CN103602782B - 一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，属于特殊条件下的钢水洁净化技术领域。在钢铁生产流程中炼钢工序的出钢过程，直接使用椭圆形钢包替代普通钢包承接钢水，然后控制承载钢水的椭圆形钢包在水平方向上高速旋转，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集及去除。本发明用超重力技术实现了钢水中不同尺寸、不同类型的非金属夹杂物的定向富集及去除，显著提高了钢水的洁净度，改善了钢的强度、塑性、韧性等力学性能；同时本发明依托钢铁企业现有流程及装备，能有效的减轻炉外精炼工序的压力，缩短冶炼时间，加快全流程的生产节奏。

Description

一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法

技术领域

本发明属于特殊条件下的钢水洁净化技术领域，具体涉及到一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法。

背景技术

钢中的非金属夹杂物通常指氧化物、硫化物、磷化物以及一些高熔点的氮化物等非金属化合物，最显著的特点是其在钢中的存在状态不受一般热处理的显著影响。氧化物夹杂包括单一的金属氧化物、硅酸盐、尖晶石和各种钙铝酸盐；硫化物夹杂包括MnS、CaS等；磷化物夹杂包括CaP、BaP等还原脱磷产物；氮化物夹杂包括TiN、ZrN等，是钢水从大气中吸氮的产物。

钢中非金属夹杂物的来源一般包括内生夹杂和外生夹杂两类。内生夹杂是由于炼钢脱氧操作时，向钢水中加入脱氧剂后形成的脱氧产物以及钢水凝固引起的夹杂物析出；外生夹杂主要包括炉渣卷入钢水形成的卷渣、钢水与炉衬耐材接触形成的侵蚀产物以及铁合金等炉料带入的夹杂等。钢水中非金属夹杂物的存在对钢的强度、塑性、韧性、切削性能、疲劳性能、焊接性能等均有着不同程度的危害。

由于钢中非金属夹杂物对钢材性能的种种危害，以及高品质、高性能钢种对钢水纯净度的要求，国内外科研工作者对钢中非金属夹杂物的控制进行了大量的研究，经过几十年的探索和实践，研发出了一系列的非金属夹杂物控制理论、工艺及其设备。

目前，钢中非金属夹杂物的控制工艺主要包括以下方面：

铁水预处理工序采用脱硫预处理或三脱预处理工艺来减少后续炼钢工序的渣量以及渣钢的氧化性。

炼钢工序通过精确控制冶炼终点来控制钢中氧含量，通过控制炼钢炉下渣量来提高钢水纯净度。

钢包内分别通过吹氧搅拌或静置处理来促进钢水中夹杂物的聚集与上浮；通过钢包渣氧化性的控制或钢包内炉渣的改性处理来进一步控制钢水质量。

钢水炉外精炼工序采用RH真空处理工艺或LF+VD工艺来控制钢水中的夹杂物。

连铸工序分别采用保护浇注技术、中间包控流装置、中间包覆盖剂、碱性包衬、结晶器冶金技术来控制钢水中夹杂物，提高钢水纯净度；并在浇注过程中防止下渣和卷渣，防止铸坯皮下气孔产生。

近年来，国内外科研工作者又开始对钢中的夹杂物进行变性处理，通过控制夹杂物的形态来降低其对钢的性能的危害。如向钢水中添加钙、钙系合金、稀土等。

综上所述，目前钢中非金属夹杂物的控制贯穿于整个钢铁生产流程的各道工序，钢水纯净度的提高依赖于全流程多种控制技术的共同作用。

发明内容

本发明旨在目前钢铁生产流程的基础上最大限度的提高钢水的纯净度，提出一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，包括如下步骤：

步骤一、在钢铁生产流程中炼钢工序的出钢过程中，利用椭圆形钢包（11）承接钢水；

步骤二、将所述椭圆形钢包吊运至旋转平台的钢包支撑系统（12）上，通过电动机驱动钢包支撑系统（12）在旋转平台（14）上高速旋转，钢包支撑系统（12）带动椭圆形钢包（11）在水平方向上高速旋转，对钢水进行超重力分离，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集；

步骤三、待超重力分离完成后关闭电动机，椭圆形钢包停止旋转，富集至钢包中心区域的非金属夹杂物聚集并上浮至钢水上表面；然后将钢包移出旋转平台，开启椭圆形钢包的下水口，使净化后的钢水经椭圆形钢包下水口流进另一个容器，使聚集并上浮的所述非金属夹杂物残留在椭圆形钢包内，最终实现钢水中非金属夹杂物的去除。

优选地，所述炼钢工序可以是转炉炼钢工序、电炉炼钢工序或炉外精炼工序。

优选地，所述炼钢工序可以是连铸工序，所述出钢过程位于中间包前或注锭前。

优选地，步骤二中的超重力系数大于200g，钢水温度控制在1600℃以上；

优选地，步骤二中的超重力系数大于400g。

优选地，步骤二中的超重力系数大于600g。

本发明还提供一种应用于上述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法中的离心分离设备，其特征在于：所述离心分离设备包括椭圆形钢包（11）、钢包支撑系统（12）、轴承（13）、旋转平台（14）、传动轴（15）、调速电动机（16）、电动机支撑系统（17）。承载钢水的椭圆形钢包（11）经钢包支撑系统（12）支撑，电动机（16）通过连接的传动轴（15）驱动钢包支撑系统（12）在旋转平台（14）上高速旋转，再由钢包支撑系统（12）带动椭圆形钢包（11）实现离心旋转，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集。

本发明的优点在于：利用超重力技术实现了钢水中不同尺寸、不同类型的非金属夹杂物的定向富集及去除，显著提高了钢水的洁净度，改善了钢的强度、塑性、韧性等力学性能；同时本发明依托钢铁企业现有流程及装备，能有效的减轻炉外精炼工序的压力，缩短冶炼时间，加快全流程的生产节奏。经试验证明本发明提供的方法处理钢水，超重力分离后钢水中各类非金属夹杂物的数量可减少80%以上。

附图说明

图1为超重力去除钢水中非金属夹杂物过程示意图。

图2为超重力去除钢水中非金属夹杂物的离心分离设备示意图。

其中，（1）-钢水，（2）-非金属夹杂物，（3）-非金属夹杂物聚集相，（4）-净化后钢水。(11）-椭圆形钢包，（12）-钢包支撑系统，（13）-轴承，（14）-旋转平台，（15）-传动轴，（16）-调速电动机，（17）-电动机支撑系统。

具体实施方式

本发明结合图1所示超重力去除钢水中非金属夹杂物的流程予以说明。

在钢铁生产流程中炼钢工序的出钢过程，直接使用椭圆形钢包替代普通钢包承接钢水，加入脱氧剂后将椭圆形钢包吊运至旋转平台，通过电动机驱动钢包支撑系统在旋转平台上高速旋转，钢包支撑系统带动椭圆形钢包在水平方向上高速旋转，离心旋转产生的超重力促使钢水中非金属夹杂物沿超重力相反方向定向富集至钢包中心区域。超重力分离钢水中非金属夹杂物的过程，控制超重力系数（超重力系数为离心旋转状态下的重力系数与正常状态下的重力系数之比）大于200g，钢水温度控制在1600℃以上。

超重力分离完成后关闭电动机、椭圆形钢包停止旋转，富集至钢包中心区域的非金属夹杂物会聚集、上浮至钢水上表面。然后将钢包移出旋转平台或移入下一个炼钢工位，开启椭圆形钢包的下水口，使净化后的钢水经椭圆形钢包下水口流进另一个钢包或钢包炉，或将椭圆形钢包吊运至连铸中间包上方，将净化后的钢水注入连铸中间包；而聚集的非金属夹杂物残留在椭圆形钢包内，最终实现钢水中非金属夹杂物的去除。

其中，上述炼钢工序可以是转炉炼钢工序、电炉炼钢工序及炉外精炼工序；也可以是连铸工序，连铸工序中的出钢过程位于中间包前或注锭前。

实施本发明上述方法的配套超重力去除钢水中非金属夹杂物的离心分离设备如图2所示。

本发明配套的超重力去除钢水中非金属夹杂物的离心分离设备主要包括椭圆形钢包（11）、钢包支撑系统（12）、轴承（13）、旋转平台（14）、传动轴（15）、调速电动机（16）、电动机支撑系统（17）。承载钢水的椭圆形钢包（11）经钢包支撑系统（12）支撑，电动机（16）通过连接的传动轴（15）驱动钢包支撑系统（12）在旋转平台（14）上高速旋转，再由钢包支撑系统（12）带动椭圆形钢包（11）实现离心旋转，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集。此外，轴承（13）固定在旋转平台（14）上，并位于钢包支撑系统（12）下方，防止钢包支撑系统（12）在旋转过程中与旋转平台之间出现硬性碰撞，导致设备损坏。

以下结合具体实例予以阐述。

实施例1：

超重力去除A钢厂钢中的非金属夹杂物：

取A钢厂冷镦钢试样，首先将钢样加热至1620℃恒温30min使其完全熔化，然后注入离心分离罐，并立即开启离心分离设备，在温度1620℃、超重力系数600g条件下进行超重力分离，通过离心旋转产生的超重力促使钢水中非金属夹杂物沿超重力相反方向定向富集。待超重力分离完成后，承接净化后的钢水冷却至室温。分别取超重力分离前后的钢样各一段（尺寸为φ28×8mm）进行镶样、磨样、抛光，然后在金相显微镜下放大500倍进行观察，每个试样上无重复的选取50个视场拍照，最后通过统计视场中夹杂物的大小及数量来评价超重力分离前后钢中非金属夹杂物的变化规律如下表1所示：

表1超重力分离前后A钢厂钢中的非金属夹杂物对照表

50个不重复视场中夹杂物的总量统计结果表明：利用超重力技术实现钢中非金属夹杂物的高效去除，超重力分离后钢水中各类非金属夹杂物的数量减少了85.1%。

实施例2：

超重力去除B钢厂钢中的非金属夹杂物：

取B钢厂冷镦钢试样，首先将钢样加热至1620℃恒温30min使其完全熔化，然后立即开启离心分离设备，分别在温度1620℃、超重力系数500g条件下进行超重力分离，通过离心旋转产生的超重力促使钢水中非金属夹杂物沿超重力相反方向定向富集。待超重力分离完成后，承接净化后的钢水冷却至室温。分别取超重力分离前后的钢样各一段（尺寸为φ28×8mm）进行镶样、磨样、抛光，然后在金相显微镜下放大500倍进行观察，每个试样上无重复的选取50个视场拍照，最后通过统计视场中夹杂物的大小及数量来评价超重力分离前后钢中非金属夹杂物的变化规律如下表2所示：

表2超重力分离前后A钢厂钢中的非金属夹杂物对照表

50个不重复视场中夹杂物的总量统计结果表明：利用超重力技术实现钢中非金属夹杂物的高效去除，超重力分离后钢水中各类非金属夹杂物的数量减少了83.6%。

实施例3：

超重力去除C钢厂钢中的非金属夹杂物：

取C钢厂冷镦钢试样，首先将钢样加热至1620℃恒温30min使其完全熔化，然后立即开启离心分离设备，分别在温度1620℃、超重力系数400g条件下进行超重力分离，通过离心旋转产生的超重力促使钢水中非金属夹杂物沿超重力相反方向定向富集。待超重力分离完成后，承接净化后的钢水冷却至室温。分别取超重力分离前后的钢样各一段（尺寸为φ28×8mm）进行镶样、磨样、抛光，然后在金相显微镜下放大500倍进行观察，每个试样上无重复的选取50个视场拍照，最后通过统计视场中夹杂物的大小及数量来评价超重力分离前后钢中非金属夹杂物的变化规律如下表3所示：

表3超重力分离前后A钢厂钢中的非金属夹杂物对照表

50个不重复视场中夹杂物的总量统计结果表明：利用超重力技术实现钢中非金属夹杂物的高效去除，超重力分离后钢水中各类非金属夹杂物的数量减少了81.2%。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：

步骤一、在钢铁生产流程中炼钢工序的出钢过程中，利用椭圆形钢包（11）承接钢水；

步骤二、将所述椭圆形钢包吊运至旋转平台的钢包支撑系统（12）上，通过电动机驱动钢包支撑系统（12）在旋转平台（14）上高速旋转，钢包支撑系统（12）带动椭圆形钢包（11）在水平方向上高速旋转，对钢水进行超重力分离，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集；

步骤三、待超重力分离完成后关闭电动机，椭圆形钢包停止旋转，富集至钢包中心区域的非金属夹杂物聚集并上浮至钢水上表面；然后将钢包移出旋转平台，开启椭圆形钢包的下水口，使净化后的钢水经椭圆形钢包下水口流进另一个容器，使聚集并上浮的所述非金属夹杂物残留在椭圆形钢包内，最终实现钢水中非金属夹杂物的去除。

2.如权利要求1所述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：所述炼钢工序可以是转炉炼钢工序、电炉炼钢工序或炉外精炼工序。

3.如权利要求1所述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：所述炼钢工序可以是连铸工序，所述出钢过程位于中间包前或注锭前。

4.如权利要求1所述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：其中，步骤二中的超重力系数大于200g，钢水温度控制在1600℃以上。

5.如权利要求1所述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：步骤二中的超重力系数大于400g。

6.如权利要求1所述超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法，其特征在于：步骤三中的超重力系数大于600g。

7.一种应用于所述权利要求1-6任一超重力去除钢水中非金属夹杂物的方法中的离心分离设备，其特征在于：所述离心分离设备包括椭圆形钢包（11）、钢包支撑系统（12）、轴承（13）、旋转平台（14）、传动轴（15）、调速电动机（16）、电动机支撑系统（17）；承载钢水的椭圆形钢包（11）经钢包支撑系统（12）支撑，电动机（16）通过连接的传动轴（15）驱动钢包支撑系统（12）在旋转平台（14）上高速旋转，再由钢包支撑系统（12）带动椭圆形钢包（11）实现离心旋转，通过离心旋转产生的超重力实现钢水中非金属夹杂物的定向富集。