格率 。煉鋼過程中 ,由于氫的殘留嚴(yán)重影響鋼的質(zhì)量和性能 。鋼中氫的存在會引起白點(diǎn) 、層狀斷裂等缺 陷 ,對鋼鐵的力學(xué)特性產(chǎn)生非常不好的影響 ,特別是 它可形成孔 隙 , 使 裂 縫更 加 敏 感 , 嚴(yán) 重 降 低 鋼 的 強(qiáng) 度 、塑性 、疲勞壽命和沖擊韌性等力學(xué)性能 。研究表 明 ,只要鋼中氫含量低于 21 0 10 - 6 就不出現(xiàn)白點(diǎn) , 但是隨著鋼中硫含量的急劇降低 ,鋼

10、材產(chǎn)生白點(diǎn)的試驗(yàn)方法為了測定某鋼廠在冶煉低合金鋼 16 m n r ( a r)過程 中 氫 的 變 化 規(guī) 律 , 利 用 上 海 賀 利 氏 定 氫 儀1作者簡介 :巨建濤 ( 1973 ) ,男 ,高級工程師 ;e2ma il :j ujia nt ao_0033 163 . co m ;收稿日期 :2010207205h yd r is 直接測 定鋼 包 、中間 包 中 鋼 液 的 氫 含 量 。它以氮?dú)庾鳛檩d氣通過探頭進(jìn)入鋼液并吸收鋼液中 的氫 ,當(dāng)載氣與鋼液中氫含量達(dá)到平衡時 ,利用鋼液 中的氫和載氣中氣泡氫分壓的關(guān)系 2 ,采用熱導(dǎo)率 檢測器 ( tcd) 監(jiān)控載氣氮的熱傳導(dǎo)速率

11、 ,通過內(nèi)置微處理 器 完 成 數(shù) 據(jù) 計 算 , 確 定 鋼 液 中 的 氫 含 量 。 h yd r is 系統(tǒng)測量范圍是 (01 514) 10 - 6 ,測量時 間為 30120 s ,測量誤差小于 01 15 10 - 6 。對于鑄 坯中的 氫采 用 德國 g8 gal il eo2o n/ h 分 析 儀 , 對鑄坯及時線切割并用液氮保存 ,樣品在惰性氣流下加熱熔融 ,用熱導(dǎo)檢測器對 h2 進(jìn)行檢測 。2結(jié)果與分析冶煉 16m n r ( a r) 鋼的原料為高爐鐵水 , 加入量為 50 t ,鐵水的原始?xì)浜科骄鶠?21 0 10 - 6 。廢鋼比為 10 % ,廢鋼氫含量用 g

12、8 分析儀進(jìn)行測定 ,分 析最大氫含量為 31 60 10 - 6 ,最小為 11 80 10 - 6 ,平均 31 05 10 - 6 。利用賀氏定氫儀對轉(zhuǎn)爐復(fù)吹 、l f精煉 、澆注過程進(jìn)行氫含量的測定 ,其中轉(zhuǎn)爐復(fù)吹 、l f精煉和澆注過程分別隨爐測定 50 爐 、68 爐和 75 爐 。21 1轉(zhuǎn)爐復(fù)吹過程表 1 是轉(zhuǎn)爐連續(xù)出鋼 10 爐的鋼液氫含量和轉(zhuǎn)爐表 1 轉(zhuǎn)爐輔料用量與氫含量的關(guān)系relationship bet ween hydrogen content and the content of adjunct material af ter ta ppingta ble 1轉(zhuǎn)爐

13、復(fù)吹過程中輔料用量/ kg出鋼過程中輔料用量/ kg出鋼后 h 含量/10 - 6爐數(shù)輕燒白云石石灰化渣劑鐵合金合成渣41 751 611050080060016520051 231 231 911201421 560080040020031 5531 231 721301131 560075030020031 4421 931 231405008004001501 020031 0831 131 641505008004001341 520031 37注 :分子為最大值和最小值 ,分母為平均值 。輔料加入量的關(guān)系 ,表 2 是轉(zhuǎn)爐輔料含水量 。由表 1 可知復(fù)吹和出鋼過程實(shí)際增氫量平均為11

14、 73 10 - 6 。假設(shè)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹和出鋼過程輔料 10 %的 水分進(jìn)入鋼液中 3 ,鋼水為 50 t ,計算得到轉(zhuǎn)爐復(fù)吹 過程增氫 量 為 71 50 10 - 6 , 出 鋼 過 程 增 氫 01 45 10 - 6 ,另外廢鋼增氫量為 01 30 10 - 6 。因此 ,理論上轉(zhuǎn)爐復(fù)吹和出鋼過程總的增氫量為 81 25 10 - 6 ,這 個值明顯高于實(shí)際測得的增氫量 11 73 10 - 6 。這是 由于轉(zhuǎn)爐復(fù)吹過程碳氧反應(yīng)期 ,氫向 co 氣泡擴(kuò)散 , 氣泡上浮過程體積不斷增大 ,使氫分壓不斷降低 ,氣 泡中氫分壓幾乎為零 。西華特定律表達(dá)式為 :式中 w h 為鋼液中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

15、; ph 為爐內(nèi)氫氣分壓 。2由式 (1) 可知 ,鋼液中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫氣分壓的平方根成正比 425 ,因此吹氧有利于氫的析出 。另 外 ,在實(shí)際冶煉中 ,隨著脫碳速度的增大 , 排氫速度加快 ,脫碳速度和排氫速度的關(guān)系如下 :w2 h v c(2)v h =26 pco kh式中 v h 為排氫速度 ; v c 為脫碳速度 ; pco 為 co 分壓 ; kh 為氫溶解平衡常數(shù) 。由式 ( 2) 可知 , pco 和 kh 在實(shí)際冶煉過程中變 化不大 ,因此鋼水的沸騰排氫速度和鋼水的脫碳速度成正比 ,所以轉(zhuǎn)爐復(fù)吹冶煉工藝本質(zhì)上是一種低 氫冶煉的方法 6 。由表 1 和表 2 可知 ,轉(zhuǎn)爐輔

16、料水分是轉(zhuǎn)爐復(fù)吹過程氫含量增加的主要原因 ,其中水含量為 41 52 %的 化渣劑的加入直接影響出鋼后的氫含量 ,最高達(dá)到51 6 10 - 6 。在出鋼過程中由于鐵合金經(jīng)過烘烤 ,含水 量非常少 ,故忽略不計 ,出鋼過程中增氫主要是合成渣水分帶入鋼液所致 。因此轉(zhuǎn)爐復(fù)吹過程是增氫主w h = - 1 670 - 11 68(1)l gtp h2表 2 轉(zhuǎn)爐輔料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)water content in converter adjunct materialtable 2%輕燒白云石石灰化渣劑合成渣鐵合金11 8911 1841 5211 01 01 1要環(huán)節(jié) ,增氫主要是化渣劑水分帶入鋼液

17、所致 ,同時廢鋼表面的鐵銹 ( x feo rfe3 o4 2 h2 o) 也是增氫的 原因 7 。在轉(zhuǎn)爐吹煉過程應(yīng)該嚴(yán)格控制合成渣 、化渣 劑等輔料的水分 ,必要時對其進(jìn)行烘烤 ,盡量使用新 鮮石灰 ,對廢鋼進(jìn)行除銹除濕作業(yè) 。21 2 lf 精煉過程表 3 是 l f 精煉過程各個時期鋼水氫含量的變 化 。由表 3 可知 ,在精煉過程中不同階段鋼水氫含量 都有不同程度的增加 。精煉過程總的增氫量平均為11 32 10 - 6 ,與轉(zhuǎn)爐復(fù)吹過程增氫量相當(dāng) 。其中 l f升溫過程平均增氫量為 01 64 10 - 6 ,l f 深脫硫期及 合金化階段鋼水的增氫量平均為 01 22 10 - 6

18、 ,鈣處理 和軟吹氬階段增氫量平均為 01 46 10 - 6 。因此 ,l f 升溫階段和鈣處理階段是精煉的主要增氫過程 。圖 2 sica 線喂線長度與增氫量的關(guān)系fig1 2 relationship bet ween the amount of f eedingsica and increase of hydrogen content線喂線長度與增氫量的關(guān)系 。由圖 1 可知 ,隨著大吹氬時間增大增氫量有所 上升 ,因此選擇適當(dāng)?shù)拇蟠禋鍙?qiáng)度 ,保證大吹氬時間在 24 mi n ,是避免增氫的重要方法 。雖然和碳氧反應(yīng)期排氫原理相似 ,吹氬是有利于排氫 。但是由 于大吹氬過程中 ,隨著氬

19、氣壓力的增大 ,易于造成鋼 液表面裸露與空氣接觸 ,導(dǎo)致氫含量的上升 。表 3 l f 精煉過程氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化table 3variation of hydrogen content inl f ref in ing process10 - 6鋼水進(jìn)l f 站前l(fā) f 升溫結(jié)束后l f 鈣處理前l(fā) f 精煉結(jié)束爐數(shù)由圖 2 可知 ,鈣處理階段增氫量和喂線量有關(guān) 。41 921 551 731 1061 031 3061 6031 86831 3431 9841 2041 66鈣處理階段采用水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 01 133 %左右的 sica線 ,喂 si ca 線前后增氫量隨著喂線量的增加有上

20、升 趨勢 。若 sica 線中的水分全部溶于鋼水中 ,根據(jù) :注 :分子為最大和最小值 ,分母為平均值 。l f 精煉升溫階段埋弧渣和精煉渣水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別 為 11 2 %和 11 0 % , 加 入 量 分 別 為 600 k g 和140 k g ,尤其是精煉渣加入量較多 ,是引起氫含量增 加的主要原因 。同時由于弧流不穩(wěn)定導(dǎo)致爐氣中的 氫氣被電離后直接進(jìn)入鋼水是氫含量增加的另外一 個原因 。所以應(yīng)嚴(yán)格控制埋弧渣和精煉渣的水分 , 避免增氫 。圖 1 是大吹氬時間與增氫量的關(guān)系 ,圖 2 是 sica2 a hl sica sica h o 2a h2 o(3)w h =w steel式

21、中 l sica 為 si ca 線長度 ; a h o 為水的分子量 ; a h 為2氫的原子量 ;sica 為 si ca 線密度 ;h o 為 si ca 線中水2的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ; w steel 為鋼液的質(zhì)量 ?？捎嬎愠鲎畲笪?89 m 的 sica 線 ,鋼水的增氫量僅為 01 1 10 - 6 ,因 此 ,喂線過程中增氫主要是喂線速度過快造成鋼液 大面積裸露 ,高溫鋼水同空氣中的水分接觸發(fā)生吸氫 反應(yīng) 8 。為降低鈣處理過程中鋼水增氫量 ,必須選擇 適當(dāng)?shù)奈咕€速度 ,防止喂線速度過快使鋼水翻卷 。21 3 澆注過程表 4 是澆 注 過 程 中 間 包 鋼 水 氫 含 量 的 統(tǒng) 計

22、數(shù) 據(jù) ,圖 3 是不同中間包爐次增氫量的統(tǒng)計數(shù)據(jù) 。由表 4 可知 ,對澆注過程氫含量進(jìn)行連續(xù)測定 , 前 18 爐從大包到中間包氫含量變化不大 ;中間 30 爐 氫含量明顯增加 ,經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)大包長水口套管密封 不好 ,鋼液流入長水口時同空氣接觸發(fā)生吸氫反應(yīng)導(dǎo) 致增氫 9 ,于是重新更換長水口 ;最后 27 爐氫含量無明顯增加 ,基本保持不變 。隨爐測定的 75 爐中間包 鋼水氫含量 ,大包到中間包平均增氫 01 76 10 - 6 ,因圖 1 l f 精煉大吹氬時間與增氫量的關(guān)系fig1 1 relationship bet ween large blo wing argon time

23、and the increase of hydrogen content in l f ref ining process表 4 澆注過程中間包鋼液的氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)table 4 hydrogen content in tundish in此要確保長水口套管密封良好 ,避免增氫 。由圖 3 可知 , 中間 包 第 1 3 爐 鋼液 增 氫量 最 大 ,達(dá) 11 86 10 - 6 ,以后的爐次增氫量相對穩(wěn)定 ,這 是由于澆注過程前 3 爐的爐襯中含水量較多 ,即使 中間包進(jìn)行烘烤 ,爐襯仍含一定水分 。所以對于新包 ,應(yīng)保證足夠的烘烤時間和烘烤溫度 ,尤其是新砌 的鋼包 。21 4 鑄坯氫含量由

24、表 5 可知 ,在鋼水條件和其它工藝相同的情 況下 ,鑄坯中氫含量小于 ( 2 3) 10 - 6 時鋼板探傷合格率為 100 % ,隨著鑄坯氫含量的增大 ,探傷合格 率逐漸降低 ,鑄坯中氫含量大于 ( 4 5) 10 - 6 時鋼 板探傷合格率急劇下降 。這是由于氫在固態(tài)鋼中溶10 - 6casting process爐數(shù)大包開澆 10 mi n大包開澆 25 mi n61 631 561 531 21851 1681 841 041 9191 161 83061 0971 341 071 9551 741 92751 6651 3注 : 分子為最大和最小值 ,分母為平均值 。解度很小 ,在

25、 鋼水 凝 固 和 冷 卻 過 程 中 , 氫 會 和 co 、n2 等氣體一起析出 ,板坯中心偏析產(chǎn)生馬氏體或粒狀貝氏體時 ,在中心偏析區(qū)的非金屬夾雜物等處析 出 h2 ,并且與該區(qū)域中形成的馬氏體或粒狀貝氏體 內(nèi)的組織應(yīng)力共同作用 ,導(dǎo)致鋼板中心偏析部位產(chǎn) 生發(fā)紋 ,最終造成鋼板在探傷時無法通過檢驗(yàn) 10 。 可見 ,為了保證鑄坯氫含量小于 3 10 - 6 ,保證圖 3 不同中間包爐次的增氫量fig1 3 the increase of hydrogen content in tundish of diff erent f urnace表 5 鑄坯氫含量與鋼板探傷合格率的關(guān)系relati

26、onship bet ween hydrogen content and f la w detection el igibil ity rate in tundishta ble 5鑄坯氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ 10 - 6探傷綜合合格量/ t探塊數(shù)探傷量/ t整合塊數(shù)整合塊率/ %綜合量率/ %爐數(shù) 7 76 3631 541 45 2991 299 591 21 821 33 3 01 76 10 - 6 ,長水口套管密封不好和中間包爐襯烘烤不夠是增氫的主要因素 。3) 隨著鑄坯氫含量的增大 ,探傷合格率逐漸降 低 ,當(dāng)鑄坯中氫含量大于 ( 4 5) 10 - 6 時鋼板探傷合格率急劇下降 , 鑄坯

27、中氫含量小于 ( 2 3) 10 - 6時鋼板探傷合格率為 100 % 。探傷合格率 ,一方面 ,轉(zhuǎn)爐復(fù)吹和 l f 精煉過程應(yīng)該嚴(yán)格控制原 、輔料和渣料的水分 ,中間包要保證足夠 的烘烤時間和烘烤溫度 ; 另一方面 ,l f 精煉過程要 選擇適當(dāng)?shù)拇禋鍙?qiáng)度 、合適的喂線速度以及確保長 水口套管密封良好防止鋼水裸露 ; 對于難以達(dá)到要 求的爐次可考慮 r h 或 vd 真空處理 。結(jié)論1) 轉(zhuǎn)爐復(fù)吹和 l f 精煉是增氫的主要環(huán)節(jié) ,分別 增氫 11 73 10 - 6 和 11 32 10 - 6 。轉(zhuǎn) 爐 復(fù)吹 過程 輔 料水分和廢鋼鐵銹是導(dǎo)致氫含量增加的主要因素 , l f 精煉增氫主要

28、是精煉渣和埋弧渣水分和喂線速 度過快所致 。2) 澆注過程是增氫的另一重要環(huán)節(jié) ,增氫量為3參考文獻(xiàn) : 1 任學(xué)沖 , 褚武揚(yáng) , 李金許 , 等. 原子氫和白點(diǎn)對車輪鋼力學(xué)性能的影響j . 金屬學(xué)報 ,2006 ,42 ( 2) :153 .侯文瑾. vd 真空處理及鋼液中氫含量的測定j . 安徽冶金科 技職業(yè)學(xué)院學(xué)報 ,2007 ,17 :37 .吳鏗 , 梁志剛. vd 脫氫前重軌鋼液中氫含量變化 j . 鋼鐵 ,2000 ,35 ( 11) :19 . 2 3 4 wu y c , j ea n y c. hydro gen da mage i n a isi 304 st ai n

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