洁净钢冶炼在线检测技术研究

洁净钢冶炼在线检测技术研究

[摘要]本文针对在冶金行业的纯净钢冶炼过程中，如何利用在线检测技术，为高效率、优质量的洁净钢冶炼提供准确可靠的测量依据。

【关键词】纯净钢；在线检测；转炉；精炼；连铸

前言

所谓洁净钢一般是指钢中杂质元素磷、硫、氧、氮、氢（有时包括碳）和非金属夹杂物含量很低的钢。对于钢性能要求不同，洁净度所要求控制的因素也不相同。

洁净钢的生产工艺由铁水预处理、炼钢、钢水炉外精炼、连铸等多个工艺环节组成。在纯净钢的冶炼过程中，为获得成品钢材的高延展性、高塑性应变以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；为了生产高强度、高韧性、优良低温性能、更高的抗氢断裂的高质量钢材，要求钢中低硫、低磷、尽可能低的氮、氧、氢和一定的Ca/S比等。

1、脱硫站铁水硫、硅的在线检测技术

铁水脱硫是生产洁净钢的第一个工艺环节，对后序工艺的生产及成本有重要的影响。国外钢铁厂生产洁净钢时，一般将铁水中的[S]脱至0.008％－0.010％以下。现实生产中相对较慢的取样分析手段使得脱硫站的生产效率低，成为冶炼生产过程中的瓶颈，然而在线定硫技术能很好地解决这个问题。

铁水定硫技术的原理是根据铁水热力学，铁水中硅、碳、硫、氧及温度存在一定的函数关系：

lg[Si]=f（E，T）

lg[S]=f（E，Si，T）

式中E－铁水中氧电势，T－铁水温度

通过测量铁水中的氧电势E和铁水温度T，就能直接测量铁水中的硫、硅，为炼钢工作者提供测量依据。

使用铁水在线定硫技术可以节省取样分析时间4－10分钟、提高脱硫站的生产效率，节约脱硫喷吹反应物消耗，提供精确可靠硫、硅含量，为下道工序的配料提供依据，进一步促进后道工艺控制。

2、转炉副枪钢水氧、碳、磷的在线检测技术

纯净钢在转炉的冶炼中，转炉副枪系统是不可缺少的高效自动检测手段。副枪系统的目的是为了配合转炉的动态控制模型达到终点命中，也就是温度和碳的终点达到目标值。使用副枪系统能获得炼钢所必须的成分和温度的数据，达到自动的终点控制、缩短吹炼时间提高生产效率、减轻转炉操作工的劳动强度、减少炉衬耐材的消耗、节约能源、良好的过程控制、节约脱氧剂等加入量、减少喷溅等多种经济效益。

副枪在测量过程中，使用2种探头，一种为TSC型探头，用于吹炼过程中的测量，测量转炉过程的温度、碳含量并取样，根据TSC测量结果进行转炉冶炼动态模型计算。另外一种为TSO型探头，用于终点控制，测量钢水的温度，氧含量，碳含量，液面高度并取样，判断是否到达吹炼终点。

洁净钢的生产，对磷的控制也非常严格，一般要求磷含量控制在50ppm以下，由于传统转炉终点磷含量预测精度不能满足生产要求，一般钢厂只能依靠分析试样获取磷成分信息，存在磷含量信息获取的滞后性，影响转炉冶炼周期，或者需要增加石灰等脱磷物料的消耗以保证转炉终点磷含量满足于钢种要求。

目前最新的副枪定磷技术，是基于钢水中磷含量与钢水的温度、钢中氧含量、炉渣温度、炉渣氧含量、渣量、铁水成分存在特定的函数关系：

P％=f（Tsteel，Tslag，Osteel，Oslag，渣量，铁水成分等）

当副枪TSO探头测量时，能测量得到钢水的氧含量和温度，当副枪TSO探头提升时，能测定渣中氧和温度，并且由钢厂控制系统可获得铁水的原始成分及渣量（渣层厚度），通过这些数据获取就可计算出钢水的磷含量。

3、精炼炉钢水游离氧、酸溶铝、渣氧的在线检测技术

洁净钢的精炼过程，就是创造最佳的热力学和动力学条件，减少夹杂物的生成数量、促使其上浮，尽量减少钢中杂质元素的含量，严格控制钢中的夹杂物，包括夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型，以达到减少钢中溶质元素的含量的目的。所以，精炼过程中的元素含量的检测和控制就显得非常重要。

控制钢水中的氧含量是非常重要的，特别是了解钢水中的氧活度，对提高产品质量，降低生产成本有巨大的作用。

3.1定氧技术

以成功的定氧技术为炉外精炼在线检测的发展提供了保证。定氧探头以氧电池来测量钢液中氧电势，测温探头来测量钢液的温度，根据能斯特公式计算出钢液中的氧活度。其原理如图1。

精炼过程中无需取样分析，而且直接测定的是取样所不能分析的钢中氧活

度，能更好判断钢液的质量。除了能直接测定钢水的氧活度外，该探头还扩展了其的应用。

3.1.1精炼炉内定氧定铝

其原理是钢液通过铝脱氧后，钢液内的氧活度与酸溶铝是平衡的，测量钢水温度和氧电势，能计算出钢液中的酸溶铝含量。根据计算公式，氧电势必须具有极高的精度才能保证酸溶铝的精度。幸运的是，贺利氏电测骑士公司生产的氧电池定氧的范围：1-1000×10-6，氧电势能保证±2mv的精度，保证测定的酸溶铝精度在3%以内，基本与光谱分析相同，图2表示探头检测与实验室分析酸溶铝精度的比较，从图上可见，两者达到非常好的相关性。

因此可以不用取样分析，在6秒的时间内直接读出酸溶铝含量，通过在线快速定铝，快速调整铝含量，达到目标铝含量，从而保证有足够的时间进行底吹氩搅拌的操作，夹杂物能充分上浮，提高钢的纯净度。其应用：

1）吹氩站的快速定氧定铝：吹氩站在目前的炼钢生产过程中起到调节生产节奏，调整和均匀温度、成分，提高钢水的纯净度等作用。吹氩站配置喂丝机，通过喂铝丝进一步脱氧及合金化，喂硅钙丝改善夹杂物形态等。由于生产节奏快，取样分析需要很长的时间，因此国内许多钢厂的吹氩站用定氧来定铝，不仅得到氧活度，而且知道酸溶铝含量，从而能快速进行补喂铝丝，达到目标成分。从而有更多的时间来进行吹氩处理，提高钢水的纯净度，许多研究结论表明：足够的吹氩时间是必须的，能促使夹杂物上浮，钢水中氧化物夹杂进一步减少。2）LF内氧活度和酸溶铝的控制：LF炉内除了能测定钢中的酸溶铝的功能外，通过测定钢中氧含量，从而调整工艺，提高脱硫能力。众所周知，钢中的氧含量的高低与脱硫反应密切相关。

3）RH内氧含量的控制：RH内通过C-O反应生成CO，由于真空反应罐内CO的分压小，脱碳反应彻底，能进行深脱碳。当然控制钢水内的氧活度非常关键，不仅能提高脱碳效率，同时能提高合金化的效率，从而提高钢水质量。目前定氧技术已在RH上成熟运用。

3.2精炼炉内（FeO）测量

炼钢就是炼渣，了解炉渣的特性对提高精炼的效率是非常有效的。炉渣型定氧探头能快速测量炉渣中的（FeO）或（FeO）+（MnO），直接判断炉渣的氧化特性，可快速调整炉渣，提高精炼炉的效率。而如需取样分析则需几个小时，不能起到指导生产的作用。（FeO）探头的测量范围：0.5-30%，能满足定量检测炉渣的要求。炉渣定氧技术有极高精度，图3表示渣氧探头非常高的重现性。由于能定量分析炉渣的氧位，为调整炉渣，提高炉渣的脱硫能力，减少连铸过程中的铝的损耗有非凡的意义。LF处理过程中炉渣的调整的作用：

1）提高炉渣的脱硫能力：许多研究表明通过控制钢水和炉渣的氧位，能显著提高炉渣的脱硫能力：

炉渣中（FeO）含量对炉渣的脱硫能力和脱硫的效率有很大的影响。同时通过配置精炼渣，控制炉渣的厚度（即用量）也能减少浇注过程中铝的损耗，也就是减少过程夹杂物的产生。渣层越厚，浇注过程铝的损耗越大。

4、精炼炉、中间包钢水氢、氮的在线检测技术

4.1在线定氢技术

溶解于钢中的氢的析出是造成缩孔、白点、发裂、不同类型气泡等缺陷的主要原因；溶解于钢中而未析出的氢气会降低钢的强度极限、断面收缩率、延伸率和冲击韧性，其中后三者的降低更为严重。钢中氢在大多数情况下对钢的性能是有害的，一般来说，洁净钢氢含量要求控制在<2×10－6。

在线定氢的原理是通过循环泵向钢液内吹入载气氮气，气体通过钢液时，钢液中的氢向循环气体内扩散，再通过多孔透气塞把气体吸收进循环管内，经过不断循环，直至氮气和氢气达到饱和平衡。通过分析混合气体中的氢分压，就可以计算钢液中的氢含量。

一般来说，分析氢含量必须先取样，送实验室进行分析，且分析时间长，不能作为指导生产上使用的常规方法。在线定氢系统能在40－70秒内测量出钢液中的氢含量，可以为炼钢工作者提供氢含量的可靠依据，从而指导常规生产。

4.2在线定氮技术

钢水氮的在线检测能直接测量液态钢水的氮含量，其原理是通过使用氦气及氮气的混合气体的载气，在开路系统中循环，根据热传导率的不同，测量混合气体的热传导率，从而测定钢水中氮含量。

5、连铸清洁取样技术

一般的成品样都在连铸中间包内完成，保证成品样不受污染，真正代表钢水的洁净度。目前最先进的全氧取样技术，在取样过程中采用氩气吹扫，真空技术及氩气冷却，保证所取试样不受二次氧化，表明呈金属银亮色，用来分析钢水的氮、氢、全氧等。

6、结语

1）钢水在线检测技术为达到高效率、优质量的洁净钢冶炼提供准确可靠的测量依据。

2）铁水定硫、副枪定氧定磷、钢水定氧、定铝、渣中氧测量以及定氢、定氮、清洁取样等在线检测技术的发展，为促进洁净钢冶炼技术的进步提供了技术手段。