真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响_罗艳.pdf

基金项目：国家自然科学基金资助项目（）通信作者：杨文（），男，博士，教授；：；收稿日期：真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响罗艳，杨文，刘占礼，姜静宇（北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 ；河钢集团有限公司 钢研总院，河北 石家庄 ；河钢集团有限公司 舞钢公司，河北 舞钢 ）摘要：为提高 风电钢 精炼过程大尺寸夹杂物的去除效率，展开了 底吹工艺优化试验研究。在 真空处理前，方案即 精炼高真空的前 底吹单孔流量 、后 单孔流量 条件下，钢中夹杂物主要为高 含量的钙铝酸盐，而优化方案即 精炼高真空的前 底吹单孔流量 、后 单孔流量 条件下钢中夹杂物平均成分为更低熔点钙铝酸盐；处理后钢中夹杂物均为低熔点夹杂物。方案中 精炼过程大于 和大于 的夹杂物平均尺寸分别增加 和 ；方案中大于 和大于 的夹杂 物 的 平 均 尺 寸 分 别 增 加 和 ，尤 其 夹 杂 物 数 密 度 仅 分 别 增 加 和 。这充分说明了 精炼过程高真空的前 强搅拌、后 中强搅拌的工艺有利于对大颗粒夹杂物的去除，同时减小卷渣概率。关键词：精炼；底吹工艺；大尺寸夹杂物；风电钢中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（），（），：；年月第 卷 第期炼钢 风电用钢要求高的冲击韧性、耐疲劳性、焊接性，而钢中非金属夹杂物是影响其性能最重要的因素之一。为了更好地控制非金属夹杂物、提升洁净度，风电钢生产常采用“精炼真空精炼”双联工艺，其中 精炼用于造渣和脱硫，真空精炼主要用于脱气和去除非金属夹杂物，此外还常采用钙处理对钢中非金属夹杂物进行改性。各钢铁企业采用的真空精炼工艺主要包括 精炼和 精炼，其中在 精炼工艺流程下生产的风电钢轧材成品中常出现大尺寸夹杂物，严重损害产品性能，亟待控制。影响钢包精炼效果的因素有很多方面，其中钢液搅拌强度对钢的洁净度影响较大 。钢液搅拌强度会影响钢中全氧和全硫含量，搅拌强度过大会导致钢液发生二次氧化和卷渣，搅拌强度过小时夹杂物不容易上浮去除 。同时，研究发现真空精炼中的真空度、真空处理时间 以及后续的软吹时间 等对钢中化学成分及夹杂物的去除也有一定程度的影响。尽管钢包精炼的相关研究较多，但是真空精炼过程中的搅拌强度（吹气流量）对钢中大颗粒夹杂物的影响相对较少，因此有必要从该角度对其进行探究，获得真空精炼过程中最优的钢液搅拌强度。本文以国内某钢厂“精炼 精炼”工艺生产的 风电钢为研究对象，开展 精炼过程钢包底吹模式优化试验，分别对不同工艺条件下钢中大尺寸非金属夹杂物进行分析，得出利于大颗粒非金属夹杂物控制的 精炼底吹工艺参数。试验方法 风电钢的生产工艺为：转炉冶炼 精炼 精炼软吹连铸热轧。精炼操作工艺为抽真空并调节底吹氩气流量来促进脱气，从开始抽真空到 和高真空的前 维持一个吹氩流量，随后调小底吹流量促进夹杂物上浮去除。其中真空脱气时间维持在 ，破空后进行钙处理，软吹时间不小于 ，同时不进行静置处理。之后中间包采用保护浇铸方式进行浇铸。为了研究 精炼底吹模式对钢中大尺寸夹杂物去除的影响，主要通过调整 精炼的真空过程中吹氩流量来开展，其具体吹氩流量如表所示。分别在 真空处理前、精炼结束、中间包浇铸、浇铸中期连铸坯及对应的热轧板取钢样，在 结束后分别取精炼渣。钢样经过磨抛处理后采用自动扫描电镜 进行夹杂物检测和分析，采用的加速电压为 ，每个试样所扫描的面积都大于 ，检测的最小夹杂物尺寸为。采用电火花和氧氮仪检测钢中化学成分，采用 射线荧光分析检测渣的成分，如表和表所示。表 底吹单孔流量优化参数 方案底吹单孔流量（）开始真空至 高真空的前 高真空的后 破空后喂丝软吹软吹时间 表 钢的化学成分变化 方案工序 进站 结束 进站 结束 进站 结束 第期罗艳，等：真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响表 钢在 结束后精炼渣的成分（）方案 精炼前后钢中非金属夹杂物成分及形貌特征 夹杂物成分特征图为方案吹氩模式下 精炼前后钢中非金属夹杂物成分分布。在 精炼过程中，钢中夹杂物主要由固态的 转变为液态的 系夹杂物。夹杂物的数密度降低了 个，但是钢中夹杂物平均尺寸由 增大到 ，且大于 夹杂物的去除效率为 ，这说明 精炼过程高真空的前 单孔底吹流量 、后 单孔底吹流量 条件下对大颗粒夹杂物的去除效果并不理想。图方案条件下 精炼前后钢中夹杂物成分分布 （）图和图分别为方案和方案条件下 精炼前后钢中夹杂物成分分布。在方案和方案条件下，在 精炼过程中，钢中夹杂物主要由近液态的 转变为完全液态的夹 杂 物，其数 密 度 也 分别降 低 了 和 ，大于 夹杂物的去除效率分别为 和 。与方案对比，夹杂物的平均尺寸也增加，最大直径增加幅度分 炼钢第 卷别为 和 ，其中在方案中夹杂物的最大尺寸是由 增 加到 。这表明在 精炼的真空精炼过程强搅拌弱搅拌模式（方案），在真空后期因没有较好的钢渣反应而不利于大尺寸夹杂物的去除；同时还可以推断出 精炼过程高真空前的 单孔底吹流量 、后 单孔底吹流量 条件下，在 精炼前夹杂物的熔点虽然更低，但精炼结束后夹杂物的最大尺寸最小，夹杂物数量明显减少，更好地展现对大颗粒夹杂物的去除效果。图方案条件下 精炼前后钢中夹杂物成分分布 （）第期罗艳，等：真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响图方案条件下 精炼前后钢中夹杂物成分分布 （）夹杂物形貌特征图为方案和方案条件下 真空处理前钢中典型夹杂物的形貌和成分。在 真空处理前钢中夹杂物的形貌大多数为球形或者近球形的，但在方案中存在带棱角的高含量 类夹杂物，而方案中夹杂物主要为球状的且大尺寸的 夹杂物。图方案和条件下 真空处理前钢中典型夹杂物形貌和成分 （）不同底吹流量下的夹杂物数量和尺寸 夹杂物数量和尺寸图为不同底吹流量下钢中大于 夹杂物的数密度和面积分数对比。尽管 真空前夹杂物的数密度在个，但到热轧板中其数密度都小于个。精炼过程高真空的前 单孔底吹流量 、后 单孔底吹流量 条件下，明显发现在整个工艺流程中夹杂物的面积分数都维持在（）。图为不同底吹流量下钢中大于夹杂物的尺寸对比。在 真空前，钢中夹杂物的平均直径保持在。随后不同底吹流量引起夹杂物的平均尺寸波动，尤其在 软吹 后，夹杂物的平均尺寸都有所增加，最终影响了热轧板的夹杂物尺寸。同样可得在 精炼过程高真空的 前 单孔 底 吹流 量 、后 炼钢第 卷图不同底吹流量下钢中夹杂物的数密度和面积百分数对比 单孔底吹流量 条件下，夹杂物的平均尺寸波动最小。从夹杂物的最大直径可知，采用 精炼过程中高真空前 强搅拌，后 弱搅拌（方案）的工艺后热轧板中夹杂物的最大尺寸比原工艺的要小。图不同底吹流量下钢中夹杂物的尺寸对比 不同尺寸夹杂物分布对比在种 底吹流量下，大于 的夹杂物的 去 除 效 率 分 别 是 、和 ，但是大颗粒夹杂物的平均直径和数密度的变化同样需要重视。图为不同底吹流量下钢中夹杂物的平均尺寸和数密度的变化。尽管方案中大于 的夹杂物去除效果最佳，但是对夹杂物平均尺寸的增加幅度达 。而大尺寸夹杂物对钢材的性能影响更大，与方案中大于 和大于 的夹杂物平均直径分别增加了 和 对比，发现在方案中 精炼过程的大于 和大于 的夹杂物的平均尺寸增加幅度分别为 和 ，方案中夹杂 物 的 平 均 直 径 分 别 增 加 了 和 ；尤其在数密度方面方案 中大于 和 大 于 的 夹 杂 物 分 别 仅 增 加 了 和 。这充分说明了 精炼过程高真空的前 强搅拌、后 中强搅拌（方案）的工艺有利于对大颗粒夹杂物的去除。为了证实 真空搅拌强度对大颗粒夹杂物的去除效果，选取了不同底吹流量下对应的热轧板中夹杂物的平均直径和数密度的变化，如图所示。可以看出，精炼过程 高真空的前 单孔底吹流量 、后 单孔底吹流量 条件下，由于 结束后钢中夹杂物的平均尺寸最小，以致于热轧板中的夹杂物尺 寸也是最小的。从夹杂物数密度来看，种底吹第期罗艳，等：真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响图不同底吹流量下钢中夹杂物的平均直径和数密度的变化 图不同底吹流量下热轧板中夹杂物的平均直径和数密度的变化 流量下大于 的夹杂物的数密度都维持在较低的水平（个）；但大于 夹杂物的数密度排序是方案方案方案。为了降低由大颗粒夹杂物引起的风电钢热轧板缺陷，综合上述研究可知通过调节 精炼过程的底吹流量可以减少大颗粒夹杂物对钢材性能的危害。为了减少大于 的夹杂物数量和最大尺寸，可以采用 精炼高真空的前 单孔吹氩流量 ，后 单孔吹氩流量 来促进大尺寸夹杂物的去除同时减小卷渣概率；对于大于 夹杂物，则建议采用 高真空的前 强搅拌，后 中强搅拌（方案）的工艺参数。结论）精炼高真空的前 单孔吹氩流量 ，后 单孔吹氩流量 条件下，钢中夹杂物由高含量 的钙铝酸盐变为低熔点夹杂物。而 精炼高真空的前 强搅拌和后 中弱搅拌，钢中夹杂物主要为低熔点夹杂物。）为了降低大于 的夹杂物数量和减小夹杂物的尺寸，可以采用 精炼高真空的前 单孔吹氩流量 ，后 单孔吹氩流量 来促进夹杂物的去除同时减小卷渣概率。）为了降低由大颗粒夹杂物引起的风电钢热轧板缺陷，建议采用 高真空的前 强搅拌、后 中强搅拌的工艺参数来减少热轧板中大于 夹杂物的数量和尺寸。参 考 文 献黄星武 风电钢探伤不合格原因分析钢铁研究，（）：炼钢第 卷付振坡，赵晓萍，李双江，等风电钢焊后热影响区探伤不合原因分析炼钢，（）：张立峰钢中非金属夹杂物北京：冶金工业出版社，张立峰关于钢洁净度指数的讨论炼钢，（）：，（）：，（）：杨文，李超，张立峰，等优化钙处理工艺减少管线钢类夹杂物中国冶金，（增刊）：，（）：，（）：，（）：，（）：，成国光，张鉴，佟福生，等单嘴精炼装置真空室内卷渣水模型研究特殊钢，（）：姜敏，李凯轮，王昆鹏，等低氧高碳铬轴承钢 精炼时洁净度与夹杂物特征变化炼钢，（）：，（）：，（）：胡文豪，朱施利 精炼工艺对 钢中总氧及 含量的影响工程科学学报，（增刊）：，（）：杨锋功，杨华峰，战东平，等钢包软吹氩时间对 轴承钢中夹杂物的影响材料与冶金学报，（）：（上接第 页）田博，孙立根，朱立光高温条件下 处理船体钢钉扎粒子的作用行为炼钢，（）：，（）：，（）：张亚运，张宇，王纳，等焊接热输入量对 处理钢粗晶热影响区组织和低温韧性的影响热加工工艺，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：第期罗艳，等：真空精炼过程底吹氩气工艺对风电钢中大颗粒夹杂物的影响