超低碳钢钢水增碳的分析.doc

超低碳钢钢水增碳的分析
李慈颖 彭明耀 王仕华 甘绍君
（涟源钢铁集团有限公司，湖南 娄底 417009）
摘要：超低碳钢连铸坯的含碳量(质量分数，下同)要求控制在≤0.005%，关键在于精炼脱碳时将碳降到0.003%以下，然后在脱氧合金化、调温浇铸成坯的过程中，在各个环节采取低碳和超低碳材料及工艺手段防止钢水增碳。
关键词：超低碳钢；碳的控制；增碳
Analysis of Carburization of Ultra-Low-Carbon Steel
LI Ci-ying, PENG Ming-yao, WANG Shi-hua, GAN Shao-jun
(Lianyuan Iron and Steel Group Co.Ltd.Loudi Hunan 417009)
Abstract: The carbon content of continuous casting slab of ultra-low-carbon steel is normally required to be controlled within the limit of 0.005%. To fulfil the purpose the key point is assumed to cut the carboncontent to 0.003% down below in the refined carburization phase, and then deoxidize and alloy. In the process of temperature adjustment and casting the low carbon and extra low carbon materials and closely related technologies have to be used in each and everyoperating step in order to prevent the steel from carbonization.
Keywords: ultra-low-carbon steel, carbon control, carburization
1 前言
超低碳钢是指含碳量在0.005%以下供冷轧用钢，该钢种生产的技术难点之一就是含碳量的控制。它的生产工艺复杂，制造技术严格，国外的生产技术都以专利形式加以保护，视为企业的生命。超低碳钢板的制造技术和产品质量是衡量一个国家特殊钢生产和科技发展水平的重要标志之一。
碳对超低碳钢的性能影响很大。因此碳在超低碳钢中为有害元素，超低碳钢中成品碳含量应尽可能低。在开发超低碳钢冶炼工艺技术时，为了获得碳含量小于0.003%，甚至更低的超低碳钢，关键是脱碳的水平及精炼后至连铸浇注成坯的过程中防止钢水增碳[1, 2]。
2 钢中碳含量分布状况
本次共统计了173炉超低碳钢。某厂从精炼脱碳终点至热轧卷样碳含量的分布情况，见表1和图1。

图1 精炼脱碳终点至热轧卷样碳含量的最小、最大和平均值分布情况
表1 精炼脱碳终点至热轧卷样碳含量的变化情况
碳含量，%
炉数所占比例，%
精炼脱碳终点
精炼出站
连铸中包
热轧卷样
0.001
0.61

0.002
8.48
5.20

0.003
38.18
21.39
2.31
4.55
0.004
23.03
37.58
18.50
4.55
0.005
15.15
28.32
31.79
18.18
0.006
4.85
4.62
19.65
18.18
0.007
3.64
2.31
12.14
36.36
0.008
2.42
0.58
6.36
13.63
0.009
1.82

6.36
4.55
0.010
1.82

2.89

统计结果表明，精炼出站至连铸中包，钢水中碳含量增加。
精炼脱碳终点和精炼出站碳含量均主要分布在0.003%～0.005%，所占比例分别为76.36%和87.29%；碳含量≤0.005%的比例分别为85.45%和92.49%；碳含量大于0.005%的比例分别为14.55%和7.51%。
连铸中包和热轧卷样碳含量主要分别在0.004%～0.007%和0.005%～0.007%，所占比例分别为82.08%和72.72%；碳含量≤0.005%的比例分别为52.6%和27.28%；碳含量大于0.005%的比例分别达到了47.4%和72.72%。
3 分析与讨论
精炼脱碳终点至精炼出站，最大增碳量为0.004%，未增碳的炉次为56.36%，增碳量在0.001%～0.002%的炉次占了42.42%，增碳量大于0.002%的炉次为1.22%。
精炼出站至连铸中包的平均增碳量为0.002%，最大增碳量为0.007%，未增碳的炉次为19.08%，增碳量在0.001%～0.002%的炉次占了58.96%，而增碳量大于0.002%的炉次达到了21.96%。
连铸中包至热轧卷样，最大增碳量为0.003%，未增碳的炉次达到了68.18%，增碳量在0.001%～0.002%的炉次占了22.73%，增碳量为0.003%的炉次为9.09%。
生产过程中，引起钢液增碳的主要原因有钢包包衬侵蚀增碳、加入的合金辅料增碳、操作不当引起的增碳和连铸浇铸辅料(中包覆盖剂、结晶器保护渣等)增碳等。
3.1 包衬侵蚀增碳
在173炉超低碳钢中，有33炉钢使用了包壁为无碳砖的钢包，其余钢包包壁均为铝镁碳砖。图2列出了从精炼出站至连铸中包，使用无碳钢包与铝镁碳砖钢包钢水的增碳情况。

图2 使用无碳钢包与铝镁碳砖钢包钢水增碳情况
从精炼出站至连铸中包钢水增碳的分布情况看，使用无碳钢包与铝镁碳砖钢包钢水增碳有较大差异，使用无碳钢包的炉次平均增碳量为0.001%，增碳量为0.001%的炉次占了26.67%，增碳量大于0.001%的炉次为33.33%；使用镁碳砖钢包的炉次的平均增碳量为0.002%，增碳量为0.001%的炉次占了37.76%，增碳量大于0.001%的炉次所占比例达到了47.55%。使用无碳钢包的炉次中，有40%的炉次未增碳；而使用铝镁碳砖钢包时则只有14.69%。
因此，钢包炉衬是决定钢水增碳的原因之一。
钢包渣线部位的材料是镁碳砖(化学成分指标见表2)，取样检测ω(C)=13%；包壁为铝镁碳砖或无碳砖。镁碳砖的热震稳定性和抗渣性较好，但却带来了钢水增碳问题。精炼冶炼时，钢包内衬在使用中不断受到钢液和熔渣侵蚀以及机械冲刷作用，而渣线部位的镁碳砖易被钢水浸泡，造成钢水增碳。为对增碳量的范围作出估算，计算最大值时假设被钢水熔蚀的部位镁(铝)碳砖中的碳全部进入钢液，再根据钢包工作层的几何尺寸估算出每炉被钢水熔蚀耐材的体积，可得出内衬造成的增碳量范围约0～0.011%。钢包内衬侵蚀增碳分两个阶段：一是转炉出钢至精炼处理期，这一阶段钢包内衬侵蚀进入钢水的[C]大部分在精炼处理过程中被脱掉了；二是精炼出站至连铸中包这段时间，这是引起钢水增碳的主要原因。
表2 镁碳砖的化学成分指标
项目
指标
MT10A
MT10B
MT10C
MT14A
MT14B
MT14C
MT18A
MT18B
MT18C
MgO,%
不小于
80
78
76
76
74
74
72
70
70
C,%
不小于
10
10
10
14
14
14
18
18
18
根据测量，精炼每处理一炉钢，钢包渣线部位侵蚀量平均约为2mm，包壁部位侵蚀量平均约为1mm，包底部位侵蚀量平均约为0.8mm。
(1) 钢包渣线部位使用镁碳砖砌筑13层，钢水浸泡渣线部位总高约700mm，钢包内径
平均约为2830mm，则计算出渣线部位侵蚀的重量为：
Q＝π×D×L×h×ρ＝3.14×283cm×70cm×0. 2cm×2.98g/cm3＝37.09Kg/(每炉)
镁碳砖的[C]含量平均值为13%，则侵蚀的包衬中含[C]为：
Q[c]=37.09×13%=4.82kg
精炼钢的平均炉产量104t，若上述[C]全部进入钢水中，则钢包渣线镁碳砖侵蚀造成每炉钢增碳：
δ[c]＝(4.82×100%)/(104×1000)＝0.0046%(即46ppm)
(2) 包壁部位使用铝镁碳砖砌筑8层，总高约1840mm，钢包内径平均约为2700mm，
则计算所得包壁部位侵蚀的总重量为：
Q＝π×D×L×h×ρ＝3.14×270cm×184cm×0. 1cm×2.9g/cm3＝45.26Kg(每炉)
铝镁碳砖的[C]含量平均值分别为10.3%，则侵蚀的包衬中含[C]为：
Q[c]=45.26×10.3%=4.66kg
按精炼钢平均炉产量104t计算，则钢包侵蚀所造成增碳量约为：
δ[c]＝(4.66×100%)/(104×1000)＝0.00448%(即44.8ppm)
(3) 包底部位使用铝镁碳砖砌筑2层，包底内径平均约为2634mm，则计算所得包底部
位侵蚀的总重量为：
Q＝π×r2×h×ρ＝3.14×131.72cm×0.08cm×2.9g/cm3＝12.6Kg(每炉)
铝镁碳砖的[C]含量平均值为10.3%，则侵蚀的包底中含[C]为：
Q[c]=12.6×10.3%=1.3kg
按精炼钢平均炉产量104t计算，则钢包侵蚀所造成增碳量约为：
δ[c]＝(1.3×100%)/(104×1000)＝0.00125%(即12.5ppm)
结合图2，反推出在精炼出站至连铸中包这一阶段钢包内衬的侵蚀量，见表3。
表3 钢包内衬侵蚀量与增碳量的关系（精炼出站至连铸中包）
增碳量，%
侵蚀量，mm
铝镁碳砖钢包
无碳钢包
渣线
包壁
包底
渣线
包底
0.001
0.19
0.10
0.08
0.34
0.14
0.002
0.38
0.19
0.15
0.68
0.27
0.003
0.58
0.29
0.23
1.02
0.41
0.004
0.77
0.39
0.31
1.36
0.55
0.005
0.96
0.48
0.39
1.70
0.68
0.006
1.15
0.58
0.46
2.04
0.82
0.007
1.35
0.68
0.54
2.38
0.96
0.008
1.54
0.77
0.62
2.71
1.09
0.009
1.73
0.87
0.70
3.05
1.23
0.010
1.92
0.97
0.77
3.39
1.37
无碳钢包和铝镁碳砖钢包的区别在于包壁分别使用的是无碳砖和铝镁碳砖。由图2、表3和上面计算得出，与使用无碳钢包相比，使用铝镁碳砖钢包，钢水增碳的机率明显增加。使用无碳包时，精炼至连铸中包平均增碳为0.001%，则在转炉出钢至精炼处理过程中，钢包内衬侵蚀增碳量为0.003%；使用铝镁碳砖时，精炼至连铸中包平均增碳为0.002%，则在精炼处理过程中，钢包内衬侵蚀增碳量为0.007%。
3.2 合金辅料增碳
图3示出了合金化前后钢水的增碳情况。

图3 合金化前后钢水的增碳情况
由图3可见，合金化前后钢水的最大增碳量为0.004%。与合金化前相比，合金化后未增碳的炉次占了56.36%，这与取样及检测有关；增碳的炉次占了43.64%，增碳量大部分分布在0.001%～0.002%，由此可见，在精炼处理过程中，合金及辅料造成钢水增碳。
3.2.1 合金增碳
精炼冶炼期加入的各种合金辅料主要是Al、低碳锰铁、硅铁、硅钙和精炼剂等，目的是为了脱氧和调整钢液成分。按精炼生产超低碳钢计算加入合金的增碳量，表4列出了不同合金的加入量及增碳量。
表4 不同合金的加入量及增碳量
合金名称
加入量，kg/炉
C含量，%
每炉钢重量，吨
增碳量，%
75%硅铁
900
0.25
104
0.0021
低碳锰铁
200
0.56
0.0011
精炼精炼剂
200
0.3
0.0006
硅钙
60
1.4
0.00008
从表4可见，精炼钢水在合金化后，钢水增碳量不会高于0.00388%(即38.8ppm)。结合图3，精炼钢水在合金化时，合金加入到真空室内，且钢水处于高速循环状态，钢水中还含有大量的氧，合金中大部分碳被脱掉了，故合金中碳含量增加与理论计算有很大的偏差。
3.2.2 辅料增碳
超低碳钢生产中使用的辅助材料有复合还原剂、低硅调渣剂、大中包无碳覆盖剂。但均投放在钢水表面，且加入后，钢水处于静止或自然下降状态，辅料没有与钢水混合的机会，其中的碳不能进入钢水中，因此，辅料对钢水增碳的影响可忽略。
3.3 操作不当引起增碳
不同班组超低碳钢钢水的[C]控制情况有所差异，用于统计的炉数(不包括中包第一炉、中包无化学成分及不清楚记录班组的炉次)为：A班组共51炉，B班组共49炉，C班组共57炉。图4～6示出了不同操作工对钢水[C]控制的情况。

图4 班组与精炼出站钢水[C]的情况

图5 班组与中包钢水[C]的情况

图6 班组与钢水出站→中包增碳的情况
从图4～6可见，A班组出站[C]波动范围大，有部分炉次出站[C]控制过高，但均控制在0.005%以内，平均为0.004%；中包[C]波动范围最小，96%的炉次[C]在0.004%～0.006%，平均为0.005%；从精炼出站至连铸中包增碳的范围最窄，95%的炉次增碳量在0～0.002%，平均增碳为0.002%。
B班组钢水出站[C]波动小，但出站[C]含量整体偏高，平均为0.005%，有个别炉次碳含量超过0.007%；中包[C]波动范围最大，平均为0.006%；从精炼出站至连铸中包增碳的范围较宽，平均增碳为0.002%。
C班钢水出站[C]波动范围不大，但[C]控制过高，平均出站[C]为0.005%，还有大于0.007%的异常炉次出现；中包[C]波动范围较大，平均为0.006%，有个别炉次碳含量超过0.010%；从精炼出站至连铸中包增碳的范围较宽，平均增碳为0.002%，有个别炉次增碳超过0.008%。
总的来说，A班组对钢水出站[C]控制比较理想，但需进一步减少波动范围，中包[C]最低，钢水增碳的范围最窄，其它两个班组需努力控制好合金化前钢水[C]含量，降低钢水出站[C]，减少钢水增碳量。
3.4 连铸浇铸料增碳
图7示出了精炼出站至热轧卷样的增碳情况。

图7 精炼出站至热轧卷样的增碳情况
从图7可见，连铸钢水增碳主要集中从精炼出站至连铸中包这段时间，平均增碳量为0.002%，最大增碳量为0.007%，增碳的炉次占了80.92%，因此精炼出站至连铸中包是超低碳钢冶炼时控制增碳的关键点。
中间包覆盖剂的ω(C)=2.6%，由于直接与钢水接触的熔融层含碳量不大，一般情况下不会造成钢水增碳。但是如遇到液面波动大、熔融层过薄等情况，会使钢液增碳。
结晶器保护渣也是钢水增碳的原因之一。由于保护渣中的碳可调节熔化速度，故碳是不可缺少的，生产超低碳钢使用的保护渣的ω(C)=10.38%。在保护渣中，溶解碳通过扩散向钢水中传质，据资料[3]介绍，增碳量一般为0.0007%。保护渣配碳的种类及数量选择不合适造成熔渣层偏薄或结晶器液面波动过大时，均易导致富碳层与钢水直接接触，从而导致钢水增碳。
耐火材料与钢水作用，中包的涂料工作层和钢包引流砂卷入钢水等也将造成钢水增碳0.001%以上，涟钢生产超低碳钢使用的中包涂料不含碳，因此中包涂料工作层增碳量较低。
滑动水口(材质)和中包塞棒的含碳量很高，但它们在高温下耐冲刷，耐侵蚀，只有少量进入钢水，因此增碳量较低。
3.5 措施
统计了不同工位的增碳量后，得出增碳主要集中在精炼出站至中包这段时间，精炼出站和中包ω(C)的平均值分别是0.004%和0.006%，统计得出炉衬增加ω(C)的范围在0～0.011%内，由于镁碳砖抗侵蚀能力优于其它耐火砖，但碳含量较高，因此应综合考虑包括成本等在内的各个因素来选择最合适的渣线材料。包衬侵蚀是钢液增碳的主要来源，包衬增碳量很大，冶炼超低碳钢时应使用无碳材质钢包。
　　中间包覆盖剂和结晶器保护渣是造成连铸增碳的主要原因。对于中包覆盖剂和结晶器保护渣，均应在满足基本性能要求的基础上控制碳质材料的配入量。操作时要注意，以保证保护渣液渣厚度稳定；同时要注意解决中间包和结晶器液面波动大的问题。其它如耐火材料和水口等增碳量虽不大，但综合作用不可忽视，因此与钢水接触的各种材料含碳量均应尽量减小。
4 结语
控制钢液增碳需注意几点：精炼合金化前应将钢水中碳脱至0.003%以下；应使用低碳合金；包衬增碳量很大，满足合理生产成本的前提下选择合适的包衬材料有利减少增碳；严格控制保护渣、中包覆盖剂等相关材料的含碳配比，并努力减小液面波动。
参考文献
1　Bommaraju R.Optimum Selection and Application of Mold Fluxes for Carbon Steels. ISS. Steelmaking Conference Proceedings.Washington: ISS.1991,74
2　Nakato H,Takeuchi S,Fujii T,et al.Characteristics of New Mold Fluxes for Strand Casting of Low and Ultra Low Carbon Steel Slabs. ISS.Steelmaking Conference Proceedings. Washington: ISS.1991,74
3 刘承军，王德永等. 连铸时超低碳钢结晶器内钢液增碳的研究[J]，特殊钢，2006，(2)
作者简介：李慈颖(1980-)，女，硕士，2007年武汉科技大学毕业，从事炼钢、连铸工艺及理论研究
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