CN115896593A - 一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法，其包括冶炼、精炼和浇铸过程；所述冶炼过程，冶炼炉内物料水份含量≤2.0wt%，转炉出钢终点钢水氧含量O≤600ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢；所述精炼过程，精炼进站钢水氧含量为130～180ppm，Al2O3夹杂直径≤15µm；所述浇铸过程，钢包中包内物料水份含量≤0.5wt%，中间包涂料氢含量[H]≤0.2wt%、中包钢水全氧含量≤20ppm、中包钢水硫含量≤80ppm。本发明从氢鼓泡产生的机理着手进行生产过程工艺方法的优化，从而有效控制低碳钢连铸板坯的氢鼓泡缺陷，有效地保证了生产的顺利进行、提升了产品质量，而不额外增加企业的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种低碳钢生产方法，尤其是一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法。
背景技术
钢厂生产低碳钢连铸板坯尤其是低碳含硼钢连铸板坯易发生板坯鼓包缺陷。如图1给出了板坯鼓泡缺陷的照片；如图1所示，板坯宽度方向中心部位鼓起直径200～100cm不等的大泡，严重时在同一块板坯长度方向甚至出现多个大小不等的鼓泡。由于鼓泡缺陷多发生于热轧加热炉内，板坯出炉时撞坏设备，造成轧制设备损伤，导致热轧停机处理，严重影响热轧正常生产。同时，发生鼓泡缺陷的连铸坯全部直接报废，造成重大损失。国内某钢厂年生产约500万吨以上低碳钢连铸板坯，仅2016年下半年，该钢厂在生产低碳含硼连铸板坯时，板坯鼓泡月平均发生５次以上，严重影响生产顺行和产品质量。因此，低碳钢连铸板坯的鼓泡缺陷已成为影响低碳钢连铸板坯尤其是低碳含硼钢连铸板坯的生产节奏和铸坯质量的主要限制环节，成为冶金技术人员研究和关注的重点技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法，以有效控制低碳钢连铸板坯的氢鼓泡缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括冶炼、精炼和浇铸过程；所述冶炼过程，冶炼炉内物料水份含量≤2.0wt%，转炉出钢终点钢水氧含量O≤600ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢；所述精炼过程，精炼进站钢水氧含量为130～180ppm，Al2O3夹杂直径≤15µm；所述浇铸过程，钢包中包内物料水份含量≤0.5wt%、中包钢水全氧含量≤20ppm、中包钢水硫含量≤80ppm。
本发明所述浇铸过程，中间包涂料氢含量[H]≤0.2wt%。
本发明所述精炼过程出钢终点钢水中，N＜25ppm时，控制硼氮比为1.05～1.60；25≤N＜30ppm时，控制硼氮比为0.86～1.17；30≤N＜35ppm时，控制硼氮比为0.78～0.91；35ppm≤N时，控制硼氮比≤0.85。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明从氢鼓泡产生的机理（二个必要条件：一是钢中有较多的氢原子（H）存在；二是钢中有氢原子移动并集中的通道，如疏松、夹杂物边缘等应力集中处）着手进行生产过程工艺方法的优化，从而有效控制低碳钢连铸板坯的氢鼓泡缺陷，有效地保证了生产的顺利进行、提升了产品质量，而不额外增加企业的生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是所述板坯氢鼓泡缺陷照片；
图2是本发明所述板坯氢鼓泡机理示意图。
具体实施方式
理论上氢鼓泡的形核、长大直至形成氢鼓泡裂的机理，如图2所示。首先首先材料制造过程中氢氢原子H随空气、耐材、各种原辅料等渗入金属材料基体的空位缺陷，并与之结合形成氢空位簇缺陷，空位簇缺陷处的氢原子结合成氢分子H2。研究表面夹杂是氢的强陷阱,它使氢原子富集在其周围,但陷阱中的氢浓度（原子比）不可能大于1，即在陷阱处不能复合成H2,因此夹杂界面只有先形成一个空穴，H才能进入复合成H2,从而成为氢鼓泡核。氢鼓泡核心随着微缺陷处氢压的增加而长大，不断扩展最终形成宏观氢鼓泡。
扫描电镜观察和能谱分析表明，氢鼓泡中均发现有夹杂物，包括 A 类硫化锰类夹杂、B 类氧化铝类夹杂和大型的D类球形夹杂，所以氢鼓泡成因与A、B、D 类夹杂均有关系。低碳钢连铸板坯钢中条状的硫化锰和串状三氧化二铝是氢鼓泡的主要发生地，氢鼓泡的大小与夹杂的大小和聚集程度有关。
本低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法适用ω([C])≤0.10%、ω([B])≥0.0005%的所有低碳、超低碳钢种；本方法包括冶炼、精炼和浇铸过程，从氢鼓泡产生的机理着手进行生产过程工艺方法的优化，从而有效控制低碳钢连铸板坯的氢鼓泡缺陷；工艺如下所述：
1、减少钢中的氢原子（H）：
低碳钢连铸板坯钢水氢来源分两个部分：一部分是冶炼炉内物料水份的带入引起的，另一部分是钢包中包内物料水份带入。因此必须控制物料水份含量：
① 冶炼炉内物料水份含量≤2.0wt%；
② 钢包中包内物料水份含量≤0.5wt%；
③ 中间包涂料氢含量[H]≤0.2wt%。
并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料，适当延长中包烘烤时间至少30分钟。上述措施可减少中包内钢水氢含量，使之氢含量不超过5ppm。
2、提高洁净度减少钢中夹杂物：
低碳钢连铸板坯钢中条状的硫化锰和串状三氧化二铝是氢鼓泡的主要发生地。因此通过通过制造过程工艺优化，如合理的脱氧工艺，应用钢包冲洗精炼渣和顶渣改质剂减少钢中的Al2O3夹杂含量；控制钢中的[S]含量，降低MnS生成量。因此要求：
① 通过提高转炉冶炼水平，降低转炉碳氧积，控制转炉出钢终点钢水氧含量[O]≤600ppm；
② 通过全工序氧含量控制或RH真空精炼，控制中包钢水全氧含量[T.O.]≤20ppm；
③ 通过铁水预脱硫或经LF炉脱硫，控制中包钢水硫含量[S]≤80ppm。
3、改变钢中夹杂物的形态：
控制连铸板坯的氢鼓泡缺陷，首先就是要控制钢中氢原子移动并集中的通道，因此控制连铸板坯偏析和夹杂物形态就是堵死氢分子扩展的通道，最重要的就是将钢中的条状MnS和串状Al2O3夹杂变形为小尺寸的夹杂，而小尺寸夹杂的控制就涉及氧化物冶金原理。
由氧化物冶金原理，MnS球化条件：钢水凝固过程中，MnS夹杂需要以充分、细小的Al2O3夹杂为核心非均质形核。因此控制钢中夹杂物的形态，将钢中的条状MnS和串状Al2O3夹杂变形为小尺寸的夹杂的主要方法就是利用氧化物冶金原理梯度脱氧，使Al2O3夹杂形成充分、细小（直径≤15µm）的Al2O3夹杂。因此：
① 钢水梯度脱氧：转炉半脱氧出钢，即出钢过程中采用碳、硅或少量铝进行钢水预脱氧，控制精炼进站钢水氧含量[O]=130～180ppm；
② 通过钢水梯度脱氧与氧化物冶金原理，控制精炼进站钢水中Al2O3夹杂直径≤15µm。
4、减少硼元素在板坯中心的偏析，尽可能满足钢中硼氮原子比接近于 1.0为原则，以氮固硼。根据精炼出钢钢水中氮含量不同，硼氮比控制如下：
① N＜25ppm时，硼氮比1.05～1.60；
② 25≤N＜30ppm时，硼氮比0.86～1.17；
③ 30≤N＜35ppm时，硼氮比0.78～0.91；
④ 35ppm≤N时，硼氮比≤0.85。
因为板坯中心处硼元素存在较大的偏析。对于低碳含硼钢，由于硼有储氢能力，钢水中氢含量高于低碳不含硼钢，凝固过程中硼偏析向中心富集，因此板坯中心处的氢含量易于富集。随着板坯温度的降低，板坯中心的氢逐渐释放析出，而板坯表面的释氢能力小而氢透过能力弱，板坯中心释放的氢不容易透过至板坯表层外，板坯中心的疏松和偏析等缺陷成为氢聚集的陷阱，当气体压力超过板坯强度时，形成大的鼓包缺陷。因此改善板坯硼元素的偏析也是降低低碳含硼钢板坯鼓包缺陷的途径之一，最有效的手段是以氮固硼，减少硼元素在板坯中心的偏析。
实施例1：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见表1。
表1：钢水成分要求（wt）/%
表1中硼、氮元素的含量根据钢水中测得的实际氮含量来调整硼含量以满足硼氮原子比要求，余量为Fe和不可避免的杂质。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=600ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=180ppm，Al2O3夹杂直径≤15µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0029%，则调整钢中硼含量B=0.002%，硼氮原子比=0.89。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间30分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.2%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=20ppm、中包钢水硫含量[S]=70ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例2：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表1。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=450ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=140ppm，Al2O3夹杂直径≤13µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0029%，则调整钢中硼含量B=0.0027%，硼氮原子比=1.17。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间40分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.18%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=17ppm、中包钢水硫含量[S]=74ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例3：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表1。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=530ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=172ppm，Al2O3夹杂直径≤12µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0025%，则调整钢中硼含量B=0.0017%，硼氮原子比=0.86。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间35分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.19%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=16ppm、中包钢水硫含量[S]=80ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例4：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见表2。
表2：钢水成分要求（wt）/%
表2中硼、氮元素的含量根据钢水中测得的实际氮含量来调整硼含量以满足硼氮原子比要求，余量为Fe和不可避免的杂质。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=500ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=150ppm，Al2O3夹杂直径≤10µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0032%，则调整钢中硼含量B=0.002%，硼氮原子比=0.81。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间30分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.15%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=18ppm、中包钢水硫含量[S]=60ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例5：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表2。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=520ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=156ppm，Al2O3夹杂直径≤13µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0030%，则调整钢中硼含量B=0.0018%，硼氮原子比=0.78。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间33分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.19%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=17ppm、中包钢水硫含量[S]=80ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例6：某低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表2。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=490ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=147ppm，Al2O3夹杂直径≤14µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0034%，则调整钢中硼含量B=0.0024%，硼氮原子比=0.91。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间32分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.15%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=17ppm、中包钢水硫含量[S]=74ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例7：某超低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉超低碳含硼钢，钢水成分要求见表3。
表3：钢水成分要求（wt）/%
表3中硼、氮元素的含量根据钢水中测得的实际氮含量来调整硼含量以满足硼氮原子比要求，余量为Fe和不可避免的杂质。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=470ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=130ppm，Al2O3夹杂直径≤12µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0036%，则钢中硼含量B=0.0015%，硼氮原子比=0.54。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间30分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.10%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=17ppm、中包钢水硫含量[S]=50ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例8：某超低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉超低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表3。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大1.8wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=570ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=168ppm，Al2O3夹杂直径≤11µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0035%，则调整钢中硼含量B=0.0023%，硼氮原子比=0.85。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间35分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.16%，钢包中包内物料水份含量最大0.4wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=14ppm、中包钢水硫含量[S]=53ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例9：某超低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉超低碳含硼钢，钢水成分要求见表4。
表4：钢水成分要求（wt）/%
表4中硼、氮元素的含量根据钢水中测得的实际氮含量来调整硼含量以满足硼氮原子比要求，余量为Fe和不可避免的杂质。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=500ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=180ppm，Al2O3夹杂直径≤15µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0024%，则调整钢中硼含量B=0.0019%，硼氮原子比=1.05。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间30分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.2%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=20ppm、中包钢水硫含量[S]=60ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例10：某超低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉超低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表4。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=450ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=140ppm，Al2O3夹杂直径≤13µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.002%，则调整钢中硼含量B=0.0025%，硼氮原子比=1.60。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间40分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.18%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=17ppm、中包钢水硫含量[S]=55ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
实施例11：某超低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法采用下述工艺。
1、生产某一炉超低碳含硼钢，钢水成分要求见上述表4。
2、生产过程控制要点：
（1）冶炼过程：冶炼炉内物料水份含量最大2.0wt%，并采取使用球团取代铁矿石，禁止在转炉冶炼后期（TSC后）加入矿石和冷压球等含水冷料；转炉出钢终点钢水氧含量[O]=530ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢。
（2）精炼过程：精炼进站钢水氧含量为[O]=172ppm，Al2O3夹杂直径≤12µm；精炼终点钢水中，测得钢水氮含量N=0.0022%，则调整钢中硼含量B=0.0022%，硼氮原子比=1.30。
（3）浇铸过程：延长中包烘烤时间35分钟，中间包涂料氢含量[H]=0.15%，钢包中包内物料水份含量最大0.5wt%、中包钢水全氧含量[T.O.]=16ppm、中包钢水硫含量[S]=50ppm。浇铸后，所得板坯未发生氢鼓泡缺陷。
统计案例：国内某钢厂年生产约500万吨以上低碳钢连铸板坯，采用传统工艺时，仅2016年下半年，该钢厂在生产低碳含硼连铸板坯时，板坯鼓泡月平均发生５次以上，严重影响生产顺行和产品质量。采用本方法工艺后，2022年上半年，该钢厂在生产低碳含硼连铸板坯时，不再发生板坯鼓泡缺陷，生产顺行和产品质量得到有力保障。
Claims (3)
1.一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法，其特征在于：其包括冶炼、精炼和浇铸过程；所述冶炼过程，冶炼炉内物料水份含量≤2.0wt%，转炉出钢终点钢水氧含量O≤600ppm、钢水梯度脱氧、转炉半脱氧出钢；所述精炼过程，精炼进站钢水氧含量为130～180ppm，Al2O3夹杂直径≤15µm；所述浇铸过程，钢包中包内物料水份含量≤0.5wt%、中包钢水全氧含量≤20ppm、中包钢水硫含量≤80ppm。
2.根据权利要求1所述的一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法，其特征在于：所述浇铸过程，中间包涂料氢含量[H]≤0.2wt%。
3.根据权利要求1或2所述的一种低碳钢连铸板坯鼓泡缺陷的控制方法，其特征在于：所述精炼过程出钢终点钢水中，N＜25ppm时，控制硼氮比为1.05～1.60；25≤N＜30ppm时，控制硼氮比为0.86～1.17；30≤N＜35ppm时，控制硼氮比为0.78～0.91；35ppm≤N时，控制硼氮比≤0.85。
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