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1、洁净钢研究总结报告及实践应用修改090616电炉LFCSP工艺过程钢液纯净度控制技术研究项目结题报告北京科技大学2009年6月电炉LFCSP工艺过程钢液纯净度控制技术研究项目结题报告项目完成单位：北京科技大学广州珠江钢铁有限责任公司项目起止时间：2007年6月到2009年6月2009年6月1 项目研究概况项目来源及研究内容项目来源随着我国钢产量的快速增长，产品供大于求的矛盾日愈突出，对钢质量的要求也越来越严。国内许多钢铁企业为了提高效益，都把发展高附加值产品当作战略任务来抓。广州珠江钢铁有限责任公司充分利用电炉的优势，把生产集装箱板作为主要的产品，目前已成为中国乃至世界上最大的集装箱板生产商。

2、集装箱用SPA-H钢属于热轧低碳、低合金Q345级铜磷铬镍系耐候钢，含Cu、P高，内外裂纹敏感；考虑避开包晶区，C含量目标值控制在0.05%以下，降低的强度靠增加Si、Mn含量来补偿。为实现集装箱的轻量化，必须提高集装箱板的强度，生产高强度的集装箱板是以保证钢液纯净度为前提的，因为钢液纯净化是提高钢强度和韧性的有效手段。为了保证良好的焊接性能，必须降低钢中的氮含量。在氩埋弧焊热影响区的（HAZ）氮化物会分解，自由氮含量增加，特别在焊缝附近。自由氮含量增加，会在HAZ区形成少量脆性马氏体和奥氏体，使得低碳微合金钢的低温脆性转变温度升高，韧性变差。焊缝的氮含量取决于母体的氮含量，母体的氮含量越高，

3、焊缝的氮含量越高，即使氮在母体中以氮化物形式存在，氮的传递依然存在。氮含量从20ppm升到60ppm，转变温度从-50升到0。韧性降低的原因是由于有益的针状铁素体数量随氮含量增加而减少，降低母材中的氮含量是提高钢焊接性能的唯一办法。珠钢实际生产中，板材的弯裂与氮含量有直接关系，随氮含量升高，弯裂产生的几率增加。因此，降低钢中的氮含量对珠钢产品质量的提高有着重要的意义。由于配碳量低、废钢中氮高及电弧区钢液增氮的原因，电炉流程生产的产品中的氮含量远高于转炉流程氮。为此，广州珠江钢铁有限责任公司提出了“电炉-LF-CSP工艺过程钢液纯净度控制技术研究”项目，通过对钢中的全氧含量及夹杂物含量、大小及成

4、分的研究，控制钢中夹杂物性能，降低产品中夹杂物及氧含量；通过对影响电炉冶炼过程的脱氮、精炼过程及连铸过程的增氮因素的研究，充分挖掘电炉冶炼过程脱氮的能力，明确精炼及连铸过程钢液增氮的关键环节。在此基础上开发一套电炉-LF-CSP生产纯净钢的工艺技术，满足生产高附加值产品的需要，以拓宽生存空间，获得较大的利润。项目研究内容研究内容包括：（1） 对现有珠钢电炉-LF-CSP工艺过程钢液纯净度进行调研；1） 电炉-LF-CSP工艺过程钢液氮含量的变化；2） 电炉-LF-CSP工艺过程钢液全氧含量的变化；3） 电炉-LF-CSP工艺过程钢液夹杂物数量及成分的变化；4） 电炉-LF精炼过程渣成分的变化。

5、（2） 电炉-LF-CSP钢液氮含量控制技术研究1） 电炉冶炼低氮含量钢液技术；2） 出钢钢液增氮规律研究；3） LF过程钢液增氮的关键因素研究；4） 连铸过程钢液增氮的关键环节。（3） 夹杂物工程技术研究1） 减少夹杂物产生量的工艺技术研究；2） 夹杂物形态科学技术研究；3） 合理的脱氧制度及吹氩搅拌制度的研究；4） 炉渣控制等对夹杂物数量、大小、成分影响的工艺措施研究。项目研究达到的技术指标通过项目的研究达到以下技术指标:（1） 开发一套电炉-LF-CSP生产纯净钢的工艺技术；（2） 找出电炉-LF-CSP工艺生产低氮钢的关键环节与控制措施，铸坯氮含量下降10ppm以上（N10ppm）；（

6、3） 在现有工艺基础上进一步降低夹杂物含量，夹杂物控制水平达到国际CSP生产线领先水平，具备铸坯全氧含量20ppm的连续稳定控制能力；达到夹杂物含量0.15mg/kg的水平。项目研究的技术路线项目研究的条件珠钢的现代化薄板坯连铸连轧CSP生产线是第一批从国外进口的。生产工艺流程为：废钢堆 150t超高功率电弧炉 150tLMF CSP连铸机 CSP均热机 CSP轧机 CSP卷取机。炼钢系统主要包括：电弧炉150t2、精炼炉150t2、真空炉150t1。电弧炉出钢时间4分钟左右，冶炼周期60min；2流CSP立弯式铸机数、坯厚（4560）（10001350mm）；中包容量28t、结晶器长度110

7、0mm。拉坯速度3.66m/min、出坯温度9801050左右，一般控制出钢下渣量4kg/t钢水。项目研究的技术路线项目研究采用的技术路线为：现场生产调查研究设计制定试验方案试验结果分析讨论提出改进的工艺 反复验证方案优化方案的实施预期结果的验证各项指标达要求并完成项目研究内 多次试验容项目结题验收。项目的主要进展及成果项目研究的进度安排2007年04月2007年05月：研究方案准备，签定合作协议；2007年05月2007年11月：现场调研，第一次试验，结果分析及确定出生产纯净钢的关键环节；2007年11月2008年02月：提出改进的工艺方案，进行第二次生产试验；2008年03月2008年05

8、月：总结试验结果，进行第三次、第四次试验；2008年06月2008年12月：进行指标考核试验，并进一步补充试验；2009年01月2009年03月：补充试验及总结交流；2009年04月2009月08月：确定出优化的工艺方案，研究工作的完善，项目总结、验收。项目研究取得的成果根据项目的研究内容及目标，对广州珠江钢铁有限责任公司的电炉-LF-CSP工艺过程钢液纯净度进行了理论、实验、工艺控制及应用研究，取得如下主要进展及成果。（1） 对冶炼及连铸过程夹杂物含量的变化进行了系统研究，针对珠钢目前的生产设备，提出了降低钢中夹杂物含量的措施，通过严格控制生产工艺，是完全可以生产出夹杂物含量低于1.5mg/

9、10kg的高纯净度集装箱板。（2） 摸清了珠钢冶炼及连铸生产过程，夹杂物成分、大小变化的规律，发现了钛微合金化钢中，存在大量尺寸较大的氧化钛夹杂物，且随夹杂物中的Ti含量升高，尺寸增加。同时发现连铸过程存在二次氧化及卷渣现象。为降低板材夹杂物尺寸，必须降低夹杂物中的Si含量。（3） 确定了精炼过程降低全氧含量的最佳软吹时间在1012min之间。分析研究了影响全氧含量的因素，实现了铸坯中的全氧量小于20ppm、小于15ppm占70%、最低为10ppm的全氧控制目标。（4） 根据生产实际，从理论上分析了降低钢中夹杂物及氧含量的措施，阐明了Ti的二次氧化对钢液夹杂物及氧含量有重要影响，提出了控制钛二

10、次氧化的措施。（5） 明确了影响电炉出钢氮含量的因素,对最大发挥电炉的脱氮能力，保证低的出钢氮含量具有重要的指导意义。基本弄清了精炼及连铸过程钢液增氮的关键环节。制定了进一步降低钢液氮含量的工艺措施，可保证连铸坯中氮含量小于70ppm。（6） 针对不同钢种生产，制定了可操作的关键控制点，满足了珠钢生产的需求。2 铸坯中夹杂物含量控制工艺技术研究铸坯夹杂物含量的控制水平冶炼不同阶段夹杂物含量的变化典型试验炉次冶炼过程夹杂物含量的变化如图2-1所示。图2-1 不同炉次冶炼过程中夹杂物含量的变化由图2-1可见：1） 从精炼开始至铸坯夹杂物含量降低；2） 进入精炼炉时的夹杂物平均含量为45.58mg/

11、10kg，精炼一段时间后，夹杂物平均含量32.126mg/10kg，喂入钙线后夹杂物平均含量为22.835mg/10kg；3） 部分炉次（如107055650炉次）钢液到中间包后，大型夹杂物有所上升。中间包内钢液夹杂物平均含量为28.29mg/10kg；4） 铸坯中心夹杂物含量平均为1.56mg/10kg，铸坯边部夹杂物含量平均为4.31mg/10kg。铸坯中夹杂物含量分析进行了六次集装箱板生产性试验，两次因生产工艺控制的原因，造成铸坯中的夹杂物含量过高。其它各炉次铸坯中心及边部的夹杂物含量如图2-2所示。图2-2 铸坯中夹杂物含量由图2-2可知，对集装箱板生产的四次15炉试验中，铸坯中间夹杂

12、物含量最低为0.58mg/10kg，平均为1.81mg/10kg；铸坯边部夹杂物含量较高，最低为0.62mg/10kg，大部分炉次超过2mg/10kg。接近边部1/4处夹杂物含量比中心部位高，是由于凝固的最后阶段，与表面低温区域相对应的板坯中心线已基本凝固，而与表面高温区域相对应的接近1/4板坯处仍然存在一定数量的钢液没有凝固，杂质元素发生偏析、富集，造成最后凝固的钢液中夹杂物含量较高。？可能与薄板坯连铸的冷却制度有关系铸坯中夹杂物含量控制水平铸坯中心及边部夹杂物含量分布分别如图2-3及图2-4所示。铸坯中心部位夹杂物含量低于1.5mg/10kg的炉数占46%（不包括两炉非正常炉次）。铸坯边部

13、虽然夹杂物含量也有低于1.5mg/10kg炉数，但数量较少，如图2-4所示。综合二者看，达到了钢中的夹杂物含量低于1.5mg/10kg的水平。因此针对珠钢目前的生产设备，严格控制生产工艺，并采取合理的脱氧制度，完全可以生产出夹杂物含量低于1.5mg/10kg的高纯净度集装箱板。图2-3 铸坯中心夹杂物含量分布图2-4 铸坯边部夹杂物含量分布冶炼工艺过程夹杂物含量变化的分析电炉终点C含量与入LF大型夹杂物含量的关系（1） 电炉钢液终点碳与溶解氧的关系电弧炉终点溶解氧含量直接关系到出钢过程生成脱氧产物量的多少，最终影响铸坯中的夹杂物含量。为了达到一定温度条件下控制钢液中溶解氧含量的目的，必须控制出

14、钢钢液的碳含量。珠钢生产条件下，电弧炉出钢碳含量与溶解氧含量的关系如图2-5所示，在碳小于0.05%时，钢液中微量碳含量的变化，都会引起溶解氧的较大幅度提高。如107055650炉次，出钢碳含量为0.020%，溶解氧含量为1433ppm；107055670炉次，出钢碳含量为0.024%，溶解氧含量为1170ppm。图2-5 电弧炉冶炼终点钢液中碳与溶解氧的关系对于SPA-H这种超低碳钢，电弧炉出钢时的溶解氧含量应控制在8501050ppm范围内为宜。但是大部分炉次出钢时溶解氧含量较高，如表2-1所示,不同炉次出钢时钢液中的溶解氧含量。表2-1 不同炉次出钢时钢液中溶解氧含量炉号10705565

15、0107055660107055670107055680107055690207110080O/ppm14331438117011969901308C/%0.020.0190.0240.0240.0280.02炉号207110100207110110207110120207110130208020570208020580O/ppm12591080113910921067914C/%0.0220.0250.0240.0240.0670.03炉号208020590208020600208040590208040600208040620208040650O/ppm954134310329411039

16、1063C/%0.0290.021100.0290.0270.026由表2-1可以看出，部分炉次过氧化严重，如107055660炉次，出钢碳含量为0.019%，溶解氧含量达1438ppm。也有控制好的炉次，如208020580炉次，出钢碳含量为0.03%，溶解氧含量为914ppm。 （2） Si和Al与钢液中溶解氧反应产物的数量试验炉次出钢时加料及钢液情况分别如表2-2及表2-3所示。表2-2 各炉出钢时加料情况 kg炉号CaO合成渣MCMnFeSiFeAl107055650109104784841861070556601191048548518310705567011025454774821

17、8310705568011025454794841851070556901102545480485184表2-3 不同炉次出钢溶解氧含量及出钢量炉号107055650107055660107055670107055680107055690溶解氧/ppm1433143011701196990出钢量/t147.1150157.4149.1148.2出钢加入485kg FeSi脱氧，形成的脱氧产物SiO2量，如表2-4所示。表2-4 不同炉次形成的SiO2产物量炉号107055650107055660107055670107055680107055690总硅/kg363363.75361.53633

18、63.75钢中硅/kg323.62240287.66283.29311.22夹杂物中硅/kg39.38123.7573.8479.7152.53生成SiO2/kg78.76247.5147.68159.42105.06与Si反应的O/kg124.96141.484.487.286与Al反应的O/kg85.8373.199.7691.1260.72表2-4中的数据表明：出钢时与Si反应的溶解氧量大于与铝反应的溶解氧量。如107055660炉次，与Si反应的溶解量为141.4kg，与Al反应的溶解氧量为73.1kg，与Si反应的溶解量几乎是与Al反应的溶解氧量的两倍。因此入LF时钢液中存在大量的含

19、Si夹杂物，生成的SiO2量最高达247.5kg。与铝反应的脱氧产物大部分上浮去除。（3） 出钢溶解氧与脱氧产物生成量的关系出钢过程加FeSi及少量铝脱氧，出钢钢液中的溶解氧含量与生成脱氧产物SiO2量的关系如图2-6所示连续四炉的试验结果。由图2-6可见，随出钢溶解氧含量的升高，生成脱氧产物SiO2量呈直线增加，出钢钢液中溶解氧为990ppm时，生成脱氧产物SiO2量为52.53kg；出钢钢液中溶解氧为1438ppm时，生成脱氧产物SiO2量为123.75kg。图2-6 出钢溶解氧与生成夹杂物量的关系（连续四炉的结果） 在同样的脱氧条件下，通过大量试验，进一步分析了出钢钢液溶解氧与生成脱氧产

20、物SiO2量的关系，得到了相同的结果，如图2-7所示。图2-7 出钢溶解氧与生成夹杂物量的关系（大量试验炉次结果）出钢脱氧制度对夹杂物含量变化的影响研究进行了出钢FeSi预脱氧、少加铝脱氧（A方式）与出钢加铝脱氧（B方式）两种脱氧方式共22炉的对比试验，发现两次试验钢中夹杂物含量都较高，A脱氧方式铸坯中间夹杂物含量最少是6.73mg/10kg；最多是24.73mg/10kg；平均含量为17.75mg/10kg。铸坯边部夹杂物含量最少是2mg/10kg；最多是35.78mg/10kg；平均含量为17.12mg/10kg。B脱氧方式铸坯中间夹杂物含量最少是3.2mg/10kg；最多是24.62mg

21、/10kg；平均含量为11.75mg/10kg。铸坯边部夹杂物含量最少是2.43mg/10kg；最多是22.77mg/10kg；平均含量为9.23mg/10kg。夹杂物含量高的原因是钢液过氧化严重。出钢时钢液中的溶解氧大部分超过1200ppm，这种情况下，即使出钢过程用铝脱氧，如果用铝量不足，脱氧后钢液中仍有大量的溶解氧存在，精炼过程加入FeSi铁，Si会参与脱氧，产生较多SiO2夹杂物，最后滞留在钢液中的夹杂物含Si量较高，与出钢过程FeSi预脱氧情况类似。由于脱氧产物中Al2O3含量低，铸坯夹杂物中的Al含量也都比较低，如图2-8所示，夹杂物中的Al含量主要分布在05%的范围，占了75%，

22、夹杂物中铝含量大于20%的仅为3%。图2-8 两次试验夹杂物中Al含量夹杂物中主要为Ti、Si及O，如图2-9所示，两次试验铸坯夹杂物中Ti含量大于10%的占52%，Ti含量大于20%的占38%，因此可以推断钢液中的氧是由Ti来控制的。Ti一方面与钢中的氧反应生成Ti的氧化物，另一方面，由于Ti的反应强，易与大气中的氧及渣中的不稳定氧化物反应生产Ti的氧化物，这部分夹杂物与其它夹杂物结合形成大的夹杂物滞留在钢中，特别是在连铸过程中产生的二次氧化产物很难上浮去除。图2-9 两次试验夹杂物中的Ti含量分布两次试验Si参与了脱氧，产生的SiO2量较多，铝在前期加入量不足，后期加Ti后，Ti控制了钢液

23、中的氧，造成夹杂物中Ti高铝低。铸坯中不含Ti的夹杂物成分基本以SiO2为主，占不含Ti夹杂物的85%，其中纯SiO2占了41%，说明精炼过程并没有完全去除Si脱氧产物。由于用于脱氧用铝的不足及Ti控制钢液中的氧含量，造成铸坯中的夹杂物含量高，基本都大于2mg/10kg。但是出钢过程加铝脱氧与不加铝脱氧相比，实际生产条件下，铸坯中间部位及边部夹杂物含量分别平均低6.0mg/10kg、7.9mg/10kg，出现这种差别的的原因分析如下。当钢液中的Al0.01%，脱氧生成的夹杂物主要为Al2O3，而二次氧化生成的夹杂物也主要为Al2O3、或多相球状或单相球状，易于从钢液中排出。当钢液中的Al0.0

24、1%，cAl0.01%图2-10 钢液脱氧和二次氧化形成夹杂物具体过程影响精炼过程夹杂物含量变化的因素分析（1） 精炼时间对钢中夹杂物含量的影响精炼时间与夹杂物去除的关系如图2-11所示。由图2-11可知：精炼时间越长，夹杂物去除的越多。如精炼时间为48min,夹杂物去除量为45.6mg/10kg；精炼时间为73min,夹杂物去除量为55mg/10kg。精炼过程夹杂物的去除量还与出钢钢液的过氧化情况、脱氧制度、大包在入LF前的等待时间等因素有关。图2-11 精炼时间与夹杂物去除的关系（2） 渣系对出LF夹杂物含量的影响渣中不稳定化物对钢液全氧含量的影响如图2-12所示。随渣中(FeO+MnO)

25、含量的升高，出LF夹杂物含量升高，比如渣中的(FeO+MnO)为0.54%，出LF时的夹杂物含量为1.59mg/10kg；渣中的(FeO+MnO)为0.70%，出LF时的夹杂物含量为5.4mg/10kg。图2-12 渣中(FeO+MnO)含量对夹杂物含量的影响（3） 软吹时间对夹杂物含量的影响软吹时间对最终夹杂物含量的影响如图2-13所示。随软吹时间的延长，夹杂物含量下降。从图2-13可以看出，软吹时间6min，出LF夹杂物含量为35mg/10kg；软吹时间18min，出LF夹杂物含量为5mg/10kg；要想保证出LF夹杂物总量低于20mg/10kg，软吹时间应大于10min。喂丝后至出LF这

26、段时间，由于部分夹杂物变性，形成低熔点夹杂物，易于上浮去除。同时，通过弱的氩气搅拌促使夹杂物上浮，吹入的氩气泡可为10m或更小的不易排出的夹杂颗粒提供粘附的基体，使之粘附在气泡表面排入渣中。LF熔池深，钢液循环带入钢包底部的夹杂和卷入钢液的渣上浮所需的时间长。软吹时间尽可能长，有助于进一步降低钢液中的夹杂物。图2-13 软吹时间对钢液中夹杂物含量的影响（4） 变性处理对夹杂物含量的影响喂Ca线进行夹杂物变性处理后，如果夹杂物中Ca含量低，夹杂物变性不充分，不利于夹杂物上浮去除，造成钢液中夹杂物含量升高。如图2-14所示，出钢FeSi预脱氧、少加铝脱氧（A方式）与出钢加铝脱氧（B方式）夹杂物中的

27、Ca含量。图2-14 两种脱氧方法夹杂物中Ca含量的比较 由图2-14可见：两种脱氧方法夹杂物中钙含量都比较低，A脱氧方法夹杂物中Ca含量在05%有40个，占分析夹杂物总数的88.9%，B脱氧方法夹杂物中Ca含量在05%有42个，占分析夹杂物总数的93.3%。夹杂物中Ca含量低，钢中的夹杂物含量较高。如图2-15所示中的铸坯夹杂物，其成分如表2-4所示，夹杂物中Ca含量小于5%，铸坯夹杂物含量平均为9.31mg/10kg。图2-15 铸坯中的夹杂物（Ca含量低）表2-4 铸坯中夹杂物成份（Ca含量低） %AlSiCaKTiNaPFeMnSO夹杂物12.071.412.8824.6432.94.

28、3431.75夹杂物23.4212.233.463.2323.441.467.925.7139.12夹杂物319.654.041.5925.548.2940.88夹杂物中Ca含量高，钢中的夹杂物含量较低。如图2-16所示中的铸坯中夹杂物A，形状为球形、其成分为：32.12%Al、19.02%Ca、9.88%Fe、38.99%O，铸坯夹杂物含量平均为1.08mg/10kg。图2-16 铸坯中间夹杂物形貌（Ca含量较高）连铸过程钢液中夹杂物含量的控制连铸过程钢液中夹杂物含量的变化出LF至中间包钢液中夹杂物含量的变化如图2-17所示。图2-17 连铸过程夹杂物含量的变化由图2-17可知，钢液从大包至中间包过程，夹杂物含量升高。如2071