[科普中国]-镇静钢

简介

镇静钢是指完全脱氧的钢，即氧的质量分数不超过0.01%（一般常在0.002%~0.003%）。根据冶炼时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 镇静钢通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇铸时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收缩率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢1。

钢的分类及其特点1．沸腾钢

炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全。这种钢液铸锭时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液呈沸腾状，故称为沸腾钢，代号为“F”。

沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。

2．镇静钢

炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作为脱氧剂，脱氧完全。这种钢液铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称为镇静钢，代号为“Z”。

镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。

3．半镇静钢

脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，故称为半镇静钢。代号为“b”。

半镇静钢是质量较好的钢。

4．特殊镇静钢

比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。

特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。

镇静钢的分类及改变形态脱氧模式根据钢种和产品质量，脱氧分为3种模式：

（一）硅镇静钢（用Si+Mn脱氧）；

（二）硅铝镇静钢（Si+Mn+少量Al脱氧）；

（三）铝镇静钢（用过剩Al>0.01%）。

镇静钢整体分类用Si+Mn脱氧，形成的脱氧产物有：①纯SiO2(固体)；②MnO·SiO2（液体）；③MnO·FeO（固溶体）。对于硅镇静钢，控制Mn/Si，使其生成液态的MnO·SiO2，钢水可浇性好，但与Si、Mn相平衡的[O]D较高（（40～60）×10-6），在结晶器内钢水凝固时易生成皮下针孔或气泡，影响铸坯质量。采用Si+Mn脱氧后，使钢水可浇性好（不堵水口），又不使铸坯产生针孔或皮下气泡，要控制钢水中溶解氧[O]D在（10～20）×10-6。

对于含碳较高的硅镇静钢（如高碳硬线钢、弹簧钢），为避免Al2O3夹杂的有害作用，一般不加铝脱氧，而是用低铝的铁合金脱氧，钢水中的酸溶铝[Al]s极低，则钢中溶解氧[O]D较高。为降低钢中[O]D，在LF精炼采用白渣操作+氩气搅拌，钢渣精炼扩散脱氧，既能把钢水中[O]D降低，也能有效地脱硫。

（一）硅镇静钢（C0.29%，Mn0.8%～1.2%，Si0.15%～0.40%），LF精炼后钢水中[O]D与水口堵塞和针孔的关系可知：钢水中[O]D控制在（10～20）×10-6，既可防止水口堵塞，铸坯又无皮下气孔生成。但钢水中[O]D达到10×10-6，水口堵塞的可能性增加，因此应控制好：

（1）合适的Mn/Si

①Mn/Si低时形成SiO2夹杂，增加了水口堵塞的可能性；

②Mn/Si高时生成典型的MnO·SiO2（MnO54.1%，SiO245.9%），夹杂物容易上浮。

（2）铁合金中铝含量。如果铁合金中带入的铝使钢水中[Al]s&gt；0.003%，就会形成固态Al2O3。

（3）控制LF白渣精炼时间，减少MnO·Al2O3生成。

（二）硅铝镇静钢

仅用Si+Mn脱氧，铸坯易形成皮下针孔，除采用LF白渣精炼降低钢中[O]D外，还可用Si+Mn+少量铝脱氧。但如果既要保持连铸的可浇性又要防止铸坯产生皮下针孔，应用Si+Mn+少量铝脱氧，形成的脱氧产物可能有： ①蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；

②锰铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；

③纯（Al2O325%）。

要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区，这样就可达到：

①夹杂物熔点低（1400℃），球形易上浮；

②热轧时夹杂物可塑性好（800～1300℃）；

③锰铝榴石夹杂物中Al2O3接近20%左右，变形性最好；

④无单独Al2O3的析出，钢水可浇性好，不堵水口；

⑤脱氧良好，不生成气孔。

理论计算指出，在钢中Si=0.2%，Mn=0.4%，温度为1550℃条件下，若钢中酸溶铝[Al]s≤0.005%，则钢中[O]D为20×10-6，生成锰铝榴石而无Al2O3析出，钢水可浇性好，铸坯又不产生皮下气孔。这对连铸生产是非常重要的。对于高碳硬线钢，用Si+Mn脱氧控制好钢中的[Al]s来得到易变形的锰铝榴石而防止脆性Al2O3夹杂析出，这对于防止拉拔脆断是非常重要的。

（三）铝镇静钢

对于中低碳细晶粒钢，要求钢中酸溶铝[Al]s≥0.01%；对于低碳铝镇静钢，为改善薄板深冲性能，要求钢中[Al]s=0.02%～0.05，为此要求用过剩铝脱氧。这样，需要解决两个问题2。

（1）加铝方法

如何把铝加到钢水中达到目标值，且铝的回收率尽可能高。

（2）如何避免Al2O3夹杂的有害作用

对于加铝方法，将一部法加铝改为两部法加铝：

①出钢时加铝量脱除钢水中超出C—O平衡的过剩氧量：

②精炼加铝量为脱除C相平衡的氧+目标铝含量（喂铝线）。

钢水中与酸溶铝[Al]s相平衡的[O]D很低，为（2～6）×10-6，脱氧产物全部为Al2O3，其害处是：①Al2O3熔点高（2050℃），钢水中呈固态；②可浇性差，堵水口；③Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能，尤其是深冲薄板的表面缺陷。

改变形态为此，采用钙处理（喂Si-Ca线或Ca线）来改变Al2O3形态。

（1）加铝较少

[Al]s较低，采用轻钙处理

轻钙处理后生成钙长石CaO·Al2O3·SiO2(CaO20%～25%，Al2O337%，SiO244%)或钙黄长石2CaO·Al2O3·SiO2（CaO40%，Al2O337%，SiO222%）。希望把夹杂物成分控制在CaO-SiO2-Al2O3相图中的阴影区。夹杂物钙长石熔点低（1200～1400℃），在钢液中易上浮，可浇性好，不堵水口；热轧时夹杂物易变形不会发生拉拔脆断现象。

（2）加铝较多

[Al]s较高，采用重钙处理

溶解钙与钢水中固相Al2O3生成不同组成的铝酸钙（CaO-Al2O3）夹杂，CaO和Al2O3生成五个中间相。应控制钢中钙含量，避免生成中间相CA6、CA2、CA而生成液相的12CaO·7Al2O3，有利于夹杂物上浮，也能够防止水口堵塞。

生成的铝酸钙夹杂中富集CaO，具有高的硫容量，能吸收足够的硫，当钢水凝固时，夹杂物中硫的溶解度降低，硫化物沉淀形成中心为铝酸钙CaO-Al2O3，外壳为CaS的双相夹杂。

钢中加入的Ca除与反应外，还能与硫反应生成CaS。CaS也会引起水口堵塞。为提高钙处理转变Al2O3为12CaO·7Al2O3的效率，应控制钢水中的硫含量小于0.01%。若S=0.010%～0.015%，钙处理后有CaS生成；S=0.030%～0.040%时，钙处理首先生成CaS，CaS堵塞水口严重。

对于铝镇静钢，钙处理后：①解决了可浇性，不堵水口；②夹杂物易上浮去除；③消除了Al2O3不变形夹杂物对钢性能的有害作用。

低碳铝镇静钢低碳铝镇静钢（LCAK 钢）常用于冰箱等家电面板的原材料， 随着社会的进步， 用户对低碳铝镇静钢冷轧板的质量要求也越来越高， 这就要求铸坯需要有高的洁净度。作为典型的非稳态浇铸， 连铸开浇阶段由于浇铸状态的极不稳定， 很容易引起结晶器保护渣的卷入和钢水的严重二次氧化。

对于低碳铝镇静钢而言， 恶化头坯洁净度的主要因素是中间包二次氧化， 并且除了由空气造成的中间包二次氧化外， 更大程度上的二次氧化是由中间包耐火材料及覆盖渣等因素造成的。

因此， 欲改善低碳铝镇静钢（LCAK 钢）钢头坯洁净度， 可从以下5个方面进行。

（1）保证耐火材料的质量， 使用低硅耐火材料， 并提高砌筑中间包耐火材料内衬的水平， 使其更光滑；

（2）保证中间包和水口的烘烤时间， 防止内含水分污染钢液；

（3）增强保护浇注， 在开浇前往中间包和结晶器中通入大量氩气进行氩洗， 并尽可能使用密闭中间包以减少钢液的吸气。有研究得出：中间包容量为60t 时， 以4500 L/min 的流量吹氩6min 可使中间包内气氛中氧浓度降至0.2%以下；

（4）使用低氧化性的中间包覆盖渣。有研究发现：由于能够降低渣中SiO2 活度， 采用高碱度渣时能较好地降低中间包钢液的氧含量；

（5）等中间包到达一定液位后再开浇。

（6）减小开浇时拉速的增加速率，减小液面的剧烈波动， 以减少结晶器保护渣的卷入3。