钙处理低碳铝镇静钢全氧含量的快速预报——兼论水口蓄流与钢中钙铝比的关系.pdf

第 l 4卷 第 1 期 2 0 0 4年 1月 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 J o u r n a l o f A n Hu i Vo c a t i o n a l C o l l e g e o f Me t all u r gy a n d T e c h n o l o g y Vo 1 1 4 N o 1 J a n2 0 0 4 钙处理低碳铝镇静钢全氧含量的快速预报 兼论水 口蓄流与钢 中钙铝 比的关系 高海潮 闰 华 宋 超 颜根发(马钢 股份 公 司 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 0)摘 要：取自 马钢C S P 试验的数据 研究了钙处理低碳铝镇静钢从L F 精炼终点，直至板坯钢中T O的变化情况 根据理论 分析 与数 理统 计，开 发 出 L F精 炼终点 与板坯 全 氧 含 量的 快速 预 报 方 法，L F精 炼 终 点 实际测 量值 与 预报 值 的 T O偏 差 小 于 5 p p m 能及时指导现场生产。正确控制钢 中T O。兼论 了水口蓄流问题，理论与试验都表明当 C a A 1 s O 0 8时，水口易蓄 流 当 C a A 1：S O 0 9时 基表不蓄流。关键词：钢中全氧；预报；水口 蓄流 中图分 类号：T F v 7 0 3 8：T F v 7 7 7 1 文献标识码：A文章编号：1 0 0 95 1 3 6(2 0 0 4)0 1 0 0 0 1 0 4 C S P连铸连轧对钢水的清洁度提出了更高要 求。一般钢 的清 洁度 是 以 氧化 物夹 杂 总量 T O来 表示，世界 上 一 些 先进 钢 厂 T O控 制 水 平 见 表 1。从表 1 可见，薄板低碳 铝镇 静钢板 坯 中 T O大 约为 1 0 3 5 p p m ，但 是 T O在 线 测 定 困 难，为 了满 足 C S P连铸 连轧快 节奏、高质量 的要 求，国际上 出现 了用 A 1 i n快速预报钢 中 T O的方法。本文研究 了 L F精炼终点 直 至板 坯过 程 中，T O的变 化情 况，采 用光谱 分析 A l 、A 1 、C a 等数 据，开发 在线快 速预报钢 中 T O的新方法，以便及 时对存 在的 问题 发出预警，进 而采取有 效措施。表 1 世 界炼 钢 厂板坯 全 氯控 制水 平 炼 钢 厂铝 美 国 N a ti o n a l s t e e l 厂大湖一 分 厂 美 国 N a t i o n a l s t e e l 厂大湖 二分 厂 加拿大 D o f a r e o厂 英国 B r i t i s h S t e e l T e e s i o l e厂 德 国 Di l l i n g e r厂 奥地利 L i n z 厂 韩 国 P 0 c s o厂 日本 N i p p o n S t e e l H a c h i m a n厂 日本 N K K厂 K e r h i n一 分厂 日本 NK K厂 K e r h i n五分厂 C o c k e r i l i S a mb r e CRM Amo S t e e l Co mp a n y L P 中国宝 山钢铁 公 司 中国 台湾中 国钢厂 收 稿 日期：2 0 0 3一l 1 0 3 作者 简介：高海 潮(1 9 5 8一)男 马 钢股 份 有 限公 司 生产 部 教 授级 高工。本 文论述 了 L F精炼终 点 和板坯 钢 中 T O快 速 预报 的理论 与方 法，采用 的 T O、A 1 、A 1。、C a 等 数 据，均来 自马钢 C S P试验的低碳铝镇静钢的数据。与此同时兼论 了水 口蓄流 与钢中钙 铝 比的关系。l 试 验工 艺 概 述 低碳铝镇静钢的工艺流程是：铁水预脱硫 顶底 复吹 转炉 L F精 炼炉 C S P薄 板坯 连 铸 连轧。由于用钙处理低碳铝镇静钢时，钙使三氧化二 铝夹杂 变性 的必 要条件 是 S 0 0 1，否则形 成 大 量 的 C a S，会阻止钙与三 氧化 二铝进 一步 反应。因 此要求炼 钢铁水 S 0 0 4 0 ，经用镁 基脱 硫剂 对 铁水进 行预脱 硫 后，L F精炼 终点 钢水 中 s 0 01 。预脱硫 的铁 水经 过 扒 渣 后，兑 入 顶 底 复 吹 转 炉，在转炉出钢时，为了降低带入钢包中的渣量，实 行“双档渣”出钢。在出钢过程 中，加入活性石灰 与 合成渣，对 钢液 进 行 渣 洗。在 吹 氩、L F精 炼 站 加 C S P专用 精炼 渣(M A 1 6 0，C a O4 0 ，S i O 2 1 0)和铝粒，对钢包浮渣进行还原处理，使处理后 的炉渣更能 有效吸收夹杂物。在上 述一系列钢包渣变性处理后，进一步对 钢 水进行钙 处理，要求 C a 0 0 0 2 5。在 L F精炼 出站前，弱吹氩 5 m i n，以便夹杂物充分上浮和粘 附去除。L F精炼结 束后，钢包 运 至 C S P连铸 机进 行 浇 苎 l 拍，m 瑚锄 加丝 瑚 一 B“(一 l l l l 维普资讯 http:/ 2 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 2 0 0 4年 第 1期 注，大包至 中间包 采 用长水 口保 护，接缝 用氩 气密 封，中间包 至结 晶器用浸入式水 口。为 了开发钢 中全氧 含量快速 预报 的方法，操作 过程 中，在 L F精炼终点与板坯上取金属 样，除钢 中 五大元 素外，特别增加 了 A 1。、A l s、C a、T O的分析。2 钢 中 T O变化情况 根 据马钢试验的数据，图 1 表 明：从 L F精炼终 点到板坯，T O是显著降低的，这说 明经 中间包 与结 晶器 以后，能脱除钢 中的部分 T O。L F 终 点 敬 还 图 1 L F精炼 终点 与板 坯 中的 T O 在 L F精炼过程 中，通 过吹氩，各种 夹杂 物相互 聚集长大上浮去 除与在 钢包 壁 和吹氩 枪上 的粘 附 去除，钢包 中 8 5 左 右 的夹杂，尤其 是熔点 较低 的 氧化物夹杂 基本 上 都 已排 除，残 留约 l 5 左 右 的 氧化物 夹 杂，主要 是 A1 O 与 m C a O n A l O ，马 钢 C S P试验，L F精炼终 点 平均 T 0为 5 2 8 p p m。这些 残 留物进入 了中间包，另外，在 中间包还 因空 气 氧 化与耐火材料熔损等产生新 的氧化物 夹杂，但通过 中间包 冶金，各种夹 杂物相互聚集长大上浮与在 中 间包壁 和长水 口上粘 附 去 除，中 间包 6 0 左右 夹 杂，尤其是低熔点 的夹 杂物，也基本上被排除，残 留 约 4 0 的 氧化 物 夹杂 进入 结 晶 器。在 结 晶器 内，由于各种夹杂物 相互 聚集 上浮 与在 浸入式 水 口壁 上的粘 附 又有 相 当多 的夹杂 物被 去 除，最 后板坯 氧化 物夹杂 是 A 1 O 和 mC a O n A l：O，马 钢 C S P试 验，板坯平均 T O为 3 1 1 p p m。(见 图 2)。根据马钢 C S P试验数据，L F精炼终点钢中的 全氧，经钢液在 中间包 与结 晶器 内，夹杂 物 相互 聚 集上 浮和在 耐火材料上 的粘 附去 除后，一般能降低 钢 中全氧 1 3以上(见 图 1)。3 L F 精炼终点与板坯钢 中 T O的预报 铝脱氧钢的脱氧产物，在 a 。1 p p m 时，则 是 A 1 2 O 3 。当用锰 和铝一起 脱 氧 时，在 a 。1 p p m情 况，脱 氧 产 物 中 有 A 1 O ，也有 Mn O。由于低碳 铝镇 静钢 含锰 较低(O 3 左右)，在转炉炉后脱氧合金化时锰铁加入 量较 少，钢 中产 生 的锰 的脱 氧产 物较 少，并 且较 易 从 钢液中排除，到 L F精炼终点，锰 的脱 氧产物基 本 上 已被排 出钢 液。但 细小 的 A 1 O 夹 杂很 难 从 钢 液 中排 出，另外在 精炼 过程 中，有 时又补 加金 属 铝 等种种原因，因此残 留在钢水 中的氧化物夹杂基 本 上 是 A l O 和 m C a O n A 1 O 夹杂。鉴于 A 1 O，夹杂 熔点 高(2 0 5 0 o C)，会引起 浇 注 时水 口蓄瘤，另外 其 硬 度 高(3 0 0 0 k g m m)，不仅 对 钢的加工性 能，钢 的延性 和抗疲 劳性能都极为有 害，并 且会恶化钢 材表 面质 量，在薄 板上 出现 斑点 和黑线。为 了克 服 A 1：O，夹杂 带 来 的上 述 种种 缺 点，必须 改变 A 1 O，夹杂物 的形 态，将 固态 的 A 1 O 夹杂转变 为液 态 的钙铝酸 盐 夹杂。最有效 的办法 就是在对钢包渣进 行变性处理 的基础上，再对铝镇 静钢水进行 喂钙处 理。在对钢液进行 喂钙处 理时，随 钢 液 中 C a Ms不 断 提 高，会 依 次 产 生 C a O 6 A1 2 O 3，C a O 2 A 1 2 O 3，3 C a O 5 A1 2 O 3，C a O A 1 2 O 3，5 C a O 3 A 1 2 O 3，1 2 C a O 7 A 1 2 O 3，3 C a O A 1 2 O 3等钙 酸 铝盐 夹 杂物(见表 2)。为了计算脱氧平衡时，脱氧产物与 C a A 1 比的关 系，也 即 F eOC aA 1 系 的 平 衡 问题，1 5 5 0 o C 时 C a OA 1 O 二元 系相 图 中不同两 相 区的 a 。a 值引用资料 3 的数据(见表 3上部)。经 计算，不同 a 情况下平衡 的 a 见 表 3(中部)，为 了 实用方便，按 A 1=a f A。，C a=a f o。，并 选 f l 1 0，f c 根据钙铝酸盐中不同钙含量，分别为 2 3 l 0 一 一1 01 0 ，换算结果见表 3(下部)与图 3。预报 L F精炼 终 点 T O的方 程 由两 项 组成，一 是氧化物夹杂 中的氧，二是溶解在钢 中的氧。氧化物夹杂 中的氧 O in取决于钙铝酸盐夹 杂物的具体组成，对低碳铝镇静钢(化学成分：C 0 0 9，S i 01 ，Mn 0 2 5 0 4 0，P 0 0 2 5 ，s 0 0 1，A 1 0 0 20 0 4 )，根 据 图 3、表 2可见，在不 同的 A 1 含量的情况下：维普资讯 http:/ 总第 2 3期 高海潮、闫华、宋超等：钙 处理 低 碳铝 镇静 钢全 氧含 量 的快速 预报 3 乜 串 I 可 E 制 包 浮 渣 l f J J n i=J L 锕水 内氧化物 L浮 j 杜 尔 内 E 物 史永绲 成 士陈8 5 絷组成 J 艇最隹寝勒与 l 空气 置化 生成 f，生成 并 绚 功 Ai 1 )f Mn u ，()Mn t F c “r u、U J，、)】l O J s“)d。钢 条 J f 悄乜锕水借 清 牲 悬 浮 扬、一 誊l!：l J 包 物 耐 火材 瞎摒 一。棚 掳 啦，C-【Si o 粘 书 酣 生 Al ，一 S 耐r I H坞姐)A i u 结 晶 群 板坯 图 2马钢 C S P生产 Q 1 9 5过程 T O变 化示 意 图 表 2 钙铝酸盐夹杂物与 C a A I s比的关系 表 3 1 5 5 0 C时，C a OA L0 3二元 系相 图上 各两相区 a ，a 值与不同的 A 1 平衡的 C a 值 1)当 c a A 1 s=0时，脱氧 产 物 为 A 1，0 ，此 时 A 1 i n：0 j i n=5 4：4 8，O i n=0 8 8 8 9 A 1 in；2)当 C a j A 1 s=0 0 3时，脱 氧产 物 为 C a 0 6 A l：0 3，此时 A 1 i n：0 i n=3 2 4：3 0 4，O i l n=0 9 3 8 3 A 1 i n；3)当 C a A 1 s=0 0 6 0 0 8时，脱 氧产 物 为 C a O 2 A 1 2 0 3，此时 A 1 i n：0 i n=1 0 8：1 1 2，0 i n=1 0 3 7 A 1 i n；4)当 C a A 1 s：0 0 8 0 1 2时，脱氧产物为 C a O A 1：0 3，此 时 A 1 i n：0 i n=5 6：5 4，0 i n：1 1 8 5 A 1 i n；5)当 C a A 1 s=0 0 9 0 1 5时，脱 氧产 物 为 1 2 C a O 7 A 1 2 0 3，此时 A 1 i n：0 i n=3 7 8：5 2 8，0 in =1 3 9 7 A 1 i n；综上所述，0 i n=K A 1 i n (1)逞 1 2 C a O 7 ：0 j Ca O Al l Ca O 2 AI：o 3 C a O 6 AI-o t e a l O t to 图 3 钢中钙与铝含量对钙铝酸盐组成的影响 根据表 2数据，式中系数 K：0 8 5 5 e x p(2 6 6 维普资讯 http:/ 4 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 2 0 0 4年 第 1期 C a l A 1 s+4 6 6 C a 1 0 )(R=0 9 5，n：2 0)溶解在钢中氧 O 与 A l j s 的关系已有大量文 献报导。一般都认 为钢 中 A 1 s 0 0 2 时，O 5 p p m。根据马钢一钢厂实测数据，两者关系如下：O=5 3 29 4 2 A 1 s 1 0。(2)众 所 周知，T O=O i n+O，将式(1)与式(2)代入可得：T O：5 3 2+0 8 5 5 A l j i n e x p(2 6 6 C a J A l j s +4 6 6 C a 1 0 一 )一9 4 2 A 1 s 1 0 一 (3)式中 T 0、A 1 s、A 1 i n、C a 的单 位均 为 p p m。图 4 给出了用式(3)计算的 T O与实测值之间的关 系，其 最大偏 差 5 p p m。宣 0 卜 睾 毯 实测 T O p l m a 图 4 L F精 炼 终点 T O实 测值 与预报 值 比较 各钢厂可根 据各 自具 体情 况简化 式(3)，比如 马钢供 C S P的低碳铝镇静钢水 A 1 s 平 均 3 0 0 p p m，c a j 平均 2 5 p p m，代人式(3)可得：T O=2 5+1 2 A 1 i n (4)根据前述，板坯 T O2 3 L F终点钢水 T O，将式(4)代人可得：板坯 T O2 3(2 5+1 2L F终 点 A 1 i n)，经整 理 L F终 点 A 1 i n 1 2 5板 坯 T O一 2 0 8，当板坯 T O8 3 2 p p m时，则 L F终点 A 1 i n 板坯 T O (5)也即可以得出一个由 L F 炉终点 A 1 in数值，十分简便、快速 的预报 板坯 全氧 的办 法，不 同档次 板坯全氧与 L F炉终点 A 1 i n 的计算值见表4。表4 用 L F 精炼：终点 A 1 i n 预报板坯 T O p p m 4 水 口蓄流与 C a A 1 S 的关 系 连铸过程 中，中间包水 口蓄流是炼 钢生产顺 行 的一个大问题，避免 低碳铝镇静钢 中间包水 口蓄流 的有效措施 就是对钢液进 行钙 处理，改 变 A 1 O 夹 杂物和含 A 1 O 成分较高的夹杂物的性质，形成低 熔点 的钙铝 酸盐。根 据上 述 计算，随着 钢 中 C a A 1 s 的 提高，夹 杂物 中 C a O含量 的增 加，氧 化 物 夹杂 变性 的路线情况 的变化见 表 2。理论 研 究 与 马钢 C S P试 验 都 表 明，当钢 水 中 c a ，A 1 s 比0 0 8 时，水 口易蓄流，具体表现是 中间包自动调节的塞棒开 口度曲线出现上升情况，其原因是其脱氧产物为 C a O 2 A 1 O，(1 7 5 0 tl2)，C a O 6 A 1 O，(1 8 5 0 C)和 A 1 O，(2 0 5 0 C)所 至。当钢 水 中 C a A 1 s比 0 0 9时，由于脱 氧产物 主要 是 C a O A 1 O，(1 6 0 5 o C)和高 钙 低 熔点 的 1 2 C a O 7 A I O，(1 4 5 5 o C)，因此水 口基本 不蓄 流。当 C a A 1 s 0 1 5，水口完全不蓄流，因为其脱氧产物是 1 2 C a O 7 A 1 O 。值得强调的是，表 2 是在研究过程中通过 a a o a 。a。运算，消 除 a。影 响后 得 出的结 果，在 钢中 O 比较低的时候(O l O p p m)，表 2比较 正 确。当钢中 O 比较高的时候，不能消除或忽略钢 中氧对 F eOC aA 1 系平衡 的影 响，对表 2要 进 行 全面修 正。5结 论 钢水的 T O值通常是用来衡量钢水清洁度的 标 准，C S P连铸连轧 工艺对 钢水清 洁度有较 高 的要 求，由于 T O在线检测困难，急需开发在线操作条 件下，对钢水 T O值进行快速预报的方法，根据本 文研 究，结 合 马 钢 C S P的实 践，可 以得 出 以下 结 论：(1)从 L F精炼终点直 至板坯，钢 中 T O下降 1 3 以上。(2)L F精炼终点 T O值 预报 方程是：T O=5 3 2+0 8 5 5 A 1 i n e x p(2 6 6 C a A 1 s+4 6 6 C a 1 0 一 )一9 4 2 A 1 s 1 0 一(3)L F精炼终点的 A 1 数值，总是大于 C S P 板坯钢中 T O的数值，但又比较接近。可用 L F精 炼终点 A 1 的数值预报板坯的 T O是否符合规定 的要求。(下转 第 1 0页)维普资讯 http:/ l 0 安 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院 学 报 2 0 0 4年 第 1期 和控制模型及其应用前景 钢铁研究学报 J 2 0 0 2，l 4(1)：6 5 6 8 4 王国栋，刘相华 金属轧制过程人 工智能优 化 M 北 京：冶金工 业 出版社 2 0 0 2 Mo d e m Ro l l i n g Au t o ma t i o n a n d I t s De v e l o p me n t LI U Xi a n g h u a Ab s t r a c t：T h e mo d e m r o l l i n g a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y f o r h o t s t ri p mi l l，c o l d s t ri p mi l l，p l a t e mi l l，s e c t i o n mi l l a n d b a r wi r e mi l l w a s d e s c rib e d，d e a l i n g wit h AGC，AF C，C TC，T MC P e t c T h e a p p l i c a t i o n o f A r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e i n r o l l i n g w a s d e s c ri b e d，a n d i t s p r o s p e c t w a s d i s c u s s e d Ke y wo r d s：rol l i ng；a u t o ma t i o n；n e w prog r e s s (上接第 4页)(4)理 论 与 实 践 都 表 明，中 间包 蓄 流 与 钢 中 c a A 1 S的关 系显 著，当 c a A 1 S 0 0 8时，水 口蓄流；当 c a A 1 S 0 0 9时，水 口基本 不 蓄 流，当 C a A 1 S 0 1 5时，水 口完全不 蓄流。(5)无论 L F终点钢 中 T O或板坯 T O，都能根据 在线光谱分析 的 A l E,。、A 1 。、c a ，快速预报，能及 时指导 现场生产。参 考 文 献 2 3 张 立峰，谷 口尚 司等 B O F转 炉一 钢 包精 炼一 连铸 生 产纯净钢的工艺及理论研究 钢铁 J 2 0 0 0 V o l 3 5，4 o6 R D，佩 尔克等著 氧 气顶吹 转炉炼钢 M 邵 象华 等 译 北京：冶金工 业 出版社，1 9 8 0，2 7 2 陈襄武 钢铁 冶金物理化学 M 北京：冶金 工业 出 版 社 1 9 9 0 1 5 6 1 5 8 Q u i c k P r e d i c t i o n o f T o t a l O x y g e n C o n t e n t f o r Ca l c i u m T r e a t me n t L o w Ca r b o n Al u mi n i u m Ki l l e d S t e e l GAO Ha i c h a o e t a l Ab s t r a c t：Th e d a t a c o me for m MA S t e e l C S P t e s t i n t h i s p a p e r t h e c h a n g e o f t o t a l o x y g e n f r o m t h e e n d o f L F r e fi n i n g t o s l a b w a s s t u d i e d for c a l c i u m t r e a t me n t l o w c a r b o n alu mi n i u m k i l l e d s t e e 1 I t i s s h o w e d b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d ma t h e ma t i c a l s t a t i s t i c s t h a t a me t h o d t o f o r e c a s t s l a b t o t a l o x y g e n W as d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e e n d o f L F r e fi n i n g，t h e d e v i a t i o n o f a c t u a l me asu ri n g a t e n d o f L F r e fi n i n g a n d f o r e c ast i n g Va l u e i s l e s s t h a n 5 p p m，t h e me t h o d c a n g u i d e p rod u c t i o n an d c o n t rol t o t al o x y g e n c o n t e n t Th i s p a p e r a l s o d i s c u s s e s t h e p r o b l e m a b o u t n o z z l e b l o c k i n g，t h e o r y a n d t e s t s h o w e d t h a t i t i s e a s y n o z z l e b l o c k i n g as C a 【A 1 J 0 0 8 a n d n o t n o zzl e b l o c k i n g as【C a 【A l J 0 0 9 Ke y wo r d s：t o t a l；o x y g e n i n s t e e l；P red i c t i o n；n o z z l e b l o c k i n g 维普资讯 http:/