连铸板坯的高洁净化技术

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摘要：介绍连铸板坯的高洁净技术，该技术对于板坯质量的提高有重大意义。
关键词： 高洁净  钢水  炉渣  精练  中间包   结晶器

前言
    近年来，由于用户对薄钢板的质量要求越来越高，对用于生产薄钢板的板坯质量要求也越来越苛刻。国内外许多钢铁企业为此投入了大量的人力、财力，进行了大量的技术开发。川崎钢铁公司的千叶、水岛两厂为了能够高效、高质量地生产板坯，进行了持续地钢水高洁净化生产技术、缺陷极少的连铸板坯生产技术的开发研究。改进后，近10年间板卷的缺陷率降低到原先的1/10。下面对这些技术作简要介绍。
1.铁水预处理
在千叶、水岛的两个钢铁联合企业中，炼钢采用约98%的高铁水比，为有效利用这种高铁水比所具有的富余热量，几乎全量采用脱磷率高的喷吹氧化铁的铁水预处理，降低了总的冶炼成本。
铁水在高炉出铁沟使用氧化铁预脱硅，除去脱硅渣后，在鱼雷车中喷吹氧化铁，实施全量脱磷处理。然后，喷吹Na2CO3或CaO系熔剂进行脱硫处理。铁水磷含量由约0.15%降低到0.02%～0.05%左右后，用转炉进行脱碳。由于铁水预处理率的提高，转炉磷污染的减少，转炉冶炼稳定，进一步降低熔剂的成本成了现实。另外，由于转炉渣中磷含量的降低，转炉渣就可全量用于烧结工艺中，有效地回收利用其中的Fe、CaO，可以使炼铁、炼钢过程中的渣量大幅度的减少。
2.炉渣组成的适宜化
转炉中脱磷负荷减轻，转炉中CaO使用量减少，结果可减少到约16kg/t。通过采用热力学计算，减少过量地使用了未熔化的CaO，促进脱磷用CaO效率的提高，同时进行了含Al2O3、MgO渣组成的有优化。进一步随着装入转炉中铁水的硅、磷浓度的降低，结果使流入钢包中的渣量及渣中磷浓度也减少，防止渣中磷向钢液中迁移(回磷)和用铝灰进行钢包渣的还原处理成为可能。由此，降低钢液洁净度的Al2O3系夹杂物的生成源，钢包渣中的(T.Fe)获得了大幅度地降低，提高了钢液洁净度。
3.二次精炼
RH脱气装置进一步导入氧气顶吹装置(RH-KTB)后，提高了脱碳和热补偿功能，在冶炼极低碳素钢时，可大幅度提高出钢碳的含量及降低出钢温度。采用KTB可防止RH中的温度降低，结果使转炉的出钢温度约降低了26℃。表1列出了千叶钢铁厂转炉冶炼极低碳素钢(［Ｃ］≤100×１０－６)时的转炉出钢温度、(T.Fe)、［Ｃ］、［Ｏ］、［Al］的单耗的例子。
表1 千叶钢铁厂冶炼极低碳素钢时          表2 水岛钢铁厂RH脱气的设计参数与脱碳常数
的平均值表
出钢温度        1626℃
出钢时［Ｃ］        0.035%
出钢时［Ｏ］        467×10－６
出钢时(T.Fe)        11.3%
吨钢铝耗量        1.39kg/t

进一步利用KTB的功能，在极低碳素钢冶炼中也能够对RH处理前，用铝灰进行钢包渣的还原处理。由此，在极低碳素钢冶炼中，通过降低渣中的(T.Fe)，可提高钢液的洁净度，可大幅度地降低薄板表面缺陷。
   另外，进行了将极低碳素钢的碳浓度由20×１０－６进一步降低的试验研究，探索了以下为增加脱碳常数的反应工艺措施。
在水岛钢铁厂No.2RH中，实施了大幅度地扩大脱气真空室及环流断面积的实验。No.2RH及No.4RH上的实验条件如表2所示。其中，d为浸入管内径(m)，A为下部真空室的断面积(m2),Kcalc为脱碳常数的计算值，Kabs为脱碳速度的实测值。图1表示用No.2RH通常的下部真空室(d=0.6m,A=3.5m2)和新型的下部真空室(d=1.0m, A=5.1m2)的场合与No.4RH(d=0.75m，A=4.9m2)的场合的碳浓度变化。d和A同时都大的新型下部真空室的脱碳速度要比普通的下部真空室的脱碳速度大，在处理时间20min时可获得(6～12)×１０－６的碳浓度。而d和A位于No.2RH普通的下部真空室和新型的下部真空室的中间的No.4RH,其脱碳速度常数如表2所示，处于两者的中间，达到的碳浓度也在两者之间。根据这些结果得到的装置设计依据，千叶、水岛两钢铁厂进行了增强RH的能力，就可大量地生产［Ｃ］<20×１０－６的极低碳素钢。

并且，在脱碳反应停滞的极低碳区，为了促进其反应速度，研究了喷吹氢法。图2表示喷吹氢和普通的RH法的到达C浓度的比较。由图可见，处理时间20min左右［Ｃ］<10×１０－６的脱碳是可能的。在普通的RH中［Ｃ］<20×１０－６时，钢液中CO气泡生成由于停滞，脱碳速度显著降低。但是，喷吹氢法中吹入到环流管中氢的一部分溶解于钢中，且在真空室内从熔钢中容易发生气泡，［Ｃ］浓度即使小于20×１０－６，脱碳速度也只轻微降低。
4.中间包热循环和钢液再氧化的防止
    水岛钢铁厂第4号连铸机上采用了中间包热循环，中间包内的残钢放出后，通过2台连铸机的中间包的交互使用，中间包可以实现不要维护保养或修理。该场合下准备中的中间包在加热时，由于沾挂着的冷钢的氧化而生成FeO,恶化了浇铸初期的板坯洁净度。为了克服此问题，川崎制铁公司开发成功氮气喷射加热器。图3表示氮气喷射加热器的示意图。氮气通过加热器A或加热器B的热交换，被加热到1500℃。在情况1下，加热器A的蓄热体通过LDG和COG的混合气体加热，该期间纯氮被送到已被加热了的加热器B的蓄热体，且继续被加热。加热了的氮被送到中间包。情况2时，反之氮气被加热器A加热，加热器B的蓄热体用氧化燃烧器加热。这样通过情况1和情况2的约每100s反复交换，即便待机20h，也无再氧化。另外，热损失也与气体燃烧器等同，中间包可保温在约900℃。


图4表示头一块和第二块板坯的热轧板卷的表面缺陷比较。采用氮喷射加热器，表面缺陷得到了大幅度降低。
5 结晶器内钢液流动控制
为了解决传统的EMBR(电磁制动)的问题，该公司开发成功新型电磁制动FC模型(流动控制模型)。FC模型与传统的EMBR不同：结晶器整个宽度上拥有二对直流线圈，在宽度方向上产生均匀的磁场。上部磁极使弯月面部的钢液流速或变动减少，防止结晶器保护渣的刮入或涡流卷入。另外，下部磁极降低流向铸坯内部的下降流速，从而减少夹杂物侵入板坯内部。
   由于采用FC模型，在高速浇注中也可与传统法相比，表面缺陷发生率减少了(见图5)。另外，磁粉探伤(MT)缺陷也可大幅度地降低(见图6)。
其次，对使用FC模式的表面缺陷降低的机理也进行了探讨。通过模型实验，查明了钢液速度变动对保护渣卷入钢液中有很大影响。采用FC模式，保护渣缺陷的减低被认为是由于磁场作用，减少钢液的速度变动的结果。

再次，在水岛钢铁厂No4号连铸机，连铸机与热轧厂热坯采用无人搬送台车连接，火焰切割、板坯堆集、板坯搬运、装入加热炉完全自动化。连铸机—加热炉间的搬运所需时间为2.5min，移动强车减少了板坯在输送中的温降，同时设计时考虑了可以耐高温、高频率的使用条件。


图7表示火焰切断后经过时间的板坯温度变化。采用本设备，被装入加热炉的板坯温度可确保850℃以上。另外，为了中碳钢的达成DHCR，根据防止内部裂纹的观点， 在矫直部为避开脆性温度区域，控制停止角部的气雾冷却或板坯的表面温度。结果抑制了中碳素钢的表面裂纹，达到了90%的DHCR率，以DHCR为对象的No.4加热炉的燃料单位消耗可降低200MJ/t。
    通过上述技术以及通过浸入水口，保护渣的高粘度化等改善，如图8所示，冷轧板卷因炼钢原因所致的缺陷发生率，在过去的10年间已降低到1/10，冷轧板的表面及内部质量获得了大幅度的改善。
6.结论
川崎钢铁公司通过以上(1)铁水预处理；(2)渣组成；(3)二次精炼的最佳化，(4)中间包钢液二次氧化的防止；(5)结晶器内钢液流动控制等新技术的开发，高效、高质量的制造板坯成为现实，结果钢板的表面质量、内部质量获得了大幅度的提高。