1、Power Design钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策2011.32011.3 昆明昆明通过采用浸入式直读测氢仪对“转炉炼钢+LF炉+连铸”过程中H的来源进行研究，试验结果表明：转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢水增H现象。增氢原因有：原辅材料及合金水分、系统耐材水分、耐材化学成分分解的碳氢化合物、钢液二次氧化导致钢水增H。分析影响钢液增氢的主要因素及环节，并提出了改进措施。转炉炼钢 氢 来源 变化规律摘要摘要关键词关键词钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策1.1.前言前言1.1.前言前言 氢在钢中的危害主要表现为引起“氢脆”
2、白点”以及点状偏析、静载疲劳断裂等严重缺陷，“氢脆”将使钢的塑性下降，脆性增大，并且在低于其极限强度的应力作用下造成钢结构或钢件的突然脆性断裂1。在冶金生产中氢会导致铸坯形成气泡、裂纹和针孔2。为了掌握炼钢过程中钢水氢含量变化规律，重钢引进Hydris定氢仪，对“转炉炼钢+LF炉+连铸”过程中H的来源进行研究，掌握了炼钢过程钢液氢含量变化规律及控制增氢的措施。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策 2.2.2.2.试验条件试验条件试验条件试验条件2.12.1 试验工艺及主要设备参数80tLD-CB（冶炼周期31min）80tLF（冶炼周期3
3、555min）2401400mm断面弧形板坯铸机（中包容量15t，浇注周期35min）。2.22.2 试验方案为了检测钢液中真实的氢含量，采用浸入式直读测氢仪(MultiLabHydris System)对“转炉炼钢+LF炉+连铸”各工位钢液在线测氢及对原辅料进行详细的水分分析，详细的测试方案见表1。名称检测内容转炉速补料水分含量、用量、补炉后烘烤时间转炉用辅料及合金水分含量及用量、加入时机出钢结束钢液测氢LF用辅料及合金水分含量及用量LF精炼过程钢液测氢连铸中间罐、结晶器覆盖剂水分含量及用量中间罐钢液测氢N2、O2、Ar气体水分含量表1 钢液测氢试验方案钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控
4、制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策3.3.3.3.试验结果试验结果试验结果试验结果3.1 3.1 原辅料水分炼钢过程辅料及合金水分含量分析结果见表2，从分析结果可以看出：转炉速补料、化渣剂等部分材料水分较高，部分试样水分接近20%，部分石灰制品水分含量1.2%。名称试验炉数/炉水分含量/%转炉速补料221519镁球及化渣剂3.219.2转炉用其它辅料综合水分含量1.041.47转炉及LF各类合金0.05LF用辅料综合水分含量1.11.6中包渣0.40结晶器保护渣0.35N2、O2、Ar气体34ppm表2 炼钢过程辅料及合金水分含量钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中
5、氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策3.2 3.2 各工位钢液H测试转炉炼钢+LF炉+连铸各工位各工位钢液H测试结果见表3，从表3可以看出：转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢液增H现象，转炉冶炼过程增H量占 中 间 罐 总 量 的 66.4%、LF占 25.95%、浇 注 过 程 占 7.57%。中 间 罐H5.0ppm的炉次占44.8%，个别炉次含量高达9.8ppm。工序名称出钢结束LF升温后LF合金化后钙处理前精炼结束中间罐H含量/ppm表3 炼钢过程不同工序H含量钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策 4.4.4.4.分析与讨论分析
6、与讨论分析与讨论分析与讨论4.14.1 转炉冶炼过程中对H的影响4.1.1 后吹过程原辅料水分对氢的影响转炉后吹过程中即：脱碳速度减弱，氧含量增加，炉温升高，炉内动力学热力学条件均有助于钢液增H的发生。当向炉内加入水分含量较高的原辅料将导致氢的平衡分压增加，H向钢中扩散速率增加，钢水H含量增加2，结果如表4。从表4可以看出：后吹过程中未加辅料炉次出钢后H平均含量为2.5ppm，比后吹过程中加辅料的炉次低1.07ppm。项目辅料水分含量/%试验炉次辅料加入量/Kg出钢后H含量/ppm后吹过程加辅料3.05.5302903.57后吹过程未加辅料/2802.5表4 转炉吹炼过程辅料加入时机与钢水H含
7、量的关系钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策4.1.2 耐材的影响转炉补炉后耐材干燥程度对钢液H含量有直接影响，2008年因转炉补炉后耐材未彻底干燥导致6炉钢H8.0ppm引发铸坯皮下气孔判废。4.1.3 合金的影响试验过程中发现，使用电解法生产的合金对钢液氢含量影响较大，在相同的生产工艺条件下使用金属锰的炉次比未使用的炉次高1ppm，结果如表5。项目试验炉次加入量/Kg出钢后H含量/ppm使用金属锰的炉次3011003.5使用低磷锰铁的炉次3011002.5表5 合金对钢水H含量的影响钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源
8、及控制对策钢中氢的来源及控制对策4.1.4 出钢过程合金及辅料水分含量对H的影响合金及其它辅料水分含量对H的影响如图1所示，随着合金及其它辅料水分含量的增加，钢液中H含量增加。4.2 4.2 LF精炼过程对H的影响4.2.1 各种渣料水分与增氢量的关系LF精炼过程，随渣料中水分总量增加，化渣升温阶段氢含量量增加，结果如图2，该阶段增H量占LF总增H量的47.12%。图1 出钢过程合金及其它辅料水分含量对H的影响 图2 LF渣料水分总量与增H量关系图钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策4.2.2 大吹氩时间与增氢量的关系随大吹氩时间增加，炉气中
9、的水分分解后进入钢液的氢量增加，结果如图3，该阶段增H量占LF总增H量的16.66%。4.2.3 LF加热时间对增氢的影响在其它工艺一致的条件下，随加热时间的延长，钢液H增加。该阶段增H的主要因素是炉气中的水被电弧电离后溶入钢水。4.2.4 钙处理工艺与增氢量的关系(1)喂SiCa线速度与增氢量的关系SiCa喂入量相同的前提下，增氢量随喂线速度增加有由大变小，再变大的趋势，结果如图4所示。当喂线速度为180m/min左右时，增氢量最小。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策图3 脱硫阶段大吹氩时间与增氢量关系图4 喂SiCa线速度与增氢量的关系
10、图 图5 SiCa线喂入量与增氢量关系图钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策(2)喂线量与增氢量关系在其他条件一致时，试验炉次中有28炉在喂SiCa线前后定氢，SiCa线用量及喂线后增氢量见图5。图5可以看出，随SiCa线用量增加LF增氢量有呈上升趋势。为了验证钙处理导致钢水增氢，对SiCa线水分和含量进行理化检测。其水分为0.20%，300mSiCa线导致钢液增氢仅为0.04ppm。因此，钙处理引起氢含量增加主要因素是：喂线速度过快或过慢导致钢液翻溅吸入空气中的水分导致，钙处理过程中增H量占LF增H量的15.03%。4.34.3 浇注过程中
11、对H的影响试验阶段多次对中包渣、结晶器渣水分检测，其水分含量均0.4%，在消耗分别为0.33Kg/t钢、0.6 Kg/t钢的条件下，中间罐钢液增氢仅为0.132ppm、结晶器钢水增氢仅0.23ppm。试验过程中发现，中包第13炉钢液增H较其它炉次大，如图6、图7所示，主要原因是浇注前期水涂料中包耐材未彻底干燥，而干式涂料中包使用酚醛树脂做粘结剂，耐材烧结过程中酚醛树脂分解成碳氢化合物，碳氢化合物分解导致钢液增H。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策图6 水涂料中包浇注炉次与钢液增H量的关系 图7 干式涂料中包浇注炉次与钢液增H量的关系4.4
12、4.4 钢包耐材对H的影响钢包耐材干燥程度对钢液H有明显影响，钢包大修或或挖修后第1次使用，钢水增H量较正常周转罐大1.02.0ppm。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策5.5.5.5.防止钢液增防止钢液增防止钢液增防止钢液增HHHH的措施及效果的措施及效果的措施及效果的措施及效果5.15.1 措施H在钢液中的溶解遵循sivert定律（式1），在温度为1600，氢分压为1atm条件下可算出H的溶解度为0.00268%（即27ppm）。由此在1600条件下，式（1）可改写为式（2），H在钢液中的溶解随氢分压的增加而增加1。（1）（2）研究发现
13、炼钢过程中H2O对钢液中H含量有非常大的影响，当炉气或钢液中有H2O存在时，将发生式（3）、（4）反应，随着H2O分压的增加H的溶解量增加1。（3）（4）钢液中H的溶解热力学及试验结论表明：降低炉内氢的分压与控制原辅料等水分含量是降低钢液增H的有效措施。2008年11月份以来，重钢炼钢厂主要采取以下措施降低钢液增H量：钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策5.1.1 控制原辅料水分含量优化辅料加工工艺，缩短辅料加工时间，加强辅料烘烤及管理工作，辅料水分含量有所降低（表6）。辅料名称优化前优化后合成渣埋弧渣精炼渣化渣剂合成渣埋弧渣精炼渣化渣剂水
14、分含量/%1.0561.231.58590.810.861.1435表6 原辅料优化前后的水分含量比较5.1.2 加强耐材烘烤要求转炉补炉后烘烤时间不小于2h，加强钢包及中间罐的烘烤效果，防止耐材干燥不彻底导致钢水增H。5.1.3 提高转炉吹炼操作水平通过优化枪位控制及加料时机，促进转炉渣的早化、化透。提高转炉的脱磷率，减少冶炼过程化渣剂的消耗量。并严格控制后吹过程中辅料的加入量，严禁在此期间配加镁球。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策5.1.4 提高转炉到LF站温度、节奏、成分合格率转炉到站温度低，节奏提前、终点S高、其它成分控制不合理都
15、会使LF加热时间延长，促进LF加热过程中钢液增H。通过一系列措施，转炉到站温度、节奏、成分都得到明显改善。5.1.5 优化LF精炼工艺LF加热过程中实施长埋弧作业；脱硫及合金化阶段保证炉内正压；CaSi线喂喂入速率按180m/min控制，以防止钢液二次氧化吸气。5.1.6 引进金属锰的替代品生产过程中引进低P锰铁替代金属锰，在加入量相同的条件下，钢液增H量降低1.0ppm。5.1.7 加强合金烘烤适当延长合金在烘窑的滞留时间，提高合金烘烤的均匀性及温度。5.25.2 措施实施后的效果采取以上措施，炼钢至浇注过程H含量均有降低（如表7），中间罐H含量平均降低1.128ppm、H含量5.0ppm的
16、比例提高38.55%（如表8），杜绝了H8.0ppm导致铸坯皮下气孔的发生。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策工序名称检测炉数/炉炼钢工序精炼工序连铸工序措施实施前增H量/ppm2113.6061.330.42措施实施后增H量/ppm3062.81.030.398比较/ppm+95-0.806-0.3-0.022H含量/ppm3.03.04.54.55.05.06.06.0措施实施前/%0.4538.915.825.819措施实施后/%1.677.814.36.30比较/%-1.15-38.9+1.5+19.5+19表7 措施实施前后炼钢至
17、钢水浇注过程钢液增H量表8 措施实施前后中间罐不同H含量的比例钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策 6 6 6 6.结论结论结论结论6.16.1 转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢水增H现象。增氢原因有：原辅材料及合金水分、系统耐材水分、耐材化学成分分解的碳氢化合物、钢液二次氧化导致钢水增H。6.26.2 转炉冶炼过程增H的主要环节是：转炉后吹至出钢及脱氧合金化阶段；LF增H的主要环节是：升温化渣阶段、大吹氩阶段和钙处理阶段；浇注过程增H的主要环节是：中包第13炉。6.36.3 工艺优化后中间罐H含量平均降低1.128ppm，H含量5.0p
18、pm的比例提高38.55%，杜绝了H8.0ppm导致铸坯皮下气孔的放生。钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策参考文献参考文献参考文献参考文献钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策1 1 张张 鉴，炉外精炼的理论与实践，北京：冶金工业出版社，鉴，炉外精炼的理论与实践，北京：冶金工业出版社，19991999。2 2 郑沛然，炼钢学，冶金工业出版社，北京：冶金工业出版社，郑沛然，炼钢学，冶金工业出版社，北京：冶金工业出版社，19991999。3 3 赵赵沛沛等等，炉炉外外精精炼炼及及铁铁水水预预处处理理使使用用手手册册，北北京京：冶冶金金工工业业出出版版社社，20042004。4 4 马延温，电炉炼钢学，北京：冶金工业出版社，马延温，电炉炼钢学，北京：冶金工业出版社，20022002。5 5 邓邓普普阳阳等等，重重钢钢炼炼钢钢厂厂20082008年年青青年年人人才才论论文文集集LFLF精精炼炼过过程程中中HH的的变化研究。变化研究。报告完毕！谢谢大家！钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策钢中氢的来源及控制对策
