鋼中夾雜物的類型及控制技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)

1、鋼中夾雜物的類型及控制技術(shù)發(fā)展XX(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山， 063009) 摘要：綜合論述了鋼中非金屬夾雜物的按化學(xué)成分、形態(tài)、粒度、來 源的分類以及控制夾雜物含量時(shí)所采用的氣體攪拌-鋼包吹氬、中間包氣幕擋墻、電磁凈化 -鋼包電磁攪拌、中間包離心分離和結(jié)晶器電 磁制動(dòng)、過濾器技術(shù)、超聲處理技術(shù)和渣洗技術(shù)，并針對(duì)鋼中夾雜物 的控制技術(shù)的優(yōu)、 缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要的歸納。 隨著氧化物冶金工藝純凈 鋼產(chǎn)品的開發(fā) ,夾雜物去除技術(shù)的不斷進(jìn)步 ,非金屬夾雜物的控制技 術(shù)仍面臨著新任務(wù)。關(guān)鍵詞：非金屬夾雜物；夾雜物類型；控制技術(shù)Types and Progress on Technique for

2、Removel of inclusions in steelXX(College of Metallurgy and Energy Hebei United University, Tangshan 063009) Abstract：The behavior of inclusions in molten steel includes physical processes such as nucleation, growth, polymerization and transmission. The removal of inclusions can be seen as the result

3、 of transmission, which involves inclusion growth, floating and separating. The key progress on technique for removal of inclusions in steel is gas stirring-ladle argon blowing, gas shielding weir and dam in tundish, electromagnetic cleaning-ladle electromagnetic stirring, tundish centrifugal separa

4、ting and mold electromagnetic braking, slag washing, ultrasonic technique ,and filter technique. Key words： non-metallic inclusions Typesof inclusions, Technique for Removel of inclusions1 引言 鋼中非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、 硅酸鹽或氮化物。它們是鋼在冶煉過程中加入脫氧劑而形成的氧化 物、硅酸鹽和鋼在凝固過程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化 物、氮化物 , 以及爐渣或耐火材料來

5、不及排出而留在鋼中。 它們常作 為衡量鋼質(zhì)量的重要指標(biāo) , 其類含量對(duì)鋼性能產(chǎn)生重大的影響 , 近年 來 , 鋼中夾雜物去除技術(shù)的研究工作主要集中在兩個(gè)方面 : 提高鋼 的清潔度 ; 改變夾雜物的形態(tài)和分布。隨著鋼鐵工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展 , 鋼的材質(zhì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)給 冶金工業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。 鋼鐵產(chǎn)品將按著鋼液潔凈度高、 成分控 制精度高和產(chǎn)品性能穩(wěn)定性能高的方向發(fā)展 , 其中高純凈度鋼的生產(chǎn) 是 21 世紀(jì)鋼鐵企業(yè)面臨的重大課題 , 它的解決與鋼的冶煉過程密切 相關(guān), 而本文將介紹夾雜物的分類以及相關(guān)的控制技術(shù)。2 鋼中夾雜物的類型2.1 鋼中夾雜物按化學(xué)成分分類鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成

6、分主要分為氧化物系夾雜、 硫化物系 夾雜、氮化物夾雜三大類 1 。（1）氧化物系夾雜簡單氧化物有 FeO,FeO,MnO,SiQ,AI 2O,MgO和CuO等。在鑄鋼 中，當(dāng)用硅鐵或鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，夾雜比較常見。在鋼中常常以球形聚 集呈顆粒狀成串分布。 復(fù)雜氧化物， 包括尖晶石類夾雜物和各種鈣的 鋁酸鹽等，以及鈣的鋁酸鹽。硅酸鹽夾雜也屬于復(fù)雜氧化物夾雜，這 類夾雜物有鐵硅酸鹽、 錳硅酸鹽和鈣硅鹽等這類夾雜物在鋼的凝固過 程中，由于冷卻速度較快， 某些液態(tài)的硅酸鹽來不及結(jié)晶，其全部或 部分以玻璃太的形式保存于鋼中。（ 2） 硫化物系夾雜硫化物系夾雜主要是FeS, MnS和CaS等。由于低熔點(diǎn)的Fe

7、S易 形成熱脆， 所以一般均要求鋼中要含有一定量的錳， 使硫與錳形成熔 點(diǎn)較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是 MnS 鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為三類： 形態(tài)為球形， 這種夾雜 物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧不完全的鋼中； 在光學(xué)顯微鏡下觀察呈鏈 狀的極細(xì)的針狀?yuàn)A雜；呈塊狀，外形不規(guī)則，在過量鋁脫氧時(shí)出 現(xiàn)。（3）氮化物夾雜當(dāng)鋼中加入與氮親和力較大的元素時(shí)形成A1N， TiN， ZrN 和 VN等氮化物。 在出鋼和澆鑄過程中鋼液與空氣接觸， 氮化物的數(shù)量顯著 增加。2.2 按夾雜物的塑性變形能力分類 按夾雜物的塑性變形能力分脆性夾物 、塑性夾雜物、球狀不變性 夾雜、半塑性夾雜

8、物四類 1 。（ 1）脆性夾物脆性夾物熱加工時(shí)形狀和尺寸都不變化， 但可能沿加工方向成串 排列或呈點(diǎn)鏈狀，屬于這類夾雜物的有 AI2Q和CaQ。（ 2） 塑性夾雜物 塑性夾雜物熱變形時(shí)具有良好范性，沿變形方向延伸成條帶狀。 屬于這類的有硫化物及含量較低（ 40%60%）的鐵錳硅酸鹽。（ 3） 球狀不變性夾雜球狀不變性夾雜呈球狀，熱加工后保持球狀不變，如SiO2 及含SiO2較高(>70%的硅酸鹽( 4) 半塑性夾雜物半塑性夾雜物指各種復(fù)相的鋁硅酸鹽夾雜。基體鋁硅酸鹽有塑 性，熱加工時(shí)將產(chǎn)生塑性變形， 但是其中包含著的析出相如氧化鋁等 是脆性的，加工時(shí)仍保持原狀或只是拉開距離。2.3 鋼中

9、夾雜物按來源分類鋼中夾雜物可分為內(nèi)生和外來夾雜物， 內(nèi)生夾雜物主要是脫氧和 合金化元素與溶解在鋼液中的氧以及硫、 氮的反應(yīng)產(chǎn)物所形成的夾雜 物。外來夾雜物是鋼液與空氣、耐火材料、爐渣及保護(hù)渣相互作用的 產(chǎn)物以及機(jī)械卷入鋼中的各種氧化物 1 。3 鋼中夾雜物去除技術(shù) 從鋼液中分離夾雜物的主要途徑包括兩種： (1) 被表面的渣層吸 附； (2) 被壁面耐火材料吸附。3.1.1 鋼包吹氬吹氬攪拌是鋼包爐重要的精煉手段之一 ,底吹氬可以均勻鋼液的 成分和溫度 , 最重要的功能是促進(jìn)鋼液中夾雜物的去除 2 。鋼包底吹 氫去除夾雜物主要依靠氣泡的浮選作用 , 即夾雜物與氣泡碰撞并粘附 在氣泡壁上 , 然后

10、隨氣泡上浮而被去除。具體過程分如下幾步 2.3 : 具有一定壓力的氫氣通過透氣磚輸送到鋼液中 ,形成氣泡 ,氣泡在上 浮的過程中又因浮力的作用 , 將鋼水抽引并使之在氣液區(qū)內(nèi)產(chǎn)生由下 向上的流動(dòng)；氣泡到達(dá)頂部時(shí)轉(zhuǎn)入水平方向并流向包壁，之后在包 壁附近 向下回流 , 再次在鋼包中下部被抽 引至氣液區(qū)內(nèi) , 如此循環(huán) 流動(dòng)形成環(huán)流；在環(huán)流過程中，夾雜物向氣泡靠近并發(fā)生碰撞，并與 氣泡間形成鋼液膜；夾雜物在氣泡表面滑移，形成動(dòng)態(tài)三相接觸使 液膜排除和破裂夾雜物和氣泡團(tuán)穩(wěn)定化合并上浮。底吹氬去除鋼中夾雜物的效率主要取決于氬氣泡和吹入鋼液的 氣體量。小直徑的氣泡捕獲夾雜物顆粒的概率比大直徑氣泡高。增加底

11、吹透氣磚的面積、選用小透氣磚孔徑（即在有限的吹氫時(shí)間內(nèi)成倍 地增加吹入鋼液的氣泡數(shù)量）可以降低透氣磚出口處氫氣表觀流速 ， 從而減小透氣磚 出口處氫氣泡的脫離尺寸并增加氣泡捕獲夾雜物的 概率。合適的精煉渣和鋼包耐火材料可以大大促進(jìn)鋼包吹氫去夾雜的 效果。3.1.2中間包氣幕擋墻中間包“氣幕”擋墻是通過垂直于沿包底流動(dòng)的液流布置的排列 成列的吹氬孔口，向中間包內(nèi)吹氬，吹入的氬氣泡在中間包內(nèi)鋼液中 產(chǎn)生一道“氣幕”。氣幕擋墻代替中間包內(nèi)的擋渣堰或擋渣壩均可 以有效延長鋼液的停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物上浮去除，其中代替壩時(shí)， 效果更顯著，同時(shí)由于氣幕擋墻本身對(duì)鋼液的污染少因此該技術(shù)在 生產(chǎn)潔凈鋼時(shí)有很大的

12、應(yīng)用潛力。通過埋設(shè)于中間包底部的透氣管或 透氣梁向鋼液中吹入的氣泡，與流經(jīng)此處的鋼液中的夾雜物顆粒相互 碰撞聚合吸附，同時(shí)也增加了夾雜物的垂直向上運(yùn)動(dòng)， 從而達(dá)到凈化 鋼液的目的。德國NMSG公司的應(yīng)用結(jié)果表明與不吹氣相比， 50200m大尺寸夾雜物全部去除，小尺寸夾雜物的去除效率增加 50%，本溪鋼廠中間包底吹氬試驗(yàn)證實(shí)：底吹氬形成的氣幕擋墻對(duì)夾雜物去除效果明顯，同不吹氬相比，鑄坯中夾雜物數(shù)量下降50%,而且未觀察到30-50山的夾雜物問。3.2電磁技術(shù)321 電磁制動(dòng)（EMBR利用電磁制動(dòng)技術(shù)控制結(jié)晶器內(nèi)的流場， 去除非金屬夾雜物已經(jīng) 引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視并取得了初步的進(jìn)展914:1）電

13、磁制動(dòng)作用于浸入式水口可以減小鋼液偏流；2）電磁制動(dòng)作用于結(jié)晶器中浸入式水口出口流股上可以減緩其 速率，擴(kuò)大非金屬夾雜物的上浮區(qū)；3）電磁制動(dòng)作用于彎月面區(qū)域?qū)︿撘旱倪\(yùn)動(dòng)起抑制作用，磁感 應(yīng)強(qiáng)度越大，這種趨勢越強(qiáng)；拉速提高，電磁場對(duì)彎月面區(qū)域鋼液運(yùn)動(dòng)的抑制作用更好。3.2.2 電磁攪拌（EMS交變電磁場可在液體金屬中產(chǎn)生電磁驅(qū)動(dòng)力， 根據(jù)此原理開發(fā)的 連鑄電磁攪拌技術(shù)使鋼液產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)，使鑄坯的高溫區(qū)與低溫區(qū)充 分混合，加快過熱度的導(dǎo)出，并折斷樹枝晶，增加結(jié)晶核心及等軸晶 數(shù)量，從而改善凝固組織，加快鋼中夾雜物的去除，提高鑄坯質(zhì)量， 能夠使顯微夾雜和宏觀夾雜都得到明顯改善15-17。按攪拌位置

14、，電磁 攪拌可分為結(jié)晶器電磁攪拌（M-EMS、二冷區(qū)電磁攪拌（S-EMS和 凝固末端電磁攪拌（F-EMS 18。3.2.3 電磁連鑄（EMC采用電磁連鑄時(shí)作用于鑄坯殼上的電磁力可使坯殼與結(jié)晶器鋼 板不接觸從而降低鑄坯殼與銅板之間的傳熱，即冷卻降低 , 這樣防止 了振痕的產(chǎn)生也能防止夾雜物和氣泡的富集 , 由于沒有振痕且可以防 止縱裂紋的產(chǎn)生 19 。3.3 過濾器技術(shù)JMStemper 用 A1203 做成的過濾網(wǎng)和蜂窩狀過濾器過濾不銹 鋼和低碳鋼均取得了明顯效果。 市橋弘行對(duì)氧化鋁、 氧化鋯過濾器進(jìn) 行了研究認(rèn)為：夾雜物的去除率與過濾器的材質(zhì)、網(wǎng)眼直徑、過濾器 厚度及鋼水流速有關(guān)。梅澤一誠

15、20 發(fā)現(xiàn)：鋼水流速在 6cm sec 以上 時(shí)，隨著鋼水流速的增加， 阻擋效果和慣性沖擊效果提高了夾雜物的 去除效果。美國SELEE鋼鐵公司21研制的過濾器應(yīng)用于中間包上， 可 經(jīng)受5515 h的沖刷與侵蝕，連鑄鋼水達(dá) 330t去除總氧效率為 40%80%。國內(nèi)董履仁、葉榮茂22對(duì)鋼水過濾器進(jìn)行的研究取得了 較好的效果。寶鋼在多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累中， 逐步開發(fā)了多柱面組合式中 間包鋼水過濾器， 為了增加鋼水回流，促進(jìn)夾雜物與鋼水的分離， 防止夾雜物在過濾柱聚集后堵塞鋼水通道， 過濾柱的截面形式有五種 形式。這種過濾器一方面通過增加過濾器單位體積與鋼水接觸的比表 面積，提高夾雜物與過濾體碰撞

16、的機(jī)率， 另一方面通過過濾柱的結(jié)構(gòu) 形式以及過濾柱的排列形式的優(yōu)化， 改善中間包鋼水流經(jīng)過濾器時(shí)的 流動(dòng)形態(tài)，促進(jìn)夾雜物與鋼水分離，從而凈化鋼水 。當(dāng)鋼水通過過 濾柱時(shí)被分割成許多較細(xì)小的鋼流， 靠近柱子的邊界處形成了層流流 動(dòng)，夾雜物進(jìn)入此層流邊界時(shí)流速減慢，由于速度差異較大，被吸附 在柱體表面， 隨著吸附量的增加而逐漸長大。 長大后的大型夾雜物顆 粒被鋼流沖掉而上浮到中間包表面被覆蓋劑所吸收。 另外，鋼水從過 濾柱圓面流過， 易在背后的平面或凹面形成回流， 回流是促進(jìn)夾雜物 和鋼水分離的最有效形式， 而凹面或平面則是被吸附的夾雜物容易停 留和聚集的場所， 且不易被鋼水沖刷帶走。 隨著吸附量

17、的增加逐漸長 大，長大后的大型夾雜物顆粒才有可能被鋼水回流流沖下， 上浮到中 間包表面被覆蓋劑所吸收。這種技術(shù)有如下特點(diǎn) 23 ：(1) 中間包過濾器對(duì)酸性夾雜物 A1203 有選擇性，經(jīng)過過濾器后A1203有明顯下降；(2) 經(jīng)過過濾器后，大型夾雜物基本被去除，只有小型夾雜物彌 散在機(jī)體里：(3) 中問包過濾器在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼澆鑄時(shí)，對(duì)氧及氮的去除有效 果，但不明顯。3.4 渣洗技術(shù) 渣洗通過控制爐渣成分處理鋼液，是最早出現(xiàn)的二次精煉方法24 。由于精煉渣可以吸附夾雜物，為了保證渣洗的效果，一般要進(jìn)行 攪拌。渣洗通常與其它工藝操作配合使用。3.5 超聲處理技術(shù)超聲波具有獨(dú)特的聲學(xué)效應(yīng) , 在金

18、屬的凝固過程中引入超聲波 可以使金屬的凝固組織由粗大的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的等軸晶 , 同時(shí)金屬的宏觀和微觀偏析得到改善 . 在進(jìn)行超聲波處理金屬 熔體細(xì)化其凝固組織研究的同時(shí) , 很少有人注意到超聲波對(duì)金屬熔體夾雜物的作用以及超聲波作用下金屬液中細(xì)小、 彌散分布的微小夾 雜物對(duì)改善金屬質(zhì)量所起的作用 32- 34 .李杰等在實(shí)驗(yàn)條件下利用超聲波的空化效應(yīng)研究了超聲波功率的變化對(duì)加稀土的高碳鋼液中夾雜物的作用探討了超聲波作用于高碳鋼液中夾雜物的機(jī)理 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 35 1) 隨超聲波功率的提 高, 高碳鋼中的總氧量明顯降低 , 超聲波功率增大到一定程度 , 鋼 中總氧量不再明顯降低反而有所

19、增加 . ( 2) 超聲處理可以明顯彌散、 細(xì)化高碳鋼中的夾雜物 . 隨著超聲波功率的增加 , 高碳鋼中的夾雜 物平均直徑明顯減小 , 夾雜物的當(dāng)量個(gè)數(shù)明顯增多 . ( 3) 加稀土高 碳鋼中夾雜物當(dāng)量個(gè)數(shù)增多、 平均直徑減小是超聲空化產(chǎn)生的瞬時(shí)局 部高溫熔蝕、高壓沖擊波侵蝕及聲流效應(yīng)的共同作用 ; 鋼中總氧含量 的降低、夾雜物的去除是由于超聲空化產(chǎn)生的空化氣泡長大、 上浮溢 出鋼液面 , 同時(shí)黏附鋼中夾雜物的結(jié)果 .申永剛等 36 在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了超聲處理去除夾雜物的可能 性以及對(duì)細(xì)化夾雜物的影響， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 超聲波單獨(dú)處理高溫鋼 液時(shí), 鋼中夾雜物的去除率較低 , 去除率為 4%

20、 12% ; 隨著超聲波 處理時(shí)間的增加 , 鋼中夾雜物的數(shù)量有減少的趨勢 ; 隨著超聲波功 率的增大 , 由于空化效果顯著 , 夾雜物細(xì)化更明顯 , 使夾雜物的去 除率降低4 結(jié)束語隨著氧化物冶金工藝和純凈鋼產(chǎn)品的開發(fā) , 對(duì)鋼中非金屬夾雜 物的去除技術(shù)提出更高的要求。單一的去除技術(shù)可能將無法滿足要 求。在冶煉、精煉及連鑄過程中 , 將各種夾雜物去除技術(shù)進(jìn)行合理組 合, 最有效地發(fā)揮各自的優(yōu)勢 , 實(shí)現(xiàn)多功能精煉 , 將成為未來去除非 金屬夾雜物的主要方向。參考文獻(xiàn)l 陳家祥. 鋼鐵冶金學(xué)(煉鋼部分) . 北京：冶金工業(yè)出版社， 1999：124-129,l 張鑒. 爐外精煉的理論與實(shí)踐 M

21、. 冶金工業(yè)出版社 .1993:232 時(shí) 東 生 ， 劉 立 英 . 鋼 包 吹 氫 工 藝 優(yōu) 化 與 完 善 J. 煉 鋼 2001,17(1):31-343 王立濤 , 薛正良 , 張喬英等 . 鋼包爐吹氨與夾雜物去除 J. 鋼鐵研 究學(xué)報(bào) ,2005,17(3):34-384 張明華中間包采用氣體凈化除去鋼中夾雜物的探討 J 煉 鋼 ,1995, 11(3): 30415 張美杰 . 中間包氣幕擋墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其夾雜物去除的數(shù)學(xué)物理 模擬研究6 幸 偉 ， 倪 紅 衛(wèi)等 . 鋼中 夾 雜 物 去除 技 術(shù) 的進(jìn) 展 . 特 殊 鋼 ， 2009,30(2):34-367 張明華 .

22、中間包采用氣體凈化除去鋼中夾雜物的探討 . 煉鋼， 2005,21(3):30-34.9 陶立群 , 姜茂發(fā)等 . 連鑄中間包底吹氬物理模擬和工業(yè)實(shí)踐. 鋼鐵,2006,41(5):32-37.9 Takehiko Toh. Application of magnetohydrodynamics to steelmaking processJ. Tetsu-to-Hagane. 2004,90(12): 1-910 干勇，仇圣桃，蕭澤強(qiáng)連續(xù)鑄鋼過程數(shù)學(xué)物理模擬 M 北京： 冶金工業(yè)出版社 2001.411 Yun-Seong Hwang, Pil-Ryung Cha, Ho-Seok Nam,

23、 Numerical analysis of the influences of operationalparameters on the fluid flow and meniscus shape in slab caster with EMBRJ. ISIJ International. 1997, 37 (7): 65912 黃軍濤，赫冀成方坯結(jié)晶器電磁制動(dòng)夾雜物運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬J.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 ),2000, 21(1): 979913 張雅靜，徐廣亻雋，于光偉等.電磁場控制連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月 面區(qū)域金屬流動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)研究 J .東北大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué) 版 ),2000

24、, 21(2): 19119314 K. H. Moon, H. K. Shin, B. J. Kim. Flow control of moltensteel by electromagnetic brake in thecontinuous casting moldJ. ISIJ International. 1996, 36 (Supplement): 20115 Manfred M W. Slab Caster Tundish Configuration andOperatio n A Review. SCP, 1996, (10): 70816 張宏麗，王恩剛，賈光霖，等.電磁攪拌提

25、高鑄坯等軸晶比率 的數(shù)值模擬 J .東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2001, 22(5): 535538 17 趙愛民，毛衛(wèi)民，崔成林，等.電磁攪拌對(duì)彈簧鋼 60Si2Mn 凝 固組織的影響 J .北京科技大學(xué)學(xué)報(bào) ,2000, 22(2): 13413718 Helmut Hackl, Patrick J. Hanley. The use and results of electromagnetic stirring for the continuouscasting of steelJ. Metallurgical plant and technology. 1994: 5662, 651

26、9Tani M. The control of initial solidification by the imposition of pulsative AC electromagnetic fieldA.4th European Continuous Casting Conference, Institute of MetalsC, London, 2002:394620 梅澤一誠，鐵巴鋼， 1989(75) ： 1829121 Steve.JonesseleeCorparatio ， ElectricFumance ConferenceProceeding ，1988： 40822 葉榮茂，鮑烯祥連鑄合金過濾技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1983：5769123 康建國, 張炯明，寶鋼中間包過濾器對(duì)夾雜物去除效果研究，第 十四屆全國鋼質(zhì)量與非金屬夾雜物控制學(xué)術(shù)會(huì)議， 201024曾瞢.爐外精煉M.北京：冶金工業(yè)出版社，199826 Abdel -Rehim M, Reif W. Practical application